第十一章 第三节 有电介质时的静电场和高斯定理
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§04-11-03

有电介质时的静电场和

高斯定理



静电起电机

静电起电机是由英国科学家——豪克斯比(Francis Hauksbee,1666-1713)于公元1710年发明的。经过不断改良,它所能产生的电荷越来越多。静电起电机除了被科学家用来研究电的性质之外,还应用在公开场合示范壮观的电火花。上图的静电起电机是杰出的科学仪器制作家亚当斯(George Adams,1750-1795)的作品。

 

  有电荷,就会激发电场。因此,不但自由电荷要激发电场,电介质中的束缚电荷同样也要在它周围空间(无论电介质内部或外部)激发电场。故按电场强度叠加原理,在这种有电介质时的电场中,某点的总场强,应等于自由电荷和束缚电荷分别在该点激发的场强之矢量和,即

  现在我们把真空中静电场的高斯定理,推广到有电介质时的静电场中去。今在有电介质时的静电场中,任意作一高斯面,被它所包围的电荷除自由电荷外,还存在束缚电荷,由高斯定理:

                                    (a)

由于介质中的束缚电荷难于测定,须在(a)式中用有关物理量来取代 。在上一节中说过,由于电介质的极化,在介质上要出现束缚电荷。因而,描述介质极化程度的电极化强度与束缚电荷之间必然存在着一定的关系。可以证明(从略),在均匀电介质中,对于上述任取的高斯面,电极化强度 的曲面积分与该高斯面所包围的束缚电荷存在着如下关系,即
                                 (b)
把式(b)代入式(a)中,成为 移项,得

                          (c)

把矢量和称为电位移矢量。即 (3a)则由上式,便可把式(c) 写成如下形式:

                              (3b)

这就是有电介质时静电场的高斯定理表达式。

  电位移的单位是C/ (库每平方米)。

  由式(3a) 所定义的矢量,是表述有电介质时电场性质的一个辅助量,在有电介质时的电场中,各点的场强都对应着一个电位移。因此,在这种电场中,仿照电场线的画法,就可以作一系列电位移线(或线),线上每点的切线方向就是该点电位移矢量的方向,并令垂直于线单位面 积上通过的线条数,在数值上等于该点电位移 的大小;而称为通过面积元电位移通量。因此,有电介质时静电场的高斯定理可表述为:通过有电介质时静电场中任一闭合面的电位移通量,在数值上等于该闭合面所包围的自由电荷之代数和(式3b)。这也表明电位移线从正的自由电荷发出,终止于负的自由电荷;而不象电场线那样,起迄于包括自由电荷和束缚电荷在内的各种正、负电荷。读者对此务须区别清楚。(请观看右上图的flash演示)

  对各向同性电介质,由式(3a),因,故:

               (3c)
令:

(3d)式中,称为电介质的相对电容率,称为电介质的电容率,是真空电容率。都是表征电介质性质的。没有单位,是一个大于1的纯数。显然,有相同的单位。在表11-1中或物理手册中所列的通常都是相对电容率,读者在解题或需用时可查阅。


  现在我们将式(3d)代入式(3c),得

                                 (3e)

上式称为电介质的性质方程。对于各向同性的均匀电介质。由于是正的恒量,从式(3d)可知,也是正的恒量;因此电场中各点的方向相同,在数值上,。

  利用有电介质时静电场的高斯定理,有时可以较方便地求解有电介质时的电场问题。当已知自由电荷的分布时,可先由式(3b) 求得;由于可用实验测定,因而也是已知的,于是再通过性质方程(3e),便可求出电介质中的场强E =D /ε

  根据以上所述,我们先来讨论一个半径为、电荷为的导体球(左下图),在它周围充满电容率为的无限大均匀电介质中任一点的场强和电势。上一章说过,在没有电介质时,均匀分布在导体球表面上的自由电荷所激发的电场是球对称的;而今在球的周围充满均匀电介质,束缚电荷将均匀分布在与导体球表面相毗邻的介质边界面上,它无异是一个均匀地带异种电荷,且与导体球半径相同的同心球面,故而它所激发的电场也是球对称的。因此由自由电荷和束缚电荷在电介质内共同激发的总电场是球对称的,可用高斯定理计算。(观看详解)

  从式(11-10)和式(11-11)出发(11-10,11-11参见详解),分别利用电场强度和电势的叠加原理,与求解真空中静电场问题相仿,可以求解均匀电介质中的电场问题。所得的结果与真空中的完全类同,只不过将换成而已。