严正安
严正安

有介质的高斯定理详细证明（电偶极子模型）以及例题讲解

目录

静电场中的电介质

电极化强度的引入

电偶极子模型的计算

电介质极化过程

极化电荷引入

推导

各向同性和线性的电介质

例题

静电场中的电介质

电介质与导体的区别：所有的粒子被束缚在原子核周围（限制空间）

电介质分为两种

1.无极性分子电介质 没有电场的时候，不显电性，但是分子的正负电荷中心是重合的

一旦受到电场，会产生极化，正负电荷中心被拉开，我们称之为位移极化

2.有极性分子电介质 虽然正负电荷中心不重合，但是由于热运动，仍然随机无规则分布，不显电性

此时我们施加电场，将会重新排布，我们称之为转向极化 

原先电介质对于外电场没有影响，但是极化以后，电介质会产生极化电荷，极化电荷会反过来作用于外电场，所以我们必须重新考虑高斯定律

电极化强度的引入

假定电介质由一个又一个分子构成，分子受到电场作用的时候，正负中心会被拉开，所以无极性分子会变成极性分子

此时我们就需要考虑单个有极性分子对外电场区域的电场力该怎么计算？

电偶极子模型的计算

有介质的高斯定理详细证明（电偶极子模型）以及例题讲解_第1张图片

 由此可以看出极化之后产生的有极性分子（电偶极子）对于外电场区域的作用

可以写成

\Delta \phi (r)=\sum所有电偶极子的电势之和

\Delta \phi (r)=\sum \frac{\vec p_{i} \cdot \vec e_R}{ 4 \pi \varepsilon_0 R^2} (i=1,2,3,...n)其中n为电偶极子的个数

在物理中我们习惯性从平均的角度思考问题，所以我们会想着求单位体积的电偶极子对外电场区域的作用，此时我们定义电极化强度 

\vec p=\lim_{\Delta v \to 0}\frac{\sum \vec P_{i}}{\Delta v}

这样电极化强度就会变成一个有三个变量的函数，求和也就会变成积分,对于外电场区域的作用就会变成

 \Delta \phi (r)=\int_{V^{\prime}} \frac{\vec p \cdot \vec e_R}{ 4 \pi \varepsilon_0 R^2} dV^{\prime}

由此我们就完成了从无穷到积分的引入，而p向量就变成在那一点出被极化出的等效电偶极子的电偶极矩

电介质极化过程

极化电荷引入

因为在原先的模型中，被极化过后的电介质，变成了一个区域，区域中的每一个点都有对应的电偶极矩，都可以对外电场区域产生作用，但是我们在计算作用的时候，更喜欢等效成电荷，而并非电偶极子

所以我们还需要把由电偶极子组成的空间区域等效成由极化电荷组成的区域

所以我们假设区域内存在体电荷，面电荷和线电荷以及电荷，然后根据我们最后的推导结果，看一看究竟是什么样子的

推导

 此时根据电偶极子模型

电介质所产生的电位

\varphi(\vec r)=\int_{V} \frac{\vec p (\vec r^{\prime})dV^{\prime} \cdot \vec e_{R}}{4 \pi \varepsilon_{0}R^{2}}

结合\nabla^{\prime}(\frac{1}{R})=\frac{\vec e_{R}}{R^{2}}

代入\varphi(\vec r)=\int_{V} \frac{\vec p (\vec r^{\prime})dV^{\prime} \cdot \vec e_{R}}{4 \pi \varepsilon_{0}R^{2}}

 \varphi(\vec r)=\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{V} \vec p(\vec r^{\prime}) \nabla^{\prime} (\frac{1}{R})d v^{\prime}

结合公式\nabla \cdot (\frac{\vec p}{R}) =\vec p \cdot \nabla (\frac{1}{R})+\frac{1}{R}\nabla \cdot\vec p

变换一下形式可以得到\nabla^{\prime} \cdot (\frac{\vec p(\vec r^{\prime})}{R}) =\vec p(\vec r^{\prime}) \cdot \nabla^{\prime} (\frac{1}{R})+\frac{1}{R}\nabla^{\prime} \cdot\vec p(\vec r^{\prime})

代入\varphi(\vec r)=\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{V} \vec p(\vec r^{\prime}) \nabla^{\prime} (\frac{1}{R})d v^{\prime}

可以得到

\varphi(\vec r)=\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{V} \nabla^{\prime} \cdot (\frac{\vec p(\vec r^{\prime})}{R}) -\frac{1}{R}\nabla^{\prime} \cdot\vec p(\vec r^{\prime})d v^{\prime}=\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{V} \nabla^{\prime} \cdot (\frac{\vec p(\vec r^{\prime})}{R}) d V^{\prime}-\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{V}\frac{1}{R}\nabla^{\prime} \cdot\vec p(\vec r^{\prime})d V^{\prime}

 利用高斯公式

\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{V} \nabla^{\prime} \cdot (\frac{\vec p(\vec r^{\prime})}{R}) d V^{\prime}=\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{S} \frac{\vec p(\vec r^{\prime})}{R}\cdot \vec S

可以得到

\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{V} \nabla^{\prime} \cdot (\frac{\vec p(\vec r^{\prime})}{R}) d V^{\prime}-\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{V}\frac{1}{R}\nabla^{\prime} \cdot\vec p(\vec r^{\prime})d V^{\prime}=\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{S} \frac{\vec p(\vec r^{\prime})}{R}\cdot d\vec S^{\prime}+\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{V}\frac{1}{R}\nabla^{\prime} \cdot\vec p(\vec r^{\prime})d V^{\prime}

如果取\rho_{p}=-\nabla \cdot \vec p,\sigma_{p}=\vec p \cdot \vec e_{n}

可以得到 

\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{S} \frac{\vec p(\vec r^{\prime})}{R}\cdot \vec S+\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0} }\int_{V}\frac{1}{R}\nabla^{\prime} \cdot\vec p(\vec r^{\prime})d V^{\prime}=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \int_S \frac{\sigma_{p} dS^{\prime}}{R}+\frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \int_S \frac{\rho_{p} dV^{\prime}}{R}

然后我们就可以发现，右边的等式就是可以看作由体电荷和面电荷组成，所以我们就可以做出了极化电荷模型

所以一个被电场极化过后的电介质，我们可以把它等效成空间区域内由体极化电荷组成，表面由面极化电荷组成的一个区域，由此我们完成了模型的简化

\sigma_p=\vec P \cdot \vec e_n

\rho_p=- \nabla \cdot \vec P

各向同性和线性的电介质

此时我们引入各向同性和线性的电介质，进一步简化极化

使得电极化强度和电场无关，\vec p=X_{e}\varepsilon_{0}\vec E

例题

有介质的高斯定理详细证明（电偶极子模型）以及例题讲解_第2张图片

有介质的高斯定理详细证明（电偶极子模型）以及例题讲解_第3张图片

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          在宇宙中,用贝塔射线观测地球某个部分,看上去,好像一个个马蜂窝,又像珊瑚礁一样,原来是某个国家的采煤区.....       不过,这个采煤区的煤炭看来是要用完了.....那么依赖将起燃烧并取暖的城市,在极度严寒的季节中...该怎么办呢?   &nbs
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       ab 的全称是 ApacheBench ， 是 Apache 附带的一个小工具 ， 专门用于 HTTP Server 的 benchmark testing ， 可以同时模拟多个并发请求。前段时间看到公司的开发人员也在用它作一些测试，看起来也不错，很简单，也很容易使用，所以今天花一点时间看了一下。 通过下面的一个简单的例子和注释，相信大家可以更容易理解这个工具的使用。
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    // 左移( << ) 低位补0 // 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0110 然后左移2位后，低位补0： // 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 1000 System.out.println(6 << 2);// 运行结果是24 // 右移( >> ) 高位补"
  • mysql免安装版配置 ldzyz007 mysql
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  • MFC和ado数据库使用时遇到的问题 你不认识的休道人 sqlC++mfc
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  • 表单重复提交Double Submits rensanning double
    可能发生的场景： *多次点击提交按钮 *刷新页面 *点击浏览器回退按钮 *直接访问收藏夹中的地址 *重复发送HTTP请求（Ajax） （1）点击按钮后disable该按钮一会儿，这样能避免急躁的用户频繁点击按钮。 这种方法确实有些粗暴，友好一点的可以把按钮的文字变一下做个提示，比如Bootstrap的做法： http://getbootstrap.co
  • Java String 十大常见问题 tomcat_oracle java正则表达式
    　1.字符串比较，使用“==”还是equals()? 　　"=="判断两个引用的是不是同一个内存地址(同一个物理对象)。 　　equals()判断两个字符串的值是否相等。 　　除非你想判断两个string引用是否同一个对象，否则应该总是使用equals()方法。 　　如果你了解字符串的驻留(String Interning)则会更好地理解这个问题。 　 　
  • SpringMVC 登陆拦截器实现登陆控制 xp9802 springMVC
    思路，先登陆后，将登陆信息存储在session中，然后通过拦截器，对系统中的页面和资源进行访问拦截，同时对于登陆本身相关的页面和资源不拦截。   实现方法： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
按字母分类： ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ其他