第四节电位移有电介质时的高斯定理
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
8-4 电位移 有电介质时的高斯定理 在高斯面内不仅会有自由电荷，而且还会有极化电荷。这时，高斯定理应有些什么变化呢？ 我们仍以在平行平板电容器中充满各向同性的均匀电介质为例来进行讨论。在如下图所示的情形中，取一闭合的正柱面作为高斯面，高斯面的两端面与极板平行，其中一个端面在电介质内，端面的面积为S 。设极板上的自由电荷面密度为0σ，电介质表面上的极化电荷面密度为σ'。由高斯定理，有 ? '-= ?s Q Q 00 ) (1 d εS E （8-12） 式中Q Q ' 和0分别为S Q S Q σσ'='= 00和。我们不希望在式（8-12）中出现极化电荷，利用前节讨论的结果，我们可以计算出 r 00/εQ Q Q ='- （8-13） 把它代入（8-12）有 ? = ?s Q r 00 d εεS E 或 ?=?s Q r 0d S E εε （8-14） 现在不妨，令 E E D εεε==r 0 （8-15） 其中εεε=r 0叫做电介质的电容率。那么式（8-14）可写成 ?=?s Q d S D （8-16） 式中D 称作电位移，而??s S D d 则是通过任意闭合曲面S 的电位移通量。D 的单位为 2m C -?
讨论：证明: 关于 r Q Q Q ε0 0= '-的证明 电介质中的电场强度E 应为 E E E '+=0 考虑到E '的方向与0E 的方向相反，以及E 与E '的关系式（8-9），可得电介质中电场强度E 的值为 r 0 0εE E E E = '-= 故 r r 1 E E εε-= ' 因为 0/εσ' ='E ，000/εσ=E 从而可得 0r r 1 σεεσ-= ' 由于S Q 00σ=、S Q σ' ='，故上式亦可写成 0r r 1 Q Q εε-= ' 即 r Q Q Q ε0 0= '- 式（8-16）虽是从平行板电容器得出的，但可以证明在一般情况下它也是正确的。故 有 电介质时的高斯定理可叙述如下： 在静电场中，通过任意闭合曲面的电位移通量等于该闭合曲面内所包围的自由电荷的代数和，其数学表达式为 ??s S D d ∑ ==n i i Q 1 0 （8-17） 可以看出，电位移通量只和自由电荷联系在一起。
第 2 章静电场 2.4 介质中的静电场方程 2.4.2 介质中的高斯定律
1.介质中高斯定律的微分形式 ερ = ??E 0 ερρp += ??E （真空中）（电介质中）定义电位移矢量（Displacement ） ?D 线从正的自由电荷发出而终止于负的自由电荷。 D ——辅助矢量，又称电通密度，C /m 2代入P ?-?=p ρ) (1 P E 0 ??-=??ρερ ε=+??)(0P E P E D +=0ε则有 ρ =??D 电介质中高斯定律的微分形式 为自由电荷体密度 ρ
2. 介质中高斯定律的积分形式 ? ∑=?S q S D d 介质中高斯定律的积分形式 ? ∑∑+= ?S q q ) (S E p 0 1 d ε代入??-=S p q S P d ??∑?-=?S S q S P S E d d 0 ε?∑?=?+?S S q S P S E d d 0 ε?∑=?+S q S P E d )(0 εq 为闭合面包围的自由电荷
? D 线由正的自由电荷出发，终止于负的自由电荷；? P 线由负的极化电荷出发，终止于正的极化电荷。 ? E 线由正电荷出发，终止于负电荷； D 线 E 线 P 线 D 、 E 与P 三者之间的关系 图示平行板电容器中放入介质板后，其D 线、E 线和P 线的分布。
3.D 和E 的关系D = ε0E + P P = χe ε0E ?? ?? D = ε0 E +χe ε0E = ε0(1+χe ) E = ε0εr E = εE D = εE 介质的本构关系或组成关系 e r 1χεε ε+==ε——介质的电容率（介电常数）F/m εr ——介质的相对电容率（相对介电常数）无量纲 χe 、εr 和ε的取值取决于媒质的特性
用高斯定理求解有电介质时的电场强度 物理与电信工程学院 10级课程与教学论 张雅琪 2010021539 在电介质中，由电场引起的极化电荷会激发附加电场，使原电场发生改变，反过来又会影响极化情况。如此相互影响，最终达到平衡。在直接计算空间场强时会遇到如下困难：要由电荷分布求场强E ，必须同时知道自由电荷及极化电荷 的密度，而极化电荷密度取决于极化强度P 【V dS P S ????-='ρ，n e P P ?-=)('12σ】， P 又取决于E （E P χε0=），这就似乎形成计算上的循环。高斯定理通过列出有 关E 、P 、'ρ、'σ的数量足够的方程，然后联立求解，同时引入一个新矢量场D 以消去'ρ和'σ，方便求解。 当空间有电介质时，只要把自由电荷和极化电荷同时考虑在内，可以得到有电介质的高斯定理 ??=?S q dS D 0 其中P E D +≡0ε. 如图1所示，假设有一厚度为b 的无限大均匀介质平板中有体密度为0ρ的均匀分布自由电荷，平板的相对介电常数为r ε， 两侧分别充满相对介电常数为1r ε和2r ε的均匀介质.要求板内外的电场强度E ，首先分析介质平板中激发电场的电荷分 布，因介质板内有自由电荷0ρ，在自由电荷处对应的极化电荷密度为 01 'ρεερr r -- = 总电荷体密度为 r ερ ρρρ00'=+= 因此，平板中电荷为均匀分布.另外，在介质板两侧为不同的介质，由于21r r εε≠，故在两界面上的极化电荷面密度 图2 1r ε2 r ε图1
21''σσ≠.在板内存在一个电场强度0=E 的平面'OO ，不妨称它为零电场面.此面 的电位移矢量0=D ,如图2.以'OO 面为基面,向两侧作底面积为S ,垂直'OO 面伸出平板外的柱体,柱体的表面为高斯面,根据对称性,E 与D 的方向垂直介质板的表面,因此高斯面侧面的电通量为0.两个高斯面包围的自由电荷的电荷量分别为 10Sb ρ和20Sb ρ.根据介质中高斯定理,求得介质板两侧的电位移矢量为 n n e b D e b D 202101,ρρ== 两侧的电场强度为 n r n r e b E e b E 2 020210101,εερεερ== 单位矢n e 的方向为背向介质板表面,如图 2所示,介质板两侧的电场的大小相等,即21E E =.因而 2 2 1 1 r r b b εε= 因21b b b +=,求得零电场面的位置 2 1212111,r r r r r r b b b b εεεεεε+= += 用i 表示方向向右的单位矢,则板外两侧介质的电场为 i b E r r ) (2100εεερ+± = 同理,以零电场面为基面在板内作底面积为S 、长为x 的高斯面，求得介质板内电位移矢量为 xi D 0ρ=内 板内的电场强度为 i x E r εερ00= 内 式中x 为板内场点的坐标.
浙江省大学物理试题库302-静电场的高斯 定理
－ 选择题 题号：30212001 分值：3分 难度系数等级：2 如图所示，任一闭合曲面S 内有一点电荷q ，O 为S 面上任一点，若将q 由闭合曲面内的P 点移到T 点，且OP=OT ，那么 ()A 穿过S 面的电通量改变，O 点的场强大小不变； ()B 穿过S 面的电通量改变，O 点的场强大小改变； ()C 穿过S 面的电通量不变，O 点的场强大小改变； ()D 穿过S 面的电通量不变，O 点的场强大小不变。 〔 〕 答案：()C 题号：30213002 分值：3分 难度系数等级：3 关于高斯定理的理解有下面几种说法，其中正确的是： ()A 如果高斯面上E 处处为零，则该面内必无电荷； ()B 如果高斯面内无电荷，则高斯面上E 处处为零； ()C 如果高斯面上E 处处不为零，则高斯面内必有电荷； ()D 如果高斯面内有净电荷，则通过高斯面的电场强度通量必不为零。 〔 〕 答案：()D 题号：30213003 分值：3分 难度系数等级：3 如在边长为a 的正立方体中心有一个电量为q 的点电荷，则通过该立方体任一面的电场强度通量为 ()A 0/q ； ()B 0/2q ； ()C 0/4q ； ()D 0/6q 。 〔 〕 答案：()D 题号：30212004 分值：3分 难度系数等级：2 如图所示，闭合面S 内有一点电荷Q ，P 为S 面上一点，在S 面外A 点有一点电荷'Q ，若将电荷'Q 移至B 点，则； ()A S 面的总通量改变，P 点场强不变； ()B S 面的总通量不变，P 点场强改变； ()C S 面的总通量和P 点场强都不变； ()D S 面的总通量和P 点场强都改变。 〔 〕 Q ’ A P S Q B
8-4 电位移 有电介质时的高斯定理 在高斯面内不仅会有自由电荷，而且还会有极化电荷。这时，高斯定理应有些什么变化呢？ 我们仍以在平行平板电容器中充满各向同性的均匀电介质为例来进行讨论。在如下图所示的情形中，取一闭合的正柱面作为高斯面，高斯面的两端面与极板平行，其中一个端面在电介质内，端面的面积为S 。设极板上的自由电荷面密度为0σ，电介质表面上的极化电荷面密度为σ'。由高斯定理，有 ?'-=?s Q Q 00 ) (1 d ε S E （8-12） 式中Q Q ' 和0分别为S Q S Q σσ'='= 00和。我们不希望在式（8-12）中出现极化电荷，利用前节讨论的结果，我们可以计算出 r 00/εQ Q Q ='- （8-13） 把它代入（8-12）有 ? = ?s Q r 00 d εεS E 或 ?=?s Q r 0d S E εε （8-14） 现在不妨，令 E E D εεε==r 0 （8-15） 其中εεε=r 0叫做电介质的电容率。那么式（8-14）可写成 ?=?s Q d S D （8-16） 式中D 称作电位移，而??s S D d 则是通过任意闭合曲面S 的电位移通量。D 的单位为 2m C -?
讨论：证明: 关于 r Q Q Q ε0 0= '-的证明 电介质中的电场强度E 应为 E E E '+=0 考虑到E '的方向与0E 的方向相反，以及E 与E '的关系式（8-9），可得电介质中电场强度E 的值为 r 0 0εE E E E = '-= 故 r r 1 E E εε-= ' 因为 0/εσ' ='E ，000/εσ=E 从而可得 0r r 1 σεεσ-= ' 由于S Q 00σ=、S Q σ' ='，故上式亦可写成 0r r 1 Q Q εε-= ' 即 r Q Q Q ε0 0= '- 式（8-16）虽是从平行板电容器得出的，但可以证明在一般情况下它也是正确的。故 有 电介质时的高斯定理可叙述如下： 在静电场中，通过任意闭合曲面的电位移通量等于该闭合曲面内所包围的自由电荷的代数和，其数学表达式为 ??s S D d ∑ ==n i i Q 1 0 （8-17） 可以看出，电位移通量只和自由电荷联系在一起。
－ 选择题 题号：30212019 分值：3分 难度系数等级：2 如图所示，任一闭合曲面S 内有一点电荷q ，O 为S 面上任一点，若将q 由闭合曲面内的P 点移到T 点，且OP=OT ，那么 ()A 穿过S 面的电通量改变，O 点的场强大小不变； ()B 穿过S 面的电通量改变，O 点的场强大小改变； ()C 穿过S 面的电通量不变，O 点的场强大小改变； ()D 穿过S 面的电通量不变，O 点的场强大小不变。 〔 〕 答案：()C 题号：30213002 分值：3分 难度系数等级：3 关于高斯定理的理解有下面几种说法，其中正确的是： ()A 如果高斯面上E 处处为零，则该面内必无电荷； ()B 如果高斯面内无电荷，则高斯面上E 处处为零； ()C 如果高斯面上E 处处不为零，则高斯面内必有电荷； ()D 如果高斯面内有净电荷， 则通过高斯面的电场强度通量必不为零。 〔 〕 答案：()D 题号：30213003 分值：3分 难度系数等级：3 如在边长为a 的正立方体中心有一个电量为q 的点电荷，则通过该立方体任一面的电场强度通量为 ()A 0/q ； ()B 0/2q ； ()C 0/4q ； ()D 0/6q 。 〔 〕 答案：()D 题号：30212019 分值：3分 难度系数等级：2 如图所示，闭合面S 内有一点电荷Q ，P 为S 面上一点，在S 面外A 点有一点电荷'Q ，若将电荷'Q 移至B 点，则； ()A S 面的总通量改变，P 点场强不变； ()B S 面的总通量不变，P 点场强改变； ()C S 面的总通量和P 点场强都不变； ()D S 面的总通量和P 点场强都改变。 〔 〕 答案：()B 题号：30214005 分值：3分 难度系数等级：4 在电场强度为E Ej v v 的匀强电场中，有一如图所示的三棱柱，取表面的法线向外，设过面AA'CO ，面B'BOC ，面ABB'A'的电通量为1 ， 2 ， 3 ，则 ()A 1230Ebc Ebc ； ()B 1230Eac Eac ； ()C 22 123Eac Ec a b Ebc ； x y z a b c E O A A B B C Q ’ A P S Q B
单元十三磁通量和磁场的高斯定理 1 一选择题 01. 磁场中高斯定理：0 S B dS ?= ?v v ?，以下说法正确的是：【D】 (A) 高斯定理只适用于封闭曲面中没有永磁体和电流的情况； (B) 高斯定理只适用于封闭曲面中没有电流的情况； (C) 高斯定理只适用于稳恒磁场； (D) 高斯定理也适用于交变磁场。 02. 在地球北半球的某区域，磁感应强度的大小为5 410T - ?，方向与铅直线成0 60。则穿过面积为2 1m的水平平面的磁通量【C】 (A) 0；(B) 5 410Wb - ?；(C) 5 210Wb - ?；(D) 5 3.4610Wb - ?。 03. 一边长为2 l m =的立方体在坐标系的正方向放置，其中一个顶点与坐标系的原点重合。有一均匀磁场(1063) B i j k =++ v v v v 通过立方体所在区域，通过立方体的总的磁通量有【A】 (A) 0；(B) 40Wb；(C) 24Wb；(D) 12Wb。 二填空题 04. 一半径为a的无限长直载流导线，沿轴向均匀地流有电流I。若作一个半径为5 R a =、高为l的柱形曲面，已知此柱形曲面的轴与载流导线的轴平行且相距3a(如图所示)，则B v 在圆柱侧面S上的 积分: 0 S B dS ?= ?v v ?。 05. 在匀强磁场B v 中，取一半径为R的圆，圆面的法线n v 与B v 成0 60角，如图所示，则通过以该圆周为边线的如图所示的任意曲面S的磁通量：2 1 2 m S B dS B R π Φ=?=- ?v v 。 06. 半径为R的细圆环均匀带电，电荷线密度为λ，若圆环以角速度ω绕通过环心并垂直于环面的 轴匀速转动，则环心处的磁感应强度 00 1 2 Bμλω =，轴线上任一点的磁感应强度 3 223/2 2() R B R x μλω = + 。 07. 一电量为q的带电粒子以角速度ω作半径为R的匀速率圆运动，在圆心处产生的磁感应强度 填空题_04图示填空题_05图示
第7章 静电场中的导体和电介质 习题及答案 1. 半径分别为R 和r 的两个导体球，相距甚远。用细导线连接两球并使它带电，电荷面密度分别为1σ和2σ。忽略两个导体球的静电相互作用和细导线上电荷对导体球上电荷分布的影响。试证明： R r =21σσ 。 证明：因为两球相距甚远，半径为R 的导体球在半径为r 的导体球上产生的电势忽略不计，半径为r 的导体球在半径为R 的导体球上产生的电势忽略不计，所以 半径为R 的导体球的电势为 R R V 0211π4επσ= 14εσR = 半径为r 的导体球的电势为 r r V 0222π4επσ= 24εσr = 用细导线连接两球，有21V V =，所以 R r =21σσ 2. 证明：对于两个无限大的平行平面带电导体板来说，(1)相向的两面上，电荷的面密度总是大小相等而符号相反；(2)相背的两面上，电荷的面密度总是大小相等而符号相同。 证明: 如图所示，设两导体A 、B 的四个平面均匀带电的电荷面密度依次为1σ，2σ，3σ， 4σ （1）取与平面垂直且底面分别在A 、B 内部的闭合圆柱面为高斯面，由高斯定理得 S S d E S ?+= =??)(1 0320 σσε 故 +2σ03=σ 上式说明相向两面上电荷面密度大小相等、符号相反。 （2）在A 内部任取一点P ，则其场强为零，并且它是由四个均匀带电平面产生的场强叠加而成的，即 022220 4 030201=---εσεσεσεσ 又 +2σ03=σ 故 1σ4σ= 3. 半径为R 的金属球离地面很远，并用导线与地相联，在与球心相距为R d 3=处有一点电荷+q ，试求：金属球上的感应电荷的电量。 解：如图所示，设金属球表面感应电荷为q '，金属球接地时电势0=V 由电势叠加原理，球心电势为 = O V R q dq R 3π4π41 00εε+ ? 03π4π400=+'=R q R q εε 故 - ='q 3 q 4．半径为1R 的导体球，带有电量q ，球外有内外半径分别为2R 、3R 的同心导体球壳，球壳