校内讲义
电 介 质 物 理
二〇〇六年十二月
i 前 言
电介质是在电场作用下具有极化能力并能在其中长期存在电场的一种物质。其特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中其主要作用的是束缚电荷。极化是电介质的基本属性，也是电介质多种实际应用（如储存静电能）的基础。
电介质物理学主要是研究界之内不束缚电荷在电场（包括光频电场）、应力、温度等作用下的电极化及运动过程，阐明电极化规律与介质结构的关系，揭示介质宏观介电性质的微观机制，同时也研究介电性质的测量方法，以及各种电介质的性能，进而发展电介质的效用。电介质的物理形态可以是气体、液体或固体，自然界中分布极广，本讲义主要介绍固体电介质。
电介质与金属对电场的响应特性是不同的，金属中的电子是共有化的，金属内有自由载流子，使金属具有良好的导电性，它们以传导的方式来传递电的作用和影响。在电介质体内，一般情况下只具有被束缚的电荷，在电场的作用下只能以感应的方式，即电极化（在电场作用下正、负电荷中心不重合）的方式来传递和记录电的影响。尽管对不同种类的电介质，电极化的机制各不相同，但是以电极化方式响应电场的作用却是共同的。因此，研究电介质在电场作用下发生极化的物理过程并推导出相应的规律，是电介质物理的重要课题之一。
由于实际电介质与理想电介质不同，在电场作用下，实际电介质存在泄漏电流和电能的耗散以及在强电场下可能导致的电介质破坏，因此，电介质物理除了研究极化外，还要研究有关电介质的电导、损耗、以及击穿特性。这些就是经典的电介质物理研究的主要内容。
20世纪20年代，关于原子结构和分子结构的研究开始发展的时候，电极化基本过程的研究也发展起来，它从物理学分离出来并成为一个独立分支。目前备受关注的课题包括：（1）材料性质的第一性原理计算；（2）驰豫铁电体；（3）非均匀介质；（4）有限尺寸材料；（5）电解质的驰豫特性研究；（6）微波介质和低介电常数材料
第13章电介质
一、电极化强度
1、电极化强度是描述电介质极化强弱程度的物理量，定义单位为体积内分子电偶极矩的矢量和，即： 。
2、电极化规律，电极化强度与介质中的电场强度成正比，比例系数叫电极化率，各项同性时
3、极化强度与极化电荷面密度的关系
式中为极化强度与介质表面外法线方向的夹角。
两介质界面
二、电介质中的高斯定理 电位移矢量
1、高斯定理 在有介质条件下的应用。
由真空中的高斯定理，在介质中考虑到极化电荷的影响
又
得
2、电位移矢量
定义：
3、介质中的高斯定理
引进电位移矢量之后使介质中的高斯定理形式简化，闭合曲面的电位移通量只和自由电荷有关，而与电介质的极化电荷无关。应注意极化电荷（或极化强度）的作用隐含在电位移矢量中，所以电位移矢量既描述了介质中的场强也描述了介质的极化。
4、各向同性均匀电介质充满电场所在空间，或各向同性均匀电介质的表面是等势面时，参量，，等之间的相互关系。
由定义式 及
可得：
在上述条件下并且有
5、介质的击穿
在很强的电场作用下介质的绝缘性能会遭到破坏，这称为介质的击穿。某种介质能承受的最大电场强度叫做击穿场强。
三、电场的边值关系（在边界面上无自由电荷的条件下）
1、电介质分界面两边电位移的法向分量相等，即
2、电介质分解面两边电场强度的切向分量相等，即
3、电位移线的折射定律
四、电场的能量
1、点电荷的能量
或 或
2、电荷连续分布时的电能
对体电荷分布
对面电荷分布
3、电场的能量
电场的能量密度
五、各向同性介质中静电场量基本关系
第13章 电介质
【例13-1】如题图13-1a所示平行板电容器，两板间距为。将它充电至电势差为，然后断开电源，插入的相对介电常数为的电介质平板
第14章 二极管和晶体管
本章要求：
1．理解PN结的单向导电性，晶体管的电流分配和电流放大作用；
2．了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；
3．会分析含有二极管的电路。
重点：
1．PN结单向导电性；
2．晶体管的电流分配和电流放大作用。
难点：
1．晶体管载流子运动；
2．二极管电路分析。
14.1 半导体的导电特性
半导体的导电特性：
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。
14.1.1 本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的鍺、硅、硒，称为本征半导体。
晶体中原子以共价键结合，共价键中的两个电子，称为价电子。价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。
所以，半导体有两种导电粒子（载流子）：自由电子、空穴。当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移运动），在半导体中将出现两部分电流：自由电子作定向运动形成的电子电流、价电子递补空穴运动形成的空穴电流。
温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多，载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 14.1.2 N型半导体和 P 型半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素），形成杂质半导体。
掺入五价元素后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。
掺入三价元素后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
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大学物理C2 课教学日历
上课班级 全校理工科学生70个班级 学时数 56
2012 年 下 半年 教材名称 大学物理（华中科技大学出版社） 编者 程永进
次序 教学内容 学时安排 阶段总结方式 备注 讲课 实习 自学
1 第13章 真空中的静电场
13.1 电荷守恒定律 库仑定律
13.2 电场强度 场的叠加原理 2学时
作业11
2 13.2 电场强度 场的叠加原理(举例)
13.3 电场线 电通量 …… 2学时
3 13.3 …… 高斯定理及其应用 2学时
4 13.4 电场的功 电势 2学时
作业12
5 13.5 电场强度与电势的关系
第14章静电场中的导体和电介质
14.1 静电场中的导体 2学时
作业13
6 14.1 静电场中的导体(举例)
14.2 电介质及其极化 2学时
作业14 7 习题课 作业11讲评 2学时
8 14.3 电位移 电介质中的高斯定理
14.4 电容器及其电容的计算 2学时
9 14.4 电容器及其电容的计算(举例)
14.5 电场的能量
作业12讲评 2学时
10 第15章 真空中稳恒电流的磁场
15.1 基本磁现象及其本质
15.2 磁感应强度和磁通量 2学时
作业15
11 作业13讲评
15.3 毕奥-萨伐尔定律 2学时
12 15.4 安培环路定理及其应用 2学时
13 作业14讲评
15.5 磁场对电流的作用 2学时
作业16 14 15.6 带电粒子在电场和磁场中的运动
15.7 霍尔效应（可选讲）
第16章 磁介质中的磁场
16.1 磁介质
16.2 物质的磁化 2学时
