科技信息○机械与电子○SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2009年第29期
静电场中电介质问题的探讨
张宝颖卜建平苏同卫顾学文郭维
（中国人民军事交通学院基础部中国天津300161）
【摘要】本文对静电场中电介质问题涉及到的物理量进行了分析、归纳、总结。对学员梳理电介质问题中繁杂的物理量之间的关系，加深对这一部分内容的理解，提高分析解决实际问题的能力有一定的辅助作用。
【关键词】静电场；电介质；电场强度
0.引言
静电场中的电介质问题是电磁学的重要内容，与实际问题的联系更密切。在这部分内容中，出现了多个物理量。为了深入分析电介质与外电场之间的相互作用规律，引入了两个新的物理量———电极化强度矢量P和电位移矢量D；在分析电场强度时，用到外加场强E0、附加场强E'、总场强E；还会涉及自由电荷和极化电荷的分布，比如：自由电荷面密度σ0、极化电荷面密度σ'；还需要理解各向同性电介质的相对电容率εr的概念；同时还会提到电介质的极化率χ；有时需要求电势U的分布和电容器的电容C或电场能量问题；当然还要用到真空电容率ε0这个看似常数、实质上联系到光速问题的物理量。这样屈指算来，不下十多个。初次接触时，会有眼花缭乱、应接不暇的感觉。认为电介质问题很复杂，也是可以理解的。再加上分析极化过程时有极分子的取向极化和无机分子的位移极化，以及分子电偶极子等概念，问题就更复杂了。如何理清这些物理量之间的脉络关系是本文要解决的问题。
由于介质被极化才产生的，因此，束缚电荷面密度与电极化强度二者之间存在必然联系，满足：
·（3）σ'=Pcosθ＝Pn
附加场强E'可以看作是束缚电荷产生的，也可以认为是分子电偶极矩矢量和的结果。二者本质上是一致的，前者是极化的表面效应，后者是极化的内部机制。如果利用极化电荷求附加电场，则有
电位移矢量D是由于
电介质的极化使外电场发生了改变，为求解问题的方便，引入的一个辅助物理量。它与外场强E方向相同，大小关系为
（5）
从量值上分析，当电介质均匀充满场不为零的空间，或均匀介质分区充满电场所在空间且分界面都是等位(势)面时，电位移矢量D与自由电荷激发的外电场E0之间有如下的关系[1,2]
（6）
该式反映了点位移矢量D与自由电荷之间的关系。电位移矢量D和自由电荷之间的关系还可以通过有电介质存在时的高斯定理体现出来
E'=σ'
ε0
1.4电位移矢量D、总电场E之间的关系
（4）
D=ε0εrE
1.各物理量之间的脉络关系
事实上，上述物理量之间有着清晰的因果关系，有些物理量并不是的，甚至是冗余的，只是为了深入分析其作用机理而人为引入的。个别物理量在实际生活中也很少用到。正确把握各个物理量之间的关系，是理清问题的关键。
1.1三种电场强度之间的关系电介质在静电场中会被极化，出现被束缚的极化电荷，束缚电荷激发附加电场，附加电场会消弱原来电场的强度，这是类比导体在静电场中的静电感应的分析思路。根据矢量叠加原理，外加场强E0、附加场强E'、总场强E三者之间满足如下关系：
（1）
需要清楚一点：附加场强E'大小比E0小，方向与E0相反，起减弱外电场的作用，使介质的极化减弱，因此称为退极化场。E'大小比E0小，这正说明了电介质与导体的不同：电介质内几乎没有自由电荷，E'是由于外电场的极化而产生的，比导体中由于静电感应导致自由电荷重新分布而产生的感应电场要弱。（1）式揭示了电介质问题中各物理量之间最根源的关系。其他的物理量都分别与它们发生关连。
D=ε0E0
軑·SΣqd軋矣D
s
S内
0
（7）
要想
建立上述各物理量之间的完整关系，需要两个实验结果作为基础。一个是电极化强度P和总场强E的关系，对于各向同性电介质，有
1.5两个重要的实验结果以及电极化率χ和相对电容率εr
E+E0=E'
P=χε0E
另一个是外加场强E0和总场强E之间的关系，为
（8）
（9）E=E0
εr
——电极化率χ和相对电（8）式和（9）式中出现的两个比例系数—容率εr之间满足如下的关系式
（10）χ=εr-1
这两个系数分别直观地表示出了电极化强度P和总电场强度E之间的正比关系、总场强E和外电场E0之间的正比关系。但它们都是表征电介质本身性质的物理量，电极化率χ表示了各向同性电介质不同介质被极化时电极化的强弱；相对电容率εr则表示了在相同外加电场的情况下不同电介质的极化对总场强的影响。
3.各物理量之间的关系图和有电介质存在时问题的解题思
路
对于各向同性电介质，描述静电场各物理量之间的关系，可以通过下面的关系图来体现。
图1
有电介质时的平行板电容器
如图1所示的两个导体
平行平板之间存在电介质。给平行板电容器充电后，两个极板就会带电，这些电荷是自由电荷，它们激发的电场对电介质来说就是外加电场。这个外加场强E0是由自由电荷激发的，利用高斯定理，很容易得到E0的大小和自由电荷面密度σ0的关系为
（2）E0σ0
ε0
1.3电极化强度P、束缚电荷面密度σ'、附加场强E'之间的关系电极化强度P是描述介质被极化的程度的物理量。其定义为：电介质中单位体积内所有分子电偶极矩的矢量和。事实上，根据定义计算几乎P是不可能的，但可以根据束缚电荷的分布来确定。束缚电荷也是
图2
静电场中的电介质涉及到的物理量关系图（下转第293页）
1.2外加场强E0和自由电荷面密度σ0
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科技信息○职校论坛○SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2009年第29期
在电脑时代对手绘效果图课程教学改革的思考
刘迪
（河南工业职业技术学院河南
南阳
473009）
【摘要】电脑效果图以其真实的质感、精确的比例尺寸和惟妙惟肖的光影效果被大家所追捧，它给传统的设计及其设计教学方式注入了新的活力，但手绘表现的独特艺术魅力仍令人无法忘却，是电脑效果图无法替代的，它是绘画的一种表现形式,是以素描、色彩、速写为基础的。随着时代的变化,学生绘画基础的变化、教学方法的变化等一系列问题的出现,手绘效果图课程教学面临着一些无法回避的问题。
【关键词】电脑；手绘效果图；教学改革；思维；创造
在社会经济的快速发展,生活工作节奏大大加快的同时,设计竞争也日趋激烈,电脑技术在设计学科中的广泛运用带来了设计方法和观念的变革，成为设计和创作的新趋势，使设计艺术的传统表现形式受到了极大的挑战，人们淡忘和冷落了其传统表现方式。在电脑辅助设计没有应用到设计领域之前,手绘设计在美术院校或是建筑、园林设计院等设计单位的设计过程中都占有相当重要的位置。的确电脑的出现为设计艺术领域带来了划时代的进步，为信息时代的设计提供了新的途径，它使设计艺术如虎添翼，不仅大大降低了设计的劳动强度，提高了设计的精度和速度，还能够虚拟真实的技术使设计表现显得直观而生动。同时电脑技术亦能使设计成果得到重复的利用，对设计标准化和产业化起到一定的推动作用这是可以肯定的。
然而，我们也要重视传统手绘表现的特点和优势，如同一切高新技术一样，电脑技术在设计学科中的运用亦存在着众多的负面效应，具体的情况为重表现轻设计，方案招投标变成了电脑效果图竞赛，学生设计时在电脑效果表现上所花的时间大大超过设计方案构思的时间，重结果轻过程的情形十分严重。又如电脑技术其本身特点也在一定程度上束缚了设计思考过程中幻想的翅膀，其软件本身的局限和操作者的水平直接影响了设计构思，扼杀了构思过程中转瞬即逝的灵感，使设计艺术创作变成简单工业化的生产。再如在设计教学中，学生过分依赖电脑和沉湎于电脑，忽视了严格的基本功训练，对手绘表现失去了应有的热情，很多人忽视了手绘表现技能在设计中所具有的重要性,认为手绘无用,与设计无关，从而导致设计分析能力、创作能力的丧失，也使学生设计修养降低。由此可见，电脑无法替代创造性思维活动。手绘效果图课程教学应如何改进,这已成为艺术设计教学中值得思考的重点。
2.手绘效果图课程教学如何有效地培养学生设计分析及
方案评价的能力
视觉是思维的一种最基本的工具，艺术乃是一种视觉形式，而视觉形式又是创造思维的主要媒介。视觉的思维性功能帮助我们通过图示进行思维、进行创造。在发现问题、分析问题和解决问题的同时，头脑里的思维通过手的勾勒，使图形跃然纸上，而所勾勒的形象又通过眼睛的观察被反馈到大脑中，刺激大脑作进一步的思考、判断和综合，如此循环往复，最初的设计构思也随之愈发深入、完善。可见，手绘表现的这种形象化思考方式，是对视觉思维能力、想象能力、创造能力、绘画表达能力的综合应用。在这个过程中，不在乎于画面效果，而在乎于观察、发现、思索，强调脑、眼、手、图形的互动。因此，手绘表现无疑是培养学生形象化思考、设计分析及方案评价能力，以及培养学生开拓创新思维能力的有效方法和途径。
电脑技术的确给设计及教学带来了许多帮助，带给设计的变革也勿庸置疑。但电脑不是全部，它无法替代我们的大脑，无法替代设计的创造性思维，只能是我们进行设计的好帮手。在设计教学中，加强手绘表现能力，通过眼、脑、手、图形的有机的、不断的形象化思考去再观察、再发现和再创造的过程，有助于提高学生观察问题、发现问题、分析问题的能力。创造性思维能力以及综合的设计修养，能使学生产生更多的新构思和新创意，自由的画，通过线条来理解体积的概念，构造表面形态，用眼睛看，仔细观察，最终将会发现灵感的降临。
综上所述，手绘效果图表现技法是一种综合性很强的艺术门类，应当持科学的态度，在充分表达设计构思的同时，还必须运用一定的艺术表现手段，来表现环境设计的气氛，才可显示出室内设计师的创造思维能力和自身的文化艺术修养。一个设计者在他的作品中设计思维及审美取向，在很大的程度上受个人文化层次的牵制，因而，提高自身的综合素养，广泛吸收各种精华，积极地去感受社会和生活，不断地去提高和充实自己，这也是提高手绘表现能力的关键所在，必须有意识地去培养和丰富自己的情感世界，要想让人感动，自己就得激动，适者生存，美者优存，必须身体力行，努力而为之，时代在前进，学生的特点和问题也在发生着不断的变化，作为有责任感的教育工作者，必须以高度的敏感性和自觉性，及时发现、研究和解决教学工作中的新情况、新问题，掌握其特点、发现其规律，尽职尽责地做好本职工作，以完成我们肩负的神圣历史使命。1.手绘效果图课程教学如何有效地提高和开拓学生的创
造性思维能力
手绘表现实际上是一种图示思维的设计方式。在设计开始阶段，最初的设计意象是模糊的，随机的。而设计的过程亦是对设计条件的不断“协调”，图示思维的方式即把设计过程中的有机的、偶发的灵感及对设计条件的“协调”过程，通过可视的图形将设计思考和思维意象记录下来。而电脑却保持精确数据概念的特点：点、线、面、形体在屏幕上的明确和肯定的显示，扼杀了方案构思设计阶段思维的模糊性和随机性，亦不符合设计初始阶段的设计思维方式及其设计的表达。设计是一个解决问题和协调矛盾的过程，在这个过程中两个内容十分重要。一是发现问题、解决问题；二是对所解决的问题答案进行评价。前一个内容是后一个内容的基础和做好一个设计的前提，亦是目前设计教学中一个十分薄弱的环节。对于学生缺乏想象力和创造力，利用手绘设计表现，将有效地提高和开拓其创造性思维能力。图示思维方式的根本点是形象化的思想和分析，设计者把大脑中的思维活动延伸到外部来，通过图形使之外向化、具体化。在整个思维过程中需要脑、眼、手、图形四位一体。实践证明，国内外的许多优秀的设计师均精于此道，出色的图示思维亦是他们的成功之道。
●【参考文献】
［1］丹纳编著.艺术哲学.安徽文艺出版社，1998年6月版.［2］贾涛编著.美学教程.中国环境科学出版社，2001年6月版.
［3］孙佳成编著.空间创意徒手表现.中国建筑工业出版社，2005年2月版.［4］季翔编著.建筑装饰表现技法.中国建筑工业出版社，2005年2月版.
［责任编辑：韩铭］
●（上接第98页）如果是规则对称结构的电介质静电场问题，可以通过高斯定理求出典位移矢量D，再根据问题要求和上述各物理量之间的关系，求解出需要的物理量。【参考文献】
［2］刘景世.电位移矢量D与有电介质时高斯定理的理解[J].海南大学学报：自然科学版，2005,23(4)：375-377.
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［责任编辑：翟成梁］
［1］赵凯华,陈熙谋.电磁学[M].高等教育出版社，1985:177-200.
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