大学物理学29第十章10-1静电场中的导体10-2静电场中的电介质10-3电位移有电介质时的高斯定理

1、第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件大学物理学电子教案大学物理学电子教案静电场中的导体静电场中的导体10-1 静电场中的导体静电场中的导体10-2 静电场中的电介静电场中的电介10-3 电位移电位移 有电介质时的高斯定理有电介质时的高斯定理第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件两条实验定律两条实验定律两个出发点两个出发点两个基本性质两个基本性质电荷受力电荷受力电场力作功电

2、场力作功两个物理量两个物理量 电场强度电场强度电势能电势能静电场静电场复习复习库仑定律库仑定律叠加原理叠加原理 高斯定理高斯定理环路定理环路定理第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件在静电场中总是存在导体或电介质在静电场中总是存在导体或电介质静电场与静电场与 静电场中静电场中导体导体或或电介质电介质之间有相互作用之间有相互作用主要内容有：主要内容有：静电场中导体静电场中导体电介质的极化电介质的极化有介质时的高斯定理有介质时的高斯定理电容器电容器电场的能量电场的能量 静电场中的导体和电

3、介质静电场中的导体和电介质 Conductor in electrostatic field第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件10-1 静电场中的导体静电场中的导体金属导体有自由电子，金属导体有自由电子，作无规则的热运动。作无规则的热运动。导体中的自由电子在电场力的作用下作导体中的自由电子在电场力的作用下作宏观定向运动，引起导体中电荷重新分宏观定向运动，引起导体中电荷重新分布而呈现出带电的现象，叫作布而呈现出带电的现象，叫作静电感静电感应应。+ + AB+ +_+AB静电感应静电

4、感应一、静电感应一、静电感应 静电平衡条静电平衡条件件第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件静电平衡演示静电平衡演示 感应电荷感应电荷电场与外电场电场与外电场叠加使导体内叠加使导体内电场为零，电电场为零，电子不再定向运子不再定向运动动.导体球外电场为外电场和感应电荷电场的叠加导体球外电场为外电场和感应电荷电场的叠加.第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件+0E 外电场中的导

5、体平板外电场中的导体平板第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件00EEE0E+E0E0E导体内电场强度导体内电场强度外电场强度外电场强度感应电荷电场强度感应电荷电场强度第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件+ +导体是等势体导体是等势体nee静电平衡条件静电平衡条件（1 1）导体内部任何一点处的电场强度为零；）导体内部任何一点处的电场强度为零；（2 2）导体表面处的电场强度

6、的方向）导体表面处的电场强度的方向, ,都与导体表面垂直都与导体表面垂直. .Eld 导体表面是等势面导体表面是等势面0d lEU 导体内部电势相等导体内部电势相等0d ABABlEUlEdAB第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件二二 静电平衡时导体上电荷的分布静电平衡时导体上电荷的分布+结论结论 导体内部无电荷导体内部无电荷00dqSES00diSqSE，0E1实心导体实心导体2 2有空腔导体有空腔导体0 qS 空腔内无电荷空腔内无电荷S电荷分布在表面上电荷分布在表面上问问 内表

7、面上有电荷吗内表面上有电荷吗？第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件0d lEUABAB若内表面带电若内表面带电所以内表面所以内表面不不带电带电S+-AB 结论结论 电荷分布在外表面上（内表面无电荷）电荷分布在外表面上（内表面无电荷）+矛盾矛盾0diSqSE，导体是等势体导体是等势体0d lEUABAB第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件q 空腔内有电荷空腔内有电荷q2S

8、00d1iSqSE，qq内qQ1S电荷分布在表面上电荷分布在表面上问问 内表面上有电荷吗内表面上有电荷吗？00d2iSqSE， 结论结论 当空腔内有电荷当空腔内有电荷 时时, 内表面因静电感应内表面因静电感应出现等值异号的电荷出现等值异号的电荷 ，外表面增加感应电荷外表面增加感应电荷 . （电荷守恒）（电荷守恒）qqq第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件+E 为表面电荷面密度为表面电荷面密度 作钱币形高斯面作钱币形高斯面 S S3 3导体表面电场强度与电荷面密度的关系导体表面电场强

9、度与电荷面密度的关系0dSSES0SSE0E 表面电场强度的大表面电场强度的大小与该表面电荷面密度小与该表面电荷面密度成正比成正比0E第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件+注意注意 导体表面电荷分布与导体形状以及周围环境有关导体表面电荷分布与导体形状以及周围环境有关. .4导体表面电荷分布导体表面电荷分布EE;,0E第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件带电导体尖端附近电

10、场最强带电导体尖端附近电场最强 带电导体尖端附近的电场特带电导体尖端附近的电场特别大，可使尖端附近的空气发生别大，可使尖端附近的空气发生电离而成为导体产生放电现象，电离而成为导体产生放电现象，即即尖端放电尖端放电 . 尖端放电会损耗电能尖端放电会损耗电能, 还会干扰精密测量和对通还会干扰精密测量和对通讯产生讯产生危害危害 . 然而尖端放电也有很广泛的然而尖端放电也有很广泛的应用应用 . 尖端放电现象尖端放电现象 E尖端放电现象的尖端放电现象的利利与与弊弊第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件

11、教学课件荧光质荧光质导电膜导电膜 + + 高压高压eH场离子显微镜场离子显微镜( (FIM) )金属尖端的强电场的应用一例金属尖端的强电场的应用一例接真空泵或接真空泵或充氦气设备充氦气设备金属金属尖端尖端接地接地原理：原理：样品制成针尖形状，针尖与荧光样品制成针尖形状，针尖与荧光膜之间加高压，样品附近极强的膜之间加高压，样品附近极强的电场使吸附在表面的原电场使吸附在表面的原 子子 电离，电离，氦离子沿电力线运动，氦离子沿电力线运动， 撞击荧光撞击荧光膜引起发光，从而获得样品表面膜引起发光，从而获得样品表面的图象。的图象。应用：应用：高压设备的电极高压设备的电极高压输电线高压输电线避雷针避雷针不

12、利的一面：不利的一面：浪费电能浪费电能避免方法：避免方法：金属元件尽量做成球形，金属元件尽量做成球形，并使导体表面尽可能的光滑并使导体表面尽可能的光滑第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件 避雷针演示避雷针演示第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学

13、理学院教学课件教学课件三三 静电屏蔽静电屏蔽 1 1屏蔽外电场屏蔽外电场E外电场外电场 空腔导体可以屏蔽外电场空腔导体可以屏蔽外电场, , 使空腔内物体不受外电使空腔内物体不受外电场影响场影响. .这时这时, ,整个空腔导体和腔内的电势也必处处相等整个空腔导体和腔内的电势也必处处相等. .E空腔导体屏蔽外电场空腔导体屏蔽外电场第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件q 接地空腔导体接地空腔导体将使外部空间不受将使外部空间不受空腔内的电场影响空腔内的电场影响. 问：问：空间各部空间各部分

14、的电场强度如何分的电场强度如何分布分布 ？接地导体电势为零接地导体电势为零q 2 2屏蔽腔内电场屏蔽腔内电场+q第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件10-2 静电场中的电介质静电场中的电介质所谓所谓电介质电介质，是指不导电的物质，即绝缘体，是指不导电的物质，即绝缘体，内部没有可以移动的电荷。内部没有可以移动的电荷。若把电介质放入静电场中，电介质原子中的若把电介质放入静电场中，电介质原子中的电子和原子核在电场力的作用下，在原子范电子和原子核在电场力的作用下，在原子范围内作微观的相对位

15、移。围内作微观的相对位移。达到静电平衡时，电介质内部的场强也不为达到静电平衡时，电介质内部的场强也不为零。零。 在外电场中电介质要受到电场的影响，在外电场中电介质要受到电场的影响，同时也影响外电场。同时也影响外电场。第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件+ + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - -一一 电介质对电场的影响电介质对电场的影响 相对电容率相对电容率r0EE 1r相对相对电容率电容率电容率电容率r00E+ + + + + + + +

16、 + + + - - - - - - - - - - -E00E电介质内任意电介质内任意点的电场强度点的电场强度为原来真空时为原来真空时电场强度的电场强度的1/ r第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件二二 电介质的极化电介质的极化无极无极分子电介质：（氢、甲烷、石蜡等）分子电介质：（氢、甲烷、石蜡等）有极有极分子电介质：（水、有机玻璃等）分子电介质：（水、有机玻璃等）电介质的分电介质的分类类第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第

17、二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件+ + + + + + - - - - - - + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -dr三三 电介质中的电场强度电介质中的电场强度 极化电荷与自由电荷的关系极化电荷与自由电荷的关系r00EEEE0rr1EE0rr10rr1QQ0000r/EEE0EEEr0(1)E第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件0rr1QQ)(1d00QQSESEEDr0电位移矢量电位移矢量（均匀各向同性介

18、质）（均匀各向同性介质）00+ + + + + + - - - - - - + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -rS电容率电容率r0r00dQSES 电位移通量电位移通量0dQsDs10-3 电位移电位移 有电介质时的高斯定理有电介质时的高斯定理第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件电位移矢量电位移矢量ED（均匀均匀介质）介质）有介质时的高斯定理有介质时的高斯定理iiSQSD0d电容率电容率r0有介质时先求有介质时先求 UED注意注意r

19、0EE （均匀均匀介质）介质）电场强度电场强度第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件r 例例 常用的圆柱形电容器，是由半径为常用的圆柱形电容器，是由半径为 的长的长直圆柱导体和同轴的半径为直圆柱导体和同轴的半径为 的薄导体圆筒组成，的薄导体圆筒组成，并在直导体与导体圆筒之间充以相对电容率为并在直导体与导体圆筒之间充以相对电容率为 的的电介质电介质.设直导体和圆筒单位长度上的电荷分别为设直导体和圆筒单位长度上的电荷分别为 和和 .求（求（1）电介质中的电场强度和电位移；电介质中的电场强度和电位移；（）（）电介质内、外表面的极化电荷面密度电介质内、外表面的极化电荷面密度1R2Rr1R2R第十章第十章 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件lSDSd解