Ch6_1 静电场中的导体

1、第六章第六章 静电场中的导体和电静电场中的导体和电介质介质 2静电知识与电子技术静电知识与电子技术电容位移振动传感器电容位移振动传感器 6-1 静电场中的导体静电场中的导体3 6-1 静电场中的导体静电场中的导体4 6-1 静电场中的导体静电场中的导体5思考思考1 1、火药或有爆炸危险的建筑物为什么要用金属、火药或有爆炸危险的建筑物为什么要用金属网蒙起来，再将金属网很好的接地网蒙起来，再将金属网很好的接地? ?2 2、在高压输电线上带电工作的人员为什么要穿、在高压输电线上带电工作的人员为什么要穿上金属丝制成的衣服上金属丝制成的衣服? ?3 3、高压电器设备中，为什么所有金属元件应避、高压电器设

2、备中，为什么所有金属元件应避免带有尖棱，最好作成球形免带有尖棱，最好作成球形? ? 6-1 静电场中的导体静电场中的导体6一一.导体的微观模型导体的微观模型: 基本不动的带正电荷的晶格基本不动的带正电荷的晶格+自自由电子组成。由电子组成。自由电子自由电子二二.导体受外界静电场的影响导体受外界静电场的影响1.无外场时无外场时:自由电子只在晶自由电子只在晶格附近作无规热运动格附近作无规热运动,无宏无宏观定向运动观定向运动,导体内正负电导体内正负电荷分布均匀荷分布均匀,对外不显电性对外不显电性.2.有外场时有外场时:自由电子在无规热运动自由电子在无规热运动的基础上叠加沿外场方向的的基础上叠加沿外场方

3、向的宏观定宏观定向运动向运动,导体内正负电荷将重新分布导体内正负电荷将重新分布,即出现静电感应现象即出现静电感应现象.+-0EE-+ 6-1 静电场中的导体静电场中的导体7三三. .静电感应静电感应 静电平衡条件静电平衡条件1. 静电平衡静电平衡+感应电荷感应电荷 6-1 静电场中的导体静电场中的导体8+0E 6-1 静电场中的导体静电场中的导体900EEE0E+E0E0E 6-1 静电场中的导体静电场中的导体102.2.静电平衡条件静电平衡条件静电平衡时静电平衡时,在外场作用下在外场作用下,自由电子重新分布结束自由电子重新分布结束,最后最后,所有电子均停止宏观运动的状态所有电子均停止宏观运动

4、的状态。（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）导体表面处的电场强度的方向）导体表面处的电场强度的方向,都与导体表都与导体表面垂直面垂直四四. 静电平衡下导体的电特性静电平衡下导体的电特性1. 场强特性场强特性(1)导体内部的场强处处为零导体内部的场强处处为零0EEEo内 6-1 静电场中的导体静电场中的导体11证明证明:用反证法用反证法.若若 ,则自由电则自由电子将受静电力子将受静电力 而做加速运动而做加速运动,与静与静电平衡相矛盾电平衡相矛盾.0EEEo内0内EqF(2)导体表面附近的场强方导体表面附近的场强方向与导体表面处处垂直向与导体表面处处垂

5、直证明证明: 用反证法。用反证法。若不垂若不垂直直,则存在切向分量则存在切向分量,表面表面的电子将受切向静电力的电子将受切向静电力而加速运动而加速运动,这与静电平这与静电平衡相矛盾衡相矛盾.+ +neeEldab 6-1 静电场中的导体静电场中的导体122.电势特性电势特性(1)导体内部电势相等导体内部电势相等.(2)导体表面是一个等势面导体表面是一个等势面.导体是等势体导体是等势体+ +neeEldab证明证明:在导体表面在导体表面或内部任取两点或内部任取两点a和和b,则有则有:0.l dEVVbaba内baVV 0内E场强特性场强特性电势特性电势特性 6-1 静电场中的导体静电场中的导体1

6、33.电荷特性电荷特性+结论结论:净电荷分布在导体净电荷分布在导体表面，内部无净电荷。表面，内部无净电荷。00dqSES00diSqSE，0E(1) 实心导体实心导体(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内表面上有电荷吗？内表面上有电荷吗？ 6-1 静电场中的导体静电场中的导体140d lEUABABS+ + +- - -AB 结论：结论：电荷分布在外表面上（内表面无电电荷分布在外表面上（内表面无电荷）；荷）；导体外表面以内各点电场强度都为零，导体外表面以内各点电场强度都为零，导体及空腔都等电势。导体及空腔都等电势。+ + + + + +

7、 + + + + +0diSqSE，0d lEUABAB 6-1 静电场中的导体静电场中的导体15q 空腔内有电荷空腔内有电荷q2S00d1iSqSE，qq内qQ1S电荷分布在表面上电荷分布在表面上内表面上有电荷吗？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,内表面因静电感应出内表面因静电感应出现等值异号的电荷现等值异号的电荷 ，外表面有感应电荷外表面有感应电荷 （电荷（电荷守恒）守恒）qqq 6-1 静电场中的导体静电场中的导体16+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 S(3)(3)导体表面电场强度与电荷面密度的关

8、系导体表面电场强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 6-1 静电场中的导体静电场中的导体17+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 6-1 静电场中的导体静电场中的导体18 尖端放电现象尖端放电现象 E孤立导体静电平衡时，孤立导体静电平衡时，曲率越小的地方，面电荷曲率越小的地方，面电荷密度越大密度越大。 6-1 静电场中的导体静电场中的导体19带电导体尖端附近电场最强带电导体尖端

9、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别大，可使尖端附近的空气发生电离而成为导体产生放发生电离而成为导体产生放电现象，即电现象，即尖端放电尖端放电 。弊：弊：会损耗电能会损耗电能(如电晕如电晕), 还会干扰精密测量还会干扰精密测量和对通讯产生和对通讯产生危害危害 。尖端放电现象的尖端放电现象的利利与与弊弊思考题：高压电器设备中，为什么所有金属元件思考题：高压电器设备中，为什么所有金属元件应避免带有尖棱，最好作成球形应避免带有尖棱，最好作成球形? ?避免尖端放电产生。避免尖端放电产生。 6-1 静电场中的导体静电场中的导体20利利：静电起电机、静电除

10、尘机、电风、电风轮、避：静电起电机、静电除尘机、电风、电风轮、避雷针。雷针。避雷针避雷针 6-1 静电场中的导体静电场中的导体21静电感应静电感应电晕放电电晕放电可靠接地可靠接地带电云带电云避雷针的工作原理避雷针的工作原理+ 6-1 静电场中的导体静电场中的导体22+在课余时间观看尖端放电相关视频在课余时间观看尖端放电相关视频 6-1 静电场中的导体静电场中的导体23五五. . 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场使空腔内物体不受外电场影响影响. .这时这时, ,整个空腔导体和腔内的电势也必处处相

11、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 6-1 静电场中的导体静电场中的导体24静电屏蔽的应用静电屏蔽的应用同轴电缆线中的屏蔽层 高压带电操作的屏蔽服 6-1 静电场中的导体静电场中的导体25q接地接地空腔导体将使空腔导体将使外部空间不受空腔外部空间不受空腔内的电场影响内的电场影响. 问：问：空间各部分空间各部分的电场强度如何分的电场强度如何分布布 ？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 6-1 静电场中的导体静电场中的导体26qqU=0Q+qQ 壳内外场壳内外场互不影响互不影响3.接地的封闭导体壳，屏蔽了壳内、外

12、的电接地的封闭导体壳，屏蔽了壳内、外的电场的影响。场的影响。 6-1 静电场中的导体静电场中的导体27说明：空腔导体壳接地与否，外界均对壳内电说明：空腔导体壳接地与否，外界均对壳内电场无任何影响场无任何影响.CU 外界不影响内部外界不影响内部腔外表面的电荷腔外表面的电荷分布不影响腔内分布不影响腔内电场分布电场分布 6-1 静电场中的导体静电场中的导体281 1、火药或有爆炸危险的建筑物为什么要用金属、火药或有爆炸危险的建筑物为什么要用金属网蒙起来，再将金属网很好的接地网蒙起来，再将金属网很好的接地? ?2 2、在高压输电线上带电工作的人员为什么要穿、在高压输电线上带电工作的人员为什么要穿上金属

13、丝制成的衣服上金属丝制成的衣服( (均压服均压服)?)?答：金属网起静电屏蔽作用。避免由于雷电答：金属网起静电屏蔽作用。避免由于雷电引起爆炸。引起爆炸。答：均压服起静电屏蔽作用。避免外电场深答：均压服起静电屏蔽作用。避免外电场深入人体内部，也使感应电流只通过均压服，入人体内部，也使感应电流只通过均压服，避免留过人体。从而避免留过人体。从而保证人身安全。保证人身安全。在课余时间观看静电屏蔽视频在课余时间观看静电屏蔽视频 6-1 静电场中的导体静电场中的导体291R2R3Rqq 例例1. 有一外半径有一外半径 和内半径和内半径 的金属球壳，在球壳内放一半径的金属球壳，在球壳内放一半径 的同心金的同心金属球，若使球壳和金属球均带有属球，若使球壳和金属球均带有 的正电荷，的正电荷，问问: 两球体上的电荷如何分布？球心的电势为多少？两球体上的电荷如何分布？球心的电势为多少？ cm101Rcm72Rcm53RC108q解解 : 根据静电平衡的条件求电荷分布根据静电平衡的条件求电荷分布)(031RrE0S2232d,qSERrR作球形高斯面作球形高斯面2S2024rqE1S2Sr作球形高斯面作球形高斯面1S 6-1 静电场中的导体静电场中的导体301R2R3R)(031RrE)(423202RrRr