静电场中导体2011

一、导体的静电平衡条件1.静电感应现象静电感应：外电场使导体中电荷重新分布而呈现出带电的现象静电平衡状态：导体内部和表面上都没有电荷的定向移动状态静电场中的导体

2.导体的静电平衡条件无外电场加外电场：电子在电场力作用下运动导体的静电感应过程导体的静电感应过程外场感应导体的静电感应过程外场感应导体的静电感应过程外场感应导体的静电感应过程外场感应导体的静电感应过程外场感应导体的静电感应过程外场感应导体的静电感应过程外场感应导体的静电感应过程外场感应导体的静电感应过程外场感应导体的静电感应过程静电平衡状态

静电平衡条件：等价条件：静电平衡时，导体为等势体(1)导体内部：(2)导体表面：

二、静电平衡导体的电荷分布1.导体内部没有净电荷，电荷分布在导体表面上证：在导体内任一点P处取一任意小的高斯面S静电平衡导体内

----体内无净电荷

2.有空腔的导体：设空腔导体带电荷Q(1)空腔内没有电荷时：电荷分布在导体外表面证：在导体内作一包围空腔的高斯面S导体内----S内无净电荷存在即

设内表面有等量异号电荷即----矛盾则(2)空腔内有电荷q时：空腔内表面：-q

导体外表面：Q+q由高斯定理和电荷守恒定律可证

3.表面附近电场强度的大小与该处表面的电荷面密度成正比证:作垂直于导体表面的小圆柱面，上底紧靠导体表面，下底在导体内部4.表面曲率越大处，电荷面密度越大以一特例说明:设有相距很远、用导线相连的两导体球说明：(1)上述结果是一特例的结果(2)尖锐部分较大，平坦部分较小，凹进部分最小三、导体静电平衡特性的应用1.尖端放电避雷针F高压电源EE：起电针尖F：刮电针尖2.范德格拉夫起电机

3.静电屏蔽静电屏蔽：隔绝电的相互作用，使内外互不影响的现象(1)对外电场的屏蔽(2)接地空腔导体屏蔽腔内电荷对外界的影响4.静电除尘5.静电喷涂

导体放入静电场中：四、有导体时静电场的分析举例导体的电荷重新分布导体上的电荷分布影响电场分布静电平衡状态

[例]半径为R的不带电导体球附近有一点电荷q，它与球心O相距d，求(1)导体球上感应电荷在球心处产生的电场强度及此时球心处的电势；(2)若将导体球接地，球上的净电荷为多少？解：(1)建立如图所示的坐标系设导体球表面感应出电荷q’

球心O处电场强度为零，是±q’和q的电场叠加的结果即所有感应电荷在O处的电势

(2)导体球接地：解得设球上的净电荷为q1

电介质：内部几乎没有可以自由运动电荷的物体，又称为绝缘体一、电介质的分类无极分子电介质：无外电场时分子的正负电荷中心重合没有固有电矩的分子称为无极分子甲烷CH4§9-5静电场中的电介质

有极分子电介质：无外电场时分子正负电荷中心不重合水H2O具有固有电矩的分子称为有极分子

二、电介质的极化1.无极分子的极化正负电荷中心在外电场作用下发生相对位移的结果----位移极化诱导电偶极矩2.有极分子的极化分子偶极子在外电场的作用下发生转向的结果----转向极化

四、介质中的静电场极化电荷的电场，使原电场分布改变介质中某点介质外：可能增强、减弱或改变方向介质内：减弱，极化相应减弱----退极化场

一、孤立导体的电容设孤立导体带电量为q，电势为U----孤立导体的电容单位:法拉(F),1F=1C/V电容和电容器定义:

二、电容器电容器：两个带有等值异号电荷的导体组成的系统设真空中的导体A和B所带电量分别为+q和-q定义:----电容器的电容

1.平板电容器设极板所带电荷为q则2.圆柱形电容器---两同轴圆柱面构成设内外柱面带有电荷分别为+q和-q两柱面间、距轴线为r处

3.球形电容器---两同心球壳构成设内外球壳分别带有电荷+q和-q讨论：电容与极板所带电量无关，只与电容器的几何结构有关;充满介质的电容器，其电容比真空时的电容大r倍各电容器上的电压相等

三、电容器的串并联1.并联:电容器组总电量q为各电容电量之和2.串联:各电容器的电量相等，为电容器组的总电量q总电压为各电容器电压之和讨论:并联可获得较大的电容;串联时等效电容比每一电容器的电容小,但电容器组的耐压能力提高电场的能量设物体带电q时，电势为U，再将dq从移到q上，外力作功一、带电体的能量整个过程:外力克服电场力作功带电体静电能

二、电容器的能量将dq由b板移到a板，外力需作功带电电容器的能量为

三、电场的能量以平板介质电容器为例单位体积的能量(电场能量密度)为*对任意电场适用;电场具有能量是电场物质性的一种表现

[例]空气平板电容器的极板面积为S，极板间距为d，其中插入一块厚度为d’的平行铜板。现在将电容器充电到电势差为U，切断电源后再将铜板抽出。试求抽出铜板时外力所作的功外力的功等于抽出铜板前后该电容器电能的增量解：

抽出铜板前电容器的电容为极板上的电荷不变

抽出铜板后电容为*避雷针与婴儿

避雷针的发明者、美国物理学家富兰克林（1706—1790年）正在邀请人们参观他的新发明。其中一个阔太太问：“可是，它有什么用呢？”富兰克林回答道：“夫人，新生的婴儿又有什么用呢？”静电的防治及应用1

静电的种类

摩擦电

两物体经相互摩擦分开时，通常电容率大的材料带正电，电容率小的材料带负电.科茵定则:一静电及其效应

感应电导体的静电感应+++++感应电荷闪电雷击与避雷针静电感应电晕放电可靠接地++++++带电云2静电电位的高低

在橡胶工业中，合成橡胶从苯槽中出来时，静电位可达250kV；

在印刷和造纸工业中，纸离开辊筒时，静电位可达1020kV；

在塑料工业中，塑料制品表面经摩擦,其电位可达1kV以上，赛璐璐互相摩擦时带电电位高达40kV.

在汽车运输业中，轮胎在一般车速下可充电1550kV，传递皮带上带电3040

kV，最高达80kV.摩擦起电感应起电传导起电人体带电方式3人体的静电效应人体带电实验人在绝缘良好的地毯上行走，可带上35kV的静电.静电电击人体的生理效应1kV2kV3kV4kV5kV6kV7kV8kV带电电位电击感程度无手指外侧稍有感觉,微弱放电声手指有痛感手指有针刺状痛手心到前腕电击感,看到放电火花手指剧痛手指全部有痛感手指到前腕强烈电击感1

接地法二静电的防护2

给湿法3

抗静电剂法4导电材料法5

静电消除器法6

静电屏蔽法防静电服1

接地法

用良导体把易生静电的导体部件接地.接地链

对绝缘体，可包上金属物.油管、油槽车、油船体等相对湿度>70%，可防止静电电荷积累.

油罐车装卸汽油时:

湿度35%40%时，静电电位为1100V;湿度50%时，500600V;湿度>72%，静电电位基本消失.2

给湿法3

抗静电剂法为表面活性剂，由亲水和疏水两基团构成，主要以油脂为原料，其作用是使表面吸附水分，形成水膜，减少电阻率，能赋予塑料或化纤制品等以吸湿性（亲水性）和电离性，增强导电性能.易生静电部件用导体材料.4

导电材料法用导电橡胶、涂导电漆或添加石墨、碳黑、金属粉末.不同纤维混纺，用导电纤维制防静电服等.

静电刷5

静电消除器法

喷“离子风”——高压离子流，产生与静电电性相反的离子来中和.

用放射性元素辐射(X射线、射线等)静电刷6

静电屏蔽法屏蔽盒屏蔽车间屏蔽线1静电除尘四静电的利用烟气入口尘埃出口kV净气出口静电除尘动画电晕放电金属百叶窗2

静电分离沙沙里“逃”金含金子的沙金子高压油水分离技术示意图油颗粒油水混合物油水油水分离油滴聚合施加电场油滴带电3

静电喷漆静电喷漆动画5

静电种植高压静电种子处理技术人工静电场设置技术4

静电复印静电复印动画高压静电种子处理技术高压

对水稻、小麦等种子处理后，其产量可提高5%10%．数据来源:物理Vol.29,550-552,2000大颗粒

100kVm-120min种子场强时间小颗粒

30kVm-15min种子人工静电场设置技术上午、下午各2h

实用菌

100kVm-1

猴头菇\平菇处理方法:效果:猴头菇产量提高37%时间缩短26%平菇产量提高51%时间缩短44%数据来源:物理Vol.29,550552,2000电晕放电直流高压0.5m+-蔬菜

场强

65kVm-1，4h/d

芹菜\油菜\韭菜处理方法:效果比较:芹菜产量提高36%时间缩短8%油菜产量提高31%时间缩短17%韭菜产量提高98%时间缩短36%高强度脉冲电场用于液态食品的灭菌1食品的灭菌运用各种手段杀灭食品中的有害微生物，从而保持食品的品质并达到一定的保藏期.一食品的灭菌与灭菌方法2

常用灭菌方法巴氏灭菌、阿佩尔灭菌、化学药剂灭菌、辐射灭菌等3

加热灭菌的方法加热使食品中腐败菌内的蛋白质凝固变性，导致细菌失活.

缺点:

食品受热后，发生物理或化学性质的变化，造成其色、香、味、组织结构的改变及营养价值的下降，产生各种褐变反应及酸败，维生素受破坏等.4

非加热物理灭菌方法种类电场灭菌磁场灭菌光脉冲灭菌高压灭菌真空灭菌将液态食品作为电介质置于高强度脉冲电场中，食品中微生物的细胞膜在强电场的作用下被击穿，产生不可修复的破裂或穿孔，使细胞组织受损，导致微生物失活.1原理二电场灭菌的原理及装置在强电场作用下，细胞膜两表面堆积的异号电荷相互吸引，引起膜的挤压.+-高电压强电场当挤压力大于膜的弹性力时，产生穿孔.++--脉冲发生器控制单元RCLE>10kV/cm+-高电压强电场脉冲宽度频率高压电源Food2装置高压脉冲发生器产生的高压脉冲,被加到杀菌容器的两极板