Chp导体和电介质中的静电场演示文稿

Chp导体和电介质中的静电场演示文稿目前一页\总数三十四页\编于十一点感应电荷极化电荷静电平衡状态相互作用相互影响导体、电介质静电场电荷重新分布电场重新分布目前二页\总数三十四页\编于十一点

静电感应(electrostaticinduction):导体内的自由电子在外电场影响下,做定向漂移运动，引起导体内的电荷重新分布，最终在导体外表面两端产生等量异号电荷的现象.10.1静电场中的导体10.1.1导体的静电平衡+++++++导体球放入后电力线发生弯曲.

热平衡特征:

任意微小体积元内,自由电子负电荷和晶体点阵上的正电荷的数目相等,整个导体或其中任一部分都显现电中性.1.金属导体(conductor)的电结构2.导体的静电平衡条件目前三页\总数三十四页\编于十一点导体(带电或不带电)静电感应现象过程：外电场作用下自由电子作宏观定向运动电荷重新分布由静电感应产生的正负电荷称为感应电荷.附加电场自由电子宏观定向运动停止.静电平衡状态

静电平衡(electrostaticequilibrium):导体内部和表面没有电荷的宏观定向运动.目前四页\总数三十四页\编于十一点3.静电平衡时导体中的电场特性1)导体内部的场强处处为零(否则电子的定向运动不会停止);3)

处于静电平衡中的导体，其内部任意两点的电势相等，整个导体为一等势体，其表面为一等势面.2)导体表面的场强处处垂直于导体表面(否则电子将会在场强沿表面分量的作用下,做定向运动).-FEE=0E目前五页\总数三十四页\编于十一点1)实心导体结论：导体内部无净电荷,电荷只能分布在导体外表面.2)空心导体,空腔内无电荷E=0结论:电荷分布在导体外表面,导体内部和内表面无净电荷.10.1.2静电平衡时导体上的电荷分布1.

静电平衡时,导体所带的电荷只能分布在导体的表面,导体内部没有.净电荷(netcharge):未被中和的正负电荷.E=0++++++++++++++++++++SS目前六页\总数三十四页\编于十一点E=03)空心导体,空腔内有电荷q+q--------++++++++++++++++++++内表面感应出结论:电荷分布在导体内外两个表面,内表面带电荷-q.根据电荷守恒定律,外表面带电为:

Q是原导体所带电荷.2.带电导体表面附近的场强dSE导体

作高斯面,电场方向如图,设导体表面电荷面密度为σ,由高斯定理:得S目前七页\总数三十四页\编于十一点1)静电平衡时,导体表面附近场强E的大小和该点处电荷面密度成正比.尖端放电(dischargeatsharppoint):

对于有尖端的带电导体,尖端处电荷面密度大,则导体表面邻近处场强也特别大.当电场强度超过空气的击穿场强时,就会产生空气被电离的放电现象,称为尖端放电.2)静电平衡时,孤立导体表面曲率大的地方(表面突出而尖锐处),电荷面密度也大,反之曲率小的地方也小。目前八页\总数三十四页\编于十一点尖端放电演示静电吹烛-++++++++++-++避雷针目前九页\总数三十四页\编于十一点1)腔内没有电荷空腔导体起到屏蔽外电场的作用.

接地的空腔导体可以屏蔽内、外电场的影响.2.静电屏蔽(electrostaticshielding):

一个接地的空腔导体可以隔离内外电场的影响.2)腔内存在电荷1.空腔导体q10.1.3静电屏蔽目前十页\总数三十四页\编于十一点防静电屏蔽袋军用屏蔽帐篷法拉第笼

防电磁辐射屏蔽服目前十一页\总数三十四页\编于十一点例10.1

有一外半径R1、内半径R2的金属球壳,其中放一半径为R3的金属球,球壳和球均带有电量10-8C的正电荷.求:(1)两球电荷分布;(2)球心的电势;(3)球壳电势.R3R2R1解:(1)电荷分布如图所示球面q,壳内表面-q,壳外表面2q++++++++++++++++++++--------3.有导体存在时的E和U分布求解思路：导体上的电荷分布计算分布(方法同前)静电平衡条件电荷守恒定律目前十二页\总数三十四页\编于十一点(2)(3)R3R2R1++++++++++++++++++++--------目前十三页\总数三十四页\编于十一点例10-2.

两块导体平板,面积为S,分别带电q1和q2,两极板间距远小于平板的线度.求平板各表面的电荷密度.q1q2BA解:

设四板面密度如图示.2341由电荷守恒得:

考察A板中一点a,由静电平衡条件,导体板内

Ea=0..a.b同理,B板中一点b:Eb=0.(1)(2)(3)(4)目前十四页\总数三十四页\编于十一点联立(1)(2)(3)(4)解得:q1q2BA++++++++++---------q-q如q2=-q1,结果如何?q1q2BA2341目前十五页\总数三十四页\编于十一点真空中半径为R、带电量为Q的孤立导体球电势为10.2电容及电容器可见：导体处于静电平衡时,U一定,q分布确定;同一U下,导体形状不同,q不同.定义:

孤立导体的电量Q与其电势U的比值为孤立导体的电容.单位:法拉“F”10.2.1孤立导体(isolatedinductor)的电容(capacitance)----导体容纳电的能力,电容.目前十六页\总数三十四页\编于十一点由电容定义:则金属球电势:

设其带电量为Q,令U=0计算半径为R的孤立金属球的电容物理意义:

导体电势每升高1个单位所需的电量.

可见电容C

是表征导体容电能力的物理量.与导体本身的形状、大小和结构有关;与是否带电无关.目前十七页\总数三十四页\编于十一点电容器:由电介质隔开的两金属薄片组成的导体组特点:将电场集中在有限空间电容器的符号:电容器电容:一个极板的电量与两极板间相应的电势差之比.1)C

是描述电容器储电本领的物理量;2)C取决于电容器两板的形状、大小、相对位置及中间电介质的种类和分布情况;3)q为一个极板所带电量的绝对值.10.2.2电容器的电容(capacitor)说明:目前十八页\总数三十四页\编于十一点1.电容器电容的计算步骤:1)假设电容器的两个极板分别带+q和-q电荷;2)求两极板间的电场分布,并由计算两极板间电势差UA-UB.3)由定义式计算电容C.10.2.3几种常见的电容器2.平行板电容器解:

假设电容器带电量qq+q+++++-----BAESd则目前十九页\总数三十四页\编于十一点3.圆柱形电容器解：电容器带电q

选高斯面,应用高斯定理:圆柱形电容器电容：RARBlq-qrh目前二十页\总数三十四页\编于十一点设极板间距为d,RB

=RA

+d当d<<RA:讨论:同理：对于球形电容器,其电容为：同学们试着自行求解.RARBl目前二十一页\总数三十四页\编于十一点1.电容器的并联总电量:等效电容:结论:

并联电容器的等效电容等于个电容器电容之和.2.电容器的串联等效电容:结论:

串联电容器的等效电容的倒数等于各电容的倒数之和.C1C2C3UC1C2CnU10.2.4电容器的串联和并联目前二十二页\总数三十四页\编于十一点10.3静电场中的电介质1.电介质(dielectric)的电结构电结构特点:分子中的正负电荷束缚得很紧,介质内部几乎没有自由电荷.10.3.1电介质的极化电介质(dielectric):电阻率(resistivity)很大,导电能力很差的物质,即绝缘体.导体:

导电的原因是自由电子.半导体:导电原因是体内的空穴和电子对.绝缘体:

导电能力很差.目前二十三页\总数三十四页\编于十一点2.电介质在外电场中的极化(polarize)现象两类电介质分子结构:+-C--H+H+H+H+CH4无极分子:正负电荷中心重叠.电介质极化:

在外电场的作用下电介质表面出现正负电荷的现象.极化电荷或束缚电荷+-O--H+H+H2O-q+q=+有极分子:正负电荷中心分开.目前二十四页\总数三十四页\编于十一点1)无极分子(nonpolarmolecule)的位移极化(displacementpolarization)±±±±±±±±±±±±±±±+-E0+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-2)有极分子(polarmolecule)的取向极化(orientationpolarization)+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E0FF+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-无外电场时在外电场作用下在外电场作用下无外电场时目前二十五页\总数三十四页\编于十一点10.3.2电介质对电容器电容的影响U0Q-QQ-Q0Ur实验发现,Q不变时r称电介质的相对介电常数:只与电介质自身的性质有关.(1)U0>U

电介质降低了电势.(2)电介质增大了电容.目前二十六页\总数三十四页\编于十一点10.3.3电介质中的静电场电介质减弱了场强平板电容器:介质中的静电场E自由电荷极化电荷共同作用产生目前二十七页\总数三十四页\编于十一点10.3.4电介质中的高斯定理真空中的高斯定理：介质中的高斯定理：？以平板电容器为例：由：+-++++++------------++++++E目前二十八页\总数三十四页\编于十一点讨论:1)介质中的高斯定理有普适性.2)电位移矢量D是一个辅助量.3)描写电场的基本物理量是电场强度E.4)D

是总场,与q、q有关,其通量仅与

q

有关.

5)特例:真空——特殊介质.1.电位移矢量(electricdisplacementvector):2.介质中的高斯定理:

在任何静电场中,通过任意闭合曲面的电位移通量等于该曲面所包围的自由电荷(freecharge)的代数和.真空中:目前二十九页\总数三十四页\编于十一点1)根据介质中的高斯定理计算出电位移矢量2)根据电场强度与电位移矢量的关系计算场强本课程只要求特殊情况各向同性电介质