(2024年)静电场课件

静电场课件12024/3/26CATALOGUE目录静电场基本概念静电场中的电荷分布静电场中的电势与电势差静电场中导体和电介质特性静电场能量与能量转换静电场应用实例分析22024/3/2601静电场基本概念32024/3/26电荷是物质的一种属性，分为正电荷和负电荷。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。电荷电荷周围空间存在电场，电场对放入其中的其他电荷有力的作用。电场为了形象地描述电场而引入的线，电场线上每点的切线方向表示该点的电场强度方向，电场线的疏密程度表示电场的强弱。电场线电荷与电场42024/3/26

电场强度与电势电场强度描述电场强弱的物理量，用E表示。单位是牛/库（N/C），电场强度是矢量，方向与正电荷在该点所受电场力方向相同。电势描述电场能的性质的物理量，用φ表示。单位是伏特（V），电势是标量，只有大小，没有方向。电势差两点间电势的差值，用U表示。单位是伏特（V），电势差是标量，有正负之分。52024/3/26电介质电介质是绝缘体，其内部几乎没有自由电子。在静电场中，电介质内部可以存在电场，且电介质会被极化，产生极化电荷。导体导体内部存在大量自由电子，能够在电场作用下自由移动，从而形成电流。在静电场中，导体内部电场强度为零，电荷分布在导体表面。静电感应当导体靠近带电体时，由于静电感应现象，导体会出现感应电荷。感应电荷的电量与带电体的电量相等，但符号相反。静电场中的导体和电介质62024/3/2602静电场中的电荷分布72024/3/26点电荷一种理想化的物理模型。当带电体间的距离比它们本身的大小大得多，以至带电体的形状和大小对它们之间的作用力影响可以忽略不计时，此带电体可看作点电荷。电荷分布描述电荷在空间中如何分布的物理量。对于连续分布的电荷，其电荷分布可以用电荷密度来描述。点电荷与电荷分布82024/3/26在一个孤立系统中，不论发生什么变化，其中所有电荷的代数和永远保持不变。即电荷既不能被创造，也不能被消灭，只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。电荷守恒定律用于解释和预测各种静电现象，如摩擦起电、感应起电等。电荷守恒定律的应用电荷守恒定律92024/3/26真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。库仑定律对于线性系统，如果两个不同原因（激励）分别作用于系统而产生的响应是可加的，则当这两个激励同时作用于系统时，其响应是这两个响应的代数和。这一原理在静电场中同样适用，即多个点电荷在某点产生的电场强度是各个点电荷单独存在时在该点产生的电场强度的矢量和。叠加原理库仑定律与叠加原理102024/3/2603静电场中的电势与电势差112024/3/26电势是描述电场中某点电势能的物理量，表示单位正电荷在该点所具有的电势能。电势的计算公式为φ=Ep/q，其中φ表示电势，Ep表示电势能，q表示电荷量。在静电场中，电势与距离场源电荷的远近及电场线的方向有关。电势定义及计算电势计算电势定义122024/3/26等势面定义电场中电势相等的各个点构成的面叫做等势面。等势面与电势差关系等势面上各点电势相等，因此在等势面上移动电荷时电场力不做功。电势差是指电场中两点之间电势的差值，与路径无关，只与两点位置有关。等势面与电势差关系132024/3/26电场力做功与路径无关性电场力做功特点在静电场中，电场力对电荷做功与路径无关，只与电荷的初末位置有关。路径无关性原理由于静电场是保守场，因此可以引入电势概念来描述电场的性质。电场力做功与路径无关性的原理是电场力是保守力，其做功只与电荷的初末位置有关。142024/3/2604静电场中导体和电介质特性152024/3/26当导体置于静电场中时，其内部自由电子会受到电场力的作用而重新分布，使得导体两端分别出现正负电荷，这种现象称为静电感应。静电感应现象当导体内部电荷分布达到稳定，使得导体内部电场为零时，称导体处于静电平衡状态。此时，导体表面为等势面，且导体内部无电荷定向移动。静电平衡状态在静电平衡状态下，导体表面的电荷分布与导体形状和周围电场有关。通常，电荷会集中在导体的尖端或曲率半径较小的地方。导体表面电荷分布导体在静电场中特性162024/3/26电介质极化现象01电介质置于静电场中时，其内部正负电荷中心会发生相对位移，使得电介质两端分别出现正负束缚电荷，这种现象称为电介质的极化。极化规律02电介质的极化程度与电场强度、电介质性质及温度等因素有关。通常，电场越强、电介质越容易被极化；温度升高会降低电介质的极化程度。极化类型03根据电介质内部正负电荷中心的位移方式，可将极化分为电子极化、离子极化和取向极化等类型。电介质极化现象及规律172024/3/26高斯定理表述通过任意闭合曲面的电通量等于该曲面内所包围电荷量的代数和除以真空中的介电常数。当存在电介质时，需考虑电介质对电场的影响。电介质中的高斯定理在有电介质存在的情况下，高斯定理仍然适用，但需注意电介质极化产生的束缚电荷对电场的影响。此时，高斯定理中的电荷量应包括自由电荷和束缚电荷两部分。应用举例利用高斯定理可以求解具有对称性的静电场问题，如无限长均匀带电直线、无限大均匀带电平面等。在这些情况下，通过选择合适的高斯面并运用高斯定理，可以简化计算过程并得到电场强度的表达式。有电介质存在时高斯定理应用182024/3/2605静电场能量与能量转换192024/3/26123单位体积内的静电场能量。静电场能量密度的定义w=1/2*ε*E^2，其中ε为介电常数，E为电场强度。计算公式反映静电场在空间中某一点的能量分布情况。能量密度的物理意义静电场能量密度及计算202024/3/2603能量转换与储存的关系电荷在静电场中的移动引起能量的转换和储存，二者相互关联。01静电场中的能量转换当电荷在静电场中移动时，电场力对电荷做功，实现能量的转换。02储存过程在静电场中，能量以电势能的形式储存于电荷与电场之间。能量转换与储存过程分析212024/3/26在一个孤立系统中，总能量保持不变。能量守恒定律当电荷在静电场中移动时，电场力对电荷做功，消耗或增加的能量等于电荷电势能的变化量，遵循能量守恒定律。在静电场中的应用通过具体例子说明能量守恒定律在静电场中的应用，如电容器充放电过程中的能量转换和守恒。实例分析能量守恒定律在静电场中应用222024/3/2606静电场应用实例分析232024/3/26充电过程当平行板电容器与电源连接时，正极板上的自由电子受到电源电场的作用向负极板移动，使得正极板带正电，负极板带负电。随着充电的进行，电容器两极板间的电势差逐渐增大，直到等于电源电压，此时充电结束。放电过程当平行板电容器与电源断开后，若两极板间存在电势差，则会通过外电路进行放电。放电过程中，正极板上的正电荷向负极板移动，使得两极板间的电势差逐渐减小，直到为零，此时放电结束。平行板电容器充放电过程分析242024/3/26VS根据库仑定律和电场叠加原理，可以推导出长直导线周围的电场分布规律。当导线通以恒定电流时，导线周围的空间将形成环形电场，且离导线越近，电场强度越大。长直导线周围的电势分布由于电场强度的分布规律，可以进一步推导出长直导线周围的电势分布。在距离导线一定距离处，电势随着与导线的距离增大而减小。长直导线周围的电场分布长直导线周围空间分布规律探讨252024/3/26在强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象称为尖端放电。当带电体表面的电荷密度很大时，使得其周围场强很强