大学物理学-第6章-静电场中的导体和电介质概要课件.ppt

1、 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 P191 6-17，6-18，6-19.静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质本节讨论本节讨论静电场与物质静电场与物质的这种的这种相互作用相互作用规律。规律。静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质+感应电荷感应电荷 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质加上外电场加上外电场 后后0E 0E 0E 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质0EEE 0E+E0E0 E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 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质0 内E表面表面面面 E 静电场中的导

2、体和电介质静电场中的导体和电介质E 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质+E 幻灯片 46 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质等势体等势体等势面等势面babaUUE dl 0 内内ENMNMUUE dl MNUUababUUMNint0EE表表面面表表面面cos02NMEdl 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质0intESqE dS E=0=0，0intq0q,E 0 0高高斯斯面面 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质根据高斯定理根据高斯定理0En +E作扁平小高斯作扁平小高斯面面 Sint0E SE dS S E S0S 静电场中的导体和电介质静电场中的

3、导体和电介质0E RqrR 204qEr 2014qR 0 rP 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质P+qP0E 包括了空间所有电荷的贡献，包括了空间所有电荷的贡献，这正是叠加原理所要求的。这正是叠加原理所要求的。0PE RQ 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质rqRQU004141 RrrR ，rRqQ 2244RrRRrr R1rr 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质1R q 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质+在强电场作用下在强电场作用下，曲率半径小的，曲率半径小的地方附近，空气被地方附近，空气被电离电离而成为导体，从而产生而成为导体，从而产生气体

4、放电现象气体放电现象(在暗处可以看在暗处可以看到其表面附近隐隐地笼罩着一层光晕，称为到其表面附近隐隐地笼罩着一层光晕，称为电晕电晕)，称为，称为电晕放电电晕放电。0E 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 尖端放电尖端放电为电晕放电的一种，专指为电晕放电的一种，专指尖端附尖端附近空气电离而产生气体放电的现象近空气电离而产生气体放电的现象 +尖端放电：尖端放电：静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 E 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质避雷针避雷针-+避雷针避雷针 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质0intEE 表

5、表面面附附近近；表表面面0nEn 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质0SsdE0iq 0q 内内表表面面 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质1)1)2)2)0E 腔腔内内0Q 内内表表面面q0SsdE0iiq0Q 内内表表面面+静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质。静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质=-qq腔腔内内表表面面带带电电体体+-q=+qQq腔腔外外表表面面空空腔腔带带电电体体AB00,0;ABEEE 腔腔内内（)D=00,0;CDEEE导导体体中中（)0,0ABCDUU 静电场中的导体和电介质静电场中

6、的导体和电介质q 金属金属腔腔0E 腔腔内内0E 金金属属内内，在在静电平衡状态下，空腔导体外面的电场或带电体静电平衡状态下，空腔导体外面的电场或带电体不会影响空腔内部的不会影响空腔内部的电场分布，从而起到电场分布，从而起到“保护作用保护作用”。静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质qQ外外=qQ内内=-q如何使如何使0 腔腔外外E 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质Q外表面外表面=0E腔外腔外=0腔内带腔内带电体对腔外电体对腔外的影响被屏蔽的影响被屏蔽！导体壳接地，腔外表导体壳接地，腔外表面电荷流向大地面电荷流向大地qQ外外=qQ内内=-q 静电场中的导体和电介质静电场中的导

7、体和电介质0q0V壳 当金属腔内的带电体在腔内移动时，只改变腔内表面的当金属腔内的带电体在腔内移动时，只改变腔内表面的电荷的分布及腔内的电场，对腔外空间没有影响。电荷的分布及腔内的电场，对腔外空间没有影响。0q 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质1）测试用的屏蔽室）测试用的屏蔽室2）无线电电路中的）无线电电路中的屏蔽罩屏蔽罩、屏蔽线屏蔽线、高压带电作、高压带电作业中的业中的均压（屏蔽）服均压（屏蔽）服。3）电子）电子设备都用设备都用金属导体壳金属导体壳接地做保护，它起静接地做保护，它起静电屏蔽作用，内外互不影响。电屏蔽作用，内外互不影响。静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质

8、静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质0intE U 常常量量 iiSqsdE01 Ll dE0iiQ 常常 量量1.1.静电平衡的条件静电平衡的条件 3.3.基本性质方程基本性质方程2.2.电荷守恒定律电荷守恒定律4.4.场强、电势叠加原理和电势定义式场强、电势叠加原理和电势定义式lUE dl iiUU iiEE 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 2 3 4 1q1q2电荷守恒电荷守恒41 32 Sqq221 Sqq221 312402222AooooE 312402222BOOooE 121SSq342SSq 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质Qqq 2141

9、32 0 SQ0 E41 32 Sqq221 Sqq221 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质；求求:(1):(1)电量分布；（电量分布；（2 2）场强分布；）场强分布；（3)3)球和球壳的电势及电势差。球和球壳的电势及电势差。ABqQ例例2：q解解（1）电量均匀分布：）电量均匀分布：；：-，：（2 2）12204AqERrRr 3204BqQERrr Erq2R3R1R1=0ErR 球球内内（)23=0ERrR球球壳壳内内（)静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质（3)3)球的电势球的电势012314qqqQURRR球球034qQUR 壳壳1014qUR 2024qUR 30

10、34qQUR 3034qQUR 204qUr 104qUr 球壳的电势球壳的电势ABqQqq2R3R1RABqQqq2R3R1RPP-UUU 球球、壳壳球球球球壳壳01214qqRR 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质电介质电介质就是绝缘体就是绝缘体。0E E E 000EEE 0E 0E E E 0E 即即 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质0rEE /0r 0EEE0E 0E E E 00r 介介质质的的相相对对介介电电常常数数介介质质的的介介电电常常数数(1)r 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质T=10-15s-+静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介

11、质H+-+H+H+CH+CH4（甲烷）（甲烷）+-+He-+OH+H+H2O+-0pql 分分子子 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 在无在无外电场作用时存在外电场作用时存在固有电矩，固有电矩，因因无序排列对外不呈现电性。无序排列对外不呈现电性。pql 分分子子0E位移极化位移极化位移极化位移极化正负电荷中心发生正负电荷中心发生相对位移相对位移无极分子无极分子0Ep 分分子子=0p 分分子子 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质E外外 0ip 分分子子热运动热运动T0 KE外外T=0 K 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质取向极化取向极化0E取向极化取向极化有极分

12、子有极分子0E在力矩作用下转动在力矩作用下转动E0ip 分分子子 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质E 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 当外电场很强时，电介质的正负电中心当外电场很强时，电介质的正负电中心有可能进一步被拉开有可能进一步被拉开,出现可以自由移动的出现可以自由移动的电荷电荷,电介质就变为导体了，这称为电介质就变为导体了，这称为击穿。击穿。电介质能承受的最大电介质能承受的最大 电场强度称为该电介质电场强度称为该电介质 的的击穿场强。击穿场强。例如例如.空气空气的击穿场强的击穿场强 约约 3 kV/mm.静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质E 静电场中的

13、导体和电介质静电场中的导体和电介质+E幻灯片 10 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质结论结论 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质。q0 -q0-q q SqSdE0 )(00)(1内内Sqq )(0内内SSqSdD 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质0rDEE D E 讨论讨论DE 00EE,00DE E,0 0D 0 0 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质ED介质球介质球介质球介质球001()SSE dSqq内0SSD dSq内0E0D 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质D 0q 0qq q 0

14、q 0qq q E 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质1.由由0SD dSq 求求D D。2.由由求求E E。DE 3.由由babaUE dl 求求 。abU 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质例题：例题：将电荷将电荷 +q 放置于半径放置于半径为为 R 相对介电常数为相对介电常数为 r 的介质的介质球中心，求：球中心，求：I 区、区、II区的区的 D、E 及及 电势。电势。解：解：在介质球内、外各作半在介质球内、外各作半径为径为 r 的高斯球面。的高斯球面。RrqIIIrr0SD dSq 球面上各点球面上各点D大小相等，方向与球面方向一致大小相等，方向与球面方向一致D/d

15、S,1cos 204Drq 02244qqDrr 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质1224qDDr RrqrrIII0rDEE 120 (0)4rDqErRr 1120444RrRqqqUEdlEdlrRR 2204rqUEdlr 220 ()4DqErRr 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质今日物理今日物理 通常的金属导体因自由电子在电场的作用下导电，电子因通常的金属导体因自由电子在电场的作用下导电，电子因与金属中的正离子碰撞而有电阻。与金属中的正离子碰撞而有电阻。超导体：在极低温下，一些材料表现为零电组，电流一旦产生超导体：在极低温下，一些材料表现为零电组，电流一旦产

16、生，则无阻流下去。物理机理是，目前公认解释是，则无阻流下去。物理机理是，目前公认解释是电子对理论：电子电子对理论：电子对运动的物理图像是对运动的物理图像是无电流时电子对的动量为零；有电流时，电子无电流时电子对的动量为零；有电流时，电子对中的一电子与晶格碰撞而改变动量的大小和方向，但由于电子对对中的一电子与晶格碰撞而改变动量的大小和方向，但由于电子对中电子间的关联，另一电子的动量也相应变化，使电子对的总动量中电子间的关联，另一电子的动量也相应变化，使电子对的总动量不变这种具有相同动量的大量电子对以相同的速度运动，整体形成不变这种具有相同动量的大量电子对以相同的速度运动，整体形成了无阻的超导电流。

17、了无阻的超导电流。又称又称 （巴库施理论）理论的超导性理论（巴库施理论）理论的超导性理论，获，获1972年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。BCS高温超导技术最新进展与应用高温超导技术最新进展与应用最新转变温度最新转变温度K140135 材料材料 HgBaCaCuO 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质本 节 小 结物理学物理学 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质一、一、静电场中的导体静电场中的导体1.静电场中的导体平衡条件（略静电场中的导体平衡条件（略)。2.静电场中的导体表面场强：静电场中的导体表面场强：0En 3.静电场中的导体电荷分布，满足静电场中的导体电荷分布，满足(1)电量守恒；电量守恒；(2)高斯定律；高斯定律；(3)导体内部场强为零。导体内部场强为零。灵活运用场强和电势的叠加原理。灵活运用场强和电势的叠加原理。静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质rEE0E0E无介质时的场强。无介质时的场强。有介质时介质内的场强。有介质时介质内的场强。0rDE 00DE 0,D EE 0sD dSq （自由电荷）（自由电荷）静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质