第九章-静电场中的导体和电介质课件.ppt
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- 第九 静电场 中的 导体 电介质 课件
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1、 安徽大学出版社安徽大学出版社 大学物理学 December 16,2022Page1ANHUI UNIVERSITY 91 静电场中的导体 92 静电场中的电介质93 有电介质时静电场的高斯定理94 电容 电容器95 电容器的串联和并联96 静电场的能量 大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,20222 从物质电结构理论的观点来看,任何物体从物质电结构理论的观点来看,任何物体都亦可能带电。按导电性能的不同,物体可分都亦可能带电。按导电性能的不同,物体可分为三类:为三类:1.导体导体
2、存在存在大量大量的可自由移动的电荷的可自由移动的电荷(conductor)2.绝缘体绝缘体 理论上认为理论上认为无无自由移动的电荷自由移动的电荷 也称也称 电介质电介质(dielectric)3.半导体半导体 介于上述两者之间介于上述两者之间(semiconductor)本章将讨论静电场与场中导体和电介质的本章将讨论静电场与场中导体和电介质的相互作用和相互影响相互作用和相互影响.大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,20223 如图如图,从物质的电结构看从物质的电结构看,金属金属导体具
3、有带负电的自由电子和带正导体具有带负电的自由电子和带正电的晶体点阵组成电的晶体点阵组成.当导体不带电也当导体不带电也不受外电场的作用时不受外电场的作用时,只有微观的热只有微观的热运动运动.任意划取的微小体积元内,自任意划取的微小体积元内,自由电子的负电荷和晶体点阵上的正由电子的负电荷和晶体点阵上的正电荷的数目相等,整个导体或其中电荷的数目相等,整个导体或其中任一部分都显现电中性。任一部分都显现电中性。91 静电场中的导体静电场中的导体热平衡特征热平衡特征 大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December
4、 16,20224静电感应静电感应(electrostatic induction):在外电场作用在外电场作用下下,导体内自由电子将在电导体内自由电子将在电场力作用下作宏观定向运场力作用下作宏观定向运动并引起电荷的重新分布动并引起电荷的重新分布.静电平衡静电平衡(electrostatic equilibrium):导体内部和表导体内部和表面没有电荷的宏观定向运面没有电荷的宏观定向运动的状态。动的状态。一、导体静电平衡性质一、导体静电平衡性质 大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,20
5、22500EEE0E+E0E0E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 大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,20226静电平衡条件静电平衡条件 2)导体内导体内,导体表面各处电势相同导体表面各处电势相同,整个导体是等势体整个导体是等势体.0dd任意方向内lUE0dd切线方向切线方向UE 1)导体内部的场强处处为零导体内部的场强处处为零;导体表面的场强垂直于导体表面的场强垂直于导体的表面导体的表面;电场线不进入导体内部电场线不进入导体内部,而与
6、导体表面正交而与导体表面正交.0ABUABAB 静电平衡条件是场中所有电荷的共同贡献静电平衡条件是场中所有电荷的共同贡献.大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,20227 1.带电导体在静电平衡时带电导体在静电平衡时,电荷只分布在导体的表面上电荷只分布在导体的表面上.由高斯定理可以证明由高斯定理可以证明:iSqSE01d0E静电平衡时导体的电荷分布静电平衡时导体的电荷分布+S0iq 2.处于静电平衡的导体,其表面上各处的面电荷密度与处于静电平衡的导体,其表面上各处的面电荷密度与当地表面
7、近邻处的电场强度的大小成正比当地表面近邻处的电场强度的大小成正比.由高斯定理同样可以证明由高斯定理同样可以证明,作如图所示高斯面作如图所示高斯面:大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,202280SSEE0 3.孤立导体在静电平衡孤立导体在静电平衡时,电荷密度与导体表面时,电荷密度与导体表面曲率成正比曲率成正比.a.a.孤立球形带电导体,由于球面上各部分的曲率相同,孤立球形带电导体,由于球面上各部分的曲率相同,所以球面上电荷的分布是均匀的所以球面上电荷的分布是均匀的.b.b.形状不规则
8、的孤立带电导体,表面上曲率愈大处形状不规则的孤立带电导体,表面上曲率愈大处(例例如尖端部分如尖端部分),面电荷密度愈大。,面电荷密度愈大。大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,20229尖端放电尖端放电(discharge at sharp point)对于有尖端的带电导体,尖端处电荷面密度大,则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击穿场强时,
9、就会产生空气被电离的放电现象.避雷针避雷针电风电风 大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,20221000diSqSE,(1)腔内无带电体腔内无带电体S问题问题:若导体带电若导体带电,电荷如何电荷如何 分布分布,内表面上有无电荷内表面上有无电荷?二、空腔导体和静电屏蔽二、空腔导体和静电屏蔽 1.1.空腔导体空腔导体S+-AB0d lEUABAB反证反证:若内表面带电若内表面带电,则则导体是等势体导体是等势体0d lEUABAB矛盾矛盾+结论结论 若空腔带电若空腔带电,电荷分布在外表面上
10、(内表面无电荷)电荷分布在外表面上(内表面无电荷)导体内部无电荷导体内部无电荷.大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,20221100diSqSE,(2)腔内有带电体腔内有带电体1.导体中场强为零导体中场强为零.由电荷守恒由电荷守恒,当空腔内有电荷当空腔内有电荷q 时时,外表面有感应电荷外表面有感应电荷+q2.空腔内部电场决定于腔内带电空腔内部电场决定于腔内带电体体,空腔外电场决定于空腔外表空腔外电场决定于空腔外表面的电荷分布面的电荷分布.3.空腔的内表面所带电荷与空腔空腔的内表面所带
11、电荷与空腔内带电体所带电荷等量异号内带电体所带电荷等量异号.qq2Sq1S1S:导体内无电荷导体内无电荷.qq内表面:2S0E 大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,202212 2.2.静电屏蔽静电屏蔽(electrostatic shielding)导体壳导体壳(不论是否接地不论是否接地)的内部电场不受壳外电荷的影响的内部电场不受壳外电荷的影响,接地导体壳的外部电场不受壳内电荷影响的现象称为接地导体壳的外部电场不受壳内电荷影响的现象称为静电静电屏蔽屏蔽.空腔导体屏蔽外电场空腔导体屏
12、蔽外电场E接地空腔导体屏蔽内电场接地空腔导体屏蔽内电场qqq+q 大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,202213 大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,202214防静电屏蔽袋静电屏蔽应用静电屏蔽应用法拉第笼 大学物理学大学物理学Page 第九章第九章 静电场中的导体和电介质静电场中的导体和电介质 ANHUI UNIVERSITY December 16,202215例例1
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