第6章--静电场中的导体与电介质分析.ppt

第6章静电场中的导体与电介质,避雷针,本章内容,6.1静电场中的导体6.2静电场中的电介质6.3电容和电容器6.4静电场的能量和能量密度,基本要求,1.理解静电场中导体处于静电平衡时的条件，并能从静电平衡条件来分析带电导体在静电场中的电荷分布.2.了解电介质的极化及其微观机理，了解电位移矢量的概念，以及在各向同性介质中，电位移矢量和电场强度的关系.了解电介质中的高斯定理，并会用它来计算对称电场的电场强度.理解电容的定义，并能计算几何形状简单的电容器的电容.4.了解静电场是电场能量的携带者，了解电场能量密度的概念，能用能量密度计算电场能量.,6.1.1物质电性质的分类,6.1静电场中的导体,电阻率,在数值上等于单位横截面、单位长度的物质电阻它是定量反映物质传导电荷本领的物理量.物质的电阻率越小，其传导电荷的能力越强,物质的分类,第一类为导体：,转移和传导电荷能力很强的物质.,电阻率为10-810-6m,第二类为绝缘体：,转移和传导电荷能力很差的物质.,电阻率为1081018m,第三类为半导体：,介于导体和绝缘体之间的物质.,电阻率为10-5107m,6.1.2导体的静电平衡,金属导体的电结构和静电感应现象,从导体的结构来看，金属导体是由大量带负电的自由电子和带正电的晶体点阵组成，并且大量自由电子的存在是金属导电结构的重要特征当导体不带电时，也不受外电场作用时，大量自由电子的负电荷和组成晶体点阵的大量正离子的正电荷相互中和，整个导体或其中一部分都是电中性的这时,只有自由电子微观无序的热运动,没有宏面的定向运动,如果把导体放在外电场中，无论它原来是否带电，导体内的自由电子在外电场作用下，将相对于晶体点阵作宏观定向运动，引起导体上电荷重新分布结果使导体左侧表面出现了多余的负电荷，右侧出现了多余的正电荷把这种在外电场作用下，因内部自由电子的重新分布而在导体表面出现剩余电荷的现象，称为静电感应现象.导体上因静电感应所产生的电荷，称为感应电荷,过程分析,演示,导体G,外电场,附加电场,导体内部的电场,E=0,静电平衡状态,导体静电平衡条件,导体内部任何一点处的场强为零.,导体表面附近任何一点的场强方向处处垂直于该处的导体表面,演示1,演示2,导体静电平衡的性质,整个导体是一个等势体，导体内部和表面电势处处相等,等势体,证明：,内,表面,导体表面附近的电场强度与面上对应点的电荷面密度成正比,紧靠导体表面的P点作垂直于导体表面的小圆柱面，下底面在导体内部,上底面,下底面,侧面,孤立导体表面电荷面密度与表面曲率成正比,在表面凸出的尖锐部分(曲率是正值且较大)电荷面密度较大，在比较平坦部分(曲率较小)电荷面密度较小，在表面凹进部分带电面密度最小.,证明：,导体静电平衡的应用-尖端放电,由于带电体的尖锐部分，电荷面密度很大，因而尖端或尖端附近有特别强的电场存在通常情况下，虽然空气中存在着少量的离子，但还不足以导电但是，如果在带电导体尖端附近的强电场影响下，这些少量的粒子在电场力作用下就会发生剧烈的运动，并与空气分子进行频繁的碰撞，产生出大量的新离子来，这样在金属尖端附近空气中离子数将大大增加在尖端强电场作用下，与尖端上电荷异号的离子将被吸引到尖端，与尖端电荷中和，从而使尖端上的电荷逐渐消失，这样尖端附近空气开始导电这种使空气击穿成导体而产生的放电现象称为尖端放电，而离子的运动在尖端附近形成一股气流，称之为电风人们无法用肉眼看出离子的运动，但可以感受到电风因而电风常被用来演示尖端放电,带电云层,避雷针的工作原理,+,+,+,+,+,+,+,实心导体,在导体内部作任意高斯面S,6.1.3导体静电平衡时其上电荷分布情况,空腔内无带电体,在空腔内作任意高斯面,内表面也不存在等量异号电荷,否则,空腔导体,空腔内有带电体,导体内和外表面间任取高斯面,空腔内表面感应出电量-q，外表面感应出电量+q，因此外表面总电量为Q+q.,结论：空腔导体内有带电体时，空腔的内表面感应出等量异号的电荷，空腔的外表面感应出等量同号的电荷,导体静电平衡的应用-静电屏蔽,例1两块放置很近的大导体板，面积均为S，两板带电荷分别为q1和q2，求导体板各表面的电荷面密度.,设四个表面上的电荷面密度分别为1,2,3和4,解:可认为板上电荷均匀分布在板表面上,在板内任取一点P点，E=0,在另一板内任取一点Q点，则,两板带电荷分别为q1和q2，则,联立以上各式可得,讨论,例2半径为r1的导体球被一个半径分别为r2、r3的同心导体球壳罩着，若分别使导体球和球壳带电+q和+Q，试求：,1）导体球和球壳的电势及它们的电势差；2）用导线将球和球壳连接起来，两者电势为多少？,解:1）根据静电平衡的条件可知,球壳内表面感应出电荷-q，球壳外表面感应出电荷+q，外表面电荷总量为q+Q.,根据高斯定理计算各区的场强分布.,电势差,球壳的电势,2）用导线连接球和球壳：,导体球将变为球壳内表面的一部分，电荷只分布在导体的外表面上.,6.2静电场中的电介质,6.2.1电介质对电场的影响,除导体外，凡处在电场中能与电场发生相互作用的物质皆可称为电介质，而某些具有高电阻率的电介质又称绝缘体电介质包括气态电介质（如氢、氧、氮等非电离气体）、液态电介质（如水、油、漆、有机酸等）和固态电介质（如玻璃、云母、陶瓷、塑料、石英等）,本章只限于讨论各向同性的均匀电介质.若把电介质放入静电场中，电场会发生什么样的变化呢？,静电计测电压,介质放入带电平行板之间，指针偏转减小，说明介质具有消弱电场的能力.,不同电介质，削弱电场的能力是不同的为了反映这一物理性质，引入物理量，称为介质的相对介电常数.,放入介质前真空中某点场强,保持原来电荷分布不变情况下，介质充满全部电场空间后同一点的场强,）,几种常见介质的相对介电常数,介电常数：相对介电常数和真空介电常数的乘积，用表示.,6.2.2电介质的极化极化电荷,无极分子,有极分子,+-,无外场时（热运动）,整体对外不显电性,(无极分子电介质,(有极分子电介质,有外场时,(分子)位移极化,(分子)取向极化,束缚电荷,束缚电荷,无极分子电介质,有极分子电介质,电位移矢量：在电场空间中，某一点的电位移矢量等于介电常数与该点处电场强度的乘积.,数学表达式：,在外电场的作用下内部状态的变化叫做极化，被极化后的电介质中所产生的电荷称之为极化电荷.因此在有电介质存在时，空间各点的电场强度不仅与产生电场的自由电荷分布有关，而且与介质中的极化电荷分布也有关.然而，电介质中的极化电荷通常很难测定，这给研究介质存在时的电场造成了很大的困难.因此，需要引入一个辅助物理量电位移矢量，它本身并不具有明确的物理意义，但引入该量在处理介质中的电场问题时，可以绕过极化电荷这一物理量，从而使问题得以简化.,6.2.3电介质中的高斯定理,真空中,介质中,极化电荷，很难测定，设法消除,因为在真空时,所以真空中,即,自由电荷,说明,电位移通量仅与自由电荷有关，而与极化电荷无关.,(1),(2),如果自由电荷的分布情况已知，且电荷分布具有对称结构，根据介质中高斯定理可以求出“电位移”矢量的大小分布情况，根据电场强度与电位移矢量的关系可以求出电场强度的分布，这样就避免了求极化电荷的问题。,例半径为R的金属球面带有正电荷q，置于一均匀无限大的电介质中(相对介电常数为r)，求球外的电场分布.,取半径为r并与金属球同心的球面S为高斯面，则,方向沿径向向外,电场分布为,解:电场分布具有球对称性,你发现什么规律了？,2020/5/3,第8章静电场,35,求：E1及E2和板间电势差。,根据高斯定理，可以求出电位移矢量大小为,选积分路径如图，积分正方向如图，则,积分路径任选,你发现什么规律了？,2020/5/3,第8章静电场,36,1、电容,描述物体或者装置容纳电荷能力的物理量。,2、电容器,广义上讲任何物体都可以看成是一个电容器，即能,够容纳电荷的物体或者装置称为电容器；狭义上讲电容器是指专门用来容纳电荷的装置。,实际应用中导体容易被带电荷，所以我们着重讲金属电容器，这儿将电容器的概念再缩小一点即：彼此绝缘、靠的很近的(两个)导体的组合称为电容器，两个导体为电容器的两极。特殊情况下孤立导体可以看成是另一极在无穷远处的电容器。,例如两个导体板组合、柱面组合、球面组合等等，单个导体也可看成是一个电容器。,6.3电容和电容器,37,3、电容器电容的定义,设电容器两极带分别为Q，此时两极之间的电势差为u，则Q/u为一个恒定的值，我们把这一比值定义为该电容器的电容。,对于孤立导体的电容则定义为设导体带电荷的绝对值为Q，如果此时导体相对于无穷远处的电势为u，则Q/u是一个恒定的值我们定义该比值为这个孤立导体的电容。,注意：,(1)、上式仅仅是定义式，电容是装置本身的属性,电容大小即装置容纳电荷能力是装置本身结构决定的。,38,(2)、上式中的Q是电容器电极上所带的自由电荷，不考虑有介质时的束缚电荷。,(3)、电容器电容的单位为F（法拉）。,(4)、电容器实际需要屏蔽使其不与外场相互作用；即上面的定义式是理想状态的电容。,(5)电容器电容的计算原则是：从定义出发，假设两个极分别带电Q，求出两极的电势差，然后根据定义式计算即可。,孤立导体球的电容,6.3.2孤立导体的电容,设孤立导体球带电量为Q则其相对于无穷远处的电势(差)为,(1)、电容只与导体的几何因素有关，与导体是否带电无关,讨论:,(2)、因为真空的介电常数很小，所以孤立导体的球的电容很小。,6.3.3几种常见的电容器及其电容的计算,平板电容器,设两个极板的带电量分别为+Q和-Q,两板间场强,两板间电势,电容,球壳间的场强为,球壳间的电势差为,球形电容器的电容,球形电容器,两个同心导体球壳，其带电量分别为Q,两球面间充满相对介电常数为的电介质.,圆柱形电容器,设两圆柱面单位长度上分别带电，两柱面间充满相对介电常数为的电介质.,电容,END,6.3.4电容器的串联和并联,电容器的串联,电容器串联时，每个电容器两极板间的电量相等.,两极板间的总电压,两极板间的总电量,两极板间的总电容,电容器的并联,电容器并联时，每个电容器两极板间的电压相等.,两极板间的总电量,两极板间的总电压,两极板间的总电容,6.4静电场的能量和能量密度,克服静电力做功就需要消耗某种形式的能量，那么根据能量守恒可知消耗掉的能量一定要转移到别的系统或者转化为别的形式的能量，而消耗能量的结果仅仅是形成了一个带电的系统，所以任何带电系统都具有能量。,带电系统具有能量！,具有多少能量呢？,做了多少功呢？,一个带电体系所具有的静电能等于把各电荷元从无限远离的状态聚集成该带电体系的过程中,外力克服静电场力所做的功.,46,6.4.1平行板电容器的充电过程,当装置结构确定后则板上电量与板间的电势差之间的关系可以由装置的电容来联系,当板上电量为q时，再将dq从B板迁移到A板需要克服电场力做的功为：,极板上电量从0Q的过程中需要克服电场力做功多少呢？,该功在数值上等于这个带电系统具有能量,电场空间所存储的能量,电场能量密度,6.4.2静电场的能量能量密度,以平板电容器为例,能量储存于场中！,可看作无限大平板,2020/5/3,第8章静电场,48,例：求一个孤