大学物理-静电场中的导体和电介质公开课一等奖省优质课大赛获奖课件

第七章静电场中导体和电介质按导电性能，材料分为：导体，绝缘体(电介质)和半导体。本章研究在金属导体，电介质(绝缘体)存在时对静电场影响。金属导体特征是：内部有大量自由电子，称为电子气。而电介质内仅极少许自由电子。因而，二者在电场中表现不一样。名句赏析问渠哪得清如许，为有源头活水来。返回内容提要静电场中导体内外场性质电容电场能量静电场中电介质中场特点雷电奇观怒发冲冠第一节静电场中导体

一金属导体静电平衡条件+金属离子–自由电子金属导体内部微观电荷运动特征。金属导体内部正负电荷总量相等，从统计平均看，内部处处无多出电荷累积，呈电中性。金属金属在外场作用下，自由电子定向运动，使电荷在导体内局部堆积。电子在合场驱动下，不停运动，一直到…。感应电荷感应电荷当导体内电场为零时，电子宏观定向运动停顿，导体到达静电平衡。时间：静电平衡条件1.导体内部场强为零。2.导体是等势体，导体表面是等势面。3.导体表面处场强与表面垂直。

金属带电导体++++++证实2证实3（略）二.静电平衡下导体上电荷分布1.实心导体金属导体++++++++++++++高斯面结论：电荷分布在导体表面上。2.空心导体空腔内无带电体时金属导体++++++++++++++结论：导体上电荷分布在外表面，腔内场强为零，而电势处处相同。

腔内有带电体时高斯面结论：导体内表面上电荷量同腔内净余电量，但异号。++++++++++––––––––++++++++带电导体+++++三.导体表面外侧附近场强+s++此场强是空间全部电荷在导体表面附近场强合场。四带电导体上电荷面密度与导体表面曲率关系1尖端放电：由知，尖端附近场强大，到达一定程度时，可使空气被击穿，与尖端处异号离子被吸引，与尖端处电荷中和，使导体上电荷降低，称为尖端放电。理论和试验表明，带电导体达静电平衡时，电荷在表面曲率大处（曲率半径小）电荷密度较大，或讲表面尖端处电荷密度相对较大。（1）电晕现象：高压线电晕现象（在尖端附近被电离空气形成离子与空气中分子碰撞，使之激发，产生光辐射，形成电晕）等。为减小能量损失导体表面应光滑平坦。***演示电吹风等。（2）如高大建筑物遭雷击（物与云间放电）。防护：避雷针（避雷针与云间放电）。（3）森林火灾等。防护：高压设备做成球形等。***黄岛油库爆炸，球员毙命，农田，走路，油罐车拖地金属链，纺织厂车间飞絮，----等。应用：静电除尘，静电喷漆等。几毫米粗金属丝电离空气电子尘粒负离子。电压约金属腔带电体––––++++––––++++***高新科技应用：计算机屏蔽，电子设备屏蔽等，演示金属网屏蔽作用五.静电屏蔽电力线终止在导体表面上，使空腔内物体不受外界电场干扰，从而起到“保护作用”。电子仪器这表明，当金属腔内带电体移动时，只改变腔内表面电荷分布，不影响外表面上电荷分布，但外表面上感应电荷对壳外空间电场有影响。若金属壳接地，则金属壳电势为零；内表面上感应电荷及腔内电荷场对壳外空间电场无影响。金属壳起到静电屏蔽作用。金属壳––––––––––––++++++++++++––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––++++++++++++例7—1带电量为半径为金属球，与一内外半径分别为,带电量为金属球壳同心。求电势分布。++++++++金属球金属球壳解电荷分布为++++––––球壳内外表面上电荷为和电势分布：据电势叠加原理，金属球内任一点为球壳电势按定义，则金属球内电势++++++++金属球金属球壳由高斯定律得场强分布为++++++++金属球金属球壳球与球壳间电势差而球壳电势为++++++++金属球金属球壳例题1若球壳接地，是否对电势及电势差有影响。2金属球移动，是否影响球壳内外场。3当球偏心时，怎样?讨论：例7—2如图示，一无限大均匀带电金属板A，若把一大属板B靠近A板，求B板上电荷分布，二板电势差。++++++++++++解：由电荷守恒定律和导体内场强为零及用高斯定律，可得B板上电荷分部为（证实略）图示。+++++––––––二板电势差若B板接地后，二板电势差+++++++++++++++++––––––++++++++++++––––––––––––题目例7—3求A，B，C，D各面上电荷量。大导体带电平板解：P按高斯定律，有且要求高斯面按电量守恒，有解得例7---4一不带电金属球外有一点电荷，如图示，求球心场强和电势。点电荷解：因球面感应电荷等量异号，故球心电势为而球内场强处处为零。

当球接地时，球心场强几何﹖感应电荷若干﹖

若点评求解静电场中导体题目思绪1用高斯定律，导体内场强为零及电荷守恒律求出电荷分布。2按上章规律求电势，电势差等。3正确用场强，电势叠加原理。4注意导体内场强为零，导体是等电势体。今日物理超导体通常金属导体因自由电子在电场作用下导电，电子因与金属中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，则无阻流下去。物理机理是，当前公认解释是电子对理论：电子对运动物理图像是无电流时电子正确动量为零；有电流时，电子对中一电子与晶格碰撞而改变动量大小和方向，但因为电子对中电子间关联，另一电子动量也对应改变，使电子正确总动量不变这种含有相同动量大量电子对以相同速度运动，整体形成了无阻超导电流。又称（巴库施理论）理论超导性理论，获1972年诺贝尔物理奖。高温超导技术最新进展与应用最新转变温度材料第二节电介质一.电介质极化电介质又称绝缘体，在电介质中，电子被束缚在各自原子或分子中，因而，电介质中无自由电子。本节讨论电介质对电场影响。无极分子，正负电荷中心重合在外场作用下，二者分离，形成电偶极子电介质–––––+++++–––––+++++–––––+++++++++––––+–1无极分子极化如氧，氢，氮等双原子分子，原子分布含有对称性。极化面电荷极化电荷场强外界施加在介质上场介质内场强束缚电荷2有极分子极化有极分子，正负电荷中心不重合。+核电子电子电子电子电子等效电偶极子+–如水，二氧化硫，聚氯已烯等，分子都含有固有电矩。电介质趋向极化在外场中，有极分子沿外场排列+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–无外场时，电偶极子杂乱无章排列+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–外场存在时，电偶极子沿外场排列+–+–+––+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–极化面电荷电介质中场强为介质内场强与同向，和反向。二.电极化强度矢量电介质构想一块电介质置于外场中被极化。取一体元p定义反应P点附近平均极化程度。反应P点极化程度。式中是介质中场强，：电极化率，由介质性质决定。：电极化强度矢量。：相对介电常数。三.电极化强度矢量与极化电荷面密度关系设一斜圆柱电介质被均匀极化。即电极化强度处处相等。均匀极化

L+++++++++–––––––––––电介质结论：极化电荷面密度为电极化强度在法线方向上投影。++++++++++++––––––––––––++++++++––––––––电介质第三节电介质中场强介质中高斯定律一电介质中场强如图示代数式：相对介电常数适用条件:1介质充满整个场2介质分界面为等势面++++金属球例++++金属球ABC++++金属球第一壳层电介质内表面极化电荷面密度：第一壳层电介质内表面极化电荷总量++++++++++++––––––––––––++++++++––––––––电介质二介质中高斯定律电位移选一高斯封闭面令则称为电位移矢量。介质中高斯定律：经过场中某一封闭面上电位移通量等于该闭合面内所围自由电荷代数和。题目关系最主要第四节电容电容器一孤立导体电容孤立金属导体++++++当该孤立导体电量增减时，据电势叠加原理，不难想象，导体电势按百分比增减，二者是成百分比增加或降低，二者之比值为称为孤立导体电容。物理意义：使导体每升高单位电势所需要电量。电容大小反应导体容纳电荷能力。孤立导体电容与导体形状和大小相关，是一个与和无关常数。***与水容器,库容量等比较。单位：法拉（）；微法（）或微微法（）。R显然，孤立导体球电容与线度及周围电介质相关，与导体球是否带电，是空心球还是实心球均无关。设二分之一径为孤立带电导体球，置于无限大均匀电介质中。其电容为多大。若金属球带电为，其电势为，

据定义，其电容为++++++++比如，地球为导体，其平均半径为，其电容值约为二电容器电容++++带电导体电容器即导体组成体系。在孤立导体附近放置另一导体，由电势叠加原理得知，使原来导体电势降低，若维持其电量不变，则原来带电导体必容值增加。++––原来不带电导体导体系感应电荷设一金属板，带电量为，与一电位计相连，测电势为电位计++++++++++。当另一不带电金属板靠近板时，感应电荷产生，据电势叠加，使板电势下降。–––––+++++电介质+++++–––––把电介质插入后，板电势再下降。电容器电容定义为一个极板上电量（绝对值）和两极板电势差之比，即++++++++++–––––+++++接地，则使板电势深入下降。1平行板电容器解释（略）平行金属板按定义大金属板–––––––+++++++2球形电容器按定义金属球壳金属球+++++++–––––––讨论：1，得孤立导体球电容。2当时，得平形板电容器电容3柱形电容器按定义––––––––++++++++点评2综上可知，电容器电容与极板面积，极板相对位置，板间电介质等相关。3板间电场被极板屏蔽，外部导体或带电体等对板间场强和板间电势差无影响。1电容器电容描述电容器容电能力和性质。4用定义式是物理中求解电容惯用方法。5在电子线路中有分布（杂散）电容。例7—8如图，平行板电容器极板面积为，板间填充两种电介质。其它相关量如图中所表示。求：此电容器电容。解：解题思绪，欲求电容，先设上下二极板电量，如图示。++++++––––––据定义或视为二简单电容器串联。金属板存在不影响板上电量与电势差，故电容不变。其中则总电容为例7—9如图示所表示。求电容，板上电量，板间场强大小。解：相当二简单电容并联。故上电量为板间场强大小为，为什麽与介质无关?三应用电容器是电技术中三大基本元件之一，其在电路中独立作用是储荷与储能（如照像机闪光灯），隔直通交。在电工技术，电子线路等方面有着广泛应用。如与电阻，电感一起可组成滤波电路，整流电路，延时电路，选频与调谐电路，振荡电路，相移电路等。在详细应用时，一要选适当容值，二要注意其耐压值，以免使用时被击穿。在大规模集成电路中，电容可做到极小，每平方厘米内可做上万个电容。能量是物质存在一个形式，电场做为一个特殊形态物质---场物质，有电场能量。

结论：带电过程中，外界不停克服电场力作正功，所以，带电过程是储能过程。第五节电场能量能量密度2在带电体形成过程中因外界作功而形成能----形成能。1

前面讲过带电体间电势能称为相互作用能。讨论一物体带电过程。物体+移动中外界不做功+移动中外界不做功++外界克服电场力做功+外界克服电场力做功+++物体+移动中外界不做功+移动中外界不做功++外界克服电场力做功+外界克服电场力做功+++++++++带电体下面，以平行板电容器带电过程为例说明场能计算+++–++–++–++–++–时刻+移动电荷电势差终态（充电结束)+++++++––––––电势差外界克服电场力做功外界克服电场力做功等于电场能量。电场储能解释（略)解释：由以上表述可见，静电能与电荷共存，与电荷直接连系在一起。或讲电容器储存能量是由电荷携带，哪里有能量，哪里有电荷，以上结论适合用于任何形式电容器。经变换，场能又表述为可见，场能储存在电场中。考虑到板间是均匀场，故能量密度(单位体积内能量)为1不但适合匀强场，而且适合非匀强场，是空间函数。2又适合电磁波----迅变电磁场。场脱离电荷，电场与磁场相互激发。是空间和时间函数。1相互作用能（互能）。2自能：是形成点电荷时外界克服电场力做功之和3带电系统总静电能：互能+自能。计算公式：导体系总静电能计算公式：如带电平行板（一个导体系)总静电能点评电场能量故前述带电平行板电容器能量为系统总静电能=互能+自能。例7—10求图中球形电容器电容和能量。解：设金属球和金属球壳电量为题金属球壳金属球金属球直流电