大学物理课件静电场中的导体和电介质

大学物理课件静电场中的导体和电介质演示文稿第1页，共65页。导体静电感应静电场与导体的相互作用静电场与导体的相互作用一、导体的静电平衡导体内有大量自由电子。自由电子在导体内作不停的热运动若导体无外加电荷或受外电场作用自由电子分布均匀导体整体不显电性若施以外电场自由电子定向漂移电荷重新分布导体两端出现等量异号电荷称为静电感应静电感应所产生的感生电荷产生一个附加电场导体内合电场为2第2页，共65页。导体静电平衡静电场与导体的相互作用静电场与导体的相互作用导体内有大量自由电子。一、导体的静电平衡若施以外电场自由电子定向漂移电荷重新分布导体两端出现等量异号电荷称为静电感应静电感应所产生的感生电荷产生一个附加电场导体内合电场为导体内合电场为静电平衡导体达到导体内合电场自由电子停止定向漂移自由电子不断漂移附加电场不断增大3第3页，共65页。静电平衡条件导体达到静电平衡的条件是导体内部的场强处处为零导体表面的场强处处垂直于导体表面导体内不论导体的内部或表面，均无电子作定向运动此时导体的整体成为等势体表面等势面成为4第4页，共65页。等势体等势面导体内导体表面5第5页，共65页。金属球放入前电场为一均匀场6第6页，共65页。金属球放入后电力线发生弯曲电场为一非均匀场+++++++7第7页，共65页。导体内没有净电荷，电荷只分布在导体表面上。++++++++++++++++二、静电平衡下导体上的电荷分布1、实心导体8第8页，共65页。2、空心导体,腔内无电荷空腔内表面没有电荷，电荷只分布在外部表面。在导体内包围空腔作高斯面S。则：=09第9页，共65页。腔体内表面所带的电量和腔内带电体所带的电量等量异号，腔体外表面所带的电量由电荷守恒定律决定。未引入q1时放入q1后3、空心导体,腔内有电荷+10第10页，共65页。表面附近作圆柱形高斯面二、导体表面外侧的场强尖端放电1.电场强度与电荷面密度的关系11第11页，共65页。导线证明:即用导线连接两导体球则2.电荷面密度与曲率的关系导体表面曲率较大的地方，电荷密度也较大。12第12页，共65页。导体表面上的电荷分布情况，不仅与导体表面形状有关，还和它周围存在的其他带电体有关。静电场中的孤立带电体：导体上电荷面密度的大小与该处表面的曲率有关。曲率较大，表面尖而凸出部分，电荷面密度较大曲率较小，表面比较平坦部分，电荷面密度较小曲率为负，表面凹进去的部分，电荷面密度最小导体表面上的电荷分布13第13页，共65页。3.尖端放电尖端场强特别强，足以使周围空气分子电离而使空气被击穿，导致“尖端放电”。——形成“电风”14第14页，共65页。++++++++Q咯咯嚓嚓防上静电干扰的思路：1）“躲藏起来”2）大家自觉防止静电场外泄++++++++Q+++实验：+四、静电的应用15第15页，共65页。解释：++++++++++++++----------++++++++++++++--------------------+-++++++++Q++结论：一个接地的金属壳（网）既可防止壳外来的静电干扰，又可防止壳内的静电干扰壳外16第16页，共65页。实际中大量应用：1）测试用的屏蔽室2）无线电电路中的屏蔽罩、屏蔽线、高压带电作业中的均压服。3）变压器中的屏蔽层。初级次级17第17页，共65页。静电屏蔽接地封闭导体壳（或金属丝网）外部的场不受壳内电荷的影响。封闭导体壳（不论接地与否）内部的电场不受外电场的影响；++++18第18页，共65页。电荷守恒定律静电平衡条件电荷分布五、有导体存在时场强和电势的计算19第19页，共65页。例1.已知：导体板A，面积为S、带电量Q，在其旁边放入导体板B。

求：(1)A、B上的电荷分布及空间的电场分布(2)将B板接地，求电荷分布a点b点A板B板20第20页，共65页。解方程得:电荷分布场强分布两板之间板左侧板右侧ⅠⅡⅢ21第21页，共65页。

(2)将B板接地，求电荷及场强分布板接地时电荷分布a点b点22第22页，共65页。

场强分布电荷分布两板之间两板之外23第23页，共65页。例2.已知R1R2R3qQ求①电荷及场强分布；球心的电势②如用导线连接A、B，再作计算解:由高斯定理得电荷分布场强分布24第24页，共65页。球心的电势场强分布25第25页，共65页。球壳外表面带电②用导线连接A、B，再作计算连接A、B，中和26第26页，共65页。练习已知:两金属板带电分别为q1、q2

求：

1、2、3、427第27页，共65页。中间绝缘的两导体极板构成电容器；电容器的基本功能是储存电荷；储存电荷能力大小用电容C来量度。一、电容器及其电容10-2电容电容器+q-qAB单位：法拉（F），二、孤立导体的电容28第28页，共65页。三、电容的计算计算电容器电容的一般步骤是：（1）设两极板带电±Q，求电场强度（2）场强积分计算电势差（3）代入公式29第29页，共65页。1.平行板电容器已知：S、d、

0设A、B分别带电+q、-qA、B间场强分布电势差由定义讨论与有关；30第30页，共65页。2.圆柱形电容器已知：设

场强分布电势差由定义31第31页，共65页。3.球形电容器已知设+q、-q场强分布电势差由定义讨论孤立导体的电容32第32页，共65页。1.电容器的串联C1C2C3C4UC三.电容器的联接U33第33页，共65页。2.电容器的并联abC1C2C3C4U34第34页，共65页。电介质电介质（电绝缘体）一、即使在外电场作用电介质中的电子受所属原子的原子核很强的束缚，无自由电荷的宏观运动。沿电场方向相对于原子核作一微观位移，下也只能无外场作用条件下，从分子的线度看电介质的电结构，可将电介质分成两类无极分子电介质有极分子电介质分子的正、负电荷中心重合分子的正、负电荷中心不重合如氢、聚丙乙烯、石蜡如水、环氧树脂、陶瓷10—3、静电场中的电介质35第35页，共65页。

有极分子：分子正负电荷中心不重合。无极分子：分子正负电荷中心重合；电介质CH+H+H+H+正负电荷中心重合甲烷分子+正电荷中心负电荷中心H++HO水分子——分子电偶极矩二、电介质的极化36第36页，共65页。1.无极分子的位移极化+---+He+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-均匀介质+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+--qq37第37页，共65页。+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-1）位移极化是分子的等效正负电荷作用中心在电场作用下发生位移的现象。2）均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷，而非均匀介质极化时，介质的表面及内部均可出现极化电荷。极化电荷极化电荷结论：38第38页，共65页。2.有极分子的转向极化+++++++++++++++++++++++++++无外电场时电矩取向不同两端面出现极化电荷层转向外电场加上外场39第39页，共65页。附加场强无限均匀电介质电介质极化的两端面上出现束缚电荷无论位移极化或转向极化，其宏观效果同样导致真空真空束缚电荷产生的附加场强（与反向）介质内的合场强比真空时弱，但不为零。与导体静电平衡截然不同。三、电介质对电场的影响40第40页，共65页。电极化强度(矢量)单位体积内分子电偶极矩的矢量和描述了电介质极化强弱，反映了电介质内分子电偶极矩排列的有序或无序程度。四、极化强度41第41页，共65页。五、极化强度与极化电荷的关系大量实验证明：对于各向同性的电介质，极化强度与电场有如下关系：---电极化率（由介质本身性质决定的常数，是反映介质本身性质的物理量)。均匀介质极化时，其表面上某点的极化电荷面密度，等于该处电极化强度在外法线上的分量。42第42页，共65页。六、电位移电介质中的高斯定理真空中的高斯定理电介质中的高斯定理+++++++++++43第43页，共65页。定义电位移矢量介质中的高斯定理自由电荷通过任意闭合曲面的电位移通量，等于该闭合曲面所包围的自由电荷的代数和。44第44页，共65页。真空中介质中介质的相对介电常数介质的介电常数45第45页，共65页。电位移线大小:方向:切线线线46第46页，共65页。将真空电容器充满某种电介质电介质的电容率（介电常数）平行板电容器电介质的相对电容率（相对介电常数）同心球型电容器同轴圆柱型电容器47第47页，共65页。例1.已知:导体板介质求:各介质内的解:设两介质中的分别为由高斯定理由得48第48页，共65页。场强分布电势差电容例2.平行板电容器。已知d1、

r1、d2、r2、S

求:电容C解:设两板带电

49第49页，共65页。例3.已知:导体球介质求:1.球外任一点的2.导体球的电势解:过P点作高斯面得电势50第50页，共65页。例4.平行板电容器已知:S、d插入厚为t的铜板求：C

51第51页，共65页。设

q场强分布电势差52第52页，共65页。例5求：（1）两球壳间的电场分布（2）两球壳间的电势差（3）两球壳构成的电容器的电容值。（1）53第53页，共65页。（2）(3)54第54页，共65页。开关倒向a,电容器充电。开关倒向b,电容器放电。灯泡发光

电容器释放能量

电源提供计算电容器带有电量Q，相应电势差为U时所具有的能量。一、电容器的能量10-4、静电场的能量55第55页，共65页。任一时刻终了时刻外力做功电容器的电能56第56页，共65页。电场能量体密度——描述电场中能量分布状况1、对平行板电容器电场存在的空间体积二、静电场的能量,能量体密度57第57页，共65页。对任一电场，电场强度非均匀2、电场中某点处单位体积内的电场能量58第58页，共65页。例：计算球形电容器的能量已知RA、RB、

q解：场强分布取体积元能量59第59页，共65页。比较均匀带电球面和均