大学物理 下册 课件 第8章 静电场中的导体与电介质

§4.6静电场中的导体和电容（I）《大学物理》

1.静电感应静电平衡条件一、静电场中的导体

包含大量自由电子的物质称为导体。（电子数密度约为1022个/cm3）+++++++++静电感应现象：导体在静电场中电荷重新分布的现象。一、静电场中的导体1.1静电感应现象的微观机制++++++++++++一、静电场中的导体++++++++感应电荷(等大反向)1.1静电感应现象的微观机制一、静电场中的导体静电平衡时导体内部场强为零的实质：感应电荷的电场与外加电场抵消的缘故。静电平衡：导体中（包括表面）没有电荷定向移动的状态。导体内电场强度外电场强度感应电荷电场强度1.1静电感应现象的微观机制一、静电场中的导体1.2静电平衡的条件++++++导体内部电场强度处处为零；导体表面附近的电场强度方向,与导体表面垂直.场强一、静电场中的导体1.2静电平衡的条件导体内部电场强度处处为零；导体表面附近的电场强度方向,与导体表面垂直.场强导体内部电势处处相等；导体表面是等势面；电势(等势体)++++++一、静电场中的导体2.静电平衡时导体上电荷的分布++++++++++结论导体内部无电荷(1)实心导体(2)有空腔导体

空腔内无电荷电荷分布在表面上内表面上有电荷吗？一、静电场中的导体2.静电平衡时导体上电荷的分布(2)有空腔导体

空腔内无电荷若内表面带电所以内表面不带电++--

结论电荷分布在外表面上（内表面无电荷）++++++++++矛盾导体是等势体一、静电场中的导体2.静电平衡时导体上电荷的分布(2)有空腔导体

空腔内有电荷电荷分布在表面上。内表面上有电荷吗？结论：当空腔内有电荷q时,内表面因静电感应出等值异号的电荷-q，外表面有感应电荷+q（电荷守恒）。§4.6静电场中的导体和电容（II）西南石油大学唐斌《大学物理》一、静电场中的导体为什么飞机被闪电击中后机上乘客安然无恙？一、静电场中的导体3、静电屏蔽制（1）全屏蔽---------++++++++

+

--------

+

（内不影响外）一、静电场中的导体3、静电屏蔽++-+--（外电场）E内=0空腔导体可以屏蔽外电场，使空腔内物体不受外电场影响。这时，整个空腔导体和腔内的电势处处相等。（2）屏蔽外电场（外不影响内）武当山金顶铜殿静电屏蔽(体现中国古人智慧)一、静电场中的导体3、静电屏蔽++-+--（外电场）E内=0防静电袋含金属层、用于包装电子组件防静电服嵌织导电纤维，高压带电作业（2）屏蔽外电场（外不影响内）空腔导体可以屏蔽外电场，使空腔内物体不受外电场影响。这时，整个空腔导体和腔内的电势处处相等。一、静电场中的导体法拉第笼一、静电场中的导体静电屏蔽为什么飞机被闪电击中后机上乘客安然无恙？一、静电场中的导体+++++++++++

为表面电荷面密度

作钱币形高斯面

S4、导体表面电场强度与电荷面密度的关系表面电场强度的大小与该表面电荷面密度成正比即根据高斯定理所以一、静电场中的导体4、导体表面电场强度与电荷面密度的关系+++++++++因为所以一、静电场中的导体rR连接后，二者是等势体例：两个带电导体球相距较远，之间用导线相连，求它们表面的电荷面密度之比。解：推广5.导体表面与电荷面密度的关系结论：即：所以一、静电场中的导体所以，带电导体尖端附近电场最强

带电导体尖端附近的电场特别大，可使尖端附近的空气发生电离而导致导体产生放电现象，即尖端放电。6、尖端放电现象因为一、静电场中的导体6、尖端放电现象++++++++---++--+++<电风实验>一、静电场中的导体

尖端放电时,在它周围往往隐隐地笼罩着一层光晕,叫做电晕。尖端放电会损耗电能,还会干扰精密测量和对通讯产生危害。尖端放电现象的利与弊高压输电线附近发生的尖端放电会造成能量损耗,需使输电线表面光滑,以避免尖端放电。然而尖端放电也有很广泛的应用。一、静电场中的导体静电感应尖端放电可靠接地带电云避雷针的工作原理++++－－－－－++－+

避雷针则利用尖端放电,将集中的高空电荷通过接地装置泄入大地,以免建筑物等遭雷击。一、静电场中的导体放电刷静电屏蔽因为为什么飞机被闪电击中后机上乘客安然无恙？尖端放电§4.6静电场中的导体和电容（III）西南石油大学唐斌《大学物理》

二、电容及电容器电脑主板电容器几乎是各类电子设备必用的电子元件电容器

二、电容及电容器常见电容电力电容

二、电容及电容器电容器：由彼此绝缘且相距很近的两导体构成的装置极板A极板B+Q-Q

UAB使两导体极板带电两导体极板的电势差电容器的电容1、定义电容的单位：法拉(F)，微法(

)，皮法(

)

二、电容及电容器dUABS+Q-QC与面积成正比，与极板间距离成反比，与Q无关。2、电容的计算(1)平行板电容器（空气）设两极板分别带电极板间电势差为:平行板电容器电容为：E极板间电场强度:

二、电容及电容器电容计算步骤：(2)根据电荷的分布计算出极板间的电场强度分布。(3)根据电场强度分布求出两极板间电压。(1)假设两极板带上的电量。(4)根据定义式求出电容C。

二、电容及电容器2、电容的计算(2)球形电容器R1+Q-QR2ab由高斯定理得导体间电场导体间电压球形电容器C与半径及介电常数有关，跟电量Q无关。

二、电容及电容器2、电容的计算(2)球形电容器球形电容讨论：当物理意义：当外导体球壳无限大时，转变为孤立导体球电容。估算地球电容：平均半径R=6371km，其电容为得R1+Q-QR2ab

二、电容及电容器d-Q+QSUAB3、电解质对电容器的影响设两极板分别带电根据高斯定理则电场强度为则电压为电容为（真空中电容）

二、电容及电容器3、电解质对电容器的影响(1)增大电容量，减小体积钛酸钡BaTiO2：钽铌酸钾KTaNbO3：超级电容器超级电容器优点：1.比普通电容容量大2.比电池充电快

二、电容及电容器3、电解质对电容器的影响柔性超级电容器新加坡南洋理工大学、中国清华大学和美国凯斯西储大学的联合团队开发出一种像纤维一样的柔性微型超级电容器，可织成衣服作为穿戴式医疗监控、通讯设备或其他小型电子产品的电源。

二、电容及电容器3、电解质对电容器的影响(2)提高耐压能力，避免被击穿失效由于电解质在很强的电场中会被击穿，其绝缘性被破坏。如果电容两端电压升高，则介质被击穿，电容失效。多数介质材料比空气的耐压值高，所以极板间充入电介质材料。

二、电容及电容器4、电容器的性质(1)电容器电容的大小取决于极板的形状、大小、相对位置以及极板间介质材料。(2)电容器的作用是储存电量、能量。(3)在电路中，电容器的作用是通高频阻低频、滤波。(4)与电阻电感构成电磁振荡电路，广泛用于广播与通讯设备中。5.电容器的串联和并联(１)电容器的并联(２)电容器的串联＋＋特点：电压相等特点：电量相等

二、电容及电容器§4.5静电场中的电介质西南石油大学唐斌《大学物理》一、电介质的极化1、电介质的分类有极分子电介质：正负电荷中心不重合（水、有机玻璃等）无极分子电介质：正负电荷中心重合（氢、甲烷等）一、电介质的极化2、电介质极化的微观机制电介质的极化现象：在外电场作用下，在电介质中出现极化电荷的现象。一、电介质的极化2、电介质极化的微观机制静电场力使无极分子的正、负电荷中心将发生相对位移，使正、负电荷中心被分开一段微小距离，形成电偶极子。☆无极分子的位移极化：☆有极分子的取向极化：

等效电偶极子要受到外电场的力矩作用而趋于转向到外电场的方向。一、电介质的极化3、电介质极化的宏观表现：有束缚电荷（极化电荷）q'产生，q'激发附加电场,总是削弱外电场。

二、电极化强度矢量其中:分子电偶极矩1、电极化强度矢量的定义定义：在电介质中某处单位体积内分子的电偶极矩的矢量和。（定量地描述了电介质被极化的程度）电极化强度单位：

三、电介质中的静电场电介质内部的场强应该是外加电场与附加电场的合场强，大量的实验证明：其中是电介质的相对介电常量（或相对电容率）。3、电介质的电极化强度矢量与极化电荷q'的关系2、电介质的电极化强度矢量与总场强的关系从理论上可证明：即,其中是电介质的介电常量（或电容率）。

三、电介质中的静电场4、电介质中电场和电介质的相互作用示意图

四、电介质中的静电场定理1、有电介质时的高斯定理电位移这里，同时考虑自由电荷和束缚电荷产生的电场总电场自由电荷束缚电荷回顾：真空中的高斯定理

四、电介质中的静电场定理即得：有电介质时的高斯定理代入上式，得定义：电位移矢量描述：通过电介质中任一闭合曲面的电位移通量等于该面包围的自由电荷的代数和。1、有电介质时的高斯定理电位移

四、电介质中的静电场定理有电介质时的高斯定理注意1）电位移的通量仅与面内的自由电荷有关，但电位移本身与自由电荷和束缚电荷均有关。2）三矢量之间的关系

四、电介质中的静电场定理有电介质时的高斯定理注意3）比较真空电介质结论：对于均匀各向同性电介质：

四、电介质中的静电场定理2、电介质中的库仑定律大量的实验证明：对于各向同性的电介质，两静止点电荷间的相互作用力是真空中的倍，即电介质中的库仑定律可以表示为3、电介质中的环路定理

五、有电介质存在时的高斯定理的应用有电介质时的高斯定理（1）分析自由电荷分布的对称性，选择适当的高斯面,求出电位移矢量。（2）根据电位移矢量与电场强度的关系，求出电场强度。（3）根据电极化强度与电场的关系，求出电极化强度。（4）根据束缚电荷与电极化强度关系，求出束缚电荷。§4.7电场能量西南石油大学唐斌《大学物理》Q=0

一、带电系统的电场能量Q一带电体具有电量Q，设想这一带电状态是这样建立的……dq第1步：不做功第2步：外力克服电场力做功……第i步：外力克服电场力做功qudq……dA=udq第N步：外力克服电场力做总功带电体所具有的静电势能dq

二、电容器储存的静电能静电能储存在电荷中？还是另有所藏？有关电场能量,历史上有两种观点:（1）电荷是能量的携带者；（2）电场是能量的携带者。（√）

二、电容器储存的静电能

二、电容器储存的静电能以平行板电容器为例,计算电场能量。

在时间

t内,外力从B