清華大學(xué)物理學(xué)概論第6章恒定電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)5(導(dǎo)體).ppt

1、1,本小節(jié)和6.3節(jié)研究的問(wèn)題：物質(zhì)與場(chǎng)作用,仍然是靜電場(chǎng) 所以場(chǎng)量仍是,基本性質(zhì)方程仍是,思路：物質(zhì)的電性質(zhì) 對(duì)電場(chǎng)的影響 解出場(chǎng)量,6.2 導(dǎo)體存在時(shí)的靜電場(chǎng),2,導(dǎo)體 絕緣體 1.導(dǎo)體 存在大量的可自由移動(dòng)的電荷 conductor 2.絕緣體 理論上認(rèn)為無(wú)自由移動(dòng)的電荷 也稱 電介質(zhì) dielectric 3.半導(dǎo)體 介于上述兩者之間 semiconductor 討論金屬導(dǎo)體和電介質(zhì)對(duì)場(chǎng)的影響,3,一.金屬導(dǎo)體的靜電平衡 1.靜電平衡 導(dǎo)體內(nèi)部和表面無(wú)自由電荷的定向移動(dòng) 說(shuō)導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài) 2.導(dǎo)體靜電平衡的條件, ,4,3.導(dǎo)體的電勢(shì),證：在導(dǎo)體上任取兩點(diǎn),和,注意：導(dǎo)體等勢(shì)是導(dǎo)

2、體體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零和表面場(chǎng)垂直表面的必然結(jié)果 所以導(dǎo)體等勢(shì)是靜電平衡條件的另一種表述,導(dǎo)體靜電平衡時(shí) 導(dǎo)體各點(diǎn)電勢(shì)相等 即導(dǎo)體是等勢(shì)體 表面是等勢(shì)面,5,4.導(dǎo)體上電荷的分布 由導(dǎo)體的靜電平衡條件和靜電場(chǎng)的基本性質(zhì) 可以得出導(dǎo)體上的電荷分布, 導(dǎo)體體內(nèi)處處不帶電,證明：在導(dǎo)體內(nèi)任取體積元,體積元任取,證畢,帶電只能在導(dǎo)體表面！,6,導(dǎo)體表面電荷,設(shè)導(dǎo)體表面某處電荷面密度為,該處的電場(chǎng)強(qiáng)度為,設(shè)P是導(dǎo)體外緊靠導(dǎo)體表面的一點(diǎn),由高斯定理有,得,外法線方向,寫作,7,孤立帶電導(dǎo)體表面電荷分布,一般情況較復(fù)雜 孤立的帶電導(dǎo)體 電荷分布實(shí)驗(yàn)的定性分布,在表面凸出的尖銳部分(曲率是正值且較大)電荷面密

3、度較大 在比較平坦部分(曲率較小)電荷面密度較小 在表面凹進(jìn)部分帶電面密度最小,演示:靜電 高壓帶電操作,8,空氣中的直流高壓放電圖片：,9,云層和大地間的閃電,閃電的圖片：,10,雷擊大橋,遭雷擊后的草地,11,俘獲閃電：,激光束引起空氣電離，使閃電改道,12,舉例說(shuō)明 有導(dǎo)體存在時(shí)靜電場(chǎng)場(chǎng)量的計(jì)算 原則: 靜電平衡的條件 基本性質(zhì)方程 電荷守恒定律,13,例1 無(wú)限大的帶電平面的場(chǎng)中 平行放置一無(wú)限大金屬平板 求：金屬板兩面電荷面密度,解:,設(shè)金屬板面電荷密度,由對(duì)稱性和電量守恒,（1）,導(dǎo)體體內(nèi)任一點(diǎn)P場(chǎng)強(qiáng)為零,（2）,14,例2 金屬球A與金屬球殼B同心放置,求:1)電量分布,已知：球

4、A半徑為,帶電為,金屬殼B內(nèi)外半徑分別為,帶電為,2)球A和殼B的電勢(shì),15,解： 1)導(dǎo)體帶電在表面 球A的電量只可能在球的表面 殼B有兩個(gè)表面 電量可能分布在內(nèi)、外兩個(gè)表面 由于A B同心放置 仍維持球?qū)ΨQ 電量在A表面、 B內(nèi)表面分布均勻,16,證明殼B上電量的分布： 在B內(nèi)緊貼內(nèi)表面作高斯面S,面S的電通量,思考：該結(jié)論對(duì)內(nèi)表面的形狀、內(nèi)部帶電狀況有限制嗎？,外表面相當(dāng)于孤立帶電表面 由于曲率相同 所以均勻分布,17,等效:在真空中三個(gè)均勻帶電的球面,利用疊加原理,18,例3 接地導(dǎo)體球附近有一點(diǎn)電荷q,如圖所示 求:導(dǎo)體上感應(yīng)電荷的電量,解:,接地 即,設(shè):感應(yīng)電量為Q 由導(dǎo)體是個(gè)等

5、勢(shì)體 知 o點(diǎn)的電勢(shì)為0 由電勢(shì)疊加原理有關(guān)系式：,19,二. 導(dǎo)體殼與靜電屏蔽(導(dǎo)體的應(yīng)用之一),導(dǎo)體殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 兩區(qū)域： 腔內(nèi)、腔外 兩表面： 內(nèi)表面、外表面,20,腔內(nèi)部的電場(chǎng)： 只與腔內(nèi)帶電體及腔內(nèi)的幾何因素 介質(zhì)有關(guān) 或說(shuō)：,腔外部的電場(chǎng)： 只與腔外帶電體及腔外的幾何因素 介質(zhì)有關(guān) 或說(shuō)：,21,靜電屏蔽的裝置-接地導(dǎo)體殼,靜電屏蔽： 腔內(nèi)、腔外的場(chǎng)互不影響,思考：不接地行嗎？,22,汽車是個(gè)靜電屏蔽室：閃電擊中汽車。 車內(nèi)安然無(wú)恙！,23,1.孤立導(dǎo)體的電容,電容只與幾何因素和介質(zhì)有關(guān) 固有的容電本領(lǐng),孤立導(dǎo)體的電勢(shì),三. 電容器及電容(導(dǎo)體的應(yīng)用之二),24,例 求真空中孤立導(dǎo)體球的電容(如圖),設(shè)球帶電為Q,解：,導(dǎo)體球電勢(shì),導(dǎo)體球電容,欲得到1F 的電容 孤立導(dǎo)體球的半徑？,由孤立導(dǎo)體球電容公式知,實(shí)在難??！,25,2.導(dǎo)體組的電容,由靜電屏蔽-導(dǎo)體殼內(nèi)部的場(chǎng)只由腔內(nèi)的電量 和幾何條件及介質(zhì)決定 (相當(dāng)于孤立),腔內(nèi)導(dǎo)體表面與殼的內(nèi)表面形狀 及相對(duì)位置,設(shè),定義,幾何條件,電容的計(jì)算