靜電屏蔽和電容器

1、第三講靜電屏蔽和電容器一、靜電屏蔽1 .靜電感應(yīng)把金屬導(dǎo)體放在外電場E外中，由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子受電場力作用產(chǎn)生定向移動，使得導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量的異種電荷，這種由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在外電場力作用下重新分布的現(xiàn)象叫作靜電感應(yīng)。（在靠近帶電體端感應(yīng)出異種電荷，在遠離帶電體端感應(yīng)出同種電荷）。從小由帶電粒子在電場中受力去分析。靜電感應(yīng)可從兩個角度來理解：根據(jù)同種電荷相排斥，異種電荷相吸引來解釋；也可以從電勢的角度來解釋，導(dǎo)體中的電子總是沿電勢高的方向移動。例1.如圖所示，A、B是兩個帶有絕緣支架的金屬球，它們原來均不帶電，并彼此接觸.現(xiàn)使帶負電的橡膠棒C靠近A（C與A不接觸），然后先將A、B分開，再:

2、：、?將C移走.關(guān)于A、B的帶電情況，下列判斷正確的是（A）A.A帶正電，B帶負電B.A帶負電，B帶正電C.A、B均不帶電D.AB均帶正電2 .靜電平衡（1）靜電平衡發(fā)生靜電感應(yīng)后的導(dǎo)體，兩端面出現(xiàn)等量感應(yīng)電荷，在導(dǎo)體內(nèi)部，感應(yīng)電荷產(chǎn)生一個附加電場E附，這個E附與原電場方向相反，當(dāng)E附增大到與原電場等大時，導(dǎo)體內(nèi)合場強為零，自由電子定向移動停止，這時的導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)。瓦rkz?年_E®/(2)處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體的特點內(nèi)部場強處處為零，電場線在導(dǎo)體內(nèi)部中斷。導(dǎo)體內(nèi)部的電場強度是外加電場和感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場這兩種電場疊加的結(jié)果。整個導(dǎo)體是等勢體，表面是個等勢面；導(dǎo)體表面上任意

3、兩點間電勢差為零。(因為假如導(dǎo)體中某兩點電勢不相等，則這兩點有電勢差，那么電荷就會定向運動)表面上任何一點的場強方向都跟該點表面垂直；(因為假如不是這樣，場強就有一個沿導(dǎo)體表面的分量，導(dǎo)體上的電荷就會發(fā)生定向移動，這就不是平衡狀態(tài)了)凈電荷分布在導(dǎo)體的外表面，越尖銳的位置，電荷的密度越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷,內(nèi)部沒有凈電荷。曲率半徑小的地方，面電荷密度大，電場強，這是避雷針的原理。3 .尖端放電(1)空氣的電離：導(dǎo)體尖端電荷密度大，電場很強，帶電粒子在強電場作用下劇烈運動撞擊空氣分子，從而使分子的正負電荷分離的現(xiàn)象。(2)尖端放電：所帶電荷與導(dǎo)體尖端的電荷符號相反的粒子，由于被吸引而奔向尖

4、端，與尖端上的電荷中和，相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷的現(xiàn)象。例2.一個球形金屬導(dǎo)體，處于靜電平衡狀態(tài)時(A)A.導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷.B.導(dǎo)體內(nèi)部任意兩點間的電勢差不一定為零C.導(dǎo)體內(nèi)部的場強不一定處處為零D.在導(dǎo)體表面上，電場線可以與導(dǎo)體表面成任意角4 .靜電屏蔽(1)定義：把一個電學(xué)儀器放在封閉的金屬殼里，即使殼外有電場，由于殼內(nèi)場強保持為零，外電場對殼內(nèi)的儀器也不會產(chǎn)生影響的現(xiàn)象。(2)靜電屏蔽的兩種情況及本質(zhì)導(dǎo)體內(nèi)部不受外部電場的影響。接地的封閉導(dǎo)體殼內(nèi)部電場對殼外空間沒有影響。本質(zhì)：兩種情況中，屏蔽的本質(zhì)是靜電感應(yīng)，使得某一部分空間場強為零，不受電場影響。R處,例3.長為L的導(dǎo)體棒原來不帶

5、電，現(xiàn)將一帶電量為+q的點電荷放在距導(dǎo)體棒左端如圖所示，當(dāng)導(dǎo)體棒達到靜電平衡后，棒上感應(yīng)電荷在棒內(nèi)中點處產(chǎn)生的場強大小等于L答案，£例2.將懸掛在細線上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球C內(nèi)(不與球接觸)，另有一個懸掛在細線上的帶負電的小球B向C靠近，如圖所示，于是有(B)A. A向左偏離豎直方向，B向右偏離豎直方向B. A的位置不變，B向右偏離豎直方向C. A向左偏離豎直方向，B的位置不變D. A和B的位置都不變二、電容器1.電容器(1)定義：兩塊彼此絕緣且又相互靠近的導(dǎo)體就組成一個電容器，電容器可以容納電荷.(2)充放電過程：充電：使電容器帶電的過程，充電后電容器兩極板帶上等

6、量的異種電荷，充電過程實質(zhì)上是電源逐步把正電荷從電容器的負極板移到正極板的過程，由于正、負兩極板間有電勢差，所以電源需要克服電場力做功，正是電源所做的這部分功以電能的形式儲存在電容器中，所以電容器中儲存電場能一放電：使充電后的電容器失去電荷的過程，放電過程中電場能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。放電過程充電過程(1)電流的方向為逆時針方向，強度由人到小(1)電流方向由電容器正極板流出，強度由大到小特占八、(2)極板所帶電量增多(2)電容器的電荷量減少(3)兩極板間電壓增圖(3)兩極板間電壓降低(4)兩極板間電場強度增強(4)兩極板間電場強度減小(5)充電過程從電源獲取能(5)放電過程由電場能轉(zhuǎn)化量轉(zhuǎn)化為電

7、場能為其他形式的能(如內(nèi)能)3.電容(1)定義：電容器所帶的電荷量(是指一個極板所帶電荷量的絕對值)與電容器兩極板間電壓的比值.(2)公式：C=Q/U,單位：法拉；1F=106pF=1012PF.(3)物理意義：電容反映電容器容納電荷的本領(lǐng)的物理量，和電容器是否帶電無關(guān).(4)制約因素：電容器的電容與Q、U的大小無關(guān)，是由電容器本身情況決定，對一個確定的電容器，它的電容是一定的，與電容器是否帶電及帶電多少無關(guān).Q注意：由。=知，對確定的電容器，Q與U成正比，比值不變；對不同的電容器，同時，Q越大，則C越大，因此說C是反映電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量.二、平行板電容器的電容+?4-+- + + +

8、 +決定因素：C與極板正對面積、介質(zhì)的介電常數(shù)成正比，與極板間距離成反比.S2.公式：C=S-,式中k為靜電力常量.4二kd3.吏的比較(1)公式C =Q4 二 kd=，&是電容的定義式，對任何電容器都適用.對一個確定的電容器其電U .：U容已確定，不會隨其帶電量的改變而改變，電容大小由電容器本身的因素決定，是用 來表示電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量.(2)公式C =三_是平行板電容器電容的決定式，只對平行板電容器適用.電容4 二 kd& S、d等因素的變化而變化.三、平行板電容器的動態(tài)分析1 .平行板電容器變化的兩種模式(1)電容器兩極板電勢差U保持不變(與電源連接)(2)電容器

9、的帶電量Q保持不變(與電源斷開)2 .進行討論的物理依據(jù)主要是三個(1)平行板電容器的電容與極板距離d，正對面積S ,電介質(zhì)的介電常數(shù)£間的關(guān)系(2)平行板電容器內(nèi)部是勻強電場,E=U d(3)電容器所帶電量Q=CU3 .平行板電容器動態(tài)分析的基本步驟(1)認清分析的前提是Q與U中的哪個量恒定不變：一是電容器兩板間的電勢差U保持不變(與電源連接)；二是電容器所帶的電荷量Q保持不變(與電源斷開).(2)用決定式C=S-判斷電容C的變化趨勢.4二kd，一、Q(3)由定義式0=,判斷Q與U中會發(fā)生變化的那個量的變化趨勢.（4）由E=U（常用于U不變時）或EocQ（常用于Q不變時）分析場強的

10、變化.dS（因為E=U_=Q=4!Q所以EhQ）dCd；SS（5）由F=qE分析電場中的點電荷受力變化，進一步分析其運動狀態(tài).例如：合力為零時，帶電體將處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)；合力方向與初速度方向在同一直線上時，帶電體將被加速或減速（初速為零必加速）；合力恒定且方向與初速度方向垂直時，帶電體將做類平拋運動等.（6）選定某一極板為零電勢，用U=±Ed'計算場中某點的電場以及判斷其變化，其中d'為該點到零電勢極板的垂直距離，當(dāng)該點垂直指向零電勢極板的方向與電場方向相同時取“+”，反之取上”.進一步判斷場中任意兩點間的電勢差Uab=<Pa-%,由E=q中確定點電荷

11、q在該點的電勢能E的變化，此時要注意E、q和平都有正負之分.例1.關(guān)于電容器和電容，下列說法中正確的是（C）A.電容器的電容越大，則所帶電荷量越多B.電容器不帶電荷時，其電容為零C.對一個確定的電容器來說，其電容與帶電情況無關(guān)，是個定值QD.由C=可知C與Q成正比，C與U成反比例2.已知一平行金屬板電容器帶電量為2X103C,兩板間的電勢差為2V,若使電容器的帶電量增至4X103C,則電容器的電容為（B）A.1X1GFB.1X1O3FC.2X103FD.2X103F例3一平行板電容器兩極板間距為d、極板面積為S,電容為詼S/d,其中詼是常量.對此電容器充電后斷開電源.當(dāng)增加兩板間距時，電容器極

12、板間（A）A.電場強度不變，電勢差變大B.電場強度不變，電勢差不變例4如圖所示，電子由靜止開始從A板向B板運動，當(dāng)?shù)竭_B板時速度C.電場強度減小，電勢差不變D.電場強度減小，電勢差減小為v,保持兩板間的電壓不變則（CD）A.當(dāng)增大兩板間距離時，v增大B.當(dāng)減小兩板間距離時，v增大C.當(dāng)改變兩板間距離時，v不變D.當(dāng)增大兩板間距離時，電子在兩板間運動的時間變長例5將平行板電容器兩極板之間的距離、電壓、電場強度大小和極板所帶的電荷分別用d、U、E和Q表示，下列說法正確的是(AD)A.保持U不變，將d變?yōu)樵瓉淼膬杀?，則E變?yōu)樵瓉淼囊话隑.保持E不變，將d變?yōu)樵瓉淼囊话?，則U變?yōu)樵瓉淼膬杀禖.保持d不

13、變，將Q變?yōu)樵瓉淼膬杀?，則U變?yōu)樵瓉淼囊话隓.保持d不變，將Q變?yōu)樵瓉淼囊话?，則E變?yōu)樵瓉淼囊话肜?.如圖所示，將平行板電容器兩極板分別與電池正、負極相接，兩極板間一帶電液滴恰好處于靜止?fàn)顟B(tài)，現(xiàn)貼著下極板插入一定厚度的金屬板，則在插入過程中下列選項正確的是(D)A.電容器的帶電荷量不變B.電路將有順時針方向的短暫電流C.帶電液滴仍將靜止D.帶電液滴將向上做加速運動作業(yè)：1.如圖所示，平行板電容器的兩個極板與水平地面成一角度，兩極板與一直流電源相連.若(BD )帶電粒子恰能沿圖中所示水平直線通過電容器，則在此過程中，該粒子A.所受重力與電場力平衡B.電勢能逐漸增加C.動能逐漸增加D.做勻變速直線運動2、用控制變量法，可以研究影響平行板電容器的因素（如圖）.設(shè)兩極板正對面積為S,極板間的距離為d,靜電計指針偏角為0.實驗中，極板所帶電荷量不變，若（A.保持S不變，增大d,則。變大B