靜電場中的導(dǎo)體和電介質(zhì)講解課件2

1、靜電場中的導(dǎo)體和電介質(zhì)講解課件2靜電場中的導(dǎo)體和電介質(zhì)講解課件2 一、教學(xué)基本要求 1.掌握導(dǎo)體的靜電平衡條件和靜電平衡下導(dǎo)體的性質(zhì)及電荷分布. 2.理解電容的定義并掌握電容器電容的計算方法. 4.理解介質(zhì)中的高斯定理,并學(xué)會應(yīng)用它求解介質(zhì)中的電場強度. 5.理解電場的能量和能量密度,并能對一些對稱情況下的電場進(jìn)行計算. 3.理解電介質(zhì)的極化機(jī)理及電介質(zhì)中之間的關(guān)系.、第十章 靜電場中的導(dǎo)體和電介質(zhì) 一、教學(xué)基本要求 一、教學(xué)基本要求 1.掌握導(dǎo)體的靜電平衡條件和 二、基本概念及規(guī)律 導(dǎo)體靜電平衡時的性質(zhì) (2)導(dǎo)體內(nèi)部和表面各點的電勢都相等,亦即導(dǎo)體是個等勢體,表面是個等勢面. (1)導(dǎo)體內(nèi)

2、部任一點處的電場強度為零,導(dǎo)體表面上任一點場強方向垂直于該點表面. (3)導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷,電荷只分布在導(dǎo)體的表面上.對于孤立導(dǎo)體,電荷面密度與曲率半徑有關(guān)越小,越大. 1.靜電場中的導(dǎo)體第十章 靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì) 二、基本概念及規(guī)律 二、基本概念及規(guī)律 導(dǎo)體靜電平衡時的性質(zhì) 靜電屏蔽 一個接地的空腔導(dǎo)體,外界電場既不會影響腔內(nèi)的物體,腔內(nèi)帶電體的電場也不會影響腔外的物體,這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽. 2.靜電場中的電介質(zhì) 均勻各向同性電介質(zhì)中的電場場強電介質(zhì)中電場強度真空中的電場強度介質(zhì)附加電場強度r 介質(zhì)的相對電容率第十章 靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì) 二、基本概念及規(guī)律 靜電屏蔽 一個接地的空腔導(dǎo)

3、體,外界電場既不會影 電介質(zhì)的極化 在外電場的作用下,介質(zhì)的表面產(chǎn)生極化電荷(束縛電荷)的現(xiàn)象. 極化電荷產(chǎn)生的電場強度 極化電荷面密度 極化電荷 電位移 電容率第十章 靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì) 二、基本概念及規(guī)律 電介質(zhì)的極化 在外電場的作用下,介質(zhì)的表面產(chǎn)生極化電 有電介質(zhì)時的高斯定理 在靜電場中,通過任意閉合曲面的電位移通量,等于該閉合曲面內(nèi)包圍的自由電荷的代數(shù)和. (1)通過閉合曲面的電位移通量只和閉合曲面內(nèi)的自由電荷有關(guān). 說明 (2)電介質(zhì)中的總電場強度 和自由電荷及極化電荷的分布都有關(guān).第十章 靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì) 二、基本概念及規(guī)律 有電介質(zhì)時的高斯定理 在靜電場中,通過任意閉合曲

4、面的 電容 是表征導(dǎo)體或?qū)w組儲電能力的物理量.只與導(dǎo)體本身形狀、大小及周圍介質(zhì)有關(guān),與帶電多少及是否帶電無關(guān). 電容器 把兩個能夠帶有等值異號電荷的導(dǎo)體以及它們之間的電解質(zhì)所組成的系統(tǒng).電容的定義 3.電容、電容器 Q為電容器任一極板所帶的電荷.U=V2-V2為電容器兩極板之間的電勢差.第十章 靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì) 二、基本概念及規(guī)律 電容 是表征導(dǎo)體或?qū)w組儲電能力的物理量.只與導(dǎo)體本 計算電容器電容的方法 (1)利用定義式計算電容先設(shè)電容器兩極板分別帶有正、負(fù)電荷Q求出兩極板間的場強分布利用電容的定義式算出電容. 求出兩極板間的電勢差 (2)利用電容器串、并聯(lián)公式求等效電容.串聯(lián)并聯(lián)第十

5、章 靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì) 二、基本概念及規(guī)律 計算電容器電容的方法 (1)利用定義式計算電容 4.靜電場的能量 電容器儲存的能量 不僅電容器中有電場能,凡是存在電場的空間都具有電場能.所以電場是能量的攜帶者. 電場的能量密度 電場的能量第十章 靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì) 二、基本概念及規(guī)律 4.靜電場的能量 電容器儲存的能量 不僅 例10-1 一半徑為R的導(dǎo)體球原來不帶電,將它放在點電荷+q的電場中,球心與點電荷相距d,求:(1)導(dǎo)體球的電勢;(2)若將導(dǎo)體球接地,求其上的感應(yīng)電荷. 解 (1)球上的總電荷為Q球體不帶電Q = 0 (2)將導(dǎo)體接地,球上的總電荷不再為零,但V = 0第十章 靜電場中

6、導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) 三、典型例題指導(dǎo) 例10-1 一半徑為R的導(dǎo)體球原來不帶電,將它放在點 答 若在下面板上金屬球旁放一等高的尖端金屬,則球和上板間不再出現(xiàn)放電火花,放電火花只出現(xiàn)在尖端金屬與上板之間.這是由于導(dǎo)體尖端處面電荷密度較大,附近的場強特別強,使得空氣易于被擊穿. 例10-2 將金屬球置于兩金屬板間,板間加以高壓,則可看到球與板間放電的火花.若再在下面板上金屬球旁放一等高的尖端金屬,問放電火花將如何變化?想一想這一現(xiàn)象有何應(yīng)用?第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) 答 若在下面板上金屬球旁放一等高的尖端金屬,則球和上 上述現(xiàn)象說明,曲率半徑小的尖端比曲率半徑大的

7、表面易于放電.利用這種現(xiàn)象可作成避雷針,避免建筑物遭受雷擊;讓高壓輸電線表面作得很光滑,其半徑不要過小,避免因尖端放電,而損失能量;高壓設(shè)備的電極作成光滑球面,避免尖端放電而漏電,以便維持高電壓.第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) 上述現(xiàn)象說明,曲率半徑小的尖端比曲率半徑大的表面易于 例10-3 由兩塊相距為0.50mm的薄金屬板A、B構(gòu)成的空氣平板電容器被屏蔽在一金屬盒K內(nèi),金屬盒上、下兩壁與A、B分別相0.25mm,金屬板面積為30mm40mm求: (1)被屏蔽后電容器的電容變?yōu)樵瓉淼膸妆? (2)若電容器的一個引腳不慎與金屬屏蔽盒相碰,問此時的電容又為原來的幾倍.第十章 靜電

8、場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) 例10-3 由兩塊相距為0.50mm的薄金屬板A、B（b）（c） 解 (1) A、B與金屬盒一起構(gòu)成三個電容器,從等效電路圖(b)(c)可知C3和C2串聯(lián)后再與C1并聯(lián).（d） (2)若電容器的一個引腳與屏蔽盒相碰,相當(dāng)于C3 極板短接,等效電路如(d),則等效電容第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo)（b）（c） 解 (1) A、B與金屬盒一起構(gòu)成三個電 例10-4 一片二氧化鈦晶片,面積為1.0cm2,厚度為0.10mm.把平板電容器的兩板緊貼在晶片兩側(cè).(1)求電容器的電容;(2)當(dāng)在電容器的兩極加上12V電壓時,極板上的電荷為多少?此時自由電

9、荷和極化電荷的面密度各為多少?(3)求電容器內(nèi)的電場強度. 解 (1)二氧化鈦的相對電容率r=173第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) 例10-4 一片二氧化鈦晶片,面積為1.0cm2,厚 (2)電容器加上U = 12V的電壓時,極板上自由電荷面密度晶片表面極化電荷面密度 (3)晶片內(nèi)的電場強度為 極板上的電荷第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) (2)電容器加上U = 12V的電壓時,極板上自由電 解 (1) 例10-5 設(shè)有兩個薄導(dǎo)體同心球殼A與B,它們的半徑分別為R1=10cm與R3=20cm帶電Q1=4.010-8C與Q1=1.010-7C,球殼間有兩層介質(zhì),內(nèi)層

10、介質(zhì)r1=4.0外層介質(zhì)的r2=2.0,其分界面的半徑為R2=15cm,球殼B外為空氣.求: (1)兩球間的電勢差UAB; (2)離球心r =30cm處的電場強度; (3)球A的電勢.第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) 解 (1) 例10-5 設(shè)有兩個薄導(dǎo)體同心球殼第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo)第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) (2)球殼外r =30cm處場強的大小 (3)球A的電勢，取V= 0第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) (2)球殼外r =30cm處場強的大小 (3) 例10-6 一平行板電容器,極板面積為S,兩板間距為d,兩板之間

11、充以兩種相對電容率分別為r1和r2的均勻電介質(zhì),每種介質(zhì)各占一半體積.試證:(1)如圖(a)所示填充的等效電容為C1; (2)如圖(b)所示填充的等效電容為C2.第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) 例10-6 一平行板電容器,極板面積為S,兩板間距為 解 (1)設(shè)左邊電荷為Q1右邊電荷為Q2,板面總電荷Q = Q1+Q2 方法二 可將其視為兩個電容器的并聯(lián)第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) 解 (1)設(shè)左邊電荷為Q1右邊電荷為Q2,板面總電荷 (2)由圖(b) 方法二 可將其視為兩個電容器的串聯(lián)第十章 靜電場中導(dǎo)體與電介質(zhì) 三、典型例題指導(dǎo) (2)由圖(b) 方法二 可將其視為兩個電容器 故電容器不會被擊穿. 例10-7 一空氣平板電容器,空氣層厚0.30cm,兩極間電壓為40kV,若空氣的擊穿場強為3MVm-1該電容器會被擊穿嗎?現(xiàn)將一厚度為1.5cm一玻璃板插入此電容器,并與兩極板平行,若該玻璃的相對電容率為7.0擊穿電場強度為10MVm-1.則此時電容器會被擊穿嗎? 解 未插入玻璃板時,電容器內(nèi)的電場強度為第十章 靜電