chap10-靜電場中導體-01

大學物理學電子教案教學課件靜電場中的導體10-1靜電場中的導體10-2電容電容器兩條實驗定律兩個出發(fā)點兩個基本性質●電荷受力●電場力作功兩個物理量●電場強度●電勢能《靜電場》復習●庫侖定律●疊加原理●高斯定理●環(huán)路定理第十章靜電場中的導體和電介質Conductorinelectrostaticfield在靜電場中總是存在導體或電介質靜電場與靜電場中導體或電介質之間有相互作用主要內容有：靜電場中導體電容器電介質的極化有介質時的高斯定理電場的能量10-1靜電場中的導體一、靜電感應靜電平衡條件金屬導體有自由電子，作無規(guī)則的熱運動。導體中的自由電子在電場力的作用下作宏觀定向運動，引起導體中電荷重新分布而呈現出帶電的現象，叫作靜電感應。1、靜電感應1++++++++AB++++++++____++++AB導體的兩個側面出現了等量異號的電荷。在導體的內部建立一個附加電場。導體內部的場強E就是E‘和E0的疊加。++++++------+-++++++------++++++------開始，E’<E0，導體內部場強不為零，自由電子繼續(xù)運動，E’增大。到E’=E0即導體內部的場強為零，此時導體內沒有電荷作定向運動，導體處于靜電平衡狀態(tài)。2、靜電平衡狀態(tài)2用電場表示導體內部任一點的電場強度為零；導體表面處的電場強度，與導體的表面垂直。3、靜電平衡條件3E內=0E表表面用電勢表示：導體是個等勢體；導體表面是等勢面。對于導體內部的任何兩點A和B對于導體表面上的兩點A和BAB3、靜電平衡條件3等勢面二、靜電平衡時導體上電荷的分布

在靜電平衡時，導體內部的電場強度為零，所以通過導體內部任一高斯面的電場強度通量必為零結論：在靜電平衡時，導體所帶的電荷只能分布在導體的表面上，導體內部沒有凈電荷。1、實心導體1內=0SVE=0情況2、空腔內無電荷情況1、空腔內有電荷+q2、空腔導體2外q內表E內內q

0

0

=-qS空腔的內表面有感應電荷-q，空腔的外表面有感應電荷+q空腔的內表面沒有電荷，電荷只能分布在空腔的外表面。外E內內S內S=0=0導體導體表面導體表面之外鄰近表面處的場強，與該處電荷面密度成正比，方向與導體表面垂直。3、導體表面附近的電場3孤立導體處于靜電平衡時，表面各處的面電荷密度與表面的曲率有關，曲率越大的地方，面電荷密度越大。4、孤立導體4尖端放電：帶電體尖端附近的場強較大，大到一定的程度，可以使空氣電離，產生尖端放電現象。熒光質導電膜+高壓場離子顯微鏡(FIM)金屬尖端的強電場的應用一例接真空泵或充氦氣設備金屬尖端接地原理：樣品制成針尖形狀，針尖與熒光膜之間加高壓，樣品附近極強的電場使吸附在表面的原子電離，氦離子沿電力線運動，撞擊熒光膜引起發(fā)光，從而獲得樣品表面的圖象。應用：高壓設備的電極高壓輸電線避雷針不利的一面：浪費電能避免方法：金屬元件盡量做成球形，并使導體表面盡可能的光滑三、靜電屏蔽第一類空腔(空腔導體內部無電荷)空腔內表面不帶任何電荷;空腔內部及導體內部電場強度處處為零?？梢岳每涨粚w來屏蔽外電場，使空腔內的物體不受外電場的影響。++1、靜電屏蔽現象1第二類空腔(空腔導體內部有電荷)內部面將感應異號電荷，外表面將感應同號電荷。+q–q若把空腔外表面接地，則空腔外表面的電荷將中和，空腔外面的電場消失?？涨粌鹊膸щ婓w對空腔外就不會產生任何影響。高壓設備都用金屬導體殼接地做保護在電子儀器、或傳輸微弱信號的導線中都常用金屬殼或金屬網作靜電屏蔽。高壓帶電操作外界不影響內部2、應用2SS例1：兩塊平行放置的面積為S的金屬板，各帶電量Q1、Q2,板距與板的線度相比很小。求：

②若把第二塊金屬板接地，以上結果如何？EIEIIEIIIQ1Q2

①靜電平衡時,金屬板電荷的分布和周圍電場的分布。EIEIIEIIIQ1Q2解：高斯定理靜電平衡條件導體內部的場強為零電荷守恒?P1?P2解得：電場分布：EIEIIEIIIQ1Q2?P1?P2EIEIIEIIIQ1Q2如果第二塊坂接地，則

4=0電荷守恒高斯定理靜電平衡條件解得：?P例2、一個帶電金屬球半徑R1，帶電量q1，放在另一個帶電球殼內，其內外半徑分別為R2、R3，球殼帶電量為

q。試求此系統的電荷、電場分布以及球與球殼間的電勢差。由電荷守恒可得由高斯定律可得由電荷分布和高斯定律及對稱性可得解：設球殼內外表面電量：q2,q3高斯面高斯面所以金屬球A與金屬殼B之間的電勢差為：10－2電容電容器一、孤立導體的電容孤立導體是指其它導體或帶電體都離它足夠遠，以至于其它導體或帶電體對它的影響可以忽略不計。真空中一個半徑為R、帶電量為Q的孤立球形導體的電勢為電量與電勢的比值卻是一個常量，只與導體的形狀有關，由此可以引入電容的概念。1、引入1孤立導體所帶的電量與其電勢的比值叫做孤立導體的電容孤立球形導體的電容為孤立導體的電容與導體的形狀有關，與其帶電量和電位無關。2、電容的定義2法拉(F)1F=1C.V-1微法1μF=10-6F皮法1pF=10-12F3、電容的單位3關于電容的說明：4是導體的一種性質，與導體是否帶電無關；是反映導體儲存電荷或電能的能力的物理量；只與導體本身的性質和尺寸有關。二、電容器兩個帶有等值而異號電荷的導體所組成的系統，叫做電容器。1、電容器的定義1BCDAqA+++++++-qA-------用空腔B將非孤立導體A屏蔽,消除其他導體及帶電體(C、D)對A的影響。電容器兩個極板所帶的電量為+Q、-Q，它們的電勢分別為VA、VB，定義電容器的電容為：2、電容器的電容2A帶電qA,B內表面帶電-qA,腔內場強E,AB間電勢差UAB

=VA–VB按可調分類：可調電容器、微調電容器、雙連電容器、固定電容器按介質分類：空氣電容器、云母電容器、陶瓷電容器、紙質電容器、電解電容器按體積分類：大型電容器、小型電容器、微型電容器按形狀分類：平板電容器、圓柱形電容器、球形電容器電容器的分類3平行板d球形柱形在電路中：通交流、隔直流；與其它元件可以組成振蕩器、時間延遲電路等；儲存電能的元件；真空器件中建立各種電場；各種電子儀器。計算電容的一般步驟為：設電容器的兩極板帶有等量異號電荷；求出兩極板之間的電場強度的分布；計算兩極板之間的電勢差；根據電容器電容的定義求得電容。4、電容器的作用45、電容器電容的計算5平行板電容器②板間電場：③板間電勢差：④電容：+q–qAB+++++–––––①d很小,S很大,①設電容器兩極板帶電±q；解：SdE平板電容器的電容與極板的面積成正比，與極板之間的距離成反比，還與電介質的性質有關。球形電容器解：兩極板間電場板間電勢差R1R2o②電容討論：①當R2→時，孤立導體球電容。+q-q②R2–R1=d,R2≈R1=R平行板電容器電容。圓柱形電容器解：設兩極板帶電q板間電場

l③(l>>R2–R1

)板間電勢差圓柱形電容器的電容R1R2圓柱越長，電容越大；兩圓柱之間的間隙越小，電容越大。用d表示兩圓柱面之間的間距，當d<<R1

時平板電容器S2+++++++1求：①各介質內的②電容器的電容。d1例2：平行板電容器兩極板面積為S，極板間有兩層電介質,介電常數分別為1，2，厚為d1,d2。電容器極板上自由電荷面密度。d2解：①由高斯定理SS–––––––

②兩極板間的電勢差三、電容器的并聯和串聯U等效特點：每個電容器兩端的電勢差相等總電量：等效電容：結論：當幾個電容器并聯時，其等效電容等于幾個電容器電容之和；各個電容器的電壓相等；并聯使總電容增大。1、電容器的并聯1等效特點每個電容器極板所帶的電量相等總電壓等效電容結論：當幾個電容器串聯時，其等效電容的倒數等于幾個電容器電容的倒數之和；等效電容小于任何一個電容器的電容，但可以提高電容的耐壓能力；每個串聯電容的電勢降與電容成反比。2、電容器的串聯2并聯電容器的電容等于各個電