大學(xué)物理第9章靜電場中的導(dǎo)體

第9章

靜電場中的導(dǎo)體

本章主要內(nèi)容§9.1

導(dǎo)體的靜電平衡條件§9.2

靜電平衡導(dǎo)體上的電荷分布§9.3

靜電平衡導(dǎo)體的應(yīng)用§9.4

有導(dǎo)體時靜電場分布的計算§9.5

靜電屏蔽第9章靜電場中的導(dǎo)體實際中，電荷總是分布在實物物體上的，電場中也往往存在物體。通常按導(dǎo)電能力將物體分為導(dǎo)體和絕緣體。

導(dǎo)體——導(dǎo)電能力極強的物體。金屬是最常見的導(dǎo)體。金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電特征：金屬內(nèi)部存在自由電子，當(dāng)導(dǎo)體處于靜電場中時，自由電子受到電場力作用而產(chǎn)生定向運動，使導(dǎo)體上的宏觀電荷重新分布。本章主要是應(yīng)用靜電場的性質(zhì)，討論導(dǎo)體上電荷分布規(guī)律，及其與周圍的電場的關(guān)系。第9章靜電場中的導(dǎo)體§9.1導(dǎo)體的靜電平衡條件

++++++++感應(yīng)電荷1

靜電感應(yīng)++++++++++2

靜電平衡——導(dǎo)體內(nèi)部和表面的宏觀電荷無定向移動。靜電平衡條件：（1）導(dǎo)體內(nèi)部任何一點處的電場強度為零；（2）導(dǎo)體表面處電場強度的方向，都與導(dǎo)體表面垂直.++++++推論：導(dǎo)體為等勢體導(dǎo)體表面為等勢面導(dǎo)體內(nèi)各點電勢相等§9.2靜電平衡導(dǎo)體

上的電荷分布

++++++++++結(jié)論：導(dǎo)體內(nèi)部無凈電荷，電荷只分布在導(dǎo)體表面.1

實心導(dǎo)體高斯面實心帶電導(dǎo)體2

空腔導(dǎo)體空腔內(nèi)無電荷時電荷分布在表面內(nèi)表面？外表面？空腔帶電導(dǎo)體高斯面若內(nèi)表面帶電，必等量異號結(jié)論：空腔內(nèi)無電荷時，電荷分布在外表面,內(nèi)表面無電荷.與導(dǎo)體是等勢體矛盾－＋高斯面++++++++++空腔帶電導(dǎo)體

空腔內(nèi)有電荷時結(jié)論:空腔內(nèi)有電荷+q時，空腔內(nèi)表面有感應(yīng)電荷-q，外表面有感應(yīng)電荷+q．+高斯面qq-q空腔導(dǎo)體作扁圓柱形高斯面3導(dǎo)體表面附近場強與電荷面密度的關(guān)系+++++++S4導(dǎo)體表面電荷分布規(guī)律++++++++++帶電導(dǎo)體尖端附近的電場特別大，可使尖端附近的空氣發(fā)生電離而成為導(dǎo)體產(chǎn)生放電現(xiàn)象．尖端放電現(xiàn)象避雷針必須可靠接地帶電云避雷針的工作原理++++－－－－－++－+§9.4靜電屏蔽

靜電屏蔽帶空腔導(dǎo)體的空腔中的電場不受外面靜電場的影響，這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。空腔內(nèi)電場與空腔中帶電體分布和空腔幾何形狀有關(guān)；內(nèi)壁上電荷分布是靜電平衡條件所要求的分布（內(nèi)壁上電荷的場與空腔中帶電體的場在內(nèi)壁以外區(qū)域疊加相互抵消）。應(yīng)用：同軸電纜，抗干擾罩/網(wǎng)等§9.4靜電屏蔽§9.3有導(dǎo)體存在時靜電場

分布的分析與計算

在涉及導(dǎo)體的靜電場問題中，靜電平衡導(dǎo)體表面電荷和其外部空間的電場分布是唯一的、確定的。求解這種問題需要考慮以下規(guī)律：

靜電場的基本性質(zhì)（如場強疊加原理，Gauss定理等）；

電荷守恒定律；

靜電平衡條件?！?.3有導(dǎo)體存在時靜電場分布的分析與計算例：設(shè)有兩個相距很遠的導(dǎo)體球，半徑分別為R和r(R>r)，用一導(dǎo)線將兩球相連，求兩個導(dǎo)體球的面電荷密度之間的關(guān)系§9.3有導(dǎo)體存在時靜電場分布的分析與計算解:設(shè)金屬板面電荷密度、由對稱性和電量守恒導(dǎo)體體內(nèi)任一點P場強為零無限大的帶電平面的場中平行放置一無限大金屬平板。求：金屬板兩面電荷面密度例1.§9.3有導(dǎo)體存在時靜電場分布的分析與計算

[例2]兩塊面積均為

S的大金屬平板

A和

B，各帶電量

QA

和

QB，求：（1）兩導(dǎo)體板之間及左右兩側(cè)的電場強度；（2）如將

B

板接地，電場如何分布？假設(shè)金屬板可看作無限大。解：設(shè)四個導(dǎo)體平面上面電荷密度分別為

s1，s2，s3

和

s4

。（1）每一面電荷單獨存在時產(chǎn)生的場強為

si/2e0(i=1,2,3,4)

，取導(dǎo)體板

B中任一點，利用靜電平衡條件，有取如圖所示的高斯面

S’

，有(電荷守恒)§9.3有導(dǎo)體存在時靜電場分布的分析與計算

討論：

如果兩導(dǎo)體板帶等量異號電荷，即

QB=-QA

，則此時，如果

B板再接地，結(jié)果不變。（2）如果導(dǎo)體板

B接地，EIII=0(jB=j=0)，故有

s4=0，但

s3=s3+s4

QB/S，仍有解得于是§9.3有導(dǎo)體存在時靜電場分布的分析與計算

[例3]一半徑為

R1

的導(dǎo)體球，帶電荷

QA，在它外面同心地放置一內(nèi)、外徑分別為

R2

和

R3的導(dǎo)體球殼，帶電荷

QB。求各處的場強和電勢分布。解：中央球體電荷只分布在表面；球殼是一個帶空腔導(dǎo)體，內(nèi)壁帶電為

-QA，再由電荷守恒知，外表面帶電為

QA+QB。所有導(dǎo)體表面電荷均為均勻分布。利用

Gauss定理可求出各區(qū)域的場強利用求得§9.3有導(dǎo)體存在時靜電場分布的分析與計算

[例4]半徑為R的不帶電導(dǎo)體球附近有一點電荷q，它與球心O相距d，求(1)導(dǎo)體球上感應(yīng)電荷在球心處產(chǎn)生的電場強度及此時球心處的電勢；(2)若將導(dǎo)體球接地，球上的凈電荷為多少？解：建立如圖所示的坐標(biāo)系(1)設(shè)導(dǎo)體球表面感應(yīng)出電荷q’

a.球心O處場強為零，是±q’的電場和q的電場疊加的結(jié)果即b.因為所有感應(yīng)電荷在O處的電勢為

而q在O處的電勢為

(2)導(dǎo)體球接地：設(shè)球上的凈電荷為q1解得本章結(jié)束

TheEndofThisChapter課后作業(yè)：教材：p.292:2,3,4,5,6,8教材§10.1-§10.4預(yù)習(xí)：例5.如圖所示，一內(nèi)半徑為a、外半徑為b的金屬球殼，帶有電量Q，在球殼空腔內(nèi)距離球心r處有一點電荷+q，設(shè)無限遠處為電勢零點，試求：（1）球殼內(nèi)外表面上的電荷。（2）球心O點處，由球殼內(nèi)表面上電荷產(chǎn)生的電勢。（3）球心O點處的總電勢。解：（1）由靜電感應(yīng)和高斯定理可知