靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)

關(guān)于靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)第1頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月第9章靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)物質(zhì)從其導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體，絕緣體也稱為電介質(zhì)。電介質(zhì)的特點(diǎn)：（1）介質(zhì)分子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，外層電子和原子核的相互作用力很大，電子呈束縛狀態(tài)，沒有電子可以自由移動(dòng)；（2）在外電場(chǎng)作下，外層電子難以掙脫原子核的束縛，只會(huì)發(fā)生微小位移，產(chǎn)生極化現(xiàn)象。第2頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月第9章靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)

§9-1靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電平衡§9-2靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)§9-3電容器電場(chǎng)能量第3頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月一

理解靜電場(chǎng)中導(dǎo)體處于靜電平衡時(shí)的條件，并能從靜電平衡條件來分析帶電導(dǎo)體在靜電場(chǎng)中的電荷分布.

三理解電容的定義，并能計(jì)算幾何形狀簡(jiǎn)單的電容器的電容.

四了解靜電場(chǎng)是電場(chǎng)能量的攜帶者，了解電場(chǎng)能量密度的概念，能用能量密度計(jì)算電場(chǎng)能量.教學(xué)基本要求二了解電介質(zhì)的極化及其微觀機(jī)理，了解電位移矢量

的概念，以及在各向同性介質(zhì)中，

和電場(chǎng)強(qiáng)度

的關(guān)系.

了解電介質(zhì)中的高斯定理，并會(huì)用它來計(jì)算對(duì)稱電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度.第4頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月一、導(dǎo)體靜電感應(yīng)、靜電平衡。1、導(dǎo)體：物體內(nèi)具有大量的可以自由移動(dòng)電荷。2、靜電感應(yīng)現(xiàn)象：金屬導(dǎo)體-f靜電感應(yīng)現(xiàn)象:導(dǎo)體在電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)體內(nèi)電荷重新分布呈現(xiàn)出帶電現(xiàn)象。++++++++帶電體感應(yīng)電荷第5頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月++++++++++++第6頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月++++++++導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度外電場(chǎng)強(qiáng)度感應(yīng)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度第7頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)體的靜電平衡狀態(tài)——導(dǎo)體內(nèi)部和表面無自由電荷作定向移動(dòng)的狀態(tài)++++++++第8頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月++++++導(dǎo)體是等勢(shì)體靜電平衡條件（1）導(dǎo)體內(nèi)部任何一點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度為零；（2）導(dǎo)體表面處的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向,都與導(dǎo)體表面垂直.導(dǎo)體表面是等勢(shì)面導(dǎo)體內(nèi)部電勢(shì)相等第9頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月二靜電平衡時(shí)導(dǎo)體上電荷的分布++++++++++結(jié)論導(dǎo)體內(nèi)部無電荷，電荷只分布在表面上。1

實(shí)心帶電導(dǎo)體2

空腔導(dǎo)體空腔內(nèi)無電荷電荷分布在表面上內(nèi)表面上有電荷嗎？第10頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月若內(nèi)表面帶電所以內(nèi)表面不帶電++--結(jié)論電荷分布在外表面上（內(nèi)表面無電荷）++++++++++矛盾導(dǎo)體是等勢(shì)體第11頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月空腔內(nèi)有電荷電荷分布在表面上內(nèi)表面上有電荷嗎？結(jié)論當(dāng)空腔內(nèi)有電荷時(shí),內(nèi)表面因靜電感應(yīng)出現(xiàn)等值異號(hào)的電荷，外表面有感應(yīng)電荷（電荷守恒）第12頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月三靜電屏蔽

1

屏蔽外電場(chǎng)外電場(chǎng)空腔導(dǎo)體可以屏蔽外電場(chǎng),使空腔內(nèi)物體不受外電場(chǎng)影響.這時(shí),整個(gè)空腔導(dǎo)體和腔內(nèi)的電勢(shì)也必處處相等.空腔導(dǎo)體屏蔽外電場(chǎng)第13頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月接地空腔導(dǎo)體將使外部空間不受空腔內(nèi)的電場(chǎng)影響.

問：空間各部分的電場(chǎng)強(qiáng)度如何分布？接地導(dǎo)體電勢(shì)為零

2

屏蔽腔內(nèi)電場(chǎng)++++++++第14頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3.接地后，接地表面電荷的分布a無外場(chǎng)b.有外場(chǎng)第15頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月+++++++++++為表面電荷面密度作硬幣形高斯面

S四導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度與電荷面密度的關(guān)系表面電場(chǎng)強(qiáng)度的大小與該表面電荷面密度成正比第16頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月+++++++++注意導(dǎo)體表面電荷分布與導(dǎo)體形狀以及周圍環(huán)境有關(guān).4導(dǎo)體表面電荷分布第17頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電導(dǎo)體尖端附近電場(chǎng)最強(qiáng)帶電導(dǎo)體尖端附近的電場(chǎng)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，即尖端放電

.尖端放電會(huì)損耗電能,還會(huì)干擾精密測(cè)量和對(duì)通訊產(chǎn)生危害

.然而尖端放電也有很廣泛的應(yīng)用

.尖端放電現(xiàn)象尖端放電現(xiàn)象的利與弊第18頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月<電風(fēng)實(shí)驗(yàn)>++++++++++<避雷針>尖端放電現(xiàn)象的利用第19頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)體靜電平衡遵循的基本原則:

1.靜電平衡的條件2.場(chǎng)基本性質(zhì)方程3.電荷守恒定律第20頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月例1

平行放置的兩塊大金屬平板相距d，板面積S，帶電量Qa和Qb求：求兩板各表面的電荷面密度解:設(shè)金屬板面電荷密度由對(duì)稱性和電量守恒（1）（2）第21頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)體內(nèi)任一點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)為零（3）（4）可解得第22頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月9－2靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)無極分子電介質(zhì)：（氫、甲烷、石蠟等）有極分子電介質(zhì)：（水、有機(jī)玻璃等）一.電介質(zhì)極化第23頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月無極分子的極化E=0pEE第24頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月E電介質(zhì)在外場(chǎng)作用下,在垂直于電場(chǎng)方向的介質(zhì)表面產(chǎn)生極化電荷——電解質(zhì)的極化現(xiàn)象第25頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月有極分子的極化無外電場(chǎng)EFF有外電場(chǎng)第26頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月E

無論是有極分子的極化，還是無極分子的極化，雖然電介質(zhì)極化的微觀機(jī)理不盡相同，但在宏觀上都表現(xiàn)為電介質(zhì)表面出現(xiàn)了極化面電荷。E第27頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月E0E’

E=E0+E’電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷抵消，仍然呈電中性。但場(chǎng)強(qiáng)不等于零。實(shí)驗(yàn)證明E=

ε

E0rεr稱為電介質(zhì)的相對(duì)電容率。二、電介質(zhì)中的高斯定理E=E0+E’1.自由電荷與束縛電荷第28頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)兩板間為真空時(shí)當(dāng)兩板間充滿介質(zhì)時(shí)由場(chǎng)強(qiáng)疊加原理,-------------------根據(jù)實(shí)驗(yàn)合場(chǎng)強(qiáng)E的方向于E0相同總是小于第29頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2.高斯定理:令：電位移矢量-------------------S取高斯面第30頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月有介質(zhì)時(shí)的高斯定理有介質(zhì)時(shí)的高斯定理：通過任意閉合曲面的電位移通量，等于該閉合曲面內(nèi)所包圍自由電荷的代數(shù)和。注意：1：D矢量是輔助量，描述電場(chǎng)的性質(zhì)仍然是電場(chǎng)強(qiáng)度E和電勢(shì)U。2：D通量只與S內(nèi)的自由電荷有關(guān)，與極化電荷無關(guān)。3：只有在各向同性均勻電介質(zhì)中第31頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月例題2半徑為R的金屬球，帶電量為q

（

q>0）浸在相對(duì)電容率為εr的均勻電介質(zhì)中，求（1）球外的電場(chǎng)E；（2）貼近金屬球的電介質(zhì)表面的束縛電荷；（3）球內(nèi)的電勢(shì)。或解：1、rRo++++++++++++rε∵電場(chǎng)分布具有球?qū)ΨQ性，p∴取以r為半徑的球面為高斯面。第32頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2、分布具有球?qū)ΨQ性介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)第33頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3、電場(chǎng)分布E=0,r<R,r>R球內(nèi),Ro++++++++++++rεPr第34頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月一孤立導(dǎo)體的電容例如

孤立的導(dǎo)體球的電容地球單位

9—3電容器電場(chǎng)能量第35頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月二電容器電容器電容

電容的大小僅與導(dǎo)體的形狀、相對(duì)位置、其間的電介質(zhì)有關(guān).與所帶電荷量無關(guān).第36頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月電容器電容的計(jì)算1）設(shè)兩極板分別帶電；3）求；步驟4）求.2）求

；第38頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月1

平板電容器++++++------（2）兩帶電平板間的電場(chǎng)強(qiáng)度（1）設(shè)兩導(dǎo)體板分別帶電（3）兩帶電平板間的電勢(shì)差（4）平板電容器電容第39頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月平行板電容器電容2圓柱形電容器（3）（2）（4）電容++++----（1）設(shè)兩導(dǎo)體圓柱面單位長(zhǎng)度上分別帶電第40頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3球形電容器的電容球形電容器是由半徑分別為和的兩同心金屬球殼所組成．解設(shè)內(nèi)球帶正電（），外球帶負(fù)電（）．＋＋＋＋＋＋＋＋孤立導(dǎo)體球電容*第41頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月三、電容器的聯(lián)接1電容器的并聯(lián)+－C1C2+q1+q2-q1-q2U+－UC+q-q與相比較第42頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月+－UC+q-q+－+q+q-q-qU1U2C1C22電容器的串聯(lián)與相比較第43頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月+++++++++---------一電容器的電能電容器貯存的電能+四.電場(chǎng)的能量第44頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月二靜電場(chǎng)的能量能量密度物理意義電場(chǎng)是一種物質(zhì)，它具有能量.電場(chǎng)空間所存儲(chǔ)的能量電場(chǎng)能量密度第45頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月解：電場(chǎng)分布具有軸對(duì)稱性，由高斯定理得R1R2r例9-3長(zhǎng)l的圓柱形電容器，其內(nèi)外金屬圓筒的半徑分別為R1、R2

，兩圓筒間充滿電容率為ε的電介質(zhì)，當(dāng)電容器帶有電量Q時(shí)，求所儲(chǔ)存的電能。第46頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月

在兩筒間，距軸線r

處

，做一半徑為r,

厚度為dr，長(zhǎng)度為l

的薄圓柱殼。R2R1dror圓柱殼處的場(chǎng)強(qiáng)大小可認(rèn)為相等的，則圓柱殼存儲(chǔ)的電場(chǎng)能圓柱殼的體積為第47頁