靜電場中的導(dǎo)體電介質(zhì)課件

關(guān)于靜電場中的導(dǎo)體電介質(zhì)第1頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/72一、導(dǎo)體的靜電平衡無外電場時(shí)§10.1靜電場中的導(dǎo)體第2頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/73導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程加上外電場后E外第3頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/74導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程加上外電場后E外+第4頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/75導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程加上外電場后E外++第5頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/76導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程加上外電場后E外+++++第6頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/77導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程加上外電場后E外+++第7頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/78導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程加上外電場后E外+++++第8頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/79導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程加上外電場后E外+++++第9頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/710導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程加上外電場后E外+++++++第10頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/711導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程加上外電場后E外++++++第11頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/712導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程加上外電場后E外++++++++第12頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/713導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程+加上外電場后E外+++++++++第13頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/714導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過程+加上外電場后E外+++++++++第14頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/715++++++++++導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡：無電荷移動(dòng)E外E感感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷第15頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/716金屬球放入前電場為一均勻場導(dǎo)體表面附近的場強(qiáng)方向處處與表面垂直。第16頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/717金屬球放入后電力線發(fā)生彎曲電場為一非均勻場+++++++當(dāng)導(dǎo)體放入靜電場時(shí),將產(chǎn)生感應(yīng)電荷,這種電荷與電場相互影響,相互制約,當(dāng)滿足一定條件時(shí),導(dǎo)體內(nèi)部和表面上都沒有電荷作定向運(yùn)動(dòng).導(dǎo)體達(dá)靜電平衡狀態(tài)第17頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/718⑴導(dǎo)體內(nèi)部任意點(diǎn)的場強(qiáng)為零。⑵導(dǎo)體表面附近的場強(qiáng)方向處處與表面垂直。靜電平衡條件靜電平衡：導(dǎo)體內(nèi)部和表面都沒有電荷定向移動(dòng)的狀態(tài)第18頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/719處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體的性質(zhì)：1、導(dǎo)體是等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面。2、導(dǎo)體內(nèi)部處處沒有未被抵消的凈電荷，凈電荷只分布在導(dǎo)體的表面上。4、導(dǎo)體以外，靠近導(dǎo)體表面附近處的場強(qiáng)大小與導(dǎo)體表面在該處的面電荷密度的關(guān)系為詳細(xì)說明如下3、導(dǎo)體表面上的面電荷密度分布情況，與導(dǎo)體表面曲率有關(guān)，還與周圍其他帶電體有關(guān)。第19頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/720等勢體等勢面導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)體表面１、

處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，導(dǎo)體內(nèi)部電場強(qiáng)度處處為零，整個(gè)導(dǎo)體是個(gè)等勢體。導(dǎo)體表面是等勢面第20頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/7212、導(dǎo)體內(nèi)沒有凈電荷，未被抵消的凈電荷只能分布在導(dǎo)體表面上。++++++++++++++++++++++++++++++++第21頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/722導(dǎo)體表面上的電荷分布情況，不僅與導(dǎo)體表面形狀有關(guān)，還和它周圍存在的其他帶電體有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明：靜電場中的孤立帶電體導(dǎo)體上電荷面密度的大小與該處表面的曲率有關(guān)。曲率較大，表面尖而凸出部分，電荷面密度較大曲率較小，表面比較平坦部分，電荷面密度較小曲率為負(fù)，表面凹進(jìn)去的部分，電荷面密度最小3、導(dǎo)體表面上的電荷分布第22頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/723導(dǎo)線證明:即用導(dǎo)線連接兩導(dǎo)體球則∴導(dǎo)體表面曲率較大處,電荷密度也較大.第23頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/724表面附近作圓柱形高斯面4、導(dǎo)體外部近表面處場強(qiáng)方向與該處導(dǎo)體表面垂直，大小與該處導(dǎo)體表面電荷面密度e成正比。尖端放電尖端場強(qiáng)特別強(qiáng)，足以使周圍空氣分子電離而使空氣被擊穿，導(dǎo)致“尖端放電”?！纬伞半婏L(fēng)”第24頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/725二、導(dǎo)體殼和靜電屏蔽1、空腔內(nèi)無帶電體的情況腔體內(nèi)表面不帶電量，腔體外表面所帶的電量為帶電體所帶總電量。導(dǎo)體上電荷面密度的大小與該處表面的曲率有關(guān)。第25頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/726腔體內(nèi)表面所帶的電量和腔內(nèi)帶電體所帶的電量等量異號(hào)，腔體外表面所帶的電量由電荷守恒定律決定。未引入q1時(shí)放入q1后2、空腔內(nèi)有帶電體+第26頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/727帶電導(dǎo)體尖端附近電場最強(qiáng)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，即尖端放電

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

.然而尖端放電也有很廣泛的應(yīng)用

.3尖端放電現(xiàn)象尖端放電現(xiàn)象的利與弊第27頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/7284、靜電屏蔽空腔導(dǎo)體接地后，其空腔導(dǎo)體內(nèi)、外部的電場均互不受影響（全屏蔽）?？涨粚?dǎo)體(不論接地與否)，其空腔導(dǎo)體內(nèi)部的電場不受外電場的影響（外屏蔽）；++++外屏蔽全屏蔽第28頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/7291、導(dǎo)體內(nèi)部任意點(diǎn)的場強(qiáng)為零，導(dǎo)體是等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面。2、導(dǎo)體內(nèi)部處處沒有未被抵消的凈電荷，凈電荷只分布在導(dǎo)體的表面上。4、導(dǎo)體表面附近的場強(qiáng)方向處處與表面垂直，大小與表面在該處的面電荷密度的關(guān)系為3、導(dǎo)體表面上的面電荷密度分布情況與導(dǎo)體表面曲率有關(guān)成正比。處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體的性質(zhì)：上節(jié)回顧第29頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/730電荷守恒定律靜電平衡條件電荷分布三、有導(dǎo)體存在時(shí)場強(qiáng)和電勢的計(jì)算第30頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/731例1：如圖所示，長為2l的均勻帶電直線，電荷線密度為,旁有一導(dǎo)體球,球心在帶電直線的延長線上，距直線近端為d，d大于導(dǎo)體球的半徑R，（1）用電勢疊加原理求導(dǎo)體球的電勢；（2）把導(dǎo)體球接地后再斷開，求導(dǎo)體球上的感應(yīng)電量.dR第31頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/732解:1）考慮導(dǎo)體球上感應(yīng)電荷分布滿足電荷守恒定律及分布在表面距離球心等距的關(guān)系，感應(yīng)電荷在球心處的電勢應(yīng)等于0，由此可以求得球心處的電勢等于帶電直線在該處產(chǎn)生的電勢：

第32頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/733（2）接地后，導(dǎo)體球的電勢為零。即感應(yīng)電荷與帶電直線在球心處電勢的迭加為零。故感應(yīng)電荷在球心處的電勢為：由于感應(yīng)電荷都分布在導(dǎo)體球表面，由電勢迭加原理，有第33頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/734例2.已知：導(dǎo)體板A，面積為S、帶電量Q，在其旁邊放入導(dǎo)體板B。

求：(1)A、B上的電荷分布及空間的電場分布(2)將B板接地，求電荷分布a點(diǎn)b點(diǎn)A板B板第34頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/735解方程得:電荷分布場強(qiáng)分布兩板之間板左側(cè)板右側(cè)第35頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/736

(2)將B板接地，求電荷及場強(qiáng)分布板接地時(shí)電荷分布a點(diǎn)b點(diǎn)第36頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/737

場強(qiáng)分布電荷分布兩板之間兩板之外第37頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/738例3.已知R1R2R3qQ求①電荷及場強(qiáng)分布；球心的電勢②如用導(dǎo)線連接A、B，再作計(jì)算解:由高斯定理得電荷分布場強(qiáng)分布第38頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/739球心的電勢場強(qiáng)分布第39頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/740球殼外表面帶電②用導(dǎo)線連接A、B，再作計(jì)算連接A、B，中和第40頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/741練習(xí)已知:兩金屬板帶電分別為q1、q2

求：1

、2

、3

、4第41頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/742問題：1、在兩板間插入一中性金屬平板，求板面的電荷密度。2、如果第三板接地，又如何？3、剪掉第三板接地線，再令第一板接地，又如何？第42頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/743

有極分子：分子正負(fù)電荷中心不重合。無極分子：分子正負(fù)電荷中心重合；電介質(zhì)CH+H+H+H+正負(fù)電荷中心重合甲烷分子+正電荷中心負(fù)電荷中心H++HO水分子——分子電偶極矩一、電介質(zhì)的極化§10.2靜電場中的電介質(zhì)第43頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/744

1.無極分子的位移極化無外電場時(shí)加上外電場后+++++++極化電荷極化電荷第44頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/7452.有極分子的轉(zhuǎn)向極化+++++++++++++++++++++++++++無外電場時(shí)電矩取向不同兩端面出現(xiàn)極化電荷層轉(zhuǎn)向外電場加上外場第45頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/746電極化強(qiáng)度(矢量)定義：單位體積內(nèi)分子電偶極矩的矢量和描述了電介質(zhì)極化強(qiáng)弱，反映了電介質(zhì)內(nèi)分子電偶極矩排列的有序或無序程度。二、極化強(qiáng)度矢量第46頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/747三、極化強(qiáng)度矢量和極化電荷面密度的關(guān)系(1)均勻介質(zhì)極化時(shí)，其表面上某點(diǎn)的極化電荷面密度，等于該處電極化強(qiáng)度在外法線上的分量。(2)在電場中，穿過任意閉合曲面的極化強(qiáng)度通量等于該閉合曲面內(nèi)極化電荷總量的負(fù)值。證明P42-43第47頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/748無限大均勻電介質(zhì)中充滿電場空間的各向同性均勻電介質(zhì)內(nèi)部的場強(qiáng)大小等于真空中場強(qiáng)的倍，方向與真空中場強(qiáng)方向一致。介質(zhì)中的場強(qiáng)極化電荷的場強(qiáng)自由電荷的場強(qiáng)2、電介質(zhì)中的電場第48頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/749所以：具體證明如下：第49頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/750有電介質(zhì)時(shí)的高斯定理§10.3電位移矢量電介質(zhì)中的高斯定理一、有電介質(zhì)時(shí)的高斯定理:第50頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/751對(duì)于各向同性電介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)表明–––

介電常數(shù)二、電位移矢量相對(duì)介電常數(shù)第51頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/752同時(shí)描述電場和電介質(zhì)極化的復(fù)合矢量。電位移矢量

++++++++++電場線++++++++++電位移線電位移線起于正自由電荷，止于于負(fù)自由電荷。電位移線與電場線第52頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/753r+Qr+QE線D線第53頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/754電位移矢量自由電荷在均勻、各向同性的介質(zhì)中特別

當(dāng)這些介質(zhì)充滿空間或界面與等勢面重合，所有的計(jì)算變得簡單。Q稱為電介質(zhì)的介電常數(shù)r第54頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/755例1如圖金屬球半徑為R1、帶電量+Q；均勻、各向同性介質(zhì)層外半徑R2、相對(duì)介電常數(shù)r；求：分布解

由對(duì)稱性分析確定

沿矢徑方向取同心球面為高斯面，依據(jù)介質(zhì)中的高斯定理可得：R2R1rQCBA

D大小第55頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/756R2R1rQCBA

大小0rDE第56頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/757R2R1rQCBA

第57頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/758例2.已知:導(dǎo)體球介質(zhì)求:1.球外任一點(diǎn)的2.導(dǎo)體球的電勢解:過P點(diǎn)作高斯面得電勢第58頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/759有電介質(zhì)時(shí)的高斯定理電位移矢量上節(jié)回顧第59頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/760一、孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體：附近沒有其他導(dǎo)體和帶電體單位：法拉（F）、微法拉（F）、皮法拉（pF）孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體球的電容C=40R電容——使導(dǎo)體升高單位電勢所需的電量。§10.4

電容電容器第60頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/7611、電容器的電容兩相互絕緣的導(dǎo)體組成的導(dǎo)體組合。

——電容器電容器的電容：當(dāng)電容器的兩極板分別帶有等值異號(hào)

電荷q時(shí)，電量q與兩極板間相應(yīng)的電勢差uA-uB的比值。二、電容器及其電容第61頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/762三、電容器電容的計(jì)算1、平行板電容器已知：S、d、0設(shè)A、B分別帶電+q、-qA、B間場強(qiáng)分布電勢差由定義討論與有關(guān)；插入介質(zhì)第62頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/7632、球形電容器已知設(shè)+q、-q場強(qiáng)分布電勢差由定義討論孤立導(dǎo)體的電容第63頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/7643、圓柱形電容器已知：設(shè)場強(qiáng)分布電勢差由定義第64頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/765例平行無限長直導(dǎo)線已知:a、d、d>>a

求:單位長度導(dǎo)線間的C解:設(shè)場強(qiáng)分布導(dǎo)線間電勢差電容第65頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/766將真空電容器充滿某種電介質(zhì)電介質(zhì)的電容率（介電常數(shù)）平行板電容器電介質(zhì)的相對(duì)電容率（相對(duì)介電常數(shù)）同心球型電容器同軸圓柱型電容器第66頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/767例1.

已知:導(dǎo)體板介質(zhì)求:各介質(zhì)內(nèi)的解:設(shè)兩介質(zhì)中的分別為由高斯定理由得第67頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三場強(qiáng)分布電勢差電容例2.

平行板電容器。已知d1、r1、d2、r2、S

求:電容C解:設(shè)兩板帶電第68頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/769例3.平行板電容器已知:S、d插入厚為t的銅板求：C

第69頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/770設(shè)q場強(qiáng)分布電勢差第70頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/771開關(guān)倒向a,電容器充電。開關(guān)倒向b,電容器放電。燈泡發(fā)光電容器釋放能量電源提供計(jì)算電容器帶有電量Q，相應(yīng)電勢差為U時(shí)所具有的能量。一、電容器的儲(chǔ)能§10.5靜電場的能量第71頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/772任一時(shí)刻終了時(shí)刻外力做功電容器的電能第72頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/773電場能量體密度——描述電場中能量分布狀況二、靜電場的能量1、對(duì)平行板電容器電場存在的空間體積第73頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/774非均勻電場能量的計(jì)算:2、電場中某點(diǎn)處單位體積內(nèi)的電場能量電場能量密度:單位體積內(nèi)的電場能量第74頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/775例：計(jì)算球形電容器的能量已知RA、RB、q解：場強(qiáng)分布取體積元能量第75頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/776課堂討論比較均勻帶電球面和均勻帶電球體所儲(chǔ)存的能量。第76頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/777第十章作業(yè)：1、5、9、10、12、14第77頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/778靜電場復(fù)習(xí)第78頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023/7/779庫侖定律電場強(qiáng)度場強(qiáng)疊加原理點(diǎn)電荷場強(qiáng)電場強(qiáng)度第79頁，講稿共89頁，2023年5月2日，星期三2023