(2024年)靜電場(chǎng)課件

靜電場(chǎng)課件12024/3/26CATALOGUE目錄靜電場(chǎng)基本概念靜電場(chǎng)中的電荷分布靜電場(chǎng)中的電勢(shì)與電勢(shì)差靜電場(chǎng)中導(dǎo)體和電介質(zhì)特性靜電場(chǎng)能量與能量轉(zhuǎn)換靜電場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例分析22024/3/2601靜電場(chǎng)基本概念32024/3/26電荷是物質(zhì)的一種屬性，分為正電荷和負(fù)電荷。同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。電荷電荷周圍空間存在電場(chǎng)，電場(chǎng)對(duì)放入其中的其他電荷有力的作用。電場(chǎng)為了形象地描述電場(chǎng)而引入的線，電場(chǎng)線上每點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度方向，電場(chǎng)線的疏密程度表示電場(chǎng)的強(qiáng)弱。電場(chǎng)線電荷與電場(chǎng)42024/3/26

電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)電場(chǎng)強(qiáng)度描述電場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量，用E表示。單位是牛/庫(kù)（N/C），電場(chǎng)強(qiáng)度是矢量，方向與正電荷在該點(diǎn)所受電場(chǎng)力方向相同。電勢(shì)描述電場(chǎng)能的性質(zhì)的物理量，用φ表示。單位是伏特（V），電勢(shì)是標(biāo)量，只有大小，沒有方向。電勢(shì)差兩點(diǎn)間電勢(shì)的差值，用U表示。單位是伏特（V），電勢(shì)差是標(biāo)量，有正負(fù)之分。52024/3/26電介質(zhì)電介質(zhì)是絕緣體，其內(nèi)部幾乎沒有自由電子。在靜電場(chǎng)中，電介質(zhì)內(nèi)部可以存在電場(chǎng)，且電介質(zhì)會(huì)被極化，產(chǎn)生極化電荷。導(dǎo)體導(dǎo)體內(nèi)部存在大量自由電子，能夠在電場(chǎng)作用下自由移動(dòng)，從而形成電流。在靜電場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為零，電荷分布在導(dǎo)體表面。靜電感應(yīng)當(dāng)導(dǎo)體靠近帶電體時(shí)，由于靜電感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)體會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電荷。感應(yīng)電荷的電量與帶電體的電量相等，但符號(hào)相反。靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)62024/3/2602靜電場(chǎng)中的電荷分布72024/3/26點(diǎn)電荷一種理想化的物理模型。當(dāng)帶電體間的距離比它們本身的大小大得多，以至帶電體的形狀和大小對(duì)它們之間的作用力影響可以忽略不計(jì)時(shí)，此帶電體可看作點(diǎn)電荷。電荷分布描述電荷在空間中如何分布的物理量。對(duì)于連續(xù)分布的電荷，其電荷分布可以用電荷密度來(lái)描述。點(diǎn)電荷與電荷分布82024/3/26在一個(gè)孤立系統(tǒng)中，不論發(fā)生什么變化，其中所有電荷的代數(shù)和永遠(yuǎn)保持不變。即電荷既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。電荷守恒定律用于解釋和預(yù)測(cè)各種靜電現(xiàn)象，如摩擦起電、感應(yīng)起電等。電荷守恒定律的應(yīng)用電荷守恒定律92024/3/26真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上。庫(kù)侖定律對(duì)于線性系統(tǒng)，如果兩個(gè)不同原因（激勵(lì)）分別作用于系統(tǒng)而產(chǎn)生的響應(yīng)是可加的，則當(dāng)這兩個(gè)激勵(lì)同時(shí)作用于系統(tǒng)時(shí)，其響應(yīng)是這兩個(gè)響應(yīng)的代數(shù)和。這一原理在靜電場(chǎng)中同樣適用，即多個(gè)點(diǎn)電荷在某點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度是各個(gè)點(diǎn)電荷單獨(dú)存在時(shí)在該點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和。疊加原理庫(kù)侖定律與疊加原理102024/3/2603靜電場(chǎng)中的電勢(shì)與電勢(shì)差112024/3/26電勢(shì)是描述電場(chǎng)中某點(diǎn)電勢(shì)能的物理量，表示單位正電荷在該點(diǎn)所具有的電勢(shì)能。電勢(shì)的計(jì)算公式為φ=Ep/q，其中φ表示電勢(shì)，Ep表示電勢(shì)能，q表示電荷量。在靜電場(chǎng)中，電勢(shì)與距離場(chǎng)源電荷的遠(yuǎn)近及電場(chǎng)線的方向有關(guān)。電勢(shì)定義及計(jì)算電勢(shì)計(jì)算電勢(shì)定義122024/3/26等勢(shì)面定義電場(chǎng)中電勢(shì)相等的各個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的面叫做等勢(shì)面。等勢(shì)面與電勢(shì)差關(guān)系等勢(shì)面上各點(diǎn)電勢(shì)相等，因此在等勢(shì)面上移動(dòng)電荷時(shí)電場(chǎng)力不做功。電勢(shì)差是指電場(chǎng)中兩點(diǎn)之間電勢(shì)的差值，與路徑無(wú)關(guān)，只與兩點(diǎn)位置有關(guān)。等勢(shì)面與電勢(shì)差關(guān)系132024/3/26電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)性電場(chǎng)力做功特點(diǎn)在靜電場(chǎng)中，電場(chǎng)力對(duì)電荷做功與路徑無(wú)關(guān)，只與電荷的初末位置有關(guān)。路徑無(wú)關(guān)性原理由于靜電場(chǎng)是保守場(chǎng)，因此可以引入電勢(shì)概念來(lái)描述電場(chǎng)的性質(zhì)。電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)性的原理是電場(chǎng)力是保守力，其做功只與電荷的初末位置有關(guān)。142024/3/2604靜電場(chǎng)中導(dǎo)體和電介質(zhì)特性152024/3/26當(dāng)導(dǎo)體置于靜電場(chǎng)中時(shí)，其內(nèi)部自由電子會(huì)受到電場(chǎng)力的作用而重新分布，使得導(dǎo)體兩端分別出現(xiàn)正負(fù)電荷，這種現(xiàn)象稱為靜電感應(yīng)。靜電感應(yīng)現(xiàn)象當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部電荷分布達(dá)到穩(wěn)定，使得導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零時(shí)，稱導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)。此時(shí)，導(dǎo)體表面為等勢(shì)面，且導(dǎo)體內(nèi)部無(wú)電荷定向移動(dòng)。靜電平衡狀態(tài)在靜電平衡狀態(tài)下，導(dǎo)體表面的電荷分布與導(dǎo)體形狀和周圍電場(chǎng)有關(guān)。通常，電荷會(huì)集中在導(dǎo)體的尖端或曲率半徑較小的地方。導(dǎo)體表面電荷分布導(dǎo)體在靜電場(chǎng)中特性162024/3/26電介質(zhì)極化現(xiàn)象01電介質(zhì)置于靜電場(chǎng)中時(shí)，其內(nèi)部正負(fù)電荷中心會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，使得電介質(zhì)兩端分別出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。極化規(guī)律02電介質(zhì)的極化程度與電場(chǎng)強(qiáng)度、電介質(zhì)性質(zhì)及溫度等因素有關(guān)。通常，電場(chǎng)越強(qiáng)、電介質(zhì)越容易被極化；溫度升高會(huì)降低電介質(zhì)的極化程度。極化類型03根據(jù)電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的位移方式，可將極化分為電子極化、離子極化和取向極化等類型。電介質(zhì)極化現(xiàn)象及規(guī)律172024/3/26高斯定理表述通過(guò)任意閉合曲面的電通量等于該曲面內(nèi)所包圍電荷量的代數(shù)和除以真空中的介電常數(shù)。當(dāng)存在電介質(zhì)時(shí)，需考慮電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的影響。電介質(zhì)中的高斯定理在有電介質(zhì)存在的情況下，高斯定理仍然適用，但需注意電介質(zhì)極化產(chǎn)生的束縛電荷對(duì)電場(chǎng)的影響。此時(shí)，高斯定理中的電荷量應(yīng)包括自由電荷和束縛電荷兩部分。應(yīng)用舉例利用高斯定理可以求解具有對(duì)稱性的靜電場(chǎng)問(wèn)題，如無(wú)限長(zhǎng)均勻帶電直線、無(wú)限大均勻帶電平面等。在這些情況下，通過(guò)選擇合適的高斯面并運(yùn)用高斯定理，可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程并得到電場(chǎng)強(qiáng)度的表達(dá)式。有電介質(zhì)存在時(shí)高斯定理應(yīng)用182024/3/2605靜電場(chǎng)能量與能量轉(zhuǎn)換192024/3/26123單位體積內(nèi)的靜電場(chǎng)能量。靜電場(chǎng)能量密度的定義w=1/2*ε*E^2，其中ε為介電常數(shù)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。計(jì)算公式反映靜電場(chǎng)在空間中某一點(diǎn)的能量分布情況。能量密度的物理意義靜電場(chǎng)能量密度及計(jì)算202024/3/2603能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存的關(guān)系電荷在靜電場(chǎng)中的移動(dòng)引起能量的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，二者相互關(guān)聯(lián)。01靜電場(chǎng)中的能量轉(zhuǎn)換當(dāng)電荷在靜電場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)力對(duì)電荷做功，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。02儲(chǔ)存過(guò)程在靜電場(chǎng)中，能量以電勢(shì)能的形式儲(chǔ)存于電荷與電場(chǎng)之間。能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存過(guò)程分析212024/3/26在一個(gè)孤立系統(tǒng)中，總能量保持不變。能量守恒定律當(dāng)電荷在靜電場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)力對(duì)電荷做功，消耗或增加的能量等于電荷電勢(shì)能的變化量，遵循能量守恒定律。在靜電場(chǎng)中的應(yīng)用通過(guò)具體例子說(shuō)明能量守恒定律在靜電場(chǎng)中的應(yīng)用，如電容器充放電過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換和守恒。實(shí)例分析能量守恒定律在靜電場(chǎng)中應(yīng)用222024/3/2606靜電場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例分析232024/3/26充電過(guò)程當(dāng)平行板電容器與電源連接時(shí)，正極板上的自由電子受到電源電場(chǎng)的作用向負(fù)極板移動(dòng)，使得正極板帶正電，負(fù)極板帶負(fù)電。隨著充電的進(jìn)行，電容器兩極板間的電勢(shì)差逐漸增大，直到等于電源電壓，此時(shí)充電結(jié)束。放電過(guò)程當(dāng)平行板電容器與電源斷開后，若兩極板間存在電勢(shì)差，則會(huì)通過(guò)外電路進(jìn)行放電。放電過(guò)程中，正極板上的正電荷向負(fù)極板移動(dòng)，使得兩極板間的電勢(shì)差逐漸減小，直到為零，此時(shí)放電結(jié)束。平行板電容器充放電過(guò)程分析242024/3/26VS根據(jù)庫(kù)侖定律和電場(chǎng)疊加原理，可以推導(dǎo)出長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)分布規(guī)律。當(dāng)導(dǎo)線通以恒定電流時(shí)，導(dǎo)線周圍的空間將形成環(huán)形電場(chǎng)，且離導(dǎo)線越近，電場(chǎng)強(qiáng)度越大。長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍的電勢(shì)分布由于電場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律，可以進(jìn)一步推導(dǎo)出長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍的電勢(shì)分布。在距離導(dǎo)線一定距離處，電勢(shì)隨著與導(dǎo)線的距離增大而減小。長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)分布長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍空間分布規(guī)律探討252024/3/26在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，物體尖銳部分發(fā)生的一種放電現(xiàn)象稱為尖端放電。當(dāng)帶電體表面的電荷密度很大時(shí)，使得其周圍場(chǎng)強(qiáng)很強(qiáng)