靜電場中的導(dǎo)體課件

靜電場中的導(dǎo)體

物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)

單個原子的電結(jié)構(gòu)

內(nèi)層電子價電子原子內(nèi)部殼層的電子受外層電子的屏蔽一般都填滿了每一個殼層在原子中結(jié)合得比較緊填充在最外層的電子與核的結(jié)合較弱，容易擺脫原子核的束縛——稱為價電子——自由電子

導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

雖然所有固體都包含大量電子，但導(dǎo)電性能差異很大

導(dǎo)體：導(dǎo)體中存在著大量的自由電子

電子數(shù)密度很大，約為1022個/cm3

絕緣體

基本上沒有參與導(dǎo)電的自由電子

半導(dǎo)體

半導(dǎo)體中自由電子數(shù)密度較小，約為

1012～1019個/cm3

物質(zhì)中的電荷在電場的作用下重新分布場分布互相影響場分布、互相制約

達(dá)到某種新的平衡

不同的物質(zhì)會對電場作出不同的響應(yīng)，在靜電場中具有各自的特性。是場與物質(zhì)的相互作用問題

力學(xué)：只涉及物質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)，對其本身研究甚少。電磁學(xué)：較多地討論場，而對物質(zhì)本身的電磁性質(zhì)也涉及得很少。物質(zhì)與場是物質(zhì)存在的兩種形式物質(zhì)性質(zhì)非常復(fù)雜（要特別注意我們課程中討論這種問題所加的限制）導(dǎo)體靜電平衡條件

導(dǎo)體：有足夠多的自由電子

——受電場力會移動說明：一般情況表面有一定厚度，很復(fù)雜如：E=109V，則感應(yīng)電荷聚集在表面的厚度為10-10m，本課程不討論表面層電荷如何分布。

實(shí)際物質(zhì)內(nèi)部既有自由電子，又是電介質(zhì)。如：氣體在一般情況下絕緣（電介質(zhì)），但加高壓氣體會被擊穿（導(dǎo)體）——導(dǎo)體是一種理想模型。對導(dǎo)體只討論達(dá)到靜電平衡以后的情況，不討論加電以后電荷的平衡過程。

靜電平衡條件導(dǎo)體剛放入勻強(qiáng)電場中

只要E不為零，自由電子作定向運(yùn)動

改變電荷分布，產(chǎn)生附加場兩者大小相等，方向相反——完全抵消——達(dá)到靜電平衡

靜電平衡條件一般情況導(dǎo)體靜電平衡時的性質(zhì)電勢分布導(dǎo)體是一個等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面

證明：

導(dǎo)體內(nèi)部E=0導(dǎo)體內(nèi)部任意兩點(diǎn)間電勢差為零——各點(diǎn)等電勢——等勢體

——表面為等勢面

場強(qiáng)分布

導(dǎo)體表面是等勢面，處處與電力線正交？=0？電荷分布導(dǎo)體處于靜電平衡時，電荷只分布在導(dǎo)體表面，導(dǎo)體內(nèi)部無電荷即

e＝0（體內(nèi)無未被抵消的凈電荷）

證明：設(shè)導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡

——E內(nèi)＝0S向P點(diǎn)收縮

面電荷密度與曲率半徑的關(guān)系

表面具體的電荷分布？很復(fù)雜

（形狀、周圍情況）孤立導(dǎo)體表面的電荷密度與曲率之間并不存在單一的函數(shù)關(guān)系。

孤立導(dǎo)體電荷分布有以下定性規(guī)律

尖端放電：如果場強(qiáng)大到可以使其周圍空氣電離——“尖端放電”。

尖端放電及其應(yīng)用

危害：雷擊對地面上突出物體（尖端）的破壞性最大；高壓設(shè)備尖端放電漏電等。

應(yīng)用實(shí)例：避雷針

高壓輸電中，把電極做成光滑球狀

范德格拉夫起電機(jī)的起電原理就是利用尖端放電使起電機(jī)起電；場離子顯微鏡（FIM）、場致發(fā)射顯微鏡(FEM)乃至掃描隧道顯微鏡(STM)等可以觀察個別原子的顯微設(shè)備的原理都與尖端放電效應(yīng)有關(guān)；靜電復(fù)印機(jī)的也是利用加高電壓的針尖產(chǎn)生電暈使硒鼓和復(fù)印紙產(chǎn)生靜電感應(yīng)，從而使復(fù)印紙獲得與原稿一樣的圖象。導(dǎo)體空腔

導(dǎo)體空腔一般分為兩類

腔內(nèi)沒有帶電體

腔內(nèi)有帶電體

討論兩類空腔在靜電平衡時的電場、電勢和電荷分布，只討論達(dá)到平衡的情況。腔內(nèi)無帶電體

包圍導(dǎo)體空腔的導(dǎo)體殼內(nèi)表面上處處沒有電荷，電荷分布在導(dǎo)體外表面，空腔內(nèi)處處E=0，空腔內(nèi)處處電勢相等。證明：作Gauss面如圖

必然會有電力線起始于內(nèi)表面上帶正電荷處，內(nèi)表面不是等勢面

——導(dǎo)體也不是等