大学物理课件材料静电场中的导体和电介质.ppt

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1、1,导体与电介质,2,导体静电感应,一、导体的静电平衡,导体内有大量自由电子。,3,导体静电平衡,导体内有大量自由电子。,一、导体的静电平衡,4,静电平衡条件,导体达到静电平衡的条件是,5,等势体,导体内,导体表面,6,金属球放入前电场为一均匀场,7,金属球放入后电力线发生弯曲 电场为一非均匀场,8,导体内没有净电荷，电荷只分布在导体表面上。,二、静电平衡下导体上的电荷分布,1、实心导体,9,2、空心导体, 腔内无电荷,空腔内表面没有电荷，电荷只分布在 外部表面。,在导体内包围空腔作 高斯面S。则：,=0,10,腔体内表面所带的电量和腔内带电体所带的电量等量异号，腔体外表面所带的电量由电荷守恒

2、定律决定。,未引入q1时,放入q1后,3、空心导体, 腔内有电荷,11,表面附近作圆柱形高斯面,二、导体表面外侧的场强 尖端放电,1.电场强度与电荷面密度的关系,12,证明:,即,用导线连接两导体球,则,2. 电荷面密度与曲率的关系,导体表面曲率较大的地方， 电荷密度也较大。,13,导体表面上的电荷分布情况，不仅与导体表面形状有关，还和它周围存在的其他带电体有关。,静电场中的孤立带电体： 导体上电荷面密度的大小与该处表面的曲率有关。,曲率较大，表面尖而凸出部分，电荷面密度较大 曲率较小，表面比较平坦部分，电荷面密度较小 曲率为负，表面凹进去的部分，电荷面密度最小,导体表面上的电荷分布,14,3

3、. 尖端放电,尖端场强特别强，足以使周围空气分子电离而使空气被击穿，导致“尖端放电”。,形成“电风”,15,防上静电干扰的思路：,1）“躲藏起来”,2）大家自觉防止静 电场外泄,实验：,四、静电的应用,16,解释：,+,17,实际中大量应用：,1）测试用的屏蔽室,2）无线电电路中的屏蔽罩、屏蔽线、高压 带电作业中的均压服。,3）变压器中的屏蔽层。,18,静电屏蔽,接地封闭导体壳（或金属丝网）外部的场 不受壳内电荷的影响。,封闭导体壳（不论接地与否）内部的电场 不受外电场的影响；,19,电荷分布,五、有导体存在时场强和电势的计算,20,例1.已知：导体板A，面积为S、带电量Q，在其旁边 放入导体

4、板B。,求：(1)A、B上的电荷分布及空间的电场分布,(2)将B板接地，求电荷分布,a点,b点,A板,B板,21,解方程得:,电荷分布,场强分布,两板之间,板左侧,板右侧,22,(2)将B板接地，求电荷及场强分布,板,接地时,电荷分布,a点,b点,23,场强分布,电荷分布,两板之间,两板之外,24,例2.已知R1 R2 R3 q Q,求 电荷及场强分布；球心的电势,如用导线连接A、B，再作计算,解:,由高斯定理得,电荷分布,场强分布,25,球心的电势,26,球壳外表面带电,用导线连接A、B，再作计算,27,练习 已知: 两金属板带电分别为q1、q2 求：1 、2 、3 、4,28,中间绝缘的两

5、导体极板构成电容器； 电容器的基本功能是储存电荷； 储存电荷能力大小用电容C来量度。,一、电容器及其电容,10-2 电容 电容器,+q,-q,A,B,单位：法拉（F），,二、孤立导体的电容,29,三、电容的计算,计算电容器电容的一般步骤是：,（1）设两极板带电Q，求电场强度,（2）场强积分计算电势差,（3）代入公式,30,1.平行板电容器,已知：S、d、0,设A、B分别带电+q、-q,A、B间场强分布,电势差,由定义,讨论,31,2.圆柱形电容器,已知：,设,场强分布,电势差,由定义,32,3.球形电容器,已知,设+q、-q,场强分布,电势差,由定义,讨论,孤立导体的电容,33,1.电容器的串

6、联,C1,C2,C3,C4,三.电容器的联接,34,2.电容器的并联,35,电介质,103、静电场中的电介质,有极分子：分子正负电荷中心不重合。,无极分子：分子正负电荷中心重合；,电介质,甲烷分子,水分子,分子电偶极矩,二、电介质的极化,37,1.无极分子的位移极化,+,-,+-,38,1）位移极化是分子的等效正负电荷作用中心 在电 场作用下发生位移的现象。,2）均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷， 而非均匀介质极化时，介质的表面及内部 均可出现极化电荷。,极化电荷,极化电荷,结论：,2. 有极分子的转向极化,转向外电场,40,附加场强,三、电介质对电场的影响,41,电极化强度(矢量),单位

7、体积内分子电偶极矩的矢量和,描述了电介质极化强弱，反映了电介质内分子电偶极矩排列的有序或无序程度。,四、极化强度,42,五、极化强度与极化电荷的关系,均匀介质极化时，其表面上某点的极化电荷面密度，等于该处电极化强度在外法线上的分量。,43,六、 电位移 电介质中的高斯定理,真空中的高斯定理,电介质中的高斯定理,44,介质中的高斯定理,通过任意闭合曲面的电位移通量，等于该闭合曲面所包围的自由电荷的代数和。,45,真空中,介质中,介质的相对介电常数,介质的介电常数,46,电位移线,大小:,线,线,47,将真空电容器充满某种电介质,电介质的电容率（介电常数）,平行板电容器,同心球型电容器,同轴圆柱型

8、电容器,48,由高斯定理,49,场强分布,电势差,电容,例2. 平行板电容器。 已知d1、r1、d2、 r2、S 求:电容C,解: 设两板带电,50,解: 过P点作高斯面得,电势,51,例4.平行板电容器 已知 :S、d插入厚为t的铜板,求： C,52,设q,场强分布,电势差,53,例5 求：（1）两球壳间的电场分布,（2）两球壳间的电势差,（3）两球壳构成的电容器 的电容值。,（1）,54,（2）,(3),55,开关倒向a,电容器充电。,开关倒向b,电容器放电。,灯泡发光,电容器释放能量,电源提供,计算电容器带有电量Q，相应电势差为U时所具有的能量。,一、电容器的能量,10-4、静电场的能量

9、,56,外力做功,电容器的电能,57,电场能量体密度描述电场中能量分布状况,1、对平行板电容器,二、静电场的能量,能量体密度,58,对任一电场，电场强度非均匀,2、电场中某点处单位体积内的电场能量,59,例： 计算球形电容器的能量 已知RA、RB、q,解：场强分布,取体积元,能量,60,比较均匀带电球面和均匀带电球体所储存的能量。,61,第十章 基本公式,静电平衡的条件,1）导体内部场强处处为零； 2）导体表面紧邻处场强处处与表面垂直。,推论：,导体是等势体，导体表面是等势面。,导体表面场强,电容器电容,真空中平行板 电容器电容,电容并联,电容串联,62,电位移矢量,均匀介质或分界面与场强垂直时介质中的场强,介质中的高斯定理,充满电介质的电容器,电容器能量,电场能量密度,电场能量,63,64,65,66,