基础物理 静电场中的导体和电介质优秀PPT.ppt

《基础物理 静电场中的导体和电介质优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基础物理 静电场中的导体和电介质优秀PPT.ppt（51页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、基础物理 静电场中的导体和电介质1第1页，本讲稿共51页电通量电通量的方向：法线方向的方向：法线方向(闭合面向外为正闭合面向外为正)电场线电场线真空中的高斯定理真空中的高斯定理定理的意义定理的意义理论上，揭示了静电场是有源场的基本性质理论上，揭示了静电场是有源场的基本性质应用上，提供了另一种求电场强度的简便方法应用上，提供了另一种求电场强度的简便方法2第2页，本讲稿共51页静电场的保守性静电场的保守性电势能电势能电势电势电势差电势差场强与电势的微分关系场强与电势的微分关系3第3页，本讲稿共51页4第4页，本讲稿共51页一一.导体的静电平衡条件导体的静电平衡条件1.1.概念概念导体、静电感应现象

2、导体、静电感应现象18-1 18-1 导体的静电平衡导体的静电平衡 静电屏蔽静电屏蔽2.2.导体的静电平衡条件导体的静电平衡条件或：或：导体为等势体，导体表面为等势面导体为等势体，导体表面为等势面静电平衡状态、附加电场静电平衡状态、附加电场5第5页，本讲稿共51页1.1.电荷分布在表面，内部无净电荷存在电荷分布在表面，内部无净电荷存在导体内没有空腔导体内没有空腔 导体内有空腔，空腔内无电荷导体内有空腔，空腔内无电荷 导体内有空腔，空腔内有电荷导体内有空腔，空腔内有电荷 二二.静电平衡导体上的电荷分布静电平衡导体上的电荷分布2.2.导体表面附近处的场强与该处表面导体表面附近处的场强与该处表面电荷

3、面密度成正比电荷面密度成正比 3.3.电荷在电荷在孤立孤立导体表面上曲率大处面密度大，曲导体表面上曲率大处面密度大，曲率小处面密度小率小处面密度小实例：利用尖端放电实例：利用尖端放电(避雷针，静电电机避雷针，静电电机)避免尖端避免尖端放电放电(高压输电线，电极等高压输电线，电极等)6第6页，本讲稿共51页用：用：三三.有导体存在时场强的计算有导体存在时场强的计算 静电平衡条件静电平衡条件高斯定理高斯定理电荷守恒定律电荷守恒定律 分析电荷分布情况，求出场强和电势分析电荷分布情况，求出场强和电势 7第7页，本讲稿共51页例例1.1.两块无限大的导体平板两块无限大的导体平板A A、B B，面积为，面

4、积为S S，间距为，间距为d d，平行放置，平行放置，A A板带有电量板带有电量Q Q，B B板不带电，求静电平衡时两板各个表面上板不带电，求静电平衡时两板各个表面上的电荷面密度以及两板间的电势差；的电荷面密度以及两板间的电势差；静电平衡：静电平衡：高斯定理高斯定理电荷守恒电荷守恒8第8页，本讲稿共51页静电平衡：静电平衡：高斯定理高斯定理电荷守恒电荷守恒9第9页，本讲稿共51页例例1.1.两块无限大的导体平板两块无限大的导体平板A A、B B，面，面积为积为S S，间距为，间距为d d，平行放置，平行放置，A A板带板带有电量有电量Q Q，B B板不带电，求静电平衡时板不带电，求静电平衡时两

5、板各个表面上的电荷面密度以及两两板各个表面上的电荷面密度以及两板间的电势差；板间的电势差；另：另：(1)(1)若若静电平衡：静电平衡：高斯定理高斯定理电荷守恒电荷守恒10第10页，本讲稿共51页例例1.1.两块无限大的导体平板两块无限大的导体平板A A、B B，面积，面积为为S S，间距为，间距为d d，平行放置，平行放置，A A板带有电量板带有电量Q Q，B B板不带电，求静电平衡时两板各个板不带电，求静电平衡时两板各个表面上的电荷面密度以及两板间的电势表面上的电荷面密度以及两板间的电势差；差；(2)(2)若板接地若板接地 另：另：静电平衡：静电平衡：高斯定理高斯定理电荷守恒电荷守恒11第1

6、1页，本讲稿共51页例例1.1.两块无限大的导体平板两块无限大的导体平板A A、B B，面积为面积为S S，间距为，间距为d d，平行放置，平行放置，A A板板带有电量带有电量Q Q，B B板不带电，求静电平板不带电，求静电平衡时两板各个表面上的电荷面密度衡时两板各个表面上的电荷面密度以及两板间的电势差；以及两板间的电势差；另：另：(3)(3)若中间连线，则情况如何若中间连线，则情况如何?静电平衡：静电平衡：高斯定理高斯定理电荷守恒电荷守恒12第12页，本讲稿共51页例例2.2.一半径为的导体小球，带电量为一半径为的导体小球，带电量为,放放在内外半径分别为和的同心导体球壳内，在内外半径分别为和

7、的同心导体球壳内，导体球壳带电量为。求：导体球壳带电量为。求：小球与球壳的小球与球壳的电势电势及及电势差电势差 高斯定理高斯定理静电平衡：静电平衡：13第13页，本讲稿共51页例例2.2.一半径为的导体小球，带电量为一半径为的导体小球，带电量为,放在内外半径分别为放在内外半径分别为和的同心导体球壳内，导体球壳带电量为。求：和的同心导体球壳内，导体球壳带电量为。求：小球与球壳的小球与球壳的电势电势及及电势差电势差 14第14页，本讲稿共51页例例2.2.一半径为的导体小球，带电量为一半径为的导体小球，带电量为,放在放在内外半径分别为和的同心导体球壳内，导内外半径分别为和的同心导体球壳内，导体球壳

8、带电量为。求：体球壳带电量为。求：小球与球壳的小球与球壳的电势电势及及电势差电势差 另：另：1)1)若壳接地，则电荷分布？电势、电势差？若壳接地，则电荷分布？电势、电势差？2)2)若已知的不是带电量，而是两球的电势，结若已知的不是带电量，而是两球的电势，结果如何？果如何？3)3)若接地后，拆除地线，再将内球接地，则结果如若接地后，拆除地线，再将内球接地，则结果如何？何？15第15页，本讲稿共51页1.1.外屏敝：外屏敝：空腔导体屏敝外电场空腔导体屏敝外电场三三 静电屏敝静电屏敝2.2.内屏敝：内屏敝：接地的空腔导体，屏敝内电场接地的空腔导体，屏敝内电场应用：屏敝线应用：屏敝线 16第16页，本

9、讲稿共51页作业：作业：18-1,2,318-1,2,317第17页，本讲稿共51页18-2 电容电容 电容器电容器一、孤立导体的电容一、孤立导体的电容电容只与导体的几何因素（及周围介质）有关，反映导体带电容只与导体的几何因素（及周围介质）有关，反映导体带电多少的本领电多少的本领固有的容电本领固有的容电本领 SI：法拉：法拉 F孤立导体的电势与带电量有关；孤立导体的电势与带电量有关；定义定义 孤立导体的电容孤立导体的电容 带电量相同时不同形带电量相同时不同形状和大小的孤立导体电势不同，但是状和大小的孤立导体电势不同，但是18第18页，本讲稿共51页*真空中孤立导体球的电容真空中孤立导体球的电容

10、*设导体球半径为设导体球半径为R，带电为，带电为Q。导体球电势为：导体球电势为：导体球电容为：导体球电容为：电容为电容为1F 的孤立导体球的半径的孤立导体球的半径 对半径如地球一样的导体球，其电容为：对半径如地球一样的导体球，其电容为：19第19页，本讲稿共51页二、电容器及其电容二、电容器及其电容定义：定义：一般情况下，导体并不是孤立的，而是多个导一般情况下，导体并不是孤立的，而是多个导体组成的体组成的导体组导体组电容器电容器电容器电容器基本单元：两导体组（基本单元：两导体组（A、B）电容器）电容器设电容器带电设电容器带电 Q，求两个极板的电势差，求两个极板的电势差UAB，按定，按定义求义求

11、C。电容器电容只与导体组的几何构形（及周围空间介质）电容器电容只与导体组的几何构形（及周围空间介质）有关，与带电多少无关有关，与带电多少无关固有的容电本领固有的容电本领电容器电容的计算步骤电容器电容的计算步骤20第20页，本讲稿共51页*几种常见电容器几种常见电容器*球形电容器球形电容器平板电容器平板电容器d柱形电容器柱形电容器21第21页，本讲稿共51页例例2 球形电容器电容球形电容器电容解：解：R1R2-+22第22页，本讲稿共51页三、电容器电容的计算三、电容器电容的计算例例1 平板电容器平板电容器+-dBA-+ES平板电容器平板电容器电容：电容：电容正比于极板面积，反比于极板间距；与极

12、板间介电容正比于极板面积，反比于极板间距；与极板间介质性质有关。质性质有关。23第23页，本讲稿共51页四、电容器的串、并联四、电容器的串、并联1、电容器的并联、电容器的并联C1C2C3U总电量总电量：等效电容：等效电容：并联电容器的等效电容等于各电容器电容之和。并联电容器的等效电容等于各电容器电容之和。结论：结论：24第24页，本讲稿共51页2、电容器的串联、电容器的串联C1C2CnU设各电荷带电量为设各电荷带电量为q等效电容：等效电容：串联电容器的等效电容的倒数等于各电容的串联电容器的等效电容的倒数等于各电容的倒数之和。倒数之和。结论：结论：25第25页，本讲稿共51页作业：作业：18-7

13、18-726第26页，本讲稿共51页18-3 18-3 电介质及其极化电介质及其极化1.1.现象现象一一.电介质对电场的影响电介质对电场的影响 2.2.电介质对电场的影响电介质对电场的影响 式中：式中：为极化电荷在介质板内部空间产生的电场为极化电荷在介质板内部空间产生的电场为介质的相对介电常量，为纯数为介质的相对介电常量，为纯数27第27页，本讲稿共51页1.1.电介质分子模型电介质分子模型等效为电偶极子等效为电偶极子二二.电介质的极化电介质的极化2.2.电介质的极化与击穿电介质的极化与击穿 1).1).位移极化与转向极化位移极化与转向极化 2).2).电介质的击穿电介质的击穿 当外电场很强时

14、，正负电荷当外电场很强时，正负电荷可被拉开成为自由电荷可被拉开成为自由电荷 3.3.极化强度极化强度 绝缘体绝缘体 导体导体 28第28页，本讲稿共51页二二.电介质的极化电介质的极化3.3.极化强度极化强度 实验测得实验测得P与电场强度与电场强度E有简单的线性关系有简单的线性关系 称为电极化率称为电极化率为总场强为总场强29第29页，本讲稿共51页4、极化强度与极化电荷的关系、极化强度与极化电荷的关系在已极化的介质内任意作一闭合面在已极化的介质内任意作一闭合面S基本认识基本认识：1）S 把位于把位于S 附近的电介质分子分为附近的电介质分子分为两部分两部分 一部分在一部分在 S 内内 一部分在

15、一部分在 S 外外2）只有只有电偶极矩电偶极矩穿过穿过S 的分子对的分子对 S内外内外的极化电荷的极化电荷才才有有贡献贡献30第30页，本讲稿共51页(1)小面元小面元dS附近分子对面附近分子对面S内极化电荷的贡献内极化电荷的贡献分子数密度为分子数密度为 n外场外场在在dS附近薄层内认为介质均匀极化附近薄层内认为介质均匀极化薄层：以薄层：以dS为底、长为为底、长为l的圆柱。的圆柱。只有中心落在薄层内的分子才只有中心落在薄层内的分子才对面对面S内电荷有贡献。内电荷有贡献。所以，所以，31第31页，本讲稿共51页面面内极化电荷的正负取决于内极化电荷的正负取决于 ；将电荷的正负考虑进去，得小面将电荷

16、的正负考虑进去，得小面元元dS附近分子对面附近分子对面内内极化电荷的极化电荷的贡献写成贡献写成(2)在在S所围的体积所围的体积内内的极化电荷的极化电荷与与的关系的关系面内面内问题：问题：面元的法面元的法线方向是线方向是如何规定如何规定的？的？32第32页，本讲稿共51页介质外法线方向介质外法线方向内内(3)电介质表面（电介质表面（外外）极化电荷面密度）极化电荷面密度面外面外33第33页，本讲稿共51页4.4.极化电荷极化电荷 思考题：思考题：极化电荷与感应电荷有何不同？极化电荷与感应电荷有何不同？34第34页，本讲稿共51页极化电荷与自由电荷可同等地激发电场极化电荷与自由电荷可同等地激发电场1

17、8-4 有介质存在时的高斯定理有介质存在时的高斯定理有介质时的高斯定理有介质时的高斯定理电位移矢量：电位移矢量：35第35页，本讲稿共51页2.2.环流定理环流定理1.1.高斯定理高斯定理通过任意封闭曲面的电位移通量等于该封闭面所围通过任意封闭曲面的电位移通量等于该封闭面所围的的自由电荷自由电荷的代数和的代数和3.应用解题应用解题36第36页，本讲稿共51页例例1 一无限大各向同性均匀介质平板厚度为一无限大各向同性均匀介质平板厚度为d相相对介电常数为对介电常数为 r ，内部均匀分布体电荷密度为内部均匀分布体电荷密度为 0的自由电荷。的自由电荷。求：介质板内、外的求：介质板内、外的D E P解：

18、解：面对称面对称 平板平板取坐标系如图取坐标系如图处处以以 x=0 处的面为对称处的面为对称过场点（坐标为过场点（坐标为x）作正柱形高斯面）作正柱形高斯面 S 设底面积为设底面积为S0 第37页，本讲稿共51页第38页，本讲稿共51页均匀场均匀场第39页，本讲稿共51页例例2.2.半径为、带电量为的金属球，周围半径为、带电量为的金属球，周围(的空间的空间)充满相对介电常数为的介质，求：充满相对介电常数为的介质，求：球内外任一点的场强电球内外任一点的场强电势分布势分布 球外任一点球外任一点R1 R2的场强的场强40第40页，本讲稿共51页例例2.2.半径为、带电量为的金属球，周围半径为、带电量为

19、的金属球，周围(的空间的空间)充满相对介电常数为的介充满相对介电常数为的介质，求：质，求：球内外任一点的场强球内外任一点的场强电势分布电势分布 球外任一点球外任一点R2的场强的场强41第41页，本讲稿共51页例例2.2.半径为、带电量为的金属球，周围半径为、带电量为的金属球，周围(的空间的空间)充满相对介电常数为的介质，求：充满相对介电常数为的介质，求：球内外任一点的场强球内外任一点的场强电势分布电势分布 球内任一点的场强球内任一点的场强42第42页，本讲稿共51页球内外任一点的场强球内外任一点的场强43第43页，本讲稿共51页任一点的电势任一点的电势44第44页，本讲稿共51页18-518-

20、5静电场的能量静电场的能量 一一.电容器的能量电容器的能量因为各导体等势因为各导体等势两导体自能之和两导体自能之和45第45页，本讲稿共51页一、电容器的静电能一、电容器的静电能因为各导体等势因为各导体等势或或通过电容的通过电容的定义定义写成写成两导体自能之和两导体自能之和又又对其它电容器上式同样适用对其它电容器上式同样适用 第46页，本讲稿共51页二、静电场的能量密度二、静电场的能量密度 静电场能量静电场能量单位体积内的电能定义为单位体积内的电能定义为办法办法:从从特例特例(平行板电容器平行板电容器)导出导出,然后推广给出然后推广给出一般形式一般形式电场能量密度的普电场能量密度的普遍表达式遍

21、表达式:(自证自证)提示提示:均匀场均匀场第47页，本讲稿共51页例例 求导体球的电场能求导体球的电场能第48页，本讲稿共51页例例2.一平行板电容器的极板面积为一平行板电容器的极板面积为S，极板间距，极板间距离为离为d，且充电到电势差为，且充电到电势差为U，然后把充电用的电，然后把充电用的电池撤去，再把两极板拉开到距离为池撤去，再把两极板拉开到距离为2d，试用，试用S、d、U表示表示(2)(2)最初与最后电容器储存的能量最初与最后电容器储存的能量 (3)(3)拉开两极板所需之功拉开两极板所需之功 (1)(1)新的电势差新的电势差 最初最初 最后最后49第49页，本讲稿共51页例例2.一平行板电容器的极板面积为一平行板电容器的极板面积为S，极板间距离为，极板间距离为d，且充电到电势差为且充电到电势差为U，然后把充电用的电池撤去，再把，然后把充电用的电池撤去，再把两极板拉开到距离为两极板拉开到距离为2d，试用，试用S、d、U表示表示(2)(2)最初与最后电容器储存的能量最初与最后电容器储存的能量 (3)(3)拉开两极板所需之功拉开两极板所需之功 (1)(1)新的电势差新的电势差 最初最初 最后最后50第50页，本讲稿共51页复习：复习：第十八章第十八章 预习：预习：第十九章第十九章作业：作业：18189 9，101051第51页，本讲稿共51页