《导体与电介质》课件.ppt

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1、8.5 静电场中的导体静电场中的导体一一.导体的导体的静电静电平衡条件平衡条件导体内部和表面无自由电荷的定向移动，我导体内部和表面无自由电荷的定向移动，我们说导体处于们说导体处于静电平衡状态。静电平衡状态。1.静电平衡静电平衡 （electrostatic equilibrium）2.导体静电平衡的条件导体静电平衡的条件(1)导体内部导体内部任何任何一点的电场强度为零；一点的电场强度为零；(2)导体表面处电场强度的方向导体表面处电场强度的方向,都与导体表面都与导体表面垂垂直直.推论推论:导体是等势体导体是等势体,导体表面是等势面导体表面是等势面.证证:在导体内任取在导体内任取A、B两点两点在表

2、面取在表面取A、B，由于，由于E表面表面dl下页下页上页结束结束返回返回二二.静电平衡时导体上电荷的分布静电平衡时导体上电荷的分布1.1.导体体内处处不带导体体内处处不带净电荷净电荷证明：在导体内任取体积元证明：在导体内任取体积元dV由高斯定理由高斯定理体积元任取体积元任取证毕证毕在静电平衡时，导体内所带的电荷只能分布在静电平衡时，导体内所带的电荷只能分布在导体的表面上，导体内没有净电荷！在导体的表面上，导体内没有净电荷！由导体的静电平衡条件和静电场的基由导体的静电平衡条件和静电场的基本性质本性质,可以得出导体上的电荷分布。可以得出导体上的电荷分布。下页下页上页结束结束返回返回2.电荷分布在导

3、体表面电荷分布在导体表面导体导体相应的电场强度为相应的电场强度为设设P是导体外紧靠导体表面的一点是导体外紧靠导体表面的一点：外法线方向：外法线方向写作写作导体表面导体表面设导体表面电荷面密度为设导体表面电荷面密度为E下页下页上页结束结束返回返回3.3.孤立带电导体表面电荷分布孤立带电导体表面电荷分布尖端放电尖端放电孤立带孤立带电导体电导体球球孤立导体孤立导体(2)任意形状的孤立导体电荷分布一般较复杂：任意形状的孤立导体电荷分布一般较复杂：在表面凸出的在表面凸出的尖锐尖锐部分部分(曲率是正值且较曲率是正值且较大大)电荷面电荷面密度较大密度较大;在比较在比较平坦平坦部分部分(曲率较小曲率较小)电荷

4、面电荷面密度较密度较小小，在表面，在表面凹进凹进部分带电面部分带电面密度最小密度最小.(1)孤立的带电导体球面电荷分布均匀。孤立的带电导体球面电荷分布均匀。(3)尖端放电现象尖端放电现象;尖端处尖端处,E大大,空气发生电离成为导体空气发生电离成为导体.下页下页上页结束结束返回返回三三.空腔导体与静电屏蔽空腔导体与静电屏蔽 腔内腔内腔外腔外内表面内表面外表面外表面1.1.腔内无带电体腔内无带电体(2 2)导体及腔内表面处处没有导体及腔内表面处处没有电荷电荷;(3)导体及空腔内电势处处相等导体及空腔内电势处处相等;(1)导体内场强处处为零导体内场强处处为零,腔腔内场强也处处为零内场强也处处为零;(

5、4)腔外电场的变化对腔内无任何影响腔外电场的变化对腔内无任何影响.下页下页上页结束结束返回返回由结论由结论(1)、(2)可得结论可得结论(3)、(4).由高斯定理及电场线用反证法可证明结论由高斯定理及电场线用反证法可证明结论(1).由结论由结论(1)可得结论（可得结论（2）2.腔内有带电体腔内有带电体(2)腔内的电场腔内的电场腔内的场只与腔内的场只与腔内带电体腔内带电体及及腔内腔内的几何的几何因素、介质有关因素、介质有关腔内电荷腔内电荷q,空腔带电空腔带电Q与电量与电量q q有关有关;与壳是否带电，腔外是否有带电体无关。与壳是否带电，腔外是否有带电体无关。结结论论或者说或者说与腔内带电体、几何

6、因素、介质有关与腔内带电体、几何因素、介质有关.(1)电荷分布电荷分布下页下页上页结束结束返回返回在腔内在腔内-qQ+qQ3.静电屏蔽静电屏蔽静电屏蔽：腔内、腔外的电场互不影响静电屏蔽：腔内、腔外的电场互不影响腔内场腔内场 只与内部带电量及内部只与内部带电量及内部几何条件及介质有关几何条件及介质有关.腔外场腔外场只由外部带电量和外部只由外部带电量和外部几何条件及介质决定几何条件及介质决定.(3)静电屏蔽的装置静电屏蔽的装置-接地导体空腔接地导体空腔(1)空腔外电场对腔内电场无影响空腔外电场对腔内电场无影响;空腔导体可以屏蔽腔外电场对腔内的影响空腔导体可以屏蔽腔外电场对腔内的影响.(2)接地导体

7、腔内部电荷也不影响腔外电场接地导体腔内部电荷也不影响腔外电场;下页下页上页结束结束返回返回四四.有导体存在时静电场场量的讨论方法有导体存在时静电场场量的讨论方法4.定性讨论时定性讨论时,用电场线的性质用电场线的性质.1.静电平衡的条件静电平衡的条件 2.基本性质方程基本性质方程 3.电荷守恒定律电荷守恒定律下页下页上页结束结束返回返回例题例题1 P281 P28解解:忽略边缘效应忽略边缘效应,电荷在四个面上是均匀分布的电荷在四个面上是均匀分布的.设其面电荷密度分别为设其面电荷密度分别为由电荷守恒定律有由电荷守恒定律有有一块大金属板有一块大金属板A,面积为面积为S,带有电荷带有电荷QA.今把另一

8、带电今把另一带电荷为荷为QB的相同的的相同的金属板金属板平行地放在平行地放在A板的右侧板的右侧(板的面积板的面积远大于板的厚度远大于板的厚度).).试求试求A、B两板上电荷分布及空间场强两板上电荷分布及空间场强分布分布.如果把如果把B板接地板接地,情况又如何情况又如何?下页下页上页结束结束返回返回AB由静电平衡条件由静电平衡条件,A板上板上P1点场点场强应为零强应为零.它是四个带电面产生它是四个带电面产生的场强的叠加的场强的叠加,取向右为正取向右为正,有有例题例题1 续续对对B板上的板上的P2点点联立求解以上四式得联立求解以上四式得下页下页上页结束结束返回返回空间场强为空间场强为:A板左侧板左

9、侧B板右侧板右侧两板之间两板之间例题例题1 续续下页下页上页结束结束返回返回 如果把如果把B板接地板接地,UB=0,无无穷远电势为零穷远电势为零,则则B板右侧板右侧场强为零场强为零.于是有于是有联立求解得联立求解得AB电荷守恒电荷守恒对对P1对对P2对右侧对右侧例题例题2金属球金属球A与金属球壳与金属球壳B同心放置同心放置,球球A半径为半径为R0,带电量带电量为为q,球壳球壳B内外半径分别为内外半径分别为R1和和R2,带电量为带电量为Q.求求(1)电量分布电量分布;(2)球球A和球壳和球壳B的电势的电势UA、UB.解：解：(1)(1)导体电荷在导体表面导体电荷在导体表面由于由于A B同心放置同

10、心放置,仍维持球对仍维持球对称称,所以所以电量在表面均匀分布电量在表面均匀分布.下页下页上页结束结束返回返回在在B内紧贴内表面作高斯面内紧贴内表面作高斯面面面S S的电通量的电通量于是于是所以所以电荷守恒定律电荷守恒定律例题例题2.续续此问题等效于此问题等效于:在真空中三个均匀带电的球面在真空中三个均匀带电的球面利用叠加原理利用叠加原理(2)求求A和和B的电势的电势-qQ+qBAq则有则有:实际上只需知壳外表面的带电量和球壳实际上只需知壳外表面的带电量和球壳B的外半径的外半径下页下页上页结束结束返回返回例题例题3 P30下页下页上页结束结束返回返回 如图所示如图所示,在一个接地导体球附近有一个

11、电量在一个接地导体球附近有一个电量为为q的点电荷的点电荷.已知球的半径为已知球的半径为R,点电荷到球心的点电荷到球心的距离为距离为l.求球表面感应电荷的总电量求球表面感应电荷的总电量q.ORq 导体球接地导体球接地,整个球体电整个球体电势为零势为零,所以球心电势为零所以球心电势为零.解解:设球表面电荷分布为设球表面电荷分布为.则则8.6静电场中的电介质静电场中的电介质1.1.电介质的微观图象电介质的微观图象+-+-+有极分子有极分子无外场时：无外场时：有极分子有极分子无极分子无极分子一一.电介质的极化电介质的极化无极分子无极分子有固有电偶极矩有固有电偶极矩正负电荷中心重合正负电荷中心重合无固有

12、电偶极矩无固有电偶极矩下页下页上页结束结束返回返回电介质呈电中性电介质呈电中性热运动热运动-紊乱紊乱(2)有电场时有电场时有极分子介质有极分子介质均匀均匀位移极化位移极化边缘出现边缘出现电荷分布电荷分布无极分子介质无极分子介质称极化电荷称极化电荷 或称或称 束缚电荷束缚电荷取向极化取向极化共同效果共同效果2.电介质分子对电场的影响电介质分子对电场的影响(1)(1)无电场时无电场时+-+-+EPPE下页下页上页结束结束返回返回二二.描述极化强弱的物理量描述极化强弱的物理量-极化强度极化强度电偶极子排列的有序程度反映介质被极化的程度电偶极子排列的有序程度反映介质被极化的程度定义定义:单位单位(Cm

13、-2)pi 每个分子的电偶极矩每个分子的电偶极矩1.极化强度矢量极化强度矢量P 下页下页上页结束结束返回返回2.极化强度与极化电荷的关系极化强度与极化电荷的关系可证明：可证明：介质外法线方向介质外法线方向极化电荷面密度等于电极化强度法向分量极化电荷面密度等于电极化强度法向分量.三三.电介质的极化规律电介质的极化规律 介质中的电场由自由电荷介质中的电场由自由电荷q与极化电荷与极化电荷q共同产共同产生生,所以有电介质时所以有电介质时 称为称为介质的电极化率介质的电极化率 是是无量纲的纯数与场强无量纲的纯数与场强E 无关无关下页下页上页结束结束返回返回四四.有电介质时的高斯定理有电介质时的高斯定理实

14、验表明实验表明:对对各向同性线性电介质各向同性线性电介质 以以 代入上式得代入上式得下页下页上页结束结束返回返回定义电位移矢量定义电位移矢量则有则有有介质时的高斯定理有介质时的高斯定理 在静电场中在静电场中,通过任意闭合曲面的电位移通量通过任意闭合曲面的电位移通量等于闭合曲面内自由电荷的代数和等于闭合曲面内自由电荷的代数和.说明说明:(1)D是辅助物理量是辅助物理量,E才是真实物理量才是真实物理量.(2)D是一个包含了场与介质极化两种性质的量是一个包含了场与介质极化两种性质的量.(3)D线只由自由电荷决定线只由自由电荷决定.下页下页上页结束结束返回返回令令r称为介质的相对介电常数称为介质的相对

15、介电常数.则则在在各向同性线性介质中各向同性线性介质中故有故有=0r 称为介质的介电常数称为介质的介电常数.8.7 电容电容 电容器电容器 一一.孤立导体的电容孤立导体的电容电容只与几何因素和介质有关电容只与几何因素和介质有关单位单位:法拉法拉F (SI)孤立导体的电势孤立导体的电势UQ定义定义:1F=106 F=1012pF下页下页上页结束结束返回返回例例1 求真空中孤立导体球的电容求真空中孤立导体球的电容(如图如图)解：设球带电为解：设球带电为Q导体球电势导体球电势固有的容电本领固有的容电本领导体球电容导体球电容介质介质几何几何下页下页上页结束结束返回返回二二.电容器电容器设两导体分别带电

16、量设两导体分别带电量Q和和Q,其电势差为其电势差为 U两个带等值异号电荷的导体构成的系统叫两个带等值异号电荷的导体构成的系统叫电容器电容器定义定义问题问题欲得到欲得到 1F 的电容孤立导体球的半径的电容孤立导体球的半径R？由孤立导体球电容公式知由孤立导体球电容公式知导体组的电容只由导体组导体组的电容只由导体组的几何条件和介质决定的几何条件和介质决定设导体带电设导体带电Q电容的计算电容的计算平行板平行板d球形球形柱形柱形典型的电容器典型的电容器下页下页上页结束结束返回返回B-1.平行板电容器平行板电容器dEA+S面电荷密度面电荷密度由高斯定理由高斯定理两板间场强为两板间场强为两板电两板电势差为势

17、差为所以所以下页下页上页结束结束返回返回例例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,板间距离板间距离d,电势差为电势差为U.两极板间平行放置一层厚度为两极板间平行放置一层厚度为t,相对介电常数为相对介电常数为r的电的电介质介质.试求试求:(1)极板上的电量极板上的电量Q;(2)两极板间的电位移两极板间的电位移D和和E;(3)电容器的电容电容器的电容.解解:(1)设极板带电设极板带电Q.忽略边缘效应忽略边缘效应,在平行于带电在平行于带电面的平面上场强相等面的平面上场强相等,场强方向垂直于带电面场强方向垂直于带电面.下页下页上页结束结束返回返回+Q-Qtd作如图作如图柱形高斯面

18、柱形高斯面,其底面积为其底面积为S,而而所以所以,无论是介质还是真空中无论是介质还是真空中在真空间隙中在真空间隙中在介质中在介质中D S则则下页下页上页结束结束返回返回(2)把把Q代入代入D、E的表达式中的表达式中(3)讨论讨论:若两极间被介质若两极间被介质充满充满,有有t=d,则则这表明填充介质后这表明填充介质后,电容扩大了电容扩大了r倍倍.已知两圆柱面半径为已知两圆柱面半径为R1和和R2,设内外柱面单位设内外柱面单位长度带电量分别为长度带电量分别为 柱形柱形当当求单位长度的电容：求单位长度的电容：2.柱形电容器柱形电容器若若 d+R1=R2且且 dR的区域的区域由高斯定理可求得由高斯定理可求得:且且 E、D 两者同方向两者同方向下页下页上页结束结束返回返回dr例题例题2 P43 计算均匀带电球体的静电能计算均匀带电球体的静电能.设球的半径为设球的半径为R,带带电量为电量为Q,球内、外介质的介电常数均为球内、外介质的介电常数均为0.解解:由高斯定由高斯定理可得球内理可得球内外的场强为外的场强为下页下页上页结束结束返回返回于是于是谢谢！谢谢！