物理 静电场中的导体(精品).ppt
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1、14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版上章上章讨论了讨论了真空中真空中电荷作用力遵循的规律电荷作用力遵循的规律描述电场的物理量电场强度和电势描述电场的物理量电场强度和电势电场性质由高斯定理和安培环路定理完整描述电场性质由高斯定理和安培环路定理完整描述电荷分布已知时,电荷分布已知时,电场强度和电势电场强度和电势的计算的计算本章本章讨论讨论有导体时有导体时,电场强度和电势电场强度和电势的计算的计算 只只讨论各向同性、均匀的金属导体。讨论各向同性、均匀的金属导体。114-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版l单个原子的电
2、结构单个原子的电结构 内内层层电子电子价价电电子子原原 子子 内内部部 壳壳 层层的电子的电子受受外外层层电电子的屏蔽子的屏蔽一一般般都都填填满满每一个壳层每一个壳层与与原原子子核核结结合得比较紧合得比较紧填充在最外层的电子与核的结填充在最外层的电子与核的结合较弱,容易摆脱原子核的束合较弱,容易摆脱原子核的束缚缚称为称为价电子价电子(自由电子自由电子)原子核及原子核及内电子内电子原原子实子实一一 导体的特征导体的特征214-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版金属导体结构示意图金属导体结构示意图原子实在空间周原子实在空间周期性的排列构成期性的排列构成晶格点
3、阵晶格点阵只能作微小位移只能作微小位移的热振动的热振动电子可以在晶电子可以在晶格间自由运动格间自由运动l金属微观结构金属微观结构314-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版金属导体结构示意图金属导体结构示意图当导体不带电也不受当导体不带电也不受外电场的作用时外电场的作用时,金金属导体中大量的自由属导体中大量的自由电子和晶格点阵的正电子和晶格点阵的正电荷相互中和电荷相互中和,其中其中任一部分都是呈电中任一部分都是呈电中性性的。这时的。这时,在导体在导体中正负电荷均匀分布中正负电荷均匀分布,除了微观热运动外除了微观热运动外,没有宏观电荷运动。没有宏观电荷运动。
4、l金属微观结构金属微观结构414-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版 金属可以看作固定在晶格点阵上的正离金属可以看作固定在晶格点阵上的正离子和不规则运动的自由电子的集合。子和不规则运动的自由电子的集合。金属中的自由电子数量非常大,大到几金属中的自由电子数量非常大,大到几乎取之不尽的地步。乎取之不尽的地步。自由电子的运动虽然非常激烈,但它们自由电子的运动虽然非常激烈,但它们不会跑到金属外面,这表示金属表面存在一不会跑到金属外面,这表示金属表面存在一种阻止自由电子从金属逸出的作用。种阻止自由电子从金属逸出的作用。一个电子从金属内部跑到金属外部必须一个电子从金
5、属内部跑到金属外部必须作的最小功称为逸出功,亦称功函数。作的最小功称为逸出功,亦称功函数。514-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版+感应电荷感应电荷二二 静电平衡条件静电平衡条件l 静电感应静电感应+导体有足够多的自由电子导体有足够多的自由电子 受电场力会移动受电场力会移动.614-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体的静电感应过程导体的静电感应过程无外电场无外电场加外电场加外电场714-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体的静电感应过程导体的静电感应过程外场外场感应感
6、应814-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体的静电感应过程导体的静电感应过程外场外场感应感应914-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体的静电感应过程导体的静电感应过程外场外场感应感应1014-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体的静电感应过程导体的静电感应过程外场外场感应感应1114-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体的静电感应过程导体的静电感应过程外场外场感应感应1214-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条
7、件物理学物理学第五版第五版导体的静电感应过程导体的静电感应过程外场外场感应感应1314-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体的静电感应过程导体的静电感应过程外场外场感应感应1414-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体的静电感应过程导体的静电感应过程外场外场感应感应1514-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体的静电感应过程导体的静电感应过程外场外场感应感应1614-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体的静电感应过程导体的静电感
8、应过程外场外场感应感应1714-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版 当外电场和导体当外电场和导体上重新分布的电荷上重新分布的电荷所产生的电场对所产生的电场对静电感应现象:静电感应现象:在静电场力作用下,导在静电场力作用下,导体中自由电子在电场力的作用下作宏观定体中自由电子在电场力的作用下作宏观定向运动,使电荷产生重新分布的现象。向运动,使电荷产生重新分布的现象。自由电子的作用相互抵消,导体中电荷的宏自由电子的作用相互抵消,导体中电荷的宏观运动停止。观运动停止。1814-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版静电平衡条件
9、:静电平衡条件:(1)导体内部任何一点处的电场强度为零;导体内部任何一点处的电场强度为零;(2)导体表面处电场强度的方向,都与导导体表面处电场强度的方向,都与导体表面垂直体表面垂直.1914-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版+导体表面为等势面导体表面为等势面推论:推论:导体为等势体导体为等势体导体内各点电势相等导体内各点电势相等2014-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版高斯面内一部分带正电,一部分带负电?高斯面内一部分带正电,一部分带负电?S向向P点收缩点收缩 仍成立仍成立高斯面高斯面+实心带电导体实心
10、带电导体P1实心导体实心导体结论:结论:导体内部无净电荷,导体内部无净电荷,电荷只分布在电荷只分布在导体导体表面表面.2114-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版2空腔导体空腔导体 空腔内无电荷时空腔内无电荷时导体内部无电荷导体内部无电荷电荷只能分布在电荷只能分布在表面表面内表面?内表面?外表面?外表面?空腔带电导体空腔带电导体高斯高斯面面2214-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版若内表面带电,必等量异号若内表面带电,必等量异号 结论:结论:空腔内无电荷时,空腔内无电荷时,电荷分布在外表面电荷分布
11、在外表面,内表面无电荷内表面无电荷.腔内无电场腔内无电场与导体是等势体矛盾与导体是等势体矛盾高斯高斯面面+空腔带电导体空腔带电导体以上这些结论不受腔外带电体的影响,以上这些结论不受腔外带电体的影响,2314-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版 空腔内有电荷时空腔内有电荷时结论结论:空腔内有电荷空腔内有电荷+q时,空腔内表面有感时,空腔内表面有感 应电荷应电荷-q,外表面有感应电荷外表面有感应电荷+q +高斯高斯面面qq-q空腔导体空腔导体2414-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版 空心金属圆筒空心
12、金属圆筒C固定在一个验电器固定在一个验电器B上。上。给圆筒一定的电荷,则给圆筒一定的电荷,则B金箔张开。金箔张开。取一个装有绝缘柄的小球取一个装有绝缘柄的小球D,使它和,使它和圆筒圆筒C外表面接触后再碰验电器外表面接触后再碰验电器A,则,则A上上金箔张开,证明圆筒金箔张开,证明圆筒C外表面是带了电的。外表面是带了电的。使小球使小球D和圆筒和圆筒C内表面接触后再碰内表面接触后再碰验电器验电器A,则,则A上金上金箔不张开,这表明箔不张开,这表明圆筒圆筒C内表面不带电。内表面不带电。法拉第圆筒实验法拉第圆筒实验2514-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五
13、版作作扁圆柱形高斯面扁圆柱形高斯面3 导体表面附近场强与电荷面密度的关系导体表面附近场强与电荷面密度的关系+S S2614-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版4导体表面电荷分布规律导体表面电荷分布规律+2714-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版n表面具体的电荷分布?表面具体的电荷分布?很复杂很复杂 (形状、周围情况形状、周围情况)n孤立导体电荷分布孤立导体电荷分布 有以下定性规律有以下定性规律2814-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版 带电导体尖端
14、附带电导体尖端附近的电场特别大,可近的电场特别大,可使尖端附近的空气发使尖端附近的空气发生电离而成为导体产生电离而成为导体产生放电现象生放电现象 尖端放电现象尖端放电现象2914-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版+3014-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版避雷针必须可靠接地避雷针必须可靠接地带电云带电云带电云带电云避雷针的工作原理避雷针的工作原理+3114-314-3静电屏蔽静电屏蔽物理学物理学第五版第五版腔内腔内腔外腔外理论上需说明的问题是:理论上需说明的问题是:1)1)腔内、外表面电荷分布特
15、征腔内、外表面电荷分布特征2)2)腔内、腔外空间电场特征腔内、腔外空间电场特征讨论的思路讨论的思路:从特例开始从特例开始 然后得出结论然后得出结论导体壳的结构特点:导体壳的结构特点:两区域:两区域:腔内、腔外腔内、腔外两表面:两表面:内表面、外表面内表面、外表面内表面内表面外表面外表面三三 静电屏蔽静电屏蔽3214-314-3静电屏蔽静电屏蔽物理学物理学第五版第五版(1 1)腔内无带电体)腔内无带电体 内表面上有没有电荷分布?内表面上有没有电荷分布?作作GaussGauss面如图面如图 p内表面一部分带正电荷,一部分带负电内表面一部分带正电荷,一部分带负电 荷,荷,电荷代数和为零电荷代数和为零
16、p内表面处处无净电荷内表面处处无净电荷3314-314-3静电屏蔽静电屏蔽物理学物理学第五版第五版则与导体是等势体矛盾,故说明则与导体是等势体矛盾,故说明假设假设不成立不成立?假设假设:内表面有一部分带正电荷内表面有一部分带正电荷一部分带等量的负电荷一部分带等量的负电荷则会从正电荷向负电荷发电力线则会从正电荷向负电荷发电力线证明了:腔内无带电体时证明了:腔内无带电体时 内表面内表面处处没有电荷;处处没有电荷;腔内腔内无电场无电场3414-314-3静电屏蔽静电屏蔽物理学物理学第五版第五版一般情一般情况下电况下电量可能量可能分布在:分布在:1)1)导体壳是否带电导体壳是否带电?2)2)腔外是否有
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