静电场中的导体和电介质讲稿.ppt

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1、关于静关于静电场中的中的导体和体和电介介质第一页，讲稿共五十一页哦第9章 静电场中的导体和电介质物质从其导电性能可分为导体、半导体和绝缘体，绝缘体也物质从其导电性能可分为导体、半导体和绝缘体，绝缘体也称为电介质。称为电介质。电介质的特点电介质的特点：（1）介质分子形成稳定结构，外层电子和原）介质分子形成稳定结构，外层电子和原子核的相互作用力很大，电子呈束缚状态，没有电子可以子核的相互作用力很大，电子呈束缚状态，没有电子可以自由移动；（自由移动；（2）在外电场作下，外层电子难以挣脱原子）在外电场作下，外层电子难以挣脱原子核的束缚，只会发生微小位移，产生极化现象。核的束缚，只会发生微小位移，产生极

2、化现象。第二页，讲稿共五十一页哦第9章 静电场中的导体和电介质 9-1 静电场中的导体静电场中的导体 静电平衡静电平衡9-2 静电场中的电介质静电场中的电介质9-3 电容器电容器 电场能量电场能量第三页，讲稿共五十一页哦 一一 理解理解静电场中导体处于静电平衡时的条件，静电场中导体处于静电平衡时的条件，并能从静电平衡条件来分析带电导体在静电场中的电并能从静电平衡条件来分析带电导体在静电场中的电荷分布荷分布.三三 理解理解电容的定义，并能计算几何形状简电容的定义，并能计算几何形状简单的电容器的电容单的电容器的电容.四四 了解了解静电场是电场能量的携带者，了解静电场是电场能量的携带者，了解电场能量

3、密度的概念，能用能量密度计算电场能量电场能量密度的概念，能用能量密度计算电场能量.教学基本要求教学基本要求 二二 了解了解电介质的极化及其微观机理，了解电电介质的极化及其微观机理，了解电位移矢量位移矢量 的概念，以及在各向同性介质中，的概念，以及在各向同性介质中，和和电场强度电场强度 的关系的关系 .了解电介质中的高斯定理，并了解电介质中的高斯定理，并会用它来计算对称电场的电场强度会用它来计算对称电场的电场强度.第四页，讲稿共五十一页哦一、导体静电感应、静电平衡。一、导体静电感应、静电平衡。1、导体：物体内具有大量的可以自由移动电荷。、导体：物体内具有大量的可以自由移动电荷。2、静电感应现象、

4、静电感应现象：金属导体金属导体-f静电感应现象静电感应现象:导体在电场的作用下，导体内电荷导体在电场的作用下，导体内电荷重新分布呈现出带电现象。重新分布呈现出带电现象。+带电体带电体感应电荷感应电荷第五页，讲稿共五十一页哦+第六页，讲稿共五十一页哦+导体内电场强度导体内电场强度外电场强度外电场强度感应电荷电场强度感应电荷电场强度第七页，讲稿共五十一页哦导体的静电平衡状态导体的静电平衡状态导体内部和表面无自由电荷作导体内部和表面无自由电荷作定向定向移动的状态移动的状态+第八页，讲稿共五十一页哦+导导体体是是等等势势体体静电平衡条件静电平衡条件（1 1）导体内部任何一点处的电场强度为零；）导体内部

5、任何一点处的电场强度为零；（2 2）导体表面处的电场强度的方向）导体表面处的电场强度的方向,都与导体表面垂直都与导体表面垂直.导体表面是等势面导体表面是等势面 导体内部电势相等导体内部电势相等第九页，讲稿共五十一页哦二二 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+结论结论 导体内部无电荷，导体内部无电荷，电荷只分布在表面上。电荷只分布在表面上。1实心带电导体实心带电导体2 2空腔导体空腔导体 空腔内无电荷空腔内无电荷电荷分布在表面上电荷分布在表面上内表面上有电荷吗？内表面上有电荷吗？第十页，讲稿共五十一页哦若内表面带电若内表面带电所以内表面所以内表面不不带电带电+-结论结论 电荷分

6、布在外表面上（内表面无电荷）电荷分布在外表面上（内表面无电荷）+矛矛盾盾导体是等势体导体是等势体第十一页，讲稿共五十一页哦 空腔内有电荷空腔内有电荷电荷分布在表面上电荷分布在表面上内表面上有电荷吗？内表面上有电荷吗？结论结论 当空腔内有电荷当空腔内有电荷 时时,内表面因静电感应出内表面因静电感应出现等值异号的电荷现等值异号的电荷 ，外表面有感应电荷外表面有感应电荷 （电荷（电荷守恒）守恒）第十二页，讲稿共五十一页哦三三 静电屏蔽静电屏蔽 1 1屏蔽外电场屏蔽外电场外电场外电场 空腔导体可以屏蔽外电场空腔导体可以屏蔽外电场,使空腔内物体不受外电场影响使空腔内物体不受外电场影响.这时这时,整个空腔

7、导体和腔内的电势也必处处相等整个空腔导体和腔内的电势也必处处相等.空腔导体屏蔽外电场空腔导体屏蔽外电场第十三页，讲稿共五十一页哦 接地空腔导体接地空腔导体将使外部空间不受将使外部空间不受空腔内的电场影响空腔内的电场影响.问：问：空间各部空间各部分的电场强度如何分的电场强度如何分布分布？接地导体电势为零接地导体电势为零 2 2屏蔽腔内电场屏蔽腔内电场+第十四页，讲稿共五十一页哦v3.接地后，接地表面电荷的分布va 无外场vb.有外场第十五页，讲稿共五十一页哦+为表面电荷面密度为表面电荷面密度 作硬币形高斯面作硬币形高斯面 S S四四导体表面电场强度与电荷面密度的关系导体表面电场强度与电荷面密度的

8、关系 表面电场强度的大小与表面电场强度的大小与该表面电荷面密度成正比该表面电荷面密度成正比第十六页，讲稿共五十一页哦+注意注意 导体表面电荷分布与导体形状以及周围环境有关导体表面电荷分布与导体形状以及周围环境有关.4导体表面电荷分布导体表面电荷分布第十七页，讲稿共五十一页哦带电导体尖端附近电场最强带电导体尖端附近电场最强 带电导体尖端附近的电场特别大，带电导体尖端附近的电场特别大，可使尖端附近的空气发生电离而成为可使尖端附近的空气发生电离而成为导体产生放电现象，即导体产生放电现象，即尖端放电尖端放电.尖端放电会损耗电能尖端放电会损耗电能,还会干扰精密测量和对通讯产还会干扰精密测量和对通讯产生生

9、危害危害.然而尖端放电也有很广泛的然而尖端放电也有很广泛的应用应用.尖端放电现象尖端放电现象尖端放电现象的尖端放电现象的利利与与弊弊第十八页，讲稿共五十一页哦+尖端放电现象的利用尖端放电现象的利用第十九页，讲稿共五十一页哦导体静电平衡遵循的导体静电平衡遵循的基本原则基本原则:1.静电平衡的条件静电平衡的条件 2.场基本性质方程场基本性质方程3.电荷守恒定律电荷守恒定律第二十页，讲稿共五十一页哦例例1 平行放置的两块大金属平板相距平行放置的两块大金属平板相距d，板面积，板面积S，带电量，带电量Qa和和Qb求：求两求：求两板各表面的电荷面密度板各表面的电荷面密度解解:设金属板面电荷密度设金属板面电

10、荷密度由对称性和电量守恒由对称性和电量守恒（1）（2）第二十一页，讲稿共五十一页哦导体内任一点场强为零导体内任一点场强为零（3）（4）可解得可解得第二十二页，讲稿共五十一页哦9 92 2 静电场中的电介质静电场中的电介质无极无极分子电介质：（氢、甲烷、石蜡等）分子电介质：（氢、甲烷、石蜡等）有极有极分子电介质：（水、有机玻璃等）分子电介质：（水、有机玻璃等）一一.电介质极化电介质极化第二十三页，讲稿共五十一页哦无极分子的极化无极分子的极化E=0pEE第二十四页，讲稿共五十一页哦E电介质在外场作用下电介质在外场作用下,在垂直于电场方向的介质在垂直于电场方向的介质表面产生极化电荷表面产生极化电荷电

11、解质的极化现象电解质的极化现象第二十五页，讲稿共五十一页哦有极分子的极化有极分子的极化无外电场无外电场EFF有外电场有外电场第二十六页，讲稿共五十一页哦E 无论是有极分子的极化，还是无极分子的极化，虽然无论是有极分子的极化，还是无极分子的极化，虽然电介质极化的微观机理不尽相同，但在宏观上都表现为电介质极化的微观机理不尽相同，但在宏观上都表现为电介质表面出现了极化面电荷。电介质表面出现了极化面电荷。E第二十七页，讲稿共五十一页哦E0E E=E0+E 电介质内部正负电荷抵消，仍然呈电中性。但场强电介质内部正负电荷抵消，仍然呈电中性。但场强不等于零。不等于零。实验证明实验证明E=E0 0rr称为电介

12、质的相对电容率。称为电介质的相对电容率。二、电介质中的高斯定理二、电介质中的高斯定理E=E0 0+E 1.自由电荷自由电荷与束缚电荷与束缚电荷第二十八页，讲稿共五十一页哦当两板间为真空时当两板间为真空时当两板间充满介质时当两板间充满介质时由场强叠加原理由场强叠加原理,-根据实验根据实验合场强合场强 E 的方向于的方向于E0相同相同 总是小于总是小于第二十九页，讲稿共五十一页哦2.2.高斯定理高斯定理:令：电位移矢量电位移矢量-S取高斯面取高斯面第三十页，讲稿共五十一页哦有介质时的高斯定理有介质时的高斯定理有介质时的高斯定理：有介质时的高斯定理：通过任意闭合曲面的电位移通量，等通过任意闭合曲面的

13、电位移通量，等于该闭合曲面内所包围自由电荷的代数和。于该闭合曲面内所包围自由电荷的代数和。注意：注意：1 1：D D矢量是辅助量，描述电场的性质仍然矢量是辅助量，描述电场的性质仍然是电场强度是电场强度E E 和电势和电势 U U。2 2：D D通量只与通量只与S S内的自由电荷有关，与极化电内的自由电荷有关，与极化电荷无关。荷无关。3 3：只有在各向同性均匀电介质中只有在各向同性均匀电介质中第三十一页，讲稿共五十一页哦例题例题2 2半径为半径为R R的金属球，带电量为的金属球，带电量为q q （q q 0 0）浸在）浸在相对相对电容率为电容率为r r的均匀电介质中，求（的均匀电介质中，求（1

14、1）球外的电场）球外的电场E E；（；（2 2）贴近金属球的电介质表面的束缚电荷；（贴近金属球的电介质表面的束缚电荷；（3 3）球内的电势。）球内的电势。或或解：解：1、rRo+r电场分布具有球对称性，电场分布具有球对称性，p取以取以r为半径的球面为高斯面。为半径的球面为高斯面。第三十二页，讲稿共五十一页哦2、分布具有球对称性分布具有球对称性介质中的场强介质中的场强第三十三页，讲稿共五十一页哦3、电场分布电场分布E=0 ,rR球内球内,Ro+rPr第三十四页，讲稿共五十一页哦一一 孤立导体的电容孤立导体的电容例如例如 孤立的导体球的电容孤立的导体球的电容 地球地球单位单位 93 电容器电容器

15、电场能量电场能量第三十五页，讲稿共五十一页哦二二 电容器电容器电容器电容电容器电容 电容的大小仅与导体的电容的大小仅与导体的形状形状、相对位置相对位置、其间的电、其间的电介介质质有关有关.与所带电荷量与所带电荷量无关无关.第三十六页，讲稿共五十一页哦第三十七页，讲稿共五十一页哦电容器电容的计算电容器电容的计算1 1）设两极板分别带电设两极板分别带电 ；3 3）求求 ；步骤步骤4 4）求求 .2 2）求求 ；第三十八页，讲稿共五十一页哦1 平板电容器平板电容器+-（2）两带电平板间的电场强度两带电平板间的电场强度（1）设设两导体板分别带电两导体板分别带电（3）两带电平板间的电势差两带电平板间的电

16、势差（4）平板电容器电容平板电容器电容第三十九页，讲稿共五十一页哦平行板电容器电容2 圆柱形电容器圆柱形电容器（3）（2）（4）电容电容+-（1 1）设设两导体圆两导体圆柱柱面单位长度上面单位长度上分别带电分别带电第四十页，讲稿共五十一页哦3球形电容器的电容球形电容器的电容球形电容器是由半径分别为球形电容器是由半径分别为 和和 的两同心金的两同心金属球壳所组成属球壳所组成解解设内球带正电（），外球带负电（）设内球带正电（），外球带负电（）孤立导体球电容*第四十一页，讲稿共五十一页哦三、电容器的联接三、电容器的联接1 1 电容器的并联电容器的并联+C1C2+q1+q2-q1-q2U+UC+q-q

17、与 相比较第四十二页，讲稿共五十一页哦+UC+q-q+q+q-q-qU1U2C1C22 2 电容器的串联电容器的串联与 相比较第四十三页，讲稿共五十一页哦+-一一 电容器的电能电容器的电能电容器贮存的电能电容器贮存的电能+四四.电场的能量电场的能量第四十四页，讲稿共五十一页哦二二 静电场的能量静电场的能量 能量密度能量密度物理意义物理意义电场是一种物质，它具有能量电场是一种物质，它具有能量.电场空间所存储的能量电场空间所存储的能量 电场能量密度电场能量密度第四十五页，讲稿共五十一页哦解：电场分布具有轴对称性，由高斯定理得解：电场分布具有轴对称性，由高斯定理得R 1R 2rn例例9-3 长长 l

18、 的圆柱形电容器，其内外金属圆筒的半径分别的圆柱形电容器，其内外金属圆筒的半径分别为为R 1、R 2，两圆筒间充满电容率为，两圆筒间充满电容率为的电介质，当电容的电介质，当电容器带有电量器带有电量Q时，求所储存的电能。时，求所储存的电能。第四十六页，讲稿共五十一页哦 在两筒间，距轴线在两筒间，距轴线 r 处处，做一半径为，做一半径为 r,厚度为厚度为dr，长，长度为度为 l 的薄圆柱壳。的薄圆柱壳。R2R1dror圆柱壳处的场强大小可认为相等的，则圆柱壳存储的电场能圆柱壳处的场强大小可认为相等的，则圆柱壳存储的电场能圆柱壳的体积为圆柱壳的体积为第四十七页，讲稿共五十一页哦圆柱形电容储存的电能圆柱形电容储存的电能 说明：还可以用能量的方法求电容说明：还可以用能量的方法求电容第四十八页，讲稿共五十一页哦RO例题例题9-4真空中有一半径为真空中有一半径为R的均匀带电球体，带的均匀带电球体，带电量为电量为Q，计算此带电系统的静电能。，计算此带电系统的静电能。解：由高斯定理可得均匀解：由高斯定理可得均匀带电球体的电场分布带电球体的电场分布在球体内做一薄球壳，其在球体内做一薄球壳，其存储的静电能为存储的静电能为介质球非均匀极化rdr第四十九页，讲稿共五十一页哦第五十页，讲稿共五十一页哦感谢大家观看第五十一页，讲稿共五十一页哦