大学物理课件静电场中的导体和电介质.ppt

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1、导体与电介质1导体静电感应2导体静电平衡3静电平衡条件4等势体等势体等势面等势面导体内导体内导体表面导体表面5金属球放入前电场为一均匀场金属球放入前电场为一均匀场6金属球放入后电力线发生弯曲金属球放入后电力线发生弯曲 电场为一非均匀场电场为一非均匀场+7导体内没有净电荷，电荷只分布在导体表面上。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二、静电平衡下导体上的电荷分布1、实心导体、实心导体82、空心导体、空心导体,腔内腔内无无电荷电荷空腔内表面没有电荷，电荷只分布在空腔内表面没有电荷，电荷只分布在 外部表面。外部表面。在导体内包围空腔作在导体内包围空腔作高斯面高斯

2、面S。则：则：=09 腔体内表面所带的电量和腔内带电体所带的电量等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定律决定。量异号，腔体外表面所带的电量由电荷守恒定律决定。未引入未引入q1时时放入放入q1后后3、空心导体、空心导体,腔内腔内有有电荷电荷+10表面附近作圆柱形高斯面表面附近作圆柱形高斯面二、二、导体表面外侧的场强导体表面外侧的场强 尖端放电尖端放电1.电场强度与电荷面密度的关系电场强度与电荷面密度的关系11导线导线证明证明:即即用导线连接两导体球用导线连接两导体球则则2.电荷面密度与曲率的关系电荷面密度与曲率的关系导体表面曲率较大的地方，导体表面

3、曲率较大的地方，电荷密度也较大。电荷密度也较大。12 导体表面上的电荷分布情况，不仅与导体表面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。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：静电场中的孤立带电体：导体上电荷面密度的大小与该处导体上电荷面密度的大小与该处表面的曲率表面的曲率有关。有关。曲率较大，表面曲率较大，表面尖而凸出部分尖而凸出部分，电荷面密度较大，电荷面密度较大曲率较小，表面曲率较小，表面比较平坦部分比较平坦部分，电荷面密度较小，电荷面密度较小曲率为负，表面曲率为负，表面凹进去的部分凹进去的部分，电荷面密度最小，电荷面密度最

4、小导体表面上的电荷分布导体表面上的电荷分布133.尖端放电尖端放电 尖端场强特别强，足以使周围空气分子电离尖端场强特别强，足以使周围空气分子电离而使空气被击穿，导致而使空气被击穿，导致“尖端放电尖端放电”。形成形成“电风电风”14+Q咯咯嚓嚓咯咯嚓嚓 防上静电干扰的思路：防上静电干扰的思路：1）“躲藏起来躲藏起来”2）大家自觉防止静）大家自觉防止静电场外泄电场外泄+Q+实验：实验：+四、静电的应用四、静电的应用15解释：解释：+-+-+-+Q+结论：一个接地的金属结论：一个接地的金属壳（网）既可防止壳外壳（网）既可防止壳外来的静电干扰，又可防来的静电干扰，又可防止壳内的静电干扰壳外止壳内的静电

5、干扰壳外16实际中大量应用：实际中大量应用：1）测试用的屏蔽室）测试用的屏蔽室2）无线电电路中的屏蔽罩、屏蔽线、高压）无线电电路中的屏蔽罩、屏蔽线、高压 带电作业中的均压服。带电作业中的均压服。3）变压器中的屏蔽层。）变压器中的屏蔽层。初级初级次级次级17静静电电屏屏蔽蔽 接地封闭导体壳（或金属丝网）外部的场接地封闭导体壳（或金属丝网）外部的场不受壳内电荷的影响。不受壳内电荷的影响。封闭导体壳（不论接地与否）内部的电场封闭导体壳（不论接地与否）内部的电场不受外电场的影响；不受外电场的影响；+18电荷守恒定律电荷守恒定律静电平衡条件静电平衡条件五、有导体五、有导体存在存在时场强和电势的计算时场强

6、和电势的计算19例例1.已知：导体板已知：导体板A，面积为面积为S、带电量带电量Q，在其旁边在其旁边 放入导体板放入导体板B。求：求：(1)A、B上的电荷分布及空间的电场分布上的电荷分布及空间的电场分布(2)将将B B板接地，求电荷分布板接地，求电荷分布a点点b点点A板板B板板20解方程得解方程得:电荷分布电荷分布场强分布场强分布两板之间两板之间板左侧板左侧板右侧板右侧21 (2)将将B板接地，求电荷及场强分布板接地，求电荷及场强分布板板接地时接地时电荷分布电荷分布a点点b点点22 场场强强分分布布电荷分布电荷分布两板之间两板之间两板之外两板之外23例例2.已知已知R1 R2 R3 q Q求求

7、 电荷及场强分布；球心的电势电荷及场强分布；球心的电势 如用导线连接如用导线连接A、B，再作计算再作计算解解:由高斯定理得由高斯定理得电荷分布电荷分布场场强强分分布布24球心的电势球心的电势 场场强强分分布布25球壳外表面带电球壳外表面带电用导线连接用导线连接A、B，再作计算再作计算连接连接A、B，中和中和26练习练习 已知已知:两金属板带电分别为两金属板带电分别为q1、q2 求：求：1、2、3、427中间绝缘的两导体极板构成电容器；中间绝缘的两导体极板构成电容器；电容器的基本功能是储存电荷；电容器的基本功能是储存电荷；储存电荷能力大小用电容储存电荷能力大小用电容C来量度。来量度。一、电容器及

8、其电容一、电容器及其电容10-2 10-2 电容电容电容电容 电容器电容器电容器电容器+q-qAB单位：单位：法拉（法拉（F），），二、孤立导体的电容二、孤立导体的电容28三、电容的计算三、电容的计算计算电容器电容的一般步骤是：计算电容器电容的一般步骤是：（1）设两极板带电）设两极板带电Q，求电场强度，求电场强度（2）场强积分计算电势差）场强积分计算电势差（3）代入公式）代入公式291.平行板电容器平行板电容器已知：已知：S、d、0设设A、B分别带电分别带电+q、-qA、B间场强分布间场强分布电势差电势差由定义由定义讨论讨论与与有关有关；302.圆柱形电容器圆柱形电容器已知：已知：设设 场强分

9、布场强分布电势差电势差由定义由定义313.球形电容器球形电容器已知已知设设+q、-q场强分布场强分布电势差电势差由定义由定义讨论讨论孤立导体的电容孤立导体的电容321.电容器的串联电容器的串联C1C2C3C4UC三三.电容器的联接电容器的联接U332.电容器的并联电容器的并联abC1C2C3C4U34电介质103103、静电场中的电介质、静电场中的电介质35 有极分子：分子正负电荷中心不重合。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；无极分子：分子正负电荷中心重合；电电介介质质CH+H+H+H+正负电荷正负电荷中心重合中心重合甲烷分子甲烷分子+正电荷中心正电荷中心负电荷

10、负电荷中心中心H+HO水分子水分子分子电偶极矩分子电偶极矩二、电介质的极化二、电介质的极化361.无极分子的位移极化无极分子的位移极化+-+He+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-均匀介质均匀介质+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-qq37+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-1 1）位移极化是分子的等效正负电荷作用）位移极化是分子的等效正负电荷作用中心中心 在电在电 场作用下发生位移的现象。场作用下发生位移的现象。2 2）均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷，）均匀介质极化时在介质表面出现极化电

11、荷，而非均匀介质极化时，介质的表面及内部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。均可出现极化电荷。极化电荷极化电荷极化电荷极化电荷结论：结论：382.有极分子的转向极化有极分子的转向极化+无外电场时无外电场时电矩取向不同电矩取向不同两端面出现两端面出现极化电荷层极化电荷层转向转向外电场外电场加上外场加上外场39附加场强三、电介质对电场的影响三、电介质对电场的影响40电极化强度电极化强度(矢量矢量)单位体积内分子电偶极矩的单位体积内分子电偶极矩的矢量和矢量和描述了电介质极化强弱，反映了电介质内分子电偶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。极矩排列的

12、有序或无序程度。四、四、极化强度极化强度41五、极化强度与极化电荷的关系五、极化强度与极化电荷的关系大量实验证明：对于各向同性的电介质，大量实验证明：对于各向同性的电介质，极化强度极化强度 与电场与电场 有如下关系：有如下关系：-电极化率（由介质本身电极化率（由介质本身性质决定的常数，是反映性质决定的常数，是反映介质本身性质的物理量介质本身性质的物理量)。均匀介质极化时，其表面上某点的极化电荷面密度，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。等于该处电极化强度在外法线上的分量。42六、六、电位移电位移 电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理真空中的高斯定理

13、真空中的高斯定理电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理+43定义定义电位移矢量电位移矢量介质中的高斯定理介质中的高斯定理自由电荷自由电荷 通过任意闭合曲面的通过任意闭合曲面的电位移通量电位移通量，等于该闭，等于该闭合曲面所包围的合曲面所包围的自由电荷的代数和自由电荷的代数和。44真空中真空中介质中介质中介质的相对介电常数介质的相对介电常数介质的介电常数介质的介电常数45电位移线电位移线大小大小:方向方向:切线切线线线线线46将真空电容器充满某种电介质将真空电容器充满某种电介质电介质的电容率（介电常数）电介质的电容率（介电常数）平行板电容器平行板电容器电介质的相对电容率（相对介电常数）电介质的相对

14、电容率（相对介电常数）同心球型电容器同心球型电容器同轴圆柱型电容器同轴圆柱型电容器47例例1.已知已知:导体板导体板介质介质求求:各介质内的各介质内的解解:设两介质中的设两介质中的 分别为分别为由高斯定理由高斯定理由由得得48场强分布场强分布电势差电势差电容电容例例2.平行板电容器。平行板电容器。已知已知d1、r1、d2、r2、S 求求:电容电容C解解:设两板带电设两板带电 49例例3.已知已知:导体球导体球介质介质求求:1.球外任一点的球外任一点的2.导体球的电势导体球的电势解解:过过P点作高斯面得点作高斯面得电势电势50例例4.平行板电容器平行板电容器 已知已知:S、d插入厚为插入厚为t的

15、铜板的铜板求：求：C 51设设 q场强分布场强分布电势差电势差52例例5求：（求：（1）两球壳间的电场分布）两球壳间的电场分布（2）两球壳间的电势差）两球壳间的电势差（3）两球壳构成的电容器）两球壳构成的电容器 的电容值。的电容值。（1）53（2）(3)54开关倒向开关倒向a,电容器充电。电容器充电。开关倒向开关倒向b,电容器放电。电容器放电。灯泡发光灯泡发光电容器释放能量电容器释放能量电源提供电源提供 计算电容器带有电量计算电容器带有电量Q，相应电势差为相应电势差为U时所具有的能量。时所具有的能量。一、一、电容器的电容器的能量能量10-4、静电场的能量、静电场的能量55任任一一时时刻刻终终了

16、了时时刻刻外力做功外力做功电容器的电能电容器的电能56电场能量体密度电场能量体密度描述电场中能量分布状况描述电场中能量分布状况1、对平行板电容器、对平行板电容器电场存在的空间体积电场存在的空间体积二二、静电场的能量静电场的能量,能量体密度能量体密度57对任一电场，电场强度非均匀对任一电场，电场强度非均匀2、电场中某点处单位体积内的电场能量、电场中某点处单位体积内的电场能量58例：例：计算球形电容器的能量计算球形电容器的能量 已知已知RA、RB、q解：场强分布解：场强分布取体积元取体积元能量能量59比较均匀带电球面和均匀带电球体所储存的能量比较均匀带电球面和均匀带电球体所储存的能量。60第十章第

17、十章 基本公式基本公式静电平衡的条件静电平衡的条件1）导体内部场强处处为零；）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。）导体表面紧邻处场强处处与表面垂直。推论：推论：导体是等势体，导体表面是等势面。导体是等势体，导体表面是等势面。导体表面场强导体表面场强电容器电容电容器电容真空中平行板真空中平行板电容器电容电容器电容电容并联电容并联电容串联电容串联61电位移矢量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介质中的高斯定理充满电介质的电容器充满电介质的电容器电容器能量电容器能量电场能量密度电场能量密度电场能量电场能量6263646566