有導(dǎo)體時(shí)的靜電場(chǎng)資料PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 有導(dǎo)體時(shí)的靜電場(chǎng)資料有導(dǎo)體時(shí)的靜電場(chǎng)資料 2 幾個(gè)常用術(shù)語(yǔ)：幾個(gè)常用術(shù)語(yǔ)： 導(dǎo)體（導(dǎo)體（conductor）：存在大量自由電荷：存在大量自由電荷 帶電導(dǎo)體 中性導(dǎo)體 孤立導(dǎo)體 絕緣體（絕緣體（insulator）：基本上沒(méi)有參與導(dǎo)電的自由電荷：基本上沒(méi)有參與導(dǎo)電的自由電荷 半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（semiconductor）：介于上二者之間：介于上二者之間 第1頁(yè)/共45頁(yè) 3 2.1.1 靜電平衡靜電平衡 晶晶格格的的離離子子實(shí)實(shí)形形成成金金屬屬骨骨架架的的帶帶正正電電 由由電電子子游游移移在在整整個(gè)個(gè)金金屬屬中中的的自自 無(wú)外場(chǎng)時(shí)，整個(gè)金屬的電量代數(shù)和為零，呈電中性，無(wú)外場(chǎng)時(shí)，整個(gè)金屬的

2、電量代數(shù)和為零，呈電中性， 這時(shí)電子只是作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。這時(shí)電子只是作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。 、金屬導(dǎo)體的電結(jié)構(gòu)、金屬導(dǎo)體的電結(jié)構(gòu) 第2頁(yè)/共45頁(yè) 無(wú)外電場(chǎng)時(shí) 第3頁(yè)/共45頁(yè) 導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 加上外電場(chǎng)后 E 外 第4頁(yè)/共45頁(yè) 導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 加上外電場(chǎng)后 E 外 + 第5頁(yè)/共45頁(yè) 導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 加上外電場(chǎng)后 E 外 + + 第6頁(yè)/共45頁(yè) 導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 加上外電場(chǎng)后 E 外 + + + + + 第7頁(yè)/共45頁(yè) 導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 加上外電場(chǎng)后 E 外 + + + 第8頁(yè)/共45頁(yè) 導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 加上外電場(chǎng)后 E 外 + + + + + 第9頁(yè)/共45頁(yè)

3、導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 加上外電場(chǎng)后 E 外 + + + + + 第10頁(yè)/共45頁(yè) 導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 加上外電場(chǎng)后 E 外 + + + + + + + 第11頁(yè)/共45頁(yè) 導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 加上外電場(chǎng)后 E 外 + + + + + + 第12頁(yè)/共45頁(yè) 導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 加上外電場(chǎng)后 E 外 + + + + + + + + 第13頁(yè)/共45頁(yè) 導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 + 加上外電場(chǎng)后 E 外 + + + + + + + + + 第14頁(yè)/共45頁(yè) 導(dǎo)體的靜電感應(yīng)過(guò)程 + 加上外電場(chǎng)后 E 外 + + + + + + + + + 第15頁(yè)/共45頁(yè) + + + + + + + + + + 導(dǎo)體

4、達(dá)到靜平衡 E 外 E 感 0 感外內(nèi) EEE 感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷 第16頁(yè)/共45頁(yè) 18 0 E 0 E / E 2、靜電感應(yīng) 當(dāng)把導(dǎo)體引入場(chǎng)強(qiáng)為當(dāng)把導(dǎo)體引入場(chǎng)強(qiáng)為E0 0的外場(chǎng)后，導(dǎo)體中的自由電子就的外場(chǎng)后，導(dǎo)體中的自由電子就 在外電場(chǎng)的作用下，沿著與場(chǎng)強(qiáng)方向相反的方向運(yùn)動(dòng)，從而在外電場(chǎng)的作用下，沿著與場(chǎng)強(qiáng)方向相反的方向運(yùn)動(dòng)，從而 引起導(dǎo)體內(nèi)部電荷的重新分布現(xiàn)象，這就是引起導(dǎo)體內(nèi)部電荷的重新分布現(xiàn)象，這就是靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)。 因靜電感應(yīng)而出現(xiàn)的電荷稱感應(yīng)電荷。 EEE 0 3、導(dǎo)體內(nèi)部的場(chǎng)、導(dǎo)體內(nèi)部的場(chǎng) 式中式中 是感應(yīng)電荷所產(chǎn)生的附加場(chǎng)。是感應(yīng)電荷所產(chǎn)生的附加場(chǎng)。 E 第17頁(yè)/共45頁(yè)

5、 19 除靜電力不受其他力：除靜電力不受其他力：導(dǎo)體內(nèi)部任一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為零。導(dǎo)體內(nèi)部任一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為零。 （）導(dǎo)體靜電平衡的條件： 處于外電場(chǎng)中的導(dǎo)體，其電子同時(shí)受到外場(chǎng)和附加場(chǎng)的作 用力，開(kāi)始時(shí)外場(chǎng)力大于附加場(chǎng)的力，電子作定向移動(dòng)。當(dāng) 這兩種作用力達(dá)到平衡時(shí)，電子的定向移動(dòng)就停止了、即達(dá) 到靜電平衡。對(duì)于良好導(dǎo)體，這一過(guò)程大約只需10-14秒。 4、導(dǎo)體靜電平衡及其條件、導(dǎo)體靜電平衡及其條件 （1 1）靜電平衡：）靜電平衡：在導(dǎo)體內(nèi)部及表面各處都沒(méi)有電荷作宏觀定向在導(dǎo)體內(nèi)部及表面各處都沒(méi)有電荷作宏觀定向 運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)（這一定義對(duì)荷電導(dǎo)體亦成立）。運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)（這一定義對(duì)荷電導(dǎo)體亦成立）。 除靜電力受

6、其他力：除靜電力受其他力：導(dǎo)體內(nèi)部可移動(dòng)電荷所受力的合力為零。導(dǎo)體內(nèi)部可移動(dòng)電荷所受力的合力為零。 第18頁(yè)/共45頁(yè) 性質(zhì)性質(zhì)(2) (2) 導(dǎo)體內(nèi)無(wú)凈電荷（導(dǎo)體內(nèi)無(wú)凈電荷（ ），電荷只分布于），電荷只分布于 導(dǎo)體表面導(dǎo)體表面. . 0 s 高斯面高斯面 S（宏觀小，微觀大）（宏觀小，微觀大） 0d 11 d 00 VqSE S 內(nèi)內(nèi) 0 內(nèi)內(nèi) E 靜電平衡條件靜電平衡條件 0 凈電荷只分布于外表面凈電荷只分布于外表面. . 5、導(dǎo)體在靜電平衡時(shí)的性質(zhì)、導(dǎo)體在靜電平衡時(shí)的性質(zhì) 性質(zhì)(1) 導(dǎo)體是等勢(shì)體，導(dǎo)體表面是等勢(shì)面 第19頁(yè)/共45頁(yè) 性質(zhì)性質(zhì)(3)(3)導(dǎo)體外部，緊靠導(dǎo)體表面的點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)

7、方向?qū)w外部，緊靠導(dǎo)體表面的點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向 與導(dǎo)體表面垂直，場(chǎng)強(qiáng)大小與導(dǎo)體表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電與導(dǎo)體表面垂直，場(chǎng)強(qiáng)大小與導(dǎo)體表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電 荷面電荷密度成正比荷面電荷密度成正比. . EP SS 0 E S 過(guò)表面緊鄰處過(guò)表面緊鄰處P 作平行于作平行于 表面的面元表面的面元 ,以以 為底為底 ，過(guò)，過(guò)P的法向?yàn)檩S，作如圖的法向?yàn)檩S，作如圖 高斯面高斯面S 。 S S SSESESESESE sS S S 0 1 dddd 側(cè)側(cè) 0 內(nèi)內(nèi) E 0cos 第20頁(yè)/共45頁(yè) n eE E 0 0 思考：思考： 設(shè)帶電導(dǎo)體表面某點(diǎn)電荷密度為設(shè)帶電導(dǎo)體表面某點(diǎn)電荷密度為 ，外側(cè)附近場(chǎng)外側(cè)附近場(chǎng) 強(qiáng)強(qiáng) ，現(xiàn)將另

8、一帶電體移近，該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)是現(xiàn)將另一帶電體移近，該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)是 否變化？公式否變化？公式 是否仍成立？是否仍成立？ 0 E 0 E 導(dǎo)體表面導(dǎo)體表面 變化，外側(cè)附近場(chǎng)強(qiáng)變化，外側(cè)附近場(chǎng)強(qiáng) 變化，變化， 而而 仍然成立。仍然成立。 0 E E EP SS 0 E S 第21頁(yè)/共45頁(yè) 23 2.1.2 帶電導(dǎo)體所受的靜電力帶電導(dǎo)體所受的靜電力 產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)：產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)：S S E 除除 外所有電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)：外所有電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)： E S 受到靜電場(chǎng)力：受到靜電場(chǎng)力：SSPEF)( P沿導(dǎo)體表面法向稍外移至沿導(dǎo)體表面法向稍外移至P1 )()()( 11 0 1 PEPEePE Sn nS ePE 0 1

9、 2 )( P1 可任意靠近可任意靠近P，對(duì)它而言，對(duì)它而言 可視為無(wú)限大平面可視為無(wú)限大平面 S n ePE 0 1 2 )( 得： 第22頁(yè)/共45頁(yè) 24 總場(chǎng)強(qiáng)總場(chǎng)強(qiáng) 在面上在面上P點(diǎn)不連續(xù)，但點(diǎn)不連續(xù)，但 在在P點(diǎn)連續(xù)點(diǎn)連續(xù)E E n ePEPE 0 1 2 )()( 受到靜電場(chǎng)力：受到靜電場(chǎng)力：S n e S SPEF 0 2 2 )( 總場(chǎng)強(qiáng)總場(chǎng)強(qiáng) 在面上在面上P點(diǎn)突變，完全是由含點(diǎn)突變，完全是由含P的小面元的小面元 的場(chǎng)強(qiáng)的場(chǎng)強(qiáng) 突變?cè)斐傻?。突變?cè)斐傻摹?E S E 第23頁(yè)/共45頁(yè) 25 一般說(shuō)，在導(dǎo)體的向外突出部位的曲率越大，面密度一般說(shuō)，在導(dǎo)體的向外突出部位的曲率越大，

10、面密度也越大也越大 。 孤立球形導(dǎo)體表面曲率處處相等，因而其荷電時(shí)，電荷一定是孤立球形導(dǎo)體表面曲率處處相等，因而其荷電時(shí)，電荷一定是 均勻分布在其外表面的。均勻分布在其外表面的。 + + + + + + + 對(duì)于孤立導(dǎo)體，其電荷面密度與該表面處的曲率有關(guān)對(duì)于孤立導(dǎo)體，其電荷面密度與該表面處的曲率有關(guān) + + + + + + + + 2.1.3 孤立導(dǎo)體形狀對(duì)電荷分布的影響孤立導(dǎo)體形狀對(duì)電荷分布的影響 第24頁(yè)/共45頁(yè) 曲率較大，表面曲率較大，表面尖而凸出部分尖而凸出部分，電荷面密度較大，電荷面密度較大 曲率較小，表面曲率較小，表面比較平坦部分比較平坦部分，電荷面密度較小，電荷面密度較小 曲率

11、為負(fù)，表面曲率為負(fù)，表面凹進(jìn)去的部分凹進(jìn)去的部分，電荷面密度最小，電荷面密度最小 尖端放電尖端放電 尖端場(chǎng)強(qiáng)特別強(qiáng)，足以使周圍空氣分子電離尖端場(chǎng)強(qiáng)特別強(qiáng)，足以使周圍空氣分子電離 而使空氣被擊穿，導(dǎo)致而使空氣被擊穿，導(dǎo)致“尖端放電尖端放電”。 形成形成“電風(fēng)電風(fēng)” 第25頁(yè)/共45頁(yè) 27 2.1.4 導(dǎo)體靜電平衡問(wèn)題的討論方法導(dǎo)體靜電平衡問(wèn)題的討論方法 定性討論方法：定性討論方法：從靜電平衡的性質(zhì)出發(fā)，利用某些解題從靜電平衡的性質(zhì)出發(fā)，利用某些解題 技巧，必要時(shí)加上電場(chǎng)線這一形象工具。技巧，必要時(shí)加上電場(chǎng)線這一形象工具。 場(chǎng)線討論問(wèn)題：場(chǎng)線討論問(wèn)題：P49-P51P49-P51例例1,2,31

12、,2,3 第26頁(yè)/共45頁(yè) AB 例 已知：導(dǎo)體板A，面積為S、帶電量Q，在其旁邊 放入導(dǎo)體板B。 求：求：B上的電荷分布及空間的電場(chǎng)分布上的電荷分布及空間的電場(chǎng)分布 1 3 2 4 1 E a 2 E 3 E 4 E 0 2222 0 4 0 3 0 2 0 1 AB 1 2 3 4 b 1 E 2 E 3 E 4 E 0 2222 0 4 0 3 0 2 0 1 a點(diǎn)點(diǎn) QSS 21 0 43 SS b點(diǎn)點(diǎn) A板板 B板板 第27頁(yè)/共45頁(yè) S Q 2 41 S Q 2 32 AB 1 3 2 4 解方程得解方程得: 電荷分布電荷分布 場(chǎng)強(qiáng)分布場(chǎng)強(qiáng)分布 兩板之間兩板之間 板左側(cè)板左側(cè)A

13、 板右側(cè)板右側(cè) B E E E S Q E 00 1 2 S Q E 00 2 2 S Q E 00 4 2 第28頁(yè)/共45頁(yè) 30 2.2.1 殼內(nèi)空間的場(chǎng)殼內(nèi)空間的場(chǎng) （1）殼內(nèi)空間無(wú)帶電體的情況）殼內(nèi)空間無(wú)帶電體的情況 （2）殼內(nèi)空間有帶電體的情況）殼內(nèi)空間有帶電體的情況 2.2.2殼外空間的場(chǎng)殼外空間的場(chǎng) （1）殼外空間無(wú)帶電體的情況）殼外空間無(wú)帶電體的情況 （2）殼外空間有帶電體的情況）殼外空間有帶電體的情況 第29頁(yè)/共45頁(yè) 靜電屏蔽靜電屏蔽 接地封閉導(dǎo)體殼（或金屬絲網(wǎng)）外部的場(chǎng)接地封閉導(dǎo)體殼（或金屬絲網(wǎng)）外部的場(chǎng) 不受殼內(nèi)電荷的影響。不受殼內(nèi)電荷的影響。 封閉導(dǎo)體殼（不論接地

14、與否）內(nèi)部的電場(chǎng) 不受外電場(chǎng)的影響； + + + E 0 E 第30頁(yè)/共45頁(yè) 32 如：高壓帶電作業(yè)人員穿的導(dǎo)電纖維編織的工作服。 第31頁(yè)/共45頁(yè) 33 2.2.3 范德格拉夫起電機(jī)范德格拉夫起電機(jī) 利用導(dǎo)體的靜電特性和尖端放電現(xiàn)象，可使物體連續(xù)不斷地帶有大量電荷，這樣的裝置叫范德格拉夫起電機(jī). 圖8.27范德格拉夫起電機(jī) 第32頁(yè)/共45頁(yè) 孤立導(dǎo)體：孤立導(dǎo)體：周圍無(wú)其他導(dǎo)體，電介質(zhì)和帶電體周圍無(wú)其他導(dǎo)體，電介質(zhì)和帶電體 Vq C V q 單位：?jiǎn)挝唬悍ɡǚɡ‵）、微法拉（）、微法拉（ F）、皮法拉（）、皮法拉（pF） 伏伏特特庫(kù)庫(kù)侖侖法法拉拉11 pFFF 126 10101

15、孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體的電容 電容使導(dǎo)體升高單位電勢(shì)所需的電量， 反映的是導(dǎo)體儲(chǔ)存電荷和電能的能力。 2.3.1 孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體的電容 第33頁(yè)/共45頁(yè) 孤立導(dǎo)體電容取決于本身形狀大小,與其是否帶電無(wú)關(guān)。 R V Q C 0 4 R Q V 0 4 例例 半徑半徑 R 的孤立金屬球的電容的孤立金屬球的電容 孤立導(dǎo)體球的電容孤立導(dǎo)體球的電容C=40R 由電容定義：由電容定義： 則金屬球電勢(shì)：則金屬球電勢(shì)： 0 V 設(shè)其帶電量為設(shè)其帶電量為Q 第34頁(yè)/共45頁(yè) 36 2.3.2 電容器及其電容電容器及其電容 1、 電容器 紙質(zhì)電容器 陶瓷電容器 電解電容器鉭電容器可變電容器 ）從原則上

16、講：任何兩個(gè)彼此相隔一定距離而又彼此）從原則上講：任何兩個(gè)彼此相隔一定距離而又彼此 絕緣的導(dǎo)體組合絕緣的導(dǎo)體組合 ）從實(shí)用上講：根據(jù)屏蔽原理所設(shè)計(jì)的彼此絕緣的）從實(shí)用上講：根據(jù)屏蔽原理所設(shè)計(jì)的彼此絕緣的 導(dǎo)體組合導(dǎo)體組合 第35頁(yè)/共45頁(yè) 37 2、 電容器的電容電容器的電容 ABBA U q VV q C 電電量量是是指指其其中中一一個(gè)個(gè)極極板板上上的的 指指兩兩極極板板的的電電勢(shì)勢(shì)差差 q U AB 第36頁(yè)/共45頁(yè) 38 ds 可忽略邊緣效應(yīng)可忽略邊緣效應(yīng) 0 E 則極板間的電勢(shì)差為則極板間的電勢(shì)差為 EdU AB AB U q C ）平行板電容器）平行板電容器 )(ds S為極板面

17、積、為極板面積、d為板間距離、為板間距離、 兩板間為空氣，設(shè)極板荷電為兩板間為空氣，設(shè)極板荷電為q d 0 0 s qd 得得 d S 0 d A B s 討論 C與與d S 0 有關(guān)有關(guān) SC ； dC 插入介質(zhì)插入介質(zhì) d S C r 0 C 第37頁(yè)/共45頁(yè) 39 AB RRl 在A、B之間的場(chǎng)強(qiáng)由高斯定理得 則則A、B兩導(dǎo)體的電勢(shì)差兩導(dǎo)體的電勢(shì)差 長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為l的電容器電容的電容器電容 ）圓柱型電容器）圓柱型電容器 )( AB RRl 設(shè)導(dǎo)體設(shè)導(dǎo)體A單位長(zhǎng)度帶電為單位長(zhǎng)度帶電為+，則導(dǎo)，則導(dǎo) 體體B單位長(zhǎng)度帶電單位長(zhǎng)度帶電- -。 l B R A R r r E 0 2 A B R

18、R AB R R dr r U B A ln 22 00 A B AB R R l U l C ln 2 0 第38頁(yè)/共45頁(yè) A B r q q BAB RRR或或 已知已知 A R B R設(shè)設(shè)+q、- q 場(chǎng)強(qiáng)分布場(chǎng)強(qiáng)分布 2 0 4r q E 電勢(shì)差電勢(shì)差 ) 11 ( 4 4 0 2 0 BA R R BA RR q dr r q VV B A 由定義由定義 AB BA BA RR RR VV q C 0 4 討論 A RC 0 4 孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體的電容 B R A R ）球型電容器）球型電容器: : )( ABB RRR 第39頁(yè)/共45頁(yè) 41 2.3.3電容器的聯(lián)接電容

19、器的聯(lián)接 耐壓值-電容器兩極板間可以承受的最大電壓。 2、電容器的串聯(lián): 1、電容器的參數(shù)：電容值-電容的大小。 21 21 111 CCq UU q U C 1 2 2 1 2121 C C U U qqUUUq q q q U 1 U 2 U 1 C 2 C 3、電容器的并聯(lián): 2 1 2 1 2121 C C q q qqqUUU 21 21 CC U q U q U q C 1 q 2 q 1 q 2 q U 1 C2 C 第40頁(yè)/共45頁(yè) 42 2.4.1 感應(yīng)起電機(jī)感應(yīng)起電機(jī) 2.4.2 靜電計(jì)靜電計(jì) 第41頁(yè)/共45頁(yè) 43 2.5.1 帶電體系的靜電能帶電體系的靜電能 1、系

20、統(tǒng)在帶電過(guò)程中的能量積累、系統(tǒng)在帶電過(guò)程中的能量積累 由能量轉(zhuǎn)換與守恒律，這就是轉(zhuǎn)換為帶電體的能量。由能量轉(zhuǎn)換與守恒律，這就是轉(zhuǎn)換為帶電體的能量。 給一個(gè)孤立帶電體荷電時(shí)，每一元電荷給一個(gè)孤立帶電體荷電時(shí)，每一元電荷dq可認(rèn)為都是從可認(rèn)為都是從 無(wú)窮遠(yuǎn)處（即電勢(shì)零點(diǎn)處）移至帶電體上的。設(shè)帶電體已無(wú)窮遠(yuǎn)處（即電勢(shì)零點(diǎn)處）移至帶電體上的。設(shè)帶電體已 荷有電荷荷有電荷q，其電勢(shì)為，其電勢(shì)為u，那么將，那么將dq由無(wú)窮遠(yuǎn)處移至帶電體由無(wú)窮遠(yuǎn)處移至帶電體 上時(shí)外力做功為上時(shí)外力做功為dA= =udq，若最后帶電體荷電為，若最后帶電體荷電為Q。則整個(gè)。則整個(gè) 過(guò)程中，外力做功為過(guò)程中，外力做功為 某一物體上的過(guò)程。 任何帶電體的形成過(guò)