大學物理學29第十章10-1 靜電場中導(dǎo)體 10-2靜電場中電介質(zhì) 10-3 電位移 有電介質(zhì)時高斯定理

1、第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件大學物理學電子教案大學物理學電子教案靜電場中的導(dǎo)體靜電場中的導(dǎo)體10-1 靜電場中的導(dǎo)體靜電場中的導(dǎo)體10-2 靜電場中的電介靜電場中的電介10-3 電位移電位移 有電介質(zhì)時的高斯定理有電介質(zhì)時的高斯定理第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件兩條實驗定律兩條實驗定律兩個出發(fā)點兩個出發(fā)點兩個基本性質(zhì)兩個基本性質(zhì)電荷受力電荷受力電場力作功電

2、場力作功兩個物理量兩個物理量 電場強度電場強度電勢能電勢能靜電場靜電場復(fù)習復(fù)習庫侖定律庫侖定律疊加原理疊加原理 高斯定理高斯定理環(huán)路定理環(huán)路定理第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件在靜電場中總是存在導(dǎo)體或電介質(zhì)在靜電場中總是存在導(dǎo)體或電介質(zhì)靜電場與靜電場與 靜電場中靜電場中導(dǎo)體導(dǎo)體或或電介質(zhì)電介質(zhì)之間有相互作用之間有相互作用主要內(nèi)容有：主要內(nèi)容有：靜電場中導(dǎo)體靜電場中導(dǎo)體電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化有介質(zhì)時的高斯定理有介質(zhì)時的高斯定理電容器電容器電場的能量電場的能量 靜電場中的導(dǎo)體和電

3、介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體和電介質(zhì) Conductor in electrostatic field第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件10-1 靜電場中的導(dǎo)體靜電場中的導(dǎo)體金屬導(dǎo)體有自由電子，金屬導(dǎo)體有自由電子，作無規(guī)則的熱運動。作無規(guī)則的熱運動。導(dǎo)體中的自由電子在電場力的作用下作導(dǎo)體中的自由電子在電場力的作用下作宏觀定向運動，引起導(dǎo)體中電荷重新分宏觀定向運動，引起導(dǎo)體中電荷重新分布而呈現(xiàn)出帶電的現(xiàn)象，叫作布而呈現(xiàn)出帶電的現(xiàn)象，叫作靜電感靜電感應(yīng)應(yīng)。+ + AB+ +_+AB靜電感應(yīng)靜電

4、感應(yīng)一、靜電感應(yīng)一、靜電感應(yīng) 靜電平衡條靜電平衡條件件第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件靜電平衡演示靜電平衡演示 感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷電場與外電場電場與外電場疊加使導(dǎo)體內(nèi)疊加使導(dǎo)體內(nèi)電場為零，電電場為零，電子不再定向運子不再定向運動動.導(dǎo)體球外電場為外電場和感應(yīng)電荷電場的疊加導(dǎo)體球外電場為外電場和感應(yīng)電荷電場的疊加.第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件+0E 外電場中的導(dǎo)

5、體平板外電場中的導(dǎo)體平板第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件00EEE0E+E0E0E導(dǎo)體內(nèi)電場強度導(dǎo)體內(nèi)電場強度外電場強度外電場強度感應(yīng)電荷電場強度感應(yīng)電荷電場強度第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件+ +導(dǎo)體是等勢體導(dǎo)體是等勢體nee靜電平衡條件靜電平衡條件（1 1）導(dǎo)體內(nèi)部任何一點處的電場強度為零；）導(dǎo)體內(nèi)部任何一點處的電場強度為零；（2 2）導(dǎo)體表面處的電場強度

6、的方向）導(dǎo)體表面處的電場強度的方向, ,都與導(dǎo)體表面垂直都與導(dǎo)體表面垂直. .Eld 導(dǎo)體表面是等勢面導(dǎo)體表面是等勢面0d lEU 導(dǎo)體內(nèi)部電勢相等導(dǎo)體內(nèi)部電勢相等0d ABABlEUlEdAB第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件二二 靜電平衡時導(dǎo)體上電荷的分布靜電平衡時導(dǎo)體上電荷的分布+結(jié)論結(jié)論 導(dǎo)體內(nèi)部無電荷導(dǎo)體內(nèi)部無電荷00dqSES00diSqSE，0E1實心導(dǎo)體實心導(dǎo)體2 2有空腔導(dǎo)體有空腔導(dǎo)體0 qS 空腔內(nèi)無電荷空腔內(nèi)無電荷S電荷分布在表面上電荷分布在表面上問問 內(nèi)表

7、面上有電荷嗎內(nèi)表面上有電荷嗎？第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件0d lEUABAB若內(nèi)表面帶電若內(nèi)表面帶電所以內(nèi)表面所以內(nèi)表面不不帶電帶電S+-AB 結(jié)論結(jié)論 電荷分布在外表面上（內(nèi)表面無電荷）電荷分布在外表面上（內(nèi)表面無電荷）+矛盾矛盾0diSqSE，導(dǎo)體是等勢體導(dǎo)體是等勢體0d lEUABAB第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件q 空腔內(nèi)有電荷空腔內(nèi)有電荷q2S

8、00d1iSqSE，qq內(nèi)qQ1S電荷分布在表面上電荷分布在表面上問問 內(nèi)表面上有電荷嗎內(nèi)表面上有電荷嗎？00d2iSqSE， 結(jié)論結(jié)論 當空腔內(nèi)有電荷當空腔內(nèi)有電荷 時時, 內(nèi)表面因靜電感應(yīng)內(nèi)表面因靜電感應(yīng)出現(xiàn)等值異號的電荷出現(xiàn)等值異號的電荷 ，外表面增加感應(yīng)電荷外表面增加感應(yīng)電荷 . （電荷守恒）（電荷守恒）qqq第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件+E 為表面電荷面密度為表面電荷面密度 作錢幣形高斯面作錢幣形高斯面 S S3 3導(dǎo)體表面電場強度與電荷面密度的關(guān)系導(dǎo)體表面電場強

9、度與電荷面密度的關(guān)系0dSSES0SSE0E 表面電場強度的大表面電場強度的大小與該表面電荷面密度小與該表面電荷面密度成正比成正比0E第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件+注意注意 導(dǎo)體表面電荷分布與導(dǎo)體形狀以及周圍環(huán)境有關(guān)導(dǎo)體表面電荷分布與導(dǎo)體形狀以及周圍環(huán)境有關(guān). .4導(dǎo)體表面電荷分布導(dǎo)體表面電荷分布EE;,0E第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件帶電導(dǎo)體尖端附近電

10、場最強帶電導(dǎo)體尖端附近電場最強 帶電導(dǎo)體尖端附近的電場特帶電導(dǎo)體尖端附近的電場特別大，可使尖端附近的空氣發(fā)生別大，可使尖端附近的空氣發(fā)生電離而成為導(dǎo)體產(chǎn)生放電現(xiàn)象，電離而成為導(dǎo)體產(chǎn)生放電現(xiàn)象，即即尖端放電尖端放電 . 尖端放電會損耗電能尖端放電會損耗電能, 還會干擾精密測量和對通還會干擾精密測量和對通訊產(chǎn)生訊產(chǎn)生危害危害 . 然而尖端放電也有很廣泛的然而尖端放電也有很廣泛的應(yīng)用應(yīng)用 . 尖端放電現(xiàn)象尖端放電現(xiàn)象 E尖端放電現(xiàn)象的尖端放電現(xiàn)象的利利與與弊弊第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件

11、教學課件熒光質(zhì)熒光質(zhì)導(dǎo)電膜導(dǎo)電膜 + + 高壓高壓eH場離子顯微鏡場離子顯微鏡( (FIM) )金屬尖端的強電場的應(yīng)用一例金屬尖端的強電場的應(yīng)用一例接真空泵或接真空泵或充氦氣設(shè)備充氦氣設(shè)備金屬金屬尖端尖端接地接地原理：原理：樣品制成針尖形狀，針尖與熒光樣品制成針尖形狀，針尖與熒光膜之間加高壓，樣品附近極強的膜之間加高壓，樣品附近極強的電場使吸附在表面的原電場使吸附在表面的原 子子 電離，電離，氦離子沿電力線運動，氦離子沿電力線運動， 撞擊熒光撞擊熒光膜引起發(fā)光，從而獲得樣品表面膜引起發(fā)光，從而獲得樣品表面的圖象。的圖象。應(yīng)用：應(yīng)用：高壓設(shè)備的電極高壓設(shè)備的電極高壓輸電線高壓輸電線避雷針避雷針不

12、利的一面：不利的一面：浪費電能浪費電能避免方法：避免方法：金屬元件盡量做成球形，金屬元件盡量做成球形，并使導(dǎo)體表面盡可能的光滑并使導(dǎo)體表面盡可能的光滑第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件 避雷針演示避雷針演示第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學

13、理學院教學課件教學課件三三 靜電屏蔽靜電屏蔽 1 1屏蔽外電場屏蔽外電場E外電場外電場 空腔導(dǎo)體可以屏蔽外電場空腔導(dǎo)體可以屏蔽外電場, , 使空腔內(nèi)物體不受外電使空腔內(nèi)物體不受外電場影響場影響. .這時這時, ,整個空腔導(dǎo)體和腔內(nèi)的電勢也必處處相等整個空腔導(dǎo)體和腔內(nèi)的電勢也必處處相等. .E空腔導(dǎo)體屏蔽外電場空腔導(dǎo)體屏蔽外電場第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件q 接地空腔導(dǎo)體接地空腔導(dǎo)體將使外部空間不受將使外部空間不受空腔內(nèi)的電場影響空腔內(nèi)的電場影響. 問：問：空間各部空間各部分

14、的電場強度如何分的電場強度如何分布分布 ？接地導(dǎo)體電勢為零接地導(dǎo)體電勢為零q 2 2屏蔽腔內(nèi)電場屏蔽腔內(nèi)電場+q第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件10-2 靜電場中的電介質(zhì)靜電場中的電介質(zhì)所謂所謂電介質(zhì)電介質(zhì)，是指不導(dǎo)電的物質(zhì)，即絕緣體，是指不導(dǎo)電的物質(zhì)，即絕緣體，內(nèi)部沒有可以移動的電荷。內(nèi)部沒有可以移動的電荷。若把電介質(zhì)放入靜電場中，電介質(zhì)原子中的若把電介質(zhì)放入靜電場中，電介質(zhì)原子中的電子和原子核在電場力的作用下，在原子范電子和原子核在電場力的作用下，在原子范圍內(nèi)作微觀的相對位

15、移。圍內(nèi)作微觀的相對位移。達到靜電平衡時，電介質(zhì)內(nèi)部的場強也不為達到靜電平衡時，電介質(zhì)內(nèi)部的場強也不為零。零。 在外電場中電介質(zhì)要受到電場的影響，在外電場中電介質(zhì)要受到電場的影響，同時也影響外電場。同時也影響外電場。第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件+ + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - -一一 電介質(zhì)對電場的影響電介質(zhì)對電場的影響 相對電容率相對電容率r0EE 1r相對相對電容率電容率電容率電容率r00E+ + + + + + + +

16、 + + + - - - - - - - - - - -E00E電介質(zhì)內(nèi)任意電介質(zhì)內(nèi)任意點的電場強度點的電場強度為原來真空時為原來真空時電場強度的電場強度的1/ r第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件二二 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化無極無極分子電介質(zhì)：（氫、甲烷、石蠟等）分子電介質(zhì)：（氫、甲烷、石蠟等）有極有極分子電介質(zhì)：（水、有機玻璃等）分子電介質(zhì)：（水、有機玻璃等）電介質(zhì)的分電介質(zhì)的分類類第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第

17、二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件+ + + + + + - - - - - - + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -dr三三 電介質(zhì)中的電場強度電介質(zhì)中的電場強度 極化電荷與自由電荷的關(guān)系極化電荷與自由電荷的關(guān)系r00EEEE0rr1EE0rr10rr1QQ0000r/EEE0EEEr0(1)E第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件0rr1QQ)(1d00QQSESEEDr0電位移矢量電位移矢量（均勻各向同性介

18、質(zhì)）（均勻各向同性介質(zhì)）00+ + + + + + - - - - - - + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -rS電容率電容率r0r00dQSES 電位移通量電位移通量0dQsDs10-3 電位移電位移 有電介質(zhì)時的高斯定理有電介質(zhì)時的高斯定理第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件電位移矢量電位移矢量ED（均勻均勻介質(zhì)）介質(zhì)）有介質(zhì)時的高斯定理有介質(zhì)時的高斯定理iiSQSD0d電容率電容率r0有介質(zhì)時先求有介質(zhì)時先求 UED注意注意r

19、0EE （均勻均勻介質(zhì)）介質(zhì)）電場強度電場強度第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件r 例例 常用的圓柱形電容器，是由半徑為常用的圓柱形電容器，是由半徑為 的長的長直圓柱導(dǎo)體和同軸的半徑為直圓柱導(dǎo)體和同軸的半徑為 的薄導(dǎo)體圓筒組成，的薄導(dǎo)體圓筒組成，并在直導(dǎo)體與導(dǎo)體圓筒之間充以相對電容率為并在直導(dǎo)體與導(dǎo)體圓筒之間充以相對電容率為 的的電介質(zhì)電介質(zhì).設(shè)直導(dǎo)體和圓筒單位長度上的電荷分別為設(shè)直導(dǎo)體和圓筒單位長度上的電荷分別為 和和 .求（求（1）電介質(zhì)中的電場強度和電位移；電介質(zhì)中的電場強度和電位移；（）（）電介質(zhì)內(nèi)、外表面的極化電荷面密度電介質(zhì)內(nèi)、外表面的極化電荷面密度1R2Rr1R2R第十章第十章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)物理學教程物理學教程（第二版）（第二版）廣東海洋大學理學院廣東海洋大學理學院教學課件教學課件lSDSd解