8-1靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體ppt課件

1、 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系 本章研討物質(zhì)導(dǎo)體、電介質(zhì)與靜電場(chǎng)本章研討物質(zhì)導(dǎo)體、電介質(zhì)與靜電場(chǎng)的相互作用。的相互作用。 物質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生變化，而這些變化物質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生變化，而這些變化對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生的影響。對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生的影響。第八章第八章 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)物質(zhì)與場(chǎng)是物質(zhì)存在的兩種方式物質(zhì)與場(chǎng)是物質(zhì)存在的兩種方式. . 由于物質(zhì)的固有電構(gòu)造不同，所以不同物由于物質(zhì)的固有電構(gòu)造不同，所以不同物質(zhì)處于外電場(chǎng)中時(shí)表現(xiàn)出的特性也就不同，電質(zhì)處于外電場(chǎng)中時(shí)表現(xiàn)出的特性也就不同，電場(chǎng)做出的呼應(yīng)也不同。場(chǎng)做出的呼應(yīng)也不同。 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系靜電場(chǎng)與導(dǎo)

2、體的相互作用靜電場(chǎng)與導(dǎo)體的相互作用靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)介質(zhì)極化介質(zhì)極化電介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)電介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)有物質(zhì)存在時(shí)，電場(chǎng)依然滿足有物質(zhì)存在時(shí)，電場(chǎng)依然滿足0iiSqSEd0LlEd靜電場(chǎng)與電介質(zhì)的相互作用靜電場(chǎng)與電介質(zhì)的相互作用 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系8-1 8-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體一、靜電平衡形狀一、靜電平衡形狀 +感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷1.1.靜電平衡形狀：導(dǎo)體內(nèi)部和外表都沒有電荷的靜電平衡形狀：導(dǎo)體內(nèi)部和外表都沒有電荷的宏觀挪動(dòng)。宏觀挪動(dòng)。 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系0E+E0E0E2) 2) 導(dǎo)體外表任何一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)都垂直外表導(dǎo)體外表任何一點(diǎn)

3、的場(chǎng)強(qiáng)都垂直外表 。1) 1) 導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零. .外電場(chǎng)強(qiáng)度外電場(chǎng)強(qiáng)度0E導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度E 感應(yīng)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度感應(yīng)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度E2.2.靜電平衡條件靜電平衡條件 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系二、導(dǎo)體到達(dá)靜電平衡時(shí)的性質(zhì)二、導(dǎo)體到達(dá)靜電平衡時(shí)的性質(zhì)1 1、電勢(shì)特點(diǎn)、電勢(shì)特點(diǎn)ab在導(dǎo)體內(nèi)部任取兩點(diǎn)在導(dǎo)體內(nèi)部任取兩點(diǎn)a a、b b，電勢(shì)差為電勢(shì)差為結(jié)論：在靜電平衡形狀下，導(dǎo)體是一個(gè)等勢(shì)體，結(jié)論：在靜電平衡形狀下，導(dǎo)體是一個(gè)等勢(shì)體，導(dǎo)體外表是等勢(shì)面。導(dǎo)體外表是等勢(shì)面。babal dEVVbal d00導(dǎo)體內(nèi)部恣意兩點(diǎn)的電勢(shì)差為零導(dǎo)體內(nèi)部恣意兩

4、點(diǎn)的電勢(shì)差為零. . 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系+ + + + + + + + + + +2 2、電荷分布特點(diǎn)實(shí)心導(dǎo)體、電荷分布特點(diǎn)實(shí)心導(dǎo)體Sp結(jié)論：導(dǎo)體處于靜電平衡時(shí)，電荷只分布在導(dǎo)體結(jié)論：導(dǎo)體處于靜電平衡時(shí)，電荷只分布在導(dǎo)體外表，導(dǎo)體內(nèi)部無(wú)凈電荷。外表，導(dǎo)體內(nèi)部無(wú)凈電荷。ssdE0 在導(dǎo)體內(nèi)部做一高斯面，因?qū)w內(nèi)部各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)在導(dǎo)體內(nèi)部做一高斯面，因?qū)w內(nèi)部各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)處處為零，那么處處為零，那么由高斯定理由高斯定理0iiq S 可以取為無(wú)窮小，導(dǎo)體內(nèi)部不能夠有凈電可以取為無(wú)窮小，導(dǎo)體內(nèi)部不能夠有凈電荷出現(xiàn)。荷出現(xiàn)。 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系3 3、電場(chǎng)分布特點(diǎn)、電場(chǎng)分布特點(diǎn)

5、1 1導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零 E=0 E=02 2導(dǎo)體外表附近的場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)體外表附近的場(chǎng)強(qiáng)大?。捍笮。?E方向：垂直于導(dǎo)體外表方向：垂直于導(dǎo)體外表證明證明E0E+ 為外表電荷面密度為外表電荷面密度 作錢幣形高斯面作錢幣形高斯面 S S 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系0ESSEdSSSSESEdd表SE 表由高斯定理有由高斯定理有0SSE表E0E+ 外表電場(chǎng)強(qiáng)度的大小與該外表電荷外表電場(chǎng)強(qiáng)度的大小與該外表電荷面密度成正比。面密度成正比。思索：此思索：此E E只是電荷只是電荷S S產(chǎn)生的，還是一切電產(chǎn)生的，還是一切電荷產(chǎn)生的？荷產(chǎn)生的？ 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系導(dǎo)體

6、外形導(dǎo)體外形周圍環(huán)境周圍環(huán)境導(dǎo)體外表平坦處，電荷面密度小導(dǎo)體外表平坦處，電荷面密度小. .4 4 導(dǎo)體外表電荷分布與導(dǎo)體外形的關(guān)系導(dǎo)體外表電荷分布與導(dǎo)體外形的關(guān)系+導(dǎo)體外表電荷分布與導(dǎo)體外表電荷分布與孤立導(dǎo)體的面電荷分布僅與導(dǎo)體的外表曲率有關(guān)孤立導(dǎo)體的面電荷分布僅與導(dǎo)體的外表曲率有關(guān). .有關(guān)有關(guān)導(dǎo)體外表凸出鋒利處，電荷面密度最大導(dǎo)體外表凸出鋒利處，電荷面密度最大. 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系5 5 尖端放電尖端放電危害危害 尖端放電會(huì)損耗電能尖端放電會(huì)損耗電能, , 還會(huì)干擾精細(xì)丈量和還會(huì)干擾精細(xì)丈量和對(duì)通訊產(chǎn)生危害對(duì)通訊產(chǎn)生危害. . 尖端放電景象：導(dǎo)體外表曲率越大的地方尖端放電

7、景象：導(dǎo)體外表曲率越大的地方, , 電電荷分布的密度越大荷分布的密度越大, , 電場(chǎng)強(qiáng)度大，大的場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)電場(chǎng)強(qiáng)度大，大的場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)致空氣電離，構(gòu)成放電輝光，電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為光致空氣電離，構(gòu)成放電輝光，電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為光能、熱能及空氣分子的運(yùn)動(dòng)能量等。能、熱能及空氣分子的運(yùn)動(dòng)能量等。 運(yùn)用運(yùn)用范德格拉夫起電機(jī)范德格拉夫起電機(jī), ,靜電復(fù)印機(jī)靜電復(fù)印機(jī). . 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系+ + + + + + + + + + +00diSqSE，1 1 空腔內(nèi)沒有帶電體空腔內(nèi)沒有帶電體S電荷會(huì)分布在導(dǎo)體的內(nèi)外表上嗎？電荷會(huì)分布在導(dǎo)體的內(nèi)外表上嗎？那么那么A A、B B間的電勢(shì)差間的電勢(shì)差BABAlEVV

8、0d但導(dǎo)體是等勢(shì)體，故內(nèi)外表不帶電。但導(dǎo)體是等勢(shì)體，故內(nèi)外表不帶電。S+ + +- - -AB在導(dǎo)體內(nèi)部做高斯面在導(dǎo)體內(nèi)部做高斯面S S，由于，由于導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)處處為零，導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)處處為零，E E0 0三、空腔導(dǎo)體與靜電屏蔽三、空腔導(dǎo)體與靜電屏蔽由高斯定理由高斯定理反證法反證法: :假設(shè)內(nèi)外表假設(shè)內(nèi)外表A A處帶正電，處帶正電，B B處帶負(fù)電處帶負(fù)電 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系 結(jié)論：結(jié)論：1 1電荷只分布在導(dǎo)體外外表。電荷只分布在導(dǎo)體外外表。2 2導(dǎo)體腔內(nèi)電場(chǎng)處處為零，與導(dǎo)體腔外有無(wú)電場(chǎng)、導(dǎo)體腔內(nèi)電場(chǎng)處處為零，與導(dǎo)體腔外有無(wú)電場(chǎng)、有無(wú)帶電體無(wú)關(guān)。有無(wú)帶電體無(wú)關(guān)。 導(dǎo)體內(nèi)部空間不遭到導(dǎo)

9、體外部電場(chǎng)的影響，導(dǎo)體內(nèi)部空間不遭到導(dǎo)體外部電場(chǎng)的影響，此景象稱為靜電屏蔽景象。此景象稱為靜電屏蔽景象。 0E 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系q2 2 空腔內(nèi)有帶電體空腔內(nèi)有帶電體q2S00d1iSqSE，qq內(nèi)內(nèi)qQ1S再做高斯面再做高斯面S2S2將空腔內(nèi)外表包圍將空腔內(nèi)外表包圍00d2iSqSE，在導(dǎo)體內(nèi)部做高斯面在導(dǎo)體內(nèi)部做高斯面S1S1，因，因?qū)w內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)E E0 0Q內(nèi)外表上有電荷分布嗎？?jī)?nèi)外表上有電荷分布嗎？電荷守恒定律電荷守恒定律, ,外外表電荷外外表電荷qQq外外 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系 結(jié)論：結(jié)論：1 1導(dǎo)體內(nèi)外表的帶電量與腔內(nèi)帶電體的電量等導(dǎo)體內(nèi)外表的帶

10、電量與腔內(nèi)帶電體的電量等量異號(hào)。量異號(hào)。2 2導(dǎo)體腔內(nèi)外表的電荷分布由導(dǎo)體腔內(nèi)外表的電荷分布由腔內(nèi)帶電體腔內(nèi)帶電體空腔內(nèi)外表外形空腔內(nèi)外表外形二者決議二者決議3 3腔內(nèi)電荷分布和電場(chǎng)與腔外無(wú)關(guān)。腔內(nèi)電荷分布和電場(chǎng)與腔外無(wú)關(guān)。 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系4)4)腔內(nèi)帶電體位置的挪動(dòng)，不影響腔外電場(chǎng)。腔內(nèi)帶電體位置的挪動(dòng)，不影響腔外電場(chǎng)。 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系3 3、空腔導(dǎo)體接地、空腔導(dǎo)體接地 空腔外外表不出現(xiàn)感應(yīng)電荷，腔內(nèi)帶電體空腔外外表不出現(xiàn)感應(yīng)電荷，腔內(nèi)帶電體對(duì)腔外不產(chǎn)生任何影響。對(duì)腔外不產(chǎn)生任何影響。 接地空腔導(dǎo)體可使腔內(nèi)、腔外互不影響，接地空腔導(dǎo)體可使腔內(nèi)、腔外

11、互不影響，實(shí)現(xiàn)完全的靜電屏蔽。實(shí)現(xiàn)完全的靜電屏蔽。 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系解：設(shè)四個(gè)面電荷密度分別為解：設(shè)四個(gè)面電荷密度分別為 1 1， 2 2， 3 3， 4 4如圖做圓柱形高斯面如圖做圓柱形高斯面03200dSqSEiS例例1 AB1 AB為兩個(gè)平行放置的無(wú)限大均勻帶電導(dǎo)為兩個(gè)平行放置的無(wú)限大均勻帶電導(dǎo)體平板，體平板，A A板帶電量板帶電量qA,BqA,B板帶電量板帶電量qB,qB,求兩板四求兩板四個(gè)外表上的電荷面密度個(gè)外表上的電荷面密度. .AB1234032 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系A(chǔ)qs )(21B 板內(nèi)任取一點(diǎn)板內(nèi)任取

12、一點(diǎn)P0222204030201 041又又解得解得ABPsqqBA241Bqs )(43sqqBA232 0PE 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系1R2RRqQ 例例2 有一內(nèi)半徑有一內(nèi)半徑R1和外半徑和外半徑R2的金屬球殼，在球的金屬球殼，在球殼內(nèi)放一半徑殼內(nèi)放一半徑R的同心金屬球，金屬球和球殼帶電的同心金屬球，金屬球和球殼帶電量分別為量分別為q和和Q，問，問1兩球體上的電荷如何分布？?jī)汕蝮w上的電荷如何分布？解：根據(jù)靜電平衡的條件和電荷守恒求電荷分布解：根據(jù)靜電平衡的條件和電荷守恒求電荷分布小球上電量小球上電量q q均勻分布在外表均勻分布在外表在球殼緊貼內(nèi)外表作高斯面在球殼緊貼內(nèi)外表作高斯面S SSr0SsEd0iiqqq內(nèi)內(nèi) 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系球殼外外表上有球殼外外表上有q+Qq+Q的電荷均勻分布的電荷均勻分布球殼內(nèi)外表上有球殼內(nèi)外表上有-q-q的電荷均勻分布的電荷均勻分布電荷守恒定律電荷守恒定律qQq外外qqQq 太原理工大學(xué)物理系太原理工