導(dǎo)體電介質(zhì)精品課件

1、導(dǎo)體電介質(zhì)第1頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三如圖，均勻各向同性電介質(zhì)中任一點的總電場+-+-同時考慮自由電荷和極化電荷產(chǎn)生的電場一、有電介質(zhì)時的高斯定理總電場自由電荷束縛電荷如圖取一閉合高斯面，側(cè)面面積為S所包圍的極化電荷所包圍的自由電荷Sqis=總電場外電場極化電荷電場第2頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三由高斯定理利用自由電荷和極化電荷的關(guān)系定義：電位移矢量有介質(zhì)時的高斯定理通過電介質(zhì)中任一閉合曲面的電位移通量等于該面包圍的自由電荷的代數(shù)和。+-+-第3頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三（1） 是輔助量,是為了計算方便、

2、定理形式上的簡單而引入的，沒有確切的物理意義； 描述電場性質(zhì)的物理量仍然是 和 U。(2) 電位移通量只和自由電荷聯(lián)系在一起的，因此， 給計算帶來了很大方便。自由電荷討論第4頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三同時描述電場和電介質(zhì)極化的復(fù)合矢量，但性質(zhì)不同。+電場線電位移線電場線是起始于正電荷，中止于負電荷電位移線是起始于正的自由電荷，中止于負的自由電荷電位移線與電場線（比較）(3)電位移矢量第5頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三(4) 對各向同性介質(zhì),某點的 確定， 也確定。 兩者關(guān)系：有介質(zhì)時先求 (5) 之間的關(guān)系(各向同性電介質(zhì))第6頁，共37

3、頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三（3）根據(jù)電極化強度與電場的關(guān)系，求出電極化強度 。（4）根據(jù)束縛電荷與電極化強度關(guān)系，求出束縛電荷。（1）分析自由電荷分布的對稱性，選擇適當?shù)母咚姑妫?求出電位移矢量 。（2）根據(jù)電位移矢量與電場的關(guān)系，求出電場強度 。有電介質(zhì)存在時的高斯定理的應(yīng)用聯(lián)立求解第7頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三(D)電位移線只出現(xiàn)在有電介質(zhì)的空間關(guān)于靜電場中的電位移線，下列說法中，哪一個是正確的?(A)起自正電荷,止于負電荷,不形成閉合線,不中斷(B)任何兩條電位移線互相平行(C)起自正自由電荷，止于負自由電荷，任何兩條 電位移線在無自由電

4、荷的空間不相交例題第8頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三一無限長同軸金屬圓筒，內(nèi)筒半徑為R1，外筒半徑為R2，內(nèi)外筒間充滿相對介電常數(shù)為r的油，在內(nèi)外筒間加上電壓U (外筒為正極)，求電場。解：根據(jù)自由電荷和電介質(zhì)分布的對稱性，電場強度和電位移矢量均應(yīng)有柱對稱性。設(shè)內(nèi)圓筒單位長度帶電為， 以r為半徑、l為高，作一個與圓筒同軸的圓柱面為高斯面，則10Rr212RrRr例題第9頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三內(nèi)外筒電勢差代入得到電場的分布為：沿半徑向里由電位移與電場的關(guān)系， 知第10頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三本節(jié)主要內(nèi)容1

5、電容和電容器2電容器的并聯(lián)和串聯(lián)10-4 電容 電容器第11頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三真空中孤立導(dǎo)體球R任何孤立導(dǎo)體，q/U 只與導(dǎo)體形狀、大小以及介質(zhì)有關(guān)，而與q、U均無關(guān)。這個比值反映了導(dǎo)體帶電本領(lǐng)大小。把這個比值定義為一個新的物理量電容電容單位：法拉（F）一、孤立導(dǎo)體的電容第12頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三實際的帶電體周圍總會有其它的導(dǎo)體存在，由于靜電感應(yīng)，這實必會影響原來導(dǎo)體的電勢問題如圖為了消除其它帶電體對帶電球的影響，在它外邊加一閉合的導(dǎo)體面B。由于靜電感應(yīng)，在B的內(nèi)表面出現(xiàn)等量異號電荷-q，而外界的帶電體對A就不會有影響。

6、第13頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三帶電體A和B的電勢受外界帶電體的影響， 但AB間的電勢差卻不受外界帶電體的影響，即：與q成正比比值是一只與帶電體的大小和形狀有關(guān)的常數(shù)把它與孤立導(dǎo)體球電容比較引入電容器的概念第14頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三兩個靠的很近的，能夠帶等量異號電荷的導(dǎo)體組稱為電容器 電容器所帶電量與導(dǎo)體組的電勢差成正比，這一比值稱作電容器的電容：電容器：電容反映了電容器容納電荷本領(lǐng)大小的物理量q是一個極板上電量絕對值，UA-UB 兩板電勢差二.電容器的電容第15頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三典型的電容

7、器平行板dS柱形球形第16頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三(1)平板電容器電容與極板面積成正比，與間距成反比。平行板dS如圖：取一高斯面幾種常見真空電容器及其電容第17頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三（2）圓柱形電容器柱形hr如圖：取一高斯面第18頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三(3) 球形電容器如圖：取一高斯面第19頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三(1)并聯(lián)：(2)串聯(lián)：三、電容器的串聯(lián)和并聯(lián)第20頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三兩個半徑相同的金屬球，一為空心，一為實心，把

8、兩者各自孤立時的電容值加以比較。則(A)空心球電容值大(B)實心球電容值大(C)兩球電容值相等(D)大小關(guān)系無法確定例題第21頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三兩根平行“無限長”均勻帶電直導(dǎo)線，相距為d，導(dǎo)線半徑都是R(Rd)。導(dǎo)線上電荷線密度分別為 和 。試求該導(dǎo)體組單位長度的電容。解：以左邊的導(dǎo)線軸線上一點為原點，x軸通過兩導(dǎo)線并垂直于導(dǎo)線。兩導(dǎo)線間x處的場強為：兩導(dǎo)線間的電勢差為：設(shè)導(dǎo)線長為L的一段上所帶電量為Q，則有 ，故單位長度的電容為：o例題第22頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三本節(jié)主要內(nèi)容10-5 靜電場的能量1靜電場的能量2能量密度

9、第23頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三 設(shè)電容為C的電容器兩個極板A和B在某一時刻分別帶電 +q 和 -q ，其兩極板電勢差為U+q-q一.電容器的靜電能以平行板電容器充電過程為例，電容器在充電q 時所具有的能量的計算如下:dSAB要把正電荷dq從負極板上移到正極板，必須借助于外力克服靜電場力而做功：第24頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三+Q-Q當電容器兩極板分別帶上+Q和-Q，則外力克服靜電場力所作的功由功能原理，外力的功使電容器的能量增加。即充電過程使電容器儲存了電量電容器充電過程就是通過外力克服靜電場力做功，把非靜電能轉(zhuǎn)化為電容器電能的過程

10、dSAB第25頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三它是計算電容器儲存靜電能的普遍公式由上討論可知，電容器是一個儲能元件。那么，靜電能量到底儲存在什么地方呢？這就是平行平板電容器儲存的靜電能的計算公式這一公式也適用于球形、柱形電容器等第26頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三仍考慮平行平板電容器，極板間的場強為兩極板間的電勢差板上電荷代入電容器靜電能的計算公式+Q-QdSAB第27頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三 V 是電容器極板間的體積， 即極板間電場所在區(qū)域的體積上式表明：靜電能可以用表征電場性質(zhì)的場強來表示而且和電場所占體積V

11、 成正比，上式正確表述出靜電能的歸屬性質(zhì) 靜電能是儲存在電場中實驗也證明：電場本身具有能量， 電場具有能量是其物質(zhì)性的表現(xiàn)之一 +Q-QdSAB第28頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三由于平行平板之間的電場是均勻的，所儲存的靜電能也應(yīng)該均勻分布的，單位體積中的電場能，即真空中電場能量密度各向同性均勻電介質(zhì)的電場中三、靜電場能 場能密度+Q-QdSAB電介質(zhì)電場能量密度第29頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三已知電場分布，根據(jù)電場能量密度計算電場能 上述結(jié)果是一個普遍適用的公式，在非均勻電場和變化的電磁場中仍然是正確的，只是解題指導(dǎo)：求電場能量時，由于

12、場中的 各處不同，能量體密度 各處也不同，這時需要把電場存在的空間分割成許多小體積元dV ，該電場的總能量可以由積分求得。第30頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三解: 如圖：取一半徑為r的球面高斯面在半徑為r處取一球殼,其體積為此處電場能量密度為球形電容器的內(nèi)外半徑分別為R1和R2，所帶電荷為Q 和-Q，在兩球殼間充以相對介電常數(shù)為 的電介質(zhì)，問此電容器的儲存的電場能為多少？例題第31頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三在體積為 的球殼內(nèi)的電場能量為第32頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三如果某帶電體其電荷分布的體密度 增大為原來

13、的2倍，則其電場的能量變?yōu)樵瓉淼?A) 2倍(B) 1/2倍(C) 4倍(D) 1/4倍例題第33頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三(D) 球體內(nèi)的靜電能大于球面內(nèi)的靜電能，球體外的靜電能小于球面外的靜電能真空中有“孤立的”均勻帶電球體和一均勻帶電球面，如果它們的半徑和所帶的電荷都相等，則它們的靜電能之間的關(guān)系是(A) 球體的靜電能等于球面的靜電能(B) 球體的靜電能大于球面的靜電能(C) 球體的靜電能小于球面的靜電能例題第34頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三(D) Q增大，E增大，W減小一平行板電容器充電后仍與電源連接，若將電容器兩極板間距離拉大，則極板上的電荷Q、電場強度大小E和電場能量W將發(fā)生如下變化(A) Q增大，E增大，W增大(B) Q減小，E減小，W減小(C) Q增大，E減小，W增大仍與電源連接U不變E減小d 增大C 減小Q 減小W 減小例題第35頁，共37頁，2022年，5月20日，2點19分，星期三Lab如圖所示，一電容器由兩個同軸圓筒組成，內(nèi)筒半徑為a，外筒半徑為b，筒長是L，中間充滿相對介電常量為 的各向同性均勻電介質(zhì)。內(nèi)、外筒分別帶有等量異號電荷Q和-Q。設(shè)(b-a)b，可以忽略邊緣效應(yīng)。 求：(1) 圓柱形電容器的電容； (2) 電容器貯存的能量。解：