理工05靜止電荷的電場

1、結構框圖第五章 靜止電荷的電場Electrostatic field電荷相互 作用 庫侖定律靜電場電場強度電通量環(huán)路定理電勢靜電場的基本性質與帶電粒子的相互作用導體的靜電平衡電位移矢量 介質中高斯定理電介質極化電場能靜電力疊加原理電容力功1 一 掌握描述靜電場的兩個物理量電場強度和電勢的概念，理解電場強度 是矢量點函數(shù)，而電勢V 則是標量點函數(shù). 二 理解高斯定理及靜電場的環(huán)路定理是靜電場的兩個重要定理，它們表明靜電場是有源場和保守場. 三 掌握用點電荷電場強度和疊加原理以及高斯定理求解帶電系統(tǒng)電場強度的方法；并能用電場強度與電勢梯度的關系求解較簡單帶電系統(tǒng)的電場強度. 四 掌握用點電荷和疊加

2、原理以及電勢的定義式求解帶電系統(tǒng)電勢的方法. 五 了解電偶極子概念，能計算電偶極子在均勻電場中的受力和運動.教學基本要求2 六 理解靜電場中導體處于靜電平衡時的條件，并能從靜電平衡條件來分析帶電導體在靜電場中的電荷分布. 八 理解電容的定義，并能計算幾何形狀簡單的電容器的電容. 九 了解靜電場是電場能量的攜帶者，了解電場能量密度的概念，能用能量密度計算電場能量. 七 了解電介質的極化及其微觀機理，了解電位移矢量 的概念，以及在各向同性介質中， 和電場強度 的關系 . 了解電介質中的高斯定理，并會用它來計算對稱電場的電場強度.3物理學的第二次大綜合法拉第的電磁感應定律： 電磁一體麥克斯韋電磁場統(tǒng)

3、一理論（19世紀中葉）赫茲在實驗中證實電磁波的存在，光是電磁波.技術上的重要意義：發(fā)電機、電動機、無線電技術等.庫侖定律： 電荷與電荷間的相互作用 （磁極與磁極間的相互作用） 奧斯特的發(fā)現(xiàn)： 電流的磁效應，安培發(fā)現(xiàn)電流與電流 間的相互作用規(guī)律. 45-1 電荷 庫侖定律一、電荷對電的最早認識：摩擦起電和雷電兩種電荷：正電荷和負電荷電性力：同號相斥、異號相吸電荷量：物體帶電的多少5二、電荷守恒定律 物質由原子組成，原子由原子核和核外電子組成，原子核又由中子和質子組成。中子不帶電，質子帶正電，電子帶負電。質子數(shù)和電子數(shù)相等，原子呈電中性。由大量原子構成的物體也就處于電中性狀態(tài)，對外不顯示電性。物質

4、的電結構理論6起電的實質 所謂起電，實際上是通過某種作用，使物體內電子不足或者過多而呈現(xiàn)帶電狀態(tài)。通過摩擦可使兩個物體接觸面溫度升高，促使一定量的電子獲得足夠的動能從一個物體遷移到另一個物體，從而使獲得更多電子的物體帶負電，失去電子的物體帶正電。7 在沒有凈電荷出入邊界的系統(tǒng)中,電荷的代數(shù)和保持不變.2）電荷可以成對產生或湮滅，但代數(shù)和不變1）自然界的基本守恒定律之一電荷守恒定律 8 強子的夸克模型具有分數(shù)電荷（ 或 電子電荷）但實驗上尚未直接證明.基本性質1 電荷有正負之分；2 電荷量子化； 電子電荷 3 同性相斥，異性相吸.1906-1917年，密立根用液滴法首先從實驗上證明了，微小粒子帶

5、電量的變化不連續(xù)。 電荷的吸引與排斥c.exe三 電荷的量子化91 點電荷模型 1） 概念：當帶電體的大小和形狀可以忽略時,可把電荷看成是一個帶電的點，稱為點電荷四、庫侖定律102 庫侖定律 ( Coulomb Law)1785年，庫侖通過扭秤實驗得到。 文字表述： 在真空中，兩個靜止點電荷之間的相互作用力大小，與它們的電量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比；作用力的方向沿著它們的聯(lián)線，同號電荷相斥，異號電荷相吸。11海南大學海 納 百 川大 道 致 遠第五章 靜止電荷的電場 5-1 電荷 庫侖定律（ 為真空電容率）1） 單位制有理化令說明2）庫侖定律遵守牛頓第三定律3）是基本實驗定律，

6、宏觀微觀皆適用4）應用時注意點電荷模型12Quick Quiz 5.1已知：求 q1=+2C， q2=+6C，下列哪個表述是正確的？13解 例 在氫原子內,電子和質子的間距為 . 求它們之間電相互作用和萬有引力,并比較它們的大小.（微觀領域中,萬有引力比庫侖力小得多,可忽略不計.）Example4.1-P139-5-1電力、引力14例5-2 三個電荷量均為q的正負電荷，固定在一邊長a=1m 的等邊三角形的頂角（圖a)上。 另一個電荷+Q在這三個電荷靜電力作用下可沿其對稱軸（o-x）自由移動，求電荷+Q的平衡位置和所受到的最大排斥力的位置。o-qq+Qqara/2xy(a)Example1-P1

7、39-5-215F3解：如圖b所示，o-qq+Qqara/2xy(b)F1F2式中正電荷Q受到-q的吸引力F1沿ox軸負方向；兩個+q對它的排斥力F2和F3的合力沿ox正方向；因此，作用在Q上的總合力為：16則令可求得Q受到零作用力的位置可求得Q受到最大排斥力的位置再令175-2 靜電場 電場強度一.電場( electric field ) 兩種觀點超距作用作用電場電荷1電荷2電場1電場2電荷1電荷2產生作用作用產生靜電場：相對于觀察者靜止的電荷在周圍空間激發(fā)的電場。電場力：電場對處于其中的其他電荷的作用力，電荷間的相互作用力本質上是各自的電場作用于對方的電場力。18 實驗證實了兩靜止電荷間存

8、在相互作用的靜電力但其相互作用是怎樣實現(xiàn)的？電 荷電 場電 荷 1.概念：電荷周圍空間具有特殊形態(tài)和物理性質的物質稱為電場，對觀察者相對靜止的電荷所產生的電場，稱為靜電場。2.特點: 處于電場中的任何電荷都將受到電場力的作用;當電荷相對于觀測者運動時，電場是變化的;電場能使引入電場中的導體或電介質分別產生靜電感應現(xiàn)象或極化現(xiàn)象。19線度足夠地小場點確定；電量充分地小不至于使場源電荷重新分布。1、試驗電荷大?。簡挝徽姾墒芰挝唬篘/C 、V/m2、q0只是使場顯露出來，即使無q0 ， 也存在。此式為電場強度的定義式說明二、電場強度 (electric field strength)203.背景

9、問題 實驗證實兩靜止電荷間存在相互作用力，但其相互作用是怎樣實現(xiàn)的？方案電荷電荷電荷電場電荷超距作用:場作用錯對4.說明：實物物 質 場 電場的物質性體現(xiàn)在：(1)給電場中的帶電體施以力的作用；(2)當帶電體在電場中移動時，電場力作功，這表明電場具有能量；(3)變化的電場以光速在空間傳播，表明電場具有動量。 電場具有動量、質量、能量，體現(xiàn)了它的物質性.21點電荷試驗電荷方向試驗電荷受力場強疊加原理由定義三、電場疊加原理22海南大學海 納 百 川大 道 致 遠第五章 靜止電荷的電場 10-2 電場 電場強度1.點電荷的場強根據(jù)庫侖定律和場強的定義四、電場強度的計算23海南大學海 納 百 川大 道

10、 致 遠第五章 靜止電荷的電場 10-2 電場 電場強度思考由點電荷場強公式,如上圖所示,是否有24海南大學海 納 百 川大 道 致 遠第五章 靜止電荷的電場 10-2 電場 電場強度2.點電荷系的場強由場強疊加原理253.電荷連續(xù)分布的帶電體的場強場強疊加原理分量式Q26補充電偶極子是一種非常重要的物理模型電偶極矩（電矩）兩個等量異號電荷-q,+q相距為r0,該帶電體系為電偶極子; 用 表示從q到q的位矢.例題5-3求：電偶極子中垂面上任意點的場強視頻Example 4.2-P145-5-3-電偶極子27海南大學海 納 百 川大 道 致 遠第五章 靜止電荷的電場 10-2 電場 電場強度解一

11、定義：偶極矩r+= r- =R r+-XY28海南大學海 納 百 川大 道 致 遠第五章 靜止電荷的電場 10-2 電場 電場強度解定義：偶極矩r lr+= r- r+-29yxA(x,0)+電偶極子軸線的延長線上一點的電場。解：電偶極子軸線的延長線上任一點A(x,0)的電場。+ A點總場強為：+30因為31 解：建立直角坐標系 取線元dx 帶電將投影到坐標軸上ap1 2dExdEydxr例5-4 求距離均勻帶電細棒為a 的 p點處電場強度。 設棒長為L , 帶電量q ，電荷線密度為l =q/LExample 4.3-P147-5-4-細棒32 積分變量代換 代入積分表達式 同理可算出ap1

12、2dEdEydxr33當直線長度無限長均勻帶電直線的場強：極限情況，由34海南大學海 納 百 川大 道 致 遠第五章 靜止電荷的電場 10-2 電場 電場強度由對稱性均勻帶電細棒，長 L ，電荷線密度 ，求：中垂面上的場強 。解 ：0yx035 例7-6 求一均勻帶電圓環(huán)軸線上任一點x處的電場。xpRExample6-P148-5-5-圓環(huán)36pxRr解： 例7-6 求一均勻帶電圓環(huán)軸線上任一點x處的電場。37所以，由對稱性當dq 位置發(fā)生變化時，它所激發(fā)的電場矢量構成了一個圓錐面。.38由對稱性xpRr39討論：即在圓環(huán)的中心，E=0由當0=x當時即p點遠離圓環(huán)時，與環(huán)上電荷全部集中在環(huán)中心

13、處一個點電荷所激發(fā)的電場相同。40Rrdr例7-7 求均勻帶電圓盤軸線上任一點的電場。解：由例6均勻帶電圓環(huán)軸線上一點的電場xPExample3-P149-5-6-圓面41討論：1. 當xR2. 當 0 RX = 0 例題Ux785-5等勢面 電場強度與電勢梯度的關系 空間電勢相等的點連接起來所形成的面稱為等勢面. 為了描述空間電勢的分布，規(guī)定任意兩相鄰等勢面間的電勢差相等.一 等勢面（電勢圖示法） 在靜電場中，電荷沿等勢面移動時，電場力做功+UaUbUcP1P279 在靜電場中，電場強度 總是與等勢面垂直的，即電場線是和等勢面正交的曲線簇. 按規(guī)定，電場中任意兩相鄰等勢面之間的電勢差相等，即

14、等勢面的疏密程度同樣可以表示場強的大小80點電荷的等勢面81兩平行帶電平板的電場線和等勢面+ + + + + + + + + + + + 82一對等量異號點電荷的電場線和等勢面+83 電場中某一點的電場強度沿某一方向的分量，等于這一點的電勢沿該方向單位長度上電勢變化率的負值.二 、電場強度與電勢梯度84高電勢低電勢方向 與 相反，由高電勢處指向低電勢處大小85（電勢梯度） 直角坐標系中 為求電場強度 提供了一種新的途徑求 的三種方法利用電場強度疊加原理利用高斯定理利用電勢與電場強度的關系物理意義 （1）空間某點電場強度的大小取決于該點領域內電勢 的空間變化率.（2）電場強度的方向恒指向電勢降落

15、的方向.分析86 電場線和等勢面的關系1）電場線與等勢面處處正交. （等勢面上移動電荷，電場力不做功.）2）等勢面密處電場強度大；等勢面疏處電場強度小. 1）電場弱的地方電勢低；電場強的地方電勢高嗎？ 2） 的地方， 嗎 ？ 3） 相等的地方， 一定相等嗎？等勢面上 一定相等嗎 ？分析8788解：設圓盤上的電荷面密度為軸線上任一點p到中空圓盤的距離為x，在圓盤上取半徑為r寬為dr的圓環(huán)，環(huán)上所帶電荷為例5-16 將半徑為R2 的圓盤在盤心處挖去半徑為R1的小孔,并使盤均勻帶電.試通過用電勢梯度求電場強度的方法,計算這個中空帶電圓盤軸線上任一點P處的電場強度Example-電勢電場89該圓環(huán)在p

16、點的電勢為整個中空圓盤在該點的電勢為90由于電荷的軸對稱分布，915-6 靜電場中的導體92一、帶電粒子在靜電場中的運動視頻93 外電場對電偶極子的力矩和取向作用 勻強電場中 非勻強電場中穩(wěn)定平衡非穩(wěn)定平衡94電偶極子在電場中的電勢能和平衡位置能量最低能量最高95+（1）96XYO+qxy（2）97+感應電荷flash1二、 導體的靜電平衡98+99+導體內電場強度外電場強度感應電荷電場強度導體中沒有電荷作宏觀定向運動的狀態(tài)稱為靜電平衡狀態(tài)100+ +導體是等勢體靜電平衡條件（1）導體內部任何一點處的電場強度為零；（2）導體表面處的電場強度的方向,都與導體表面垂直. 導體表面是等勢面 導體內部

17、電勢相等101+結論 導體內部無電荷1實心導體2有空腔導體 空腔內無電荷電荷分布在表面上內表面上有電荷嗎？三、導體上的電荷分布102若內表面帶電所以內表面不帶電+- 結論 電荷分布在外表面上（內表面無電荷）+矛盾導體是等勢體103 3.腔內有帶電體： 腔體內表面所帶的電量和腔內帶電體所帶的電量等量異號，腔體外表面所帶的電量由電荷守恒定律決定。未引入q時放入q后+q+104 空腔內有電荷電荷分布在表面上內表面上有電荷嗎？ 結論 當空腔內有電荷 時,內表面因靜電感應出現(xiàn)等值異號的電荷 ，外表面有感應電荷 （電荷守恒）1053.導體表面電荷分布+注意 導體表面電荷分布與導體形狀以及周圍環(huán)境有關.10

18、6+ 為表面電荷面密度 作錢幣形高斯面 S 表面電場強度的大小與該表面電荷面密度成正比4.導體表面電場強度與電荷面密度的關系107帶電導體尖端附近電場最強 帶電導體尖端附近的電場特別大，可使尖端附近的空氣發(fā)生電離而成為導體產生放電現(xiàn)象，即尖端放電 . 尖端放電會損耗電能, 還會干擾精密測量和對通訊產生危害 . 然而尖端放電也有很廣泛的應用 . 尖端放電現(xiàn)象尖端放電現(xiàn)象的利與弊108+尖端放電現(xiàn)象的利用靜電蠟燭視頻避雷針原理視頻109例5-14 （1）如果人體感應出1C的電荷，試以最簡單的模型估計人體的電勢可達多少？（2）在干燥的天氣里，空氣的擊穿電場強度為3MV/m，當人手指接近門上的金屬門把

19、手時可能產生的電火花有多長？解：把人體看作半徑1m的球體，于是人的電勢為V火花放電長度為mmExample-P171-5-14-人體感應110例5-15 兩平行放置的帶電大金屬板A和B，面積均為S，A板帶電QA，B板帶電QB，忽略邊緣效應，求兩塊板四個面的電荷面密度。解：設兩板四個面的電荷面密度分別為AB在兩個板內各選一點P1、P2，由于靜電平衡，導體內任一點電場強度為零由于電場為四個面上電荷共同激發(fā)的，取X軸正方向如圖 Example-P172-5-15-人體感應111對P1對P2得可見，平行放置的帶電大金屬板相向兩個面上電荷面密度大小相等，符號相反；相背兩個面上電荷面密度大小相等，符號相同

20、。AB112例7-20 靜電除塵器由半徑為ra的金屬圓筒(陽極)和半徑為rb 的同軸圓細線(陰極).如果空氣在一般情況下的擊穿電場強度為3.0MV/m,試提出一個靜電除塵器圓筒和中心線粗細的設計方案.灰塵出口解:中心軸線帶電后,距中心軸r處的電場強度這里是中心軸線上的電荷線密度.中心軸線與金屬圓筒間的電勢差為Example-P173-5-16-靜電除塵器113上面兩式相除消去,有上式說明中心軸線與金屬圓筒間加上電勢差U后,在圓筒內的電場隨r迅速減小.中心軸線處電場最強,靠近外圓筒處最弱.在所加電壓和某點場強(如:筒內表面附近為3.0MV/m)已知情況下,利用上面場強公式原則上可以算出所需筒與線

21、的尺寸.但為一超越方程,一般用計算機進行數(shù)值求解.114四、空腔導體內外的靜電場 1屏蔽外電場外電場 空腔導體可以屏蔽外電場, 使空腔內物體不受外電場影響.這時,整個空腔導體和腔內的電勢也必處處相等.空腔導體屏蔽外電場115 接地空腔導體將使外部空間不受空腔內的電場影響. 問：空間各部分的電場強度如何分布 ？接地導體電勢為零 3屏蔽腔內電場+116外電場2.接地空腔導體屏蔽內外場接地空腔導體屏蔽內外場q117 有導體存在時靜電場場量的計算原則1.靜電平衡的條件 2.基本性質方程3.電荷守恒定律118 靜電屏蔽腔內q與內表面的感應電荷-q ,對外部場的貢獻恒為零。第二類空腔靜電屏蔽。若第二類空腔

22、導體接地時，外表面上的感應電荷被大地電荷中和，所以不帶電荷。金屬空腔是零等勢體。若第二類空腔導體接地，且腔外有帶電體時，外表面上的感應電荷被大地電荷部分中和，所帶電荷的多少必須保證腔內、腔內表面、腔外表面以及腔外電荷在導體內產生的場強為零，即滿足靜電平衡條件。金屬空腔是零電位。U=0U=0+qqQ+q119當?shù)诙惪涨粚w接地時金屬空腔是零等勢體，由靜電場邊值問題的唯一性定理可以證明：此時殼內的任何電場都不影響外界，也不受外界影響。例如高壓設備都用金屬導體殼接地做保護，它起靜電屏蔽作用，內外互不影響。外界不影響內部不影響外界U=0qqU=0Q+q殼內外場互不影響120空腔導體殼接地與否，外界均

23、對殼內電場無任何影響，外界不影響內部例如在電子儀器、或傳輸微弱信號的導線中都常用金屬殼或金屬網(wǎng)作靜電屏蔽。外界不影響內部U=C1U=C1腔外表面的電荷分布不影響腔內電場分布但是腔內有無電荷對腔外有不同的影響。綜述：空腔導體(無論接地與否)將使腔內空間不受外電場的影響，而接地空腔導體將使外部空間不受空腔內的電場的影響空腔導體的靜電屏蔽原理121例一 兩個無限大帶電平面，接地與不接地的討論。面積為 S，帶電量 Q 的一個金屬板，與另一不代電的金屬平板平行放置。求靜電平衡時，板上電荷分布及周圍電場分布；若第二板接地，情況又怎樣？S 有導體存在時的 分布導體上的電荷分布計算 分布（ 方法同前 ）靜電平

24、衡條件 電荷守恒定律求解思路：先假設導體表面的電荷面密度，再由導體靜電平衡條件 ，用疊加原理與庫侖定律或高斯定理與環(huán)路定理求出122設靜電平衡后，金屬板各面所帶電荷面密度如圖所示由已知條件：由靜電平衡條件和高斯定理，做如圖所示高斯面可得： 金屬B板內任一點的場強為零，由疊加原理得：以上四個方程聯(lián)立可求出：S設123由各板上的電荷面密度、金屬板內場強為零和高斯定理可得各區(qū)間的場強： 方向向左方向向右方向向右設124由高斯定理得：金屬板內場強為零得：因接地電荷守恒聯(lián)立解出：方向向右125例7-21 在內外半徑分別為R1和R2的導體球殼內，有一個半徑為r 的導體小球，小球與球殼同心，讓小球與球殼分別

25、帶上電荷量q和Q。試求： （1）小球的電勢Vr，球殼內、外表面的電勢； （2）小球與球殼的電勢差； （3）若球殼接地，再求小球與球殼的電勢差。 Example-P175-5-17-球殼126解：（1）由對稱性可以肯定，小球表面上和球殼內外表面上的電荷分布是均勻的。小球上的電荷q將在球殼的內外表面上感應出-q和q的電荷，而Q只能分布在球殼的外表面上，故球殼外表面上的總電荷量為q+Q。 小球和球殼內外表面的電勢分別為127球殼內外表面的電勢相等。（3）若外球殼接地，則球殼外表面上的電荷消失。兩球的電勢分別為（2）兩球的電勢差為128兩球的電勢差仍為 由結果可以看出，不管外球殼接地與否，兩球的電勢差

26、恒保持不變。當q為正值時，小球的電勢高于球殼；當q為負值時，小球的電勢低于球殼, 與小球在殼內的位置無關，如果兩球用導線相連或小球與球殼相接觸，則不論q是正是負，也不管球殼是否帶電，電荷q總是全部遷移到球殼的外邊面上，直到Vr-VR=0為止。1295-7 電容器的電容（Capacitance 、Capacitor)電容器是一儲能元件。紙質電容器陶瓷電容器電解電容器鉭電容器可變電容器1302.5厘米高壓電容器(20kV 521F)(提高功率因數(shù))聚丙烯電容器(單相電機起動和連續(xù)運轉)陶瓷電容器(20000V1000pF)滌綸電容(250V0.47F)電解電容器(160V470 F)12厘米2.5

27、厘米70厘米131一 孤立導體的電容例如 孤立的導體球的電容 地球單位 132 電容的大小僅與導體的形狀、相對位置、其間的電介質有關. 與所帶電荷量無關.二 電容器電容1331）設兩極板分別帶電 ； 2）求 ； 3）求 ；4）求 .步驟三 、電容器電容的計算1 平板電容器+ + + +-（2）兩帶電平板間的電場強度（1）設兩導體板分別帶電（3）兩帶電平板間的電勢差（4）平板電容器電容134球形電容器是由半徑分別為 和 的兩同心金屬球殼所組成解設內球帶正電（），外球帶負電（）孤立導體球電容*2.球形電容器的電容135平行板電容器電容（3） （2）（4）電容+-（1）設兩導體圓柱面單位長度上分別帶

28、電3. 圓柱形電容器136串聯(lián)C1 C2+Q -Q +Q -Q UA UB U C UA UCC+Q -Q 一般n 個電容器串聯(lián)的等效電容為+）等效電容四、電容器的串聯(lián)與并聯(lián)137 串聯(lián)電容器的電容：等效令138并聯(lián)C+Q1 -Q 1 C1 C2+Q2 -Q2 UA UB +） UA UB 一般n 個電容器并 聯(lián)的等效電容為等效電容139 并聯(lián)電容器的電容：等效令1405-8 靜電場中的電介質+ + + + + + + - - - - - - -一 電介質對電容的影響 相對電容率相對電容率電容率+ + + + + + + - - - - - - -141 無極分子（Nonpolar molec

29、ule）:分子的正電荷中心與負電荷中心重合,在無外場作用下整個分子無電矩。 例如，CO2 H2 N2 O2 He 有極分子（Polar molecule）:分子的正電荷中心與負電荷中心不重合, 在無外場作用下存在固有電矩 例如，H2O Hcl CO SO2 因無序排列對外不呈現(xiàn)電性。（2） 電介質的分子：（1） 電介質-是由大量電中性的分子組成的絕緣體。+H+HO正電荷中心二、電介質142介質球放入前電場為一均勻場+介質球放入后電力線發(fā)生彎曲143144海南大學海 納 百 川大 道 致 遠第五章 靜止電荷的電場 三、電介質的極化取向極化取向極化2位移極化位移極化2145位移極化取向極化位移極化

30、 Displacement polarization 主要是電子發(fā)生位移取向極化 Orientation polarization 由于熱運動這種取向只能是部分的，遵守統(tǒng)計規(guī)律。146l在外電場中的電介質分子無極分子只有位移極化，感生電矩的方向沿外場方向。無外場下，所具有的電偶極矩稱為固有電偶極矩。在外電場中產生感應電偶極矩（約是前者的10-5)。有極分子有上述兩種極化機制。在高頻下只有位移極化。147(4 )極化電荷 Polarization charge or bound charge 在外電場中，均勻介質內部各處仍呈電中性，但在介質表面要出現(xiàn)電荷，這種電荷不能離開電介質到其它帶電體，也不

31、能在電介質內部自由移動。我們稱它為束縛電荷或極化電荷。它不象導體中的自由電荷能用傳導方法將其引走。在外電場中，出現(xiàn)束縛電荷的現(xiàn)象叫做電介質的極化。148微波爐工作原理微波爐149 微波爐的產生 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，人們的生活水平在不斷地提高。幾千年來，人類利用各種各樣的灶具，從燒柴草，到燒煤炭，煤油，發(fā)展到現(xiàn)在燒煤氣，天然氣，以及使用電爐，但上述各種炊事方式給食物加熱的原理是相同的，都是燃料燃燒或電熱絲發(fā)熱產生的熱量，通過加熱灶具炊具后再加熱食物，同時還不可避免地向外界散失較多的熱量。由于對于固態(tài)食物的加熱，主要通過傳導由表及里地逐層傳熱，直至中心，而食物中熱傳導的速度是有限的，因此，

32、要燒熟食物就得花費較長的時間，耗費較多的燃料，其熱效率較低。150 1946年，斯潘瑟還是美國雷聲公司的研究員。一個偶然的機會，他發(fā)現(xiàn)微波溶化了糖果。事實證明，微波輻射能引起食物內部的分子振動，從而產生熱量。1947年，第一臺微波爐問世?，F(xiàn)在在已開始進入了百姓的家庭。用微波爐來燒菜做飯，看不到明亮的火光，也不是從食物容器的下面加熱，食物卻很快就熟了。那么微波爐是如何給食物加熱的呢？ 151微波爐的工作原理微波爐是利用微波加熱食物的。微波就是波長很短的電磁波，它是由交變的電場和磁場組成的，微波具有比通常的無線電波大得多的能量。微波的傳播過程中遇到物體時，依物體材料的不同，會不同程度的被反射、透射

33、或吸收。 圖1為微波爐的工作原理圖 ，它主要由磁控管、天線、波 導管、攪拌器和箱體組成。 磁控管利用電能產生微波， 微波由天線末端發(fā)射出去，152經(jīng)過中空的波導管傳到微波爐上壁的微波山口處，在出口處有形如風扇葉片的攪拌器把微波分散開，射出的微波一部分直接射到食物上，一部分通過微波爐的內壁反射到食物上，使食物能從各個方面得到較為均勻的微波照射。 微波爐對食物的加熱原理完全不同于其它的灶具，它不是靠熱傳遞，而是靠食物本身的有極分子的振蕩產生熱量。一般食物中總是含有水分的。從電介質的角度來說，分子可分為兩類：一類是無極分子，其分于的正負電荷中心重合，153 在有電場作用時，食物中的水分子形成有序排列

34、，若電場方向改變，有極分子的有序排列方向也隨之改變， 如圖3所示。由于微 波是一種每秒振蕩上 百億次的電磁場，食 物放在這樣的電磁場 中，水分子的排列方 向就要每種鐘隨之改變上百億次，這樣，大量水分子吸收了微波的能量而高頻率的劇烈的轉動，便產生了大量的內能，使食物的溫度升高。154微波爐的結構及各部件的作用 微波爐通常由磁控管、電源變壓器、爐腔、爐門、定時器和功率分配器等部件組成磁控管是微波爐的心臟，用于產生和發(fā)射微波當磁控管通電以后，經(jīng)預熱的陰極便產生大量電子，在外磁場的作用下沿著圓周軌跡飛向陽極，在陽極上有一個很小的諧振腔，電子在到達陰極之前，先在諧振腔中產生振蕩，振蕩頻率為2450MHz

35、，產生微波微波爐的電源變壓器，初級接220伏電網(wǎng)電壓，它可以把初級電壓改變成各部件所需要的電壓大小輸送到各部件。155 爐腔又稱諧振腔，是食物烹調或烘烤的地方微波爐采用矩形腔，爐腔的優(yōu)劣直接影響微波爐的性能。爐門是食品的進出口，也是微波爐爐腔的重要組成部分，是防止微波泄漏的第一道屏障爐門由金屬框架、玻璃觀察窗組成，在觀察窗的中間有一層金屬網(wǎng)爐門內又裝有雙門鉤，它是控制電源通斷的聯(lián)動開關，這種安全裝置能確保爐門開啟前就斷開電源，消除了開門瞬間引起的泄漏定時器是微波爐的重要構件之一，微波爐一般有兩種定時方式，即機械式定時和電腦定時。156 微波爐上使用的功率分配器，主要用于調節(jié)磁控管的工作時間，烘

36、烤不同食物微波灶爐分強功率和低功率輸出。1571: 門安全聯(lián)鎖開關確保爐門打開時，微波爐不能工作，爐門關上后微波爐才能工作；2: 視屏窗有金屬屏蔽層，可透過同孔觀察食物烹調情況；3: 通風口烹調時，有良好的通風；4: 轉盤支承帶動玻璃轉盤轉動；5: 玻璃轉盤裝好食物的容器放在轉盤上，加熱時轉盤轉動，使食物烹調均勻，以達到均勻烹調的效果；6：控制板：7：爐門開關 按此開關，爐門打開 一般微波爐的結構158 使用微波爐的禁忌 1.忌用普通塑料容器：一是熱的食物會使塑料容器變形，二是普通塑料會放出有毒物質2.忌用金屬器皿：因為放入爐內的鐵、鋁、不銹鋼、搪瓷等器皿，微波爐在加熱時會與之產生電火花并反射

37、微波，既損傷爐體又加熱不熟食物。3.忌使用封閉容器：加熱液體時應使用廣口容器，因為在封閉容器內食物加熱產生的熱量不容易散發(fā)，使容器內壓力過高，易引起爆破事故。即使在煎煮帶殼食物時，也要事先用針或筷子將殼刺破，以免加熱后引起爆裂、飛濺弄臟爐壁，或者濺出傷人。4.忌超時加熱：食品放入微波爐解凍或加熱，若忘記取出，如果時間超過2小時，則應丟掉不要，以免引起食物中毒。159 5忌將肉類加熱至半熟后再用微波爐加熱：因為在半熟的食品中細菌仍會生長，第二次再用微波爐加熱時，由于時間短，不可能將細菌全殺死。冰凍肉類食品須先在微波爐中解凍，然后再加熱為熟食。6.忌再冷凍經(jīng)微波爐解凍過的肉類：因為肉類在微波爐中解

38、凍后，實際上已將外面一層低溫加熱了，在此溫度下細菌是可以繁殖的，雖再冷凍可使其繁殖停止，卻不能將活菌殺死。已用微波爐解凍的肉類，如果再放入冰箱冷凍，必須加熱至全熟。7.忌油炸食品：因高溫油會發(fā)生飛濺導致火災。如萬一不慎引起爐內起火時，切忌開門，而應先關閉電源，待火熄滅后再開門降溫。8.忌將微爐置于臥室，同時應注意不要用物品覆蓋微波爐上的散熱窗柵。9.忌長時間在微波爐前工作：開啟微爐后，人應遠離微波爐或人距離微波爐至少在1米之外 160 10不能用微波爐加熱無水分的食物。如煎炸食物，爆炒花生等。11由于微波爐加熱速度很快，烹飪食品時，一般應將佐料、水一起放入爐內。12微波遇到金屬物體就被反射，所

39、以微波爐內不能使用鋁、不銹鋼等金屬容器。13微波爐內未放入食物時，不能空載運作。14爐門張開時，勿使微波爐工作，以免微波射出，損傷人體。161162163+ + + + + + - - - - - - + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -表面極化電荷面密度:電極化強度:分子偶極矩的單位：四、電極化強度164五、電介質中的電場強度+ + + + + + - - - - - - + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -165六、極化電荷與自由電荷的關系166七、介質電容率+ + + + + + + - -

40、- - - - -相對電容率電容率+ + + + + + + - - - - - - -167 幾種常見電介質的相對電容率和擊穿場強1685-9 有電介質時的高斯定理 電位移一、有介質時的高斯定理 定義：電位移矢量electric displacement自由電荷束縛電荷根據(jù)介質極化和真空中高斯定理169自由電荷通過任一閉合曲面的電位移通量，等于該曲面內所包圍的自由電荷的代數(shù)和。物理意義電位移線起始于正自由電荷終止于負自由電荷，與束縛電荷無關。電場線起始于正電荷終止于負電荷，包括自由電荷和與束縛電荷。靜電場有電介質時的高斯定理170二、電位移矢量（任何介質）（均勻介質）171極化電荷面密度電位

41、移矢量（任何介質）（均勻介質）有介質時的高斯定理電容率（均勻介質）有介質時先求 注意172解：導體內場強為零。 均勻地分布在球表面上，球外的場具有球對稱性高斯面例一：一個金屬球半徑為R，帶電量q0，放在均勻的電容率為r 電介質中。求任一點場強及界面處 ？例173上例也說明當均勻電介質充滿電場的全部空間時，或當均勻電介質的表面正好是等勢面時，有：1745-10 靜電場的能量電荷是能量的攜帶著。以電容器為例，通過電容器的能量來說明電場的能量。兩種觀點：電場是能量的攜帶著近代觀點。 在電磁波的傳播中，如通訊工程中能充分說明：場才是能量的攜帶者。電容器充放電的過程是能量從電源到用電器，（如燈炮）上消耗的過程。175一、點電荷間的相互作用能A（a）（b）BA（c）r(b)q1電荷移至A時(a)當兩電荷相距為無窮遠時(b)q2電荷移至B時176BA（c）r（d）若先將q2移至B再移q1至A，同樣可得177BA（c）r178+ + + + + + + + +- - - - - - - - -電容器貯存的電能+二、 電容器的電能179物理意義電場是一種物質，它具有