大學(xué)物理-靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)公開(kāi)課一等獎(jiǎng)省優(yōu)質(zhì)課大賽獲獎(jiǎng)?wù)n件

第七章靜電場(chǎng)中導(dǎo)體和電介質(zhì)按導(dǎo)電性能，材料分為：導(dǎo)體，絕緣體(電介質(zhì))和半導(dǎo)體。本章研究在金屬導(dǎo)體，電介質(zhì)(絕緣體)存在時(shí)對(duì)靜電場(chǎng)影響。金屬導(dǎo)體特征是：內(nèi)部有大量自由電子，稱為電子氣。而電介質(zhì)內(nèi)僅極少許自由電子。因而，二者在電場(chǎng)中表現(xiàn)不一樣。名句賞析問(wèn)渠哪得清如許，為有源頭活水來(lái)。返回內(nèi)容提要靜電場(chǎng)中導(dǎo)體內(nèi)外場(chǎng)性質(zhì)電容電場(chǎng)能量靜電場(chǎng)中電介質(zhì)中場(chǎng)特點(diǎn)雷電奇觀怒發(fā)沖冠第一節(jié)靜電場(chǎng)中導(dǎo)體

一金屬導(dǎo)體靜電平衡條件+金屬離子–自由電子金屬導(dǎo)體內(nèi)部微觀電荷運(yùn)動(dòng)特征。金屬導(dǎo)體內(nèi)部正負(fù)電荷總量相等，從統(tǒng)計(jì)平均看，內(nèi)部處處無(wú)多出電荷累積，呈電中性。金屬金屬在外場(chǎng)作用下，自由電子定向運(yùn)動(dòng)，使電荷在導(dǎo)體內(nèi)局部堆積。電子在合場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，不停運(yùn)動(dòng)，一直到…。感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)為零時(shí)，電子宏觀定向運(yùn)動(dòng)停頓，導(dǎo)體到達(dá)靜電平衡。時(shí)間：靜電平衡條件1.導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零。2.導(dǎo)體是等勢(shì)體，導(dǎo)體表面是等勢(shì)面。3.導(dǎo)體表面處場(chǎng)強(qiáng)與表面垂直。

金屬帶電導(dǎo)體++++++證實(shí)2證實(shí)3（略）二.靜電平衡下導(dǎo)體上電荷分布1.實(shí)心導(dǎo)體金屬導(dǎo)體++++++++++++++高斯面結(jié)論：電荷分布在導(dǎo)體表面上。2.空心導(dǎo)體空腔內(nèi)無(wú)帶電體時(shí)金屬導(dǎo)體++++++++++++++結(jié)論：導(dǎo)體上電荷分布在外表面，腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)為零，而電勢(shì)處處相同。

腔內(nèi)有帶電體時(shí)高斯面結(jié)論：導(dǎo)體內(nèi)表面上電荷量同腔內(nèi)凈余電量，但異號(hào)。++++++++++––––––––++++++++帶電導(dǎo)體+++++三.導(dǎo)體表面外側(cè)附近場(chǎng)強(qiáng)+s++此場(chǎng)強(qiáng)是空間全部電荷在導(dǎo)體表面附近場(chǎng)強(qiáng)合場(chǎng)。四帶電導(dǎo)體上電荷面密度與導(dǎo)體表面曲率關(guān)系1尖端放電：由知，尖端附近場(chǎng)強(qiáng)大，到達(dá)一定程度時(shí)，可使空氣被擊穿，與尖端處異號(hào)離子被吸引，與尖端處電荷中和，使導(dǎo)體上電荷降低，稱為尖端放電。理論和試驗(yàn)表明，帶電導(dǎo)體達(dá)靜電平衡時(shí)，電荷在表面曲率大處（曲率半徑?。╇姾擅芏容^大，或講表面尖端處電荷密度相對(duì)較大。（1）電暈現(xiàn)象：高壓線電暈現(xiàn)象（在尖端附近被電離空氣形成離子與空氣中分子碰撞，使之激發(fā)，產(chǎn)生光輻射，形成電暈）等。為減小能量損失導(dǎo)體表面應(yīng)光滑平坦。***演示電吹風(fēng)等。（2）如高大建筑物遭雷擊（物與云間放電）。防護(hù)：避雷針（避雷針與云間放電）。（3）森林火災(zāi)等。防護(hù)：高壓設(shè)備做成球形等。***黃島油庫(kù)爆炸，球員斃命，農(nóng)田，走路，油罐車拖地金屬鏈，紡織廠車間飛絮，----等。應(yīng)用：靜電除塵，靜電噴漆等。幾毫米粗金屬絲電離空氣電子塵粒負(fù)離子。電壓約金屬腔帶電體––––++++––––++++***高新科技應(yīng)用：計(jì)算機(jī)屏蔽，電子設(shè)備屏蔽等，演示金屬網(wǎng)屏蔽作用五.靜電屏蔽電力線終止在導(dǎo)體表面上，使空腔內(nèi)物體不受外界電場(chǎng)干擾，從而起到“保護(hù)作用”。電子儀器這表明，當(dāng)金屬腔內(nèi)帶電體移動(dòng)時(shí)，只改變腔內(nèi)表面電荷分布，不影響外表面上電荷分布，但外表面上感應(yīng)電荷對(duì)殼外空間電場(chǎng)有影響。若金屬殼接地，則金屬殼電勢(shì)為零；內(nèi)表面上感應(yīng)電荷及腔內(nèi)電荷場(chǎng)對(duì)殼外空間電場(chǎng)無(wú)影響。金屬殼起到靜電屏蔽作用。金屬殼––––––––––––++++++++++++––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––++++++++++++例7—1帶電量為半徑為金屬球，與一內(nèi)外半徑分別為,帶電量為金屬球殼同心。求電勢(shì)分布。++++++++金屬球金屬球殼解電荷分布為++++––––球殼內(nèi)外表面上電荷為和電勢(shì)分布：據(jù)電勢(shì)疊加原理，金屬球內(nèi)任一點(diǎn)為球殼電勢(shì)按定義，則金屬球內(nèi)電勢(shì)++++++++金屬球金屬球殼由高斯定律得場(chǎng)強(qiáng)分布為++++++++金屬球金屬球殼球與球殼間電勢(shì)差而球殼電勢(shì)為++++++++金屬球金屬球殼例題1若球殼接地，是否對(duì)電勢(shì)及電勢(shì)差有影響。2金屬球移動(dòng)，是否影響球殼內(nèi)外場(chǎng)。3當(dāng)球偏心時(shí)，怎樣?討論：例7—2如圖示，一無(wú)限大均勻帶電金屬板A，若把一大屬板B靠近A板，求B板上電荷分布，二板電勢(shì)差。++++++++++++解：由電荷守恒定律和導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)為零及用高斯定律，可得B板上電荷分部為（證實(shí)略）圖示。+++++––––––二板電勢(shì)差若B板接地后，二板電勢(shì)差+++++++++++++++++––––––++++++++++++––––––––––––題目例7—3求A，B，C，D各面上電荷量。大導(dǎo)體帶電平板解：P按高斯定律，有且要求高斯面按電量守恒，有解得例7---4一不帶電金屬球外有一點(diǎn)電荷，如圖示，求球心場(chǎng)強(qiáng)和電勢(shì)。點(diǎn)電荷解：因球面感應(yīng)電荷等量異號(hào)，故球心電勢(shì)為而球內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)處處為零。

當(dāng)球接地時(shí)，球心場(chǎng)強(qiáng)幾何﹖感應(yīng)電荷若干﹖

若點(diǎn)評(píng)求解靜電場(chǎng)中導(dǎo)體題目思緒1用高斯定律，導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)為零及電荷守恒律求出電荷分布。2按上章規(guī)律求電勢(shì)，電勢(shì)差等。3正確用場(chǎng)強(qiáng)，電勢(shì)疊加原理。4注意導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)為零，導(dǎo)體是等電勢(shì)體。今日物理超導(dǎo)體通常金屬導(dǎo)體因自由電子在電場(chǎng)作用下導(dǎo)電，電子因與金屬中正離子碰撞而有電阻。超導(dǎo)體：在極低溫下，一些材料表現(xiàn)為零電組，電流一旦產(chǎn)生，則無(wú)阻流下去。物理機(jī)理是，當(dāng)前公認(rèn)解釋是電子對(duì)理論：電子對(duì)運(yùn)動(dòng)物理圖像是無(wú)電流時(shí)電子正確動(dòng)量為零；有電流時(shí)，電子對(duì)中一電子與晶格碰撞而改變動(dòng)量大小和方向，但因?yàn)殡娮訉?duì)中電子間關(guān)聯(lián)，另一電子動(dòng)量也對(duì)應(yīng)改變，使電子正確總動(dòng)量不變這種含有相同動(dòng)量大量電子對(duì)以相同速度運(yùn)動(dòng)，整體形成了無(wú)阻超導(dǎo)電流。又稱（巴庫(kù)施理論）理論超導(dǎo)性理論，獲1972年諾貝爾物理獎(jiǎng)。高溫超導(dǎo)技術(shù)最新進(jìn)展與應(yīng)用最新轉(zhuǎn)變溫度材料第二節(jié)電介質(zhì)一.電介質(zhì)極化電介質(zhì)又稱絕緣體，在電介質(zhì)中，電子被束縛在各自原子或分子中，因而，電介質(zhì)中無(wú)自由電子。本節(jié)討論電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)影響。無(wú)極分子，正負(fù)電荷中心重合在外場(chǎng)作用下，二者分離，形成電偶極子電介質(zhì)–––––+++++–––––+++++–––––+++++++++––––+–1無(wú)極分子極化如氧，氫，氮等雙原子分子，原子分布含有對(duì)稱性。極化面電荷極化電荷場(chǎng)強(qiáng)外界施加在介質(zhì)上場(chǎng)介質(zhì)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)束縛電荷2有極分子極化有極分子，正負(fù)電荷中心不重合。+核電子電子電子電子電子等效電偶極子+–如水，二氧化硫，聚氯已烯等，分子都含有固有電矩。電介質(zhì)趨向極化在外場(chǎng)中，有極分子沿外場(chǎng)排列+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–無(wú)外場(chǎng)時(shí)，電偶極子雜亂無(wú)章排列+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–外場(chǎng)存在時(shí)，電偶極子沿外場(chǎng)排列+–+–+––+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–極化面電荷電介質(zhì)中場(chǎng)強(qiáng)為介質(zhì)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)與同向，和反向。二.電極化強(qiáng)度矢量電介質(zhì)構(gòu)想一塊電介質(zhì)置于外場(chǎng)中被極化。取一體元p定義反應(yīng)P點(diǎn)附近平均極化程度。反應(yīng)P點(diǎn)極化程度。式中是介質(zhì)中場(chǎng)強(qiáng)，：電極化率，由介質(zhì)性質(zhì)決定。：電極化強(qiáng)度矢量。：相對(duì)介電常數(shù)。三.電極化強(qiáng)度矢量與極化電荷面密度關(guān)系設(shè)一斜圓柱電介質(zhì)被均勻極化。即電極化強(qiáng)度處處相等。均勻極化

L+++++++++–––––––––––電介質(zhì)結(jié)論：極化電荷面密度為電極化強(qiáng)度在法線方向上投影。++++++++++++––––––––––––++++++++––––––––電介質(zhì)第三節(jié)電介質(zhì)中場(chǎng)強(qiáng)介質(zhì)中高斯定律一電介質(zhì)中場(chǎng)強(qiáng)如圖示代數(shù)式：相對(duì)介電常數(shù)適用條件:1介質(zhì)充滿整個(gè)場(chǎng)2介質(zhì)分界面為等勢(shì)面++++金屬球例++++金屬球ABC++++金屬球第一殼層電介質(zhì)內(nèi)表面極化電荷面密度：第一殼層電介質(zhì)內(nèi)表面極化電荷總量++++++++++++––––––––––––++++++++––––––––電介質(zhì)二介質(zhì)中高斯定律電位移選一高斯封閉面令則稱為電位移矢量。介質(zhì)中高斯定律：經(jīng)過(guò)場(chǎng)中某一封閉面上電位移通量等于該閉合面內(nèi)所圍自由電荷代數(shù)和。題目關(guān)系最主要第四節(jié)電容電容器一孤立導(dǎo)體電容孤立金屬導(dǎo)體++++++當(dāng)該孤立導(dǎo)體電量增減時(shí)，據(jù)電勢(shì)疊加原理，不難想象，導(dǎo)體電勢(shì)按百分比增減，二者是成百分比增加或降低，二者之比值為稱為孤立導(dǎo)體電容。物理意義：使導(dǎo)體每升高單位電勢(shì)所需要電量。電容大小反應(yīng)導(dǎo)體容納電荷能力。孤立導(dǎo)體電容與導(dǎo)體形狀和大小相關(guān)，是一個(gè)與和無(wú)關(guān)常數(shù)。***與水容器,庫(kù)容量等比較。單位：法拉（）；微法（）或微微法（）。R顯然，孤立導(dǎo)體球電容與線度及周圍電介質(zhì)相關(guān)，與導(dǎo)體球是否帶電，是空心球還是實(shí)心球均無(wú)關(guān)。設(shè)二分之一徑為孤立帶電導(dǎo)體球，置于無(wú)限大均勻電介質(zhì)中。其電容為多大。若金屬球帶電為，其電勢(shì)為，

據(jù)定義，其電容為++++++++比如，地球?yàn)閷?dǎo)體，其平均半徑為，其電容值約為二電容器電容++++帶電導(dǎo)體電容器即導(dǎo)體組成體系。在孤立導(dǎo)體附近放置另一導(dǎo)體，由電勢(shì)疊加原理得知，使原來(lái)導(dǎo)體電勢(shì)降低，若維持其電量不變，則原來(lái)帶電導(dǎo)體必容值增加。++––原來(lái)不帶電導(dǎo)體導(dǎo)體系感應(yīng)電荷設(shè)一金屬板，帶電量為，與一電位計(jì)相連，測(cè)電勢(shì)為電位計(jì)++++++++++。當(dāng)另一不帶電金屬板靠近板時(shí)，感應(yīng)電荷產(chǎn)生，據(jù)電勢(shì)疊加，使板電勢(shì)下降。–––––+++++電介質(zhì)+++++–––––把電介質(zhì)插入后，板電勢(shì)再下降。電容器電容定義為一個(gè)極板上電量（絕對(duì)值）和兩極板電勢(shì)差之比，即++++++++++–––––+++++接地，則使板電勢(shì)深入下降。1平行板電容器解釋（略）平行金屬板按定義大金屬板–––––––+++++++2球形電容器按定義金屬球殼金屬球+++++++–––––––討論：1，得孤立導(dǎo)體球電容。2當(dāng)時(shí)，得平形板電容器電容3柱形電容器按定義––––––––++++++++點(diǎn)評(píng)2綜上可知，電容器電容與極板面積，極板相對(duì)位置，板間電介質(zhì)等相關(guān)。3板間電場(chǎng)被極板屏蔽，外部導(dǎo)體或帶電體等對(duì)板間場(chǎng)強(qiáng)和板間電勢(shì)差無(wú)影響。1電容器電容描述電容器容電能力和性質(zhì)。4用定義式是物理中求解電容慣用方法。5在電子線路中有分布（雜散）電容。例7—8如圖，平行板電容器極板面積為，板間填充兩種電介質(zhì)。其它相關(guān)量如圖中所表示。求：此電容器電容。解：解題思緒，欲求電容，先設(shè)上下二極板電量，如圖示。++++++––––––據(jù)定義或視為二簡(jiǎn)單電容器串聯(lián)。金屬板存在不影響板上電量與電勢(shì)差，故電容不變。其中則總電容為例7—9如圖示所表示。求電容，板上電量，板間場(chǎng)強(qiáng)大小。解：相當(dāng)二簡(jiǎn)單電容并聯(lián)。故上電量為板間場(chǎng)強(qiáng)大小為，為什麼與介質(zhì)無(wú)關(guān)?三應(yīng)用電容器是電技術(shù)中三大基本元件之一，其在電路中獨(dú)立作用是儲(chǔ)荷與儲(chǔ)能（如照像機(jī)閃光燈），隔直通交。在電工技術(shù)，電子線路等方面有著廣泛應(yīng)用。如與電阻，電感一起可組成濾波電路，整流電路，延時(shí)電路，選頻與調(diào)諧電路，振蕩電路，相移電路等。在詳細(xì)應(yīng)用時(shí)，一要選適當(dāng)容值，二要注意其耐壓值，以免使用時(shí)被擊穿。在大規(guī)模集成電路中，電容可做到極小，每平方厘米內(nèi)可做上萬(wàn)個(gè)電容。能量是物質(zhì)存在一個(gè)形式，電場(chǎng)做為一個(gè)特殊形態(tài)物質(zhì)---場(chǎng)物質(zhì)，有電場(chǎng)能量。

結(jié)論：帶電過(guò)程中，外界不?？朔妶?chǎng)力作正功，所以，帶電過(guò)程是儲(chǔ)能過(guò)程。第五節(jié)電場(chǎng)能量能量密度2在帶電體形成過(guò)程中因外界作功而形成能----形成能。1

前面講過(guò)帶電體間電勢(shì)能稱為相互作用能。討論一物體帶電過(guò)程。物體+移動(dòng)中外界不做功+移動(dòng)中外界不做功++外界克服電場(chǎng)力做功+外界克服電場(chǎng)力做功+++物體+移動(dòng)中外界不做功+移動(dòng)中外界不做功++外界克服電場(chǎng)力做功+外界克服電場(chǎng)力做功+++++++++帶電體下面，以平行板電容器帶電過(guò)程為例說(shuō)明場(chǎng)能計(jì)算+++–++–++–++–++–時(shí)刻+移動(dòng)電荷電勢(shì)差終態(tài)（充電結(jié)束)+++++++––––––電勢(shì)差外界克服電場(chǎng)力做功外界克服電場(chǎng)力做功等于電場(chǎng)能量。電場(chǎng)儲(chǔ)能解釋（略)解釋：由以上表述可見(jiàn)，靜電能與電荷共存，與電荷直接連系在一起?；蛑v電容器儲(chǔ)存能量是由電荷攜帶，哪里有能量，哪里有電荷，以上結(jié)論適合用于任何形式電容器。經(jīng)變換，場(chǎng)能又表述為可見(jiàn)，場(chǎng)能儲(chǔ)存在電場(chǎng)中。考慮到板間是均勻場(chǎng)，故能量密度(單位體積內(nèi)能量)為1不但適合勻強(qiáng)場(chǎng)，而且適合非勻強(qiáng)場(chǎng)，是空間函數(shù)。2又適合電磁波----迅變電磁場(chǎng)。場(chǎng)脫離電荷，電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互激發(fā)。是空間和時(shí)間函數(shù)。1相互作用能（互能）。2自能：是形成點(diǎn)電荷時(shí)外界克服電場(chǎng)力做功之和3帶電系統(tǒng)總靜電能：互能+自能。計(jì)算公式：導(dǎo)體系總靜電能計(jì)算公式：如帶電平行板（一個(gè)導(dǎo)體系)總靜電能點(diǎn)評(píng)電場(chǎng)能量故前述帶電平行板電容器能量為系統(tǒng)總靜電能=互能+自能。例7—10求圖中球形電容器電容和能量。解：設(shè)金屬球和金屬球殼電量為題金屬球殼金屬球金屬球直流電