高二物理競(jìng)賽靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì) 課件

第一章靜電場(chǎng)

1．靜電現(xiàn)象2．庫(kù)侖定律3．電場(chǎng)強(qiáng)度4．高斯定理5．電勢(shì)，靜電力的功第二章靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)1．靜電平衡，電場(chǎng)中的導(dǎo)體空腔2．電容及電容器3．電介質(zhì)的極化4．極化強(qiáng)度矢量和極化電荷5．有介質(zhì)時(shí)的靜電場(chǎng)方程6．電場(chǎng)的能量和能量密度第三章穩(wěn)恒電流1．電流和電流密度2．電流的連續(xù)性方程3．歐姆定律，焦耳定律4．電源和電動(dòng)勢(shì)5．含源電路的歐姆定律6．基爾霍夫定律靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)第二章靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)，靜電場(chǎng)和物質(zhì)的相互作用。任何物質(zhì)都是一個(gè)復(fù)雜的電荷系統(tǒng)，深入討論將物質(zhì)置于靜電場(chǎng)中，靜電場(chǎng)與物質(zhì)之間的相互作用問(wèn)題，就是要討論在靜電場(chǎng)的作用下，物質(zhì)的電荷分布如何發(fā)生變化，以及這種改變了的電荷分布又如何反過(guò)來(lái)作用于靜電場(chǎng)。

物理本質(zhì)

靜電場(chǎng)

靜電場(chǎng)和物質(zhì)場(chǎng)---電荷場(chǎng)--（改變）--電荷分布Part1物質(zhì)的電性質(zhì)，電場(chǎng)對(duì)帶電系統(tǒng)的作用一、物質(zhì)的電性質(zhì)電荷能夠從產(chǎn)生的地方迅速轉(zhuǎn)移到或傳導(dǎo)到其他部分的物體。1.導(dǎo)體

導(dǎo)體之所以能夠?qū)щ姡且驗(yàn)樗鼈儍?nèi)部都存在著可以自由移動(dòng)的電荷，自由電荷。在不同類型的導(dǎo)體中，自由電荷的微觀本質(zhì)是不一樣的。固態(tài)物質(zhì)：金屬，合金，石墨等；液態(tài)物質(zhì)和氣態(tài)物質(zhì)；人和大地也屬于導(dǎo)體。電荷幾乎只能停留在產(chǎn)生的地方的物體。2.絕緣體

絕緣體中，絕大部分電荷只能在一個(gè)原子或者分子的范圍內(nèi)作微小的位移，束縛電荷。自由電子很少，所以導(dǎo)電性能差，電阻率特別大。固態(tài)物質(zhì)：玻璃，橡膠，一般塑料等；液態(tài)物質(zhì)：油等和氣態(tài)物質(zhì)。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而且對(duì)溫度，光照，雜質(zhì)，壓力。電磁場(chǎng)等外加條件極為敏感。3.半導(dǎo)體

超導(dǎo)和巨磁阻效應(yīng)。半導(dǎo)體中，帶電的粒子（載流子），除了帶負(fù)電的電子以外，還有帶正電的空穴。半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是電子時(shí)，稱為n型半導(dǎo)體，否則是p型半導(dǎo)體。將n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體結(jié)合起來(lái)就可以制成半導(dǎo)體器件。如晶體二極管，三極管等。它們?cè)诂F(xiàn)代電子技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。非線性器件。二、外電場(chǎng)對(duì)帶電體系的作用Part2靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體一、導(dǎo)體的靜電平衡條件1、靜電感應(yīng):在電場(chǎng)力的作用下，引起導(dǎo)體內(nèi)部電荷的重新分布而呈現(xiàn)的帶電現(xiàn)象。靜電感應(yīng)

導(dǎo)體的靜電平衡狀態(tài)—導(dǎo)體內(nèi)部和表面都沒(méi)有電荷作定向移動(dòng)的狀態(tài)。當(dāng)電荷分布達(dá)到新的平衡，則稱之為靜電平衡。靜電平衡無(wú)外電場(chǎng)時(shí)++++++++++導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷

要使導(dǎo)體內(nèi)部的電子不作定向運(yùn)動(dòng)，只有：要使導(dǎo)體表面處的電子不作定向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體表面附近的電場(chǎng)方向必須垂直于導(dǎo)體表面。

(2)導(dǎo)體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)方向垂直于導(dǎo)體表面。因此,導(dǎo)體處于靜電平衡的條件是

(1)導(dǎo)體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)處處為零,即。2、靜電平衡的條件等勢(shì)體等勢(shì)面導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)體表面⑶處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體是個(gè)等勢(shì)體導(dǎo)體內(nèi)沒(méi)有凈電荷，電荷只分布在導(dǎo)體表面上。++++++++++++++++二、靜電平衡時(shí)導(dǎo)體上的電荷分布1、實(shí)心導(dǎo)體2、空心導(dǎo)體,腔內(nèi)無(wú)導(dǎo)體空腔內(nèi)表面沒(méi)有電荷，電荷只分布在外部表面。在導(dǎo)體內(nèi)包圍空腔作高斯面S。則：=0

即空腔內(nèi)表面無(wú)凈電荷，所帶電荷只能分布在外表面上。

這表明，空腔內(nèi)表面根本就無(wú)電荷(等量異號(hào)也不可能)。

空腔內(nèi)表面可否有等量異號(hào)電荷呢？ab

腔體內(nèi)表面所帶的電量和腔內(nèi)帶電體所帶的電量等量異號(hào)，腔體外表面所帶的電量由電荷守恒定律決定。未引入q1時(shí)放入q1后3、空腔內(nèi)有帶電體+

則空腔外表面就為表面附近作圓柱形高斯面三、導(dǎo)體表面外側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)1、導(dǎo)體外部近表面處場(chǎng)強(qiáng)大小與該處電荷面密度的關(guān)系注意：①僅在靜電平衡下成立；②表面處場(chǎng)強(qiáng)不僅是表面處面密度決定。導(dǎo)線證明:即用導(dǎo)線連接兩導(dǎo)體球則2、電荷面密度與曲率的關(guān)系導(dǎo)體表面曲率較大的地方，電荷面密度也較大。

導(dǎo)體表面上的電荷分布情況，不僅與導(dǎo)體表面形狀有關(guān)，還和它周圍存在的其他帶電體有關(guān)。靜電場(chǎng)中的孤立帶電體：導(dǎo)體上電荷面密度的大小與該處表面的曲率有關(guān)。曲率較大，表面尖而凸出部分，電荷面密度較大曲率較小，表面比較平坦部分，電荷面密度較小曲率為負(fù)，表面凹進(jìn)去的部分，電荷面密度最小導(dǎo)體表面上的電荷分布靜電屏蔽

接地封閉導(dǎo)體殼（或金屬絲網(wǎng)）外部的場(chǎng)不受殼內(nèi)電荷的影響。

封閉導(dǎo)體殼（不論接地與否）內(nèi)部的電場(chǎng)不受外電場(chǎng)的影響；++++四、靜電的應(yīng)用避雷針；靜電屏蔽；場(chǎng)致發(fā)射顯微鏡；感應(yīng)起電機(jī)。電荷守恒定律靜電平衡條件電荷分布五、有導(dǎo)體存在時(shí)場(chǎng)強(qiáng)和電勢(shì)的計(jì)算例1.已知：導(dǎo)體板A，面積為S、帶電量Q，在其旁邊放入導(dǎo)體板B。

求：(1)A、B上的電荷分布及空間的電場(chǎng)分布(2)將B板接地，求電荷分布a點(diǎn)b點(diǎn)A板B板解方程得:電荷分布場(chǎng)強(qiáng)分布兩板之間板左側(cè)板右側(cè)

(2)將B板接地，求電荷及場(chǎng)強(qiáng)分布板接地時(shí)電荷分布a點(diǎn)b點(diǎn)

場(chǎng)強(qiáng)分布電荷分布兩板之間兩板之外例2.已知R1R2R3qQ求①電荷及場(chǎng)強(qiáng)分布；球心的電勢(shì)②如用導(dǎo)線連接A、B，再作計(jì)算解:由高斯定理得電荷分布場(chǎng)強(qiáng)分布③外球接地，求兩球間的Δu④小球接地,求小球的電量q′。沿徑向由A指向B沿徑向指向外球心的電勢(shì)場(chǎng)強(qiáng)分布可認(rèn)為是若干個(gè)帶電球面電勢(shì)的疊加。球殼外表面帶電②用導(dǎo)線連接A、B，再作計(jì)算連接A、B，中和沿徑向指向外③外球接地，求兩球間的Δu外球接地其上電勢(shì)為0，得：④小球接地,求小球的電量q′小球接地其上電勢(shì)為0，得：作業(yè)：1、在兩板間插入一中性金屬平板，求板面的電荷密度。2、如果第三板接地，又如何？3、剪掉第三板接地線，再令第一板接地，又如何？Part3

電容電容器一、孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體：附近沒(méi)有其他導(dǎo)體和帶電體單位：法拉（F）、微法拉（F）、皮法拉（pF）孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體球的電容C=40R電容——使導(dǎo)體升高單位電勢(shì)所需的電量。1、電容器的電容

導(dǎo)體組合,使之不受周圍導(dǎo)體的影響

——電容器電容器的電容：當(dāng)電容器的兩極板分別帶有等值異號(hào)電荷q時(shí)，電量q與兩極板間相應(yīng)的電勢(shì)差uA-uB的比值。二、電容器及電容2、電容器電容的計(jì)算平行板電容器已知：S、d、0設(shè)A、B分別帶電+q、-qA、B間場(chǎng)強(qiáng)分布電勢(shì)差由定義討論與有關(guān)；插入介質(zhì)球形電容器已知設(shè)+q、-q場(chǎng)強(qiáng)分布電勢(shì)差由定義討論孤立導(dǎo)體的電容圓柱形電容器已知：設(shè)場(chǎng)強(qiáng)分布電勢(shì)差由定義例1.平行無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線已知:a、d、d>>a

求:單位長(zhǎng)度導(dǎo)線間的C解:設(shè)場(chǎng)強(qiáng)分布導(dǎo)線間電勢(shì)差電容1.電容器的串聯(lián)C1C2C3C4UC三.電容器的聯(lián)接U注意：電容器串聯(lián)時(shí)，總電容減小，耐壓值增大，但電容器組的耐壓值并不是將各電容器的耐壓值簡(jiǎn)單相加。2.電容器的并聯(lián)abC1C2C3C4U注意：電容器并聯(lián)時(shí)，總電容增大，但電容器組的耐壓值與電容器組中耐壓最小的電容器的耐壓值相等。

例2.球形電容器，內(nèi)、外徑為a、b，電勢(shì)差為Ｕ，若b，Ｕ保持不變，a=？時(shí)內(nèi)球表面附近的E最小，并求其值。ab解：球形電容器的電容：在內(nèi)表面附近：故Ｅ有極小值注意到：作業(yè)：平行板電容器兩極板的面積都是S，相距為d，其間有一厚度為t的金屬板，略去邊緣效應(yīng)。（1）求電容C（2）金屬板離極板的遠(yuǎn)近對(duì)電容有無(wú)影響？（3）設(shè)沒(méi)有金屬板時(shí)電容器的電容為600，兩極板間的電勢(shì)差為10v。當(dāng)放厚度t=d/4的金屬板時(shí)，求電容及兩極板間的電勢(shì)差。

有極分子：分子正負(fù)電荷中心不重合。無(wú)極分子：分子正負(fù)電荷中心重合；電介質(zhì)CH+H+H+H+正負(fù)電荷中心重合甲烷分子+正電荷中心負(fù)電荷中心H++HO水分子——分子電偶極矩一、電介質(zhì)的極化導(dǎo)電性能較差的物質(zhì)——絕緣體

Part4

靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)

1、無(wú)極分子的位移極化無(wú)外電場(chǎng)時(shí)加上外電場(chǎng)后+++++++極化電荷極化電荷2、有極分子的轉(zhuǎn)向極化+++++++++++++++++++++++++++無(wú)外電場(chǎng)時(shí)電矩取向不同兩端面出現(xiàn)極化電荷層轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)加上外場(chǎng)電極化強(qiáng)度(矢量)單位體積內(nèi)分子電偶極矩的矢量和描述了電介質(zhì)極化強(qiáng)弱，反映了電介質(zhì)內(nèi)分子電偶極矩排列的有序或無(wú)序程度。二、極化強(qiáng)度三、極化強(qiáng)度與極化電荷的關(guān)系大量實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于各向同性的電介質(zhì)，極化強(qiáng)度與電場(chǎng)有如下關(guān)系：均勻介質(zhì)極化時(shí)，其表面上某點(diǎn)的極化電荷面密度，等于該處電極化強(qiáng)度在外法線上的分量。四、電位移電介質(zhì)中的高斯定理真空中的高斯定理電介質(zhì)中的高斯定理+++++++++++定義電位移矢量介質(zhì)中的高斯定理自由電荷

通過(guò)任意閉合曲面的電位移通量，等于該閉合曲面所包圍的自由電荷的代數(shù)和。真空中介質(zhì)中介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)的介電常數(shù)電位移線大小:方向:切線線線五、加入電介質(zhì)后的電容器電介質(zhì)的電容率（介電常數(shù)）平行板電容器電介質(zhì)的相對(duì)電容率（相對(duì)介電常數(shù)）同心球型電容器同軸圓柱型電容器實(shí)驗(yàn)表明：加入電介質(zhì)后電容增大例1.已知:導(dǎo)體球介質(zhì)求:1.球外任一點(diǎn)的2.導(dǎo)體球的電勢(shì)解:過(guò)P點(diǎn)作高斯面得電勢(shì)沿徑向指向外例2.已知:導(dǎo)體板介質(zhì)求:各介質(zhì)內(nèi)的解:設(shè)兩介質(zhì)中的分別為由高斯定理由得方向如圖場(chǎng)強(qiáng)分布電勢(shì)差電容例3.平行板電容器。已知d1、r1、d2、r2、S

求:電容C解:設(shè)兩板帶電解：設(shè)q場(chǎng)強(qiáng)分布電勢(shì)差例4.平行板電容器已知:S、d插入厚為t的銅板求：CPart5

電場(chǎng)的能量開(kāi)關(guān)倒向a,電容器充電。開(kāi)關(guān)倒向b,電容器放電。燈泡發(fā)光電容器釋放能量電源提供

計(jì)算電容器帶有電量Q，相應(yīng)電勢(shì)差為U時(shí)所具有的能量。一、電容器的能量任一時(shí)刻終了時(shí)刻外力做功電容器的電能電場(chǎng)能量體密度——描述電場(chǎng)中能量分布狀況二、靜電場(chǎng)的能量能量體密度1、對(duì)平行板電容器電場(chǎng)存在的空間體積對(duì)任一電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度非均勻2、電場(chǎng)中某點(diǎn)處單位體積內(nèi)的電場(chǎng)能量例1、計(jì)算球形電容器的能量已知RA、RB、q解：場(chǎng)強(qiáng)分布取體積元能量例2、電容為Ｃ空氣平行板電容器接端電壓U的充電。在電源保持連接和斷開(kāi)兩種情況下，求把兩個(gè)極板間距增大n倍外力所作的功。解：斷開(kāi)電源時(shí)連接電源時(shí)在整個(gè)拉開(kāi)過(guò)程中，q變?yōu)閝′，電源作功由能量守恒作業(yè)比較均勻帶電球面和均勻帶電球體所儲(chǔ)存的能量。例3、在帶電量為、半徑為R1的導(dǎo)體球殼外，同心放置一個(gè)內(nèi)外半徑為R2、R3的金屬球殼。

1、求外球殼上電荷及電勢(shì)分布；

2、把外球接地后再絕緣，求外球上的電荷分布及球殼內(nèi)外的電勢(shì)分布；

3、再把內(nèi)球接地，求內(nèi)球上的電荷分布及球殼的電勢(shì)。解