Chp導(dǎo)體和電介質(zhì)中的靜電場(chǎng)演示文稿

Chp導(dǎo)體和電介質(zhì)中的靜電場(chǎng)演示文稿目前一頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)感應(yīng)電荷極化電荷靜電平衡狀態(tài)相互作用相互影響導(dǎo)體、電介質(zhì)靜電場(chǎng)電荷重新分布電場(chǎng)重新分布目前二頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)

靜電感應(yīng)(electrostaticinduction):導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在外電場(chǎng)影響下,做定向漂移運(yùn)動(dòng)，引起導(dǎo)體內(nèi)的電荷重新分布，最終在導(dǎo)體外表面兩端產(chǎn)生等量異號(hào)電荷的現(xiàn)象.10.1靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體10.1.1導(dǎo)體的靜電平衡+++++++導(dǎo)體球放入后電力線發(fā)生彎曲.

熱平衡特征:

任意微小體積元內(nèi),自由電子負(fù)電荷和晶體點(diǎn)陣上的正電荷的數(shù)目相等,整個(gè)導(dǎo)體或其中任一部分都顯現(xiàn)電中性.1.金屬導(dǎo)體(conductor)的電結(jié)構(gòu)2.導(dǎo)體的靜電平衡條件目前三頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)導(dǎo)體(帶電或不帶電)靜電感應(yīng)現(xiàn)象過程：外電場(chǎng)作用下自由電子作宏觀定向運(yùn)動(dòng)電荷重新分布由靜電感應(yīng)產(chǎn)生的正負(fù)電荷稱為感應(yīng)電荷.附加電場(chǎng)自由電子宏觀定向運(yùn)動(dòng)停止.靜電平衡狀態(tài)

靜電平衡(electrostaticequilibrium):導(dǎo)體內(nèi)部和表面沒有電荷的宏觀定向運(yùn)動(dòng).目前四頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)3.靜電平衡時(shí)導(dǎo)體中的電場(chǎng)特性1)導(dǎo)體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)處處為零(否則電子的定向運(yùn)動(dòng)不會(huì)停止);3)

處于靜電平衡中的導(dǎo)體，其內(nèi)部任意兩點(diǎn)的電勢(shì)相等，整個(gè)導(dǎo)體為一等勢(shì)體，其表面為一等勢(shì)面.2)導(dǎo)體表面的場(chǎng)強(qiáng)處處垂直于導(dǎo)體表面(否則電子將會(huì)在場(chǎng)強(qiáng)沿表面分量的作用下,做定向運(yùn)動(dòng)).-FEE=0E目前五頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)1)實(shí)心導(dǎo)體結(jié)論：導(dǎo)體內(nèi)部無凈電荷,電荷只能分布在導(dǎo)體外表面.2)空心導(dǎo)體,空腔內(nèi)無電荷E=0結(jié)論:電荷分布在導(dǎo)體外表面,導(dǎo)體內(nèi)部和內(nèi)表面無凈電荷.10.1.2靜電平衡時(shí)導(dǎo)體上的電荷分布1.

靜電平衡時(shí),導(dǎo)體所帶的電荷只能分布在導(dǎo)體的表面,導(dǎo)體內(nèi)部沒有.凈電荷(netcharge):未被中和的正負(fù)電荷.E=0++++++++++++++++++++SS目前六頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)E=03)空心導(dǎo)體,空腔內(nèi)有電荷q+q--------++++++++++++++++++++內(nèi)表面感應(yīng)出結(jié)論:電荷分布在導(dǎo)體內(nèi)外兩個(gè)表面,內(nèi)表面帶電荷-q.根據(jù)電荷守恒定律,外表面帶電為:

Q是原導(dǎo)體所帶電荷.2.帶電導(dǎo)體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)dSE導(dǎo)體

作高斯面,電場(chǎng)方向如圖,設(shè)導(dǎo)體表面電荷面密度為σ,由高斯定理:得S目前七頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)1)靜電平衡時(shí),導(dǎo)體表面附近場(chǎng)強(qiáng)E的大小和該點(diǎn)處電荷面密度成正比.尖端放電(dischargeatsharppoint):

對(duì)于有尖端的帶電導(dǎo)體,尖端處電荷面密度大,則導(dǎo)體表面鄰近處場(chǎng)強(qiáng)也特別大.當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生空氣被電離的放電現(xiàn)象,稱為尖端放電.2)靜電平衡時(shí),孤立導(dǎo)體表面曲率大的地方(表面突出而尖銳處),電荷面密度也大,反之曲率小的地方也小。目前八頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)尖端放電演示靜電吹燭-++++++++++-++避雷針目前九頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)1)腔內(nèi)沒有電荷空腔導(dǎo)體起到屏蔽外電場(chǎng)的作用.

接地的空腔導(dǎo)體可以屏蔽內(nèi)、外電場(chǎng)的影響.2.靜電屏蔽(electrostaticshielding):

一個(gè)接地的空腔導(dǎo)體可以隔離內(nèi)外電場(chǎng)的影響.2)腔內(nèi)存在電荷1.空腔導(dǎo)體q10.1.3靜電屏蔽目前十頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)防靜電屏蔽袋軍用屏蔽帳篷法拉第籠

防電磁輻射屏蔽服目前十一頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)例10.1

有一外半徑R1、內(nèi)半徑R2的金屬球殼,其中放一半徑為R3的金屬球,球殼和球均帶有電量10-8C的正電荷.求:(1)兩球電荷分布;(2)球心的電勢(shì);(3)球殼電勢(shì).R3R2R1解:(1)電荷分布如圖所示球面q,殼內(nèi)表面-q,殼外表面2q++++++++++++++++++++--------3.有導(dǎo)體存在時(shí)的E和U分布求解思路：導(dǎo)體上的電荷分布計(jì)算分布(方法同前)靜電平衡條件電荷守恒定律目前十二頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)(2)(3)R3R2R1++++++++++++++++++++--------目前十三頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)例10-2.

兩塊導(dǎo)體平板,面積為S,分別帶電q1和q2,兩極板間距遠(yuǎn)小于平板的線度.求平板各表面的電荷密度.q1q2BA解:

設(shè)四板面密度如圖示.2341由電荷守恒得:

考察A板中一點(diǎn)a,由靜電平衡條件,導(dǎo)體板內(nèi)

Ea=0..a.b同理,B板中一點(diǎn)b:Eb=0.(1)(2)(3)(4)目前十四頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)聯(lián)立(1)(2)(3)(4)解得:q1q2BA++++++++++---------q-q如q2=-q1,結(jié)果如何?q1q2BA2341目前十五頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)真空中半徑為R、帶電量為Q的孤立導(dǎo)體球電勢(shì)為10.2電容及電容器可見：導(dǎo)體處于靜電平衡時(shí),U一定,q分布確定;同一U下,導(dǎo)體形狀不同,q不同.定義:

孤立導(dǎo)體的電量Q與其電勢(shì)U的比值為孤立導(dǎo)體的電容.單位:法拉“F”10.2.1孤立導(dǎo)體(isolatedinductor)的電容(capacitance)----導(dǎo)體容納電的能力,電容.目前十六頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)由電容定義:則金屬球電勢(shì):

設(shè)其帶電量為Q,令U=0計(jì)算半徑為R的孤立金屬球的電容物理意義:

導(dǎo)體電勢(shì)每升高1個(gè)單位所需的電量.

可見電容C

是表征導(dǎo)體容電能力的物理量.與導(dǎo)體本身的形狀、大小和結(jié)構(gòu)有關(guān);與是否帶電無關(guān).目前十七頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)電容器:由電介質(zhì)隔開的兩金屬薄片組成的導(dǎo)體組特點(diǎn):將電場(chǎng)集中在有限空間電容器的符號(hào):電容器電容:一個(gè)極板的電量與兩極板間相應(yīng)的電勢(shì)差之比.1)C

是描述電容器儲(chǔ)電本領(lǐng)的物理量;2)C取決于電容器兩板的形狀、大小、相對(duì)位置及中間電介質(zhì)的種類和分布情況;3)q為一個(gè)極板所帶電量的絕對(duì)值.10.2.2電容器的電容(capacitor)說明:目前十八頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)1.電容器電容的計(jì)算步驟:1)假設(shè)電容器的兩個(gè)極板分別帶+q和-q電荷;2)求兩極板間的電場(chǎng)分布,并由計(jì)算兩極板間電勢(shì)差UA-UB.3)由定義式計(jì)算電容C.10.2.3幾種常見的電容器2.平行板電容器解:

假設(shè)電容器帶電量qq+q+++++-----BAESd則目前十九頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)3.圓柱形電容器解：電容器帶電q

選高斯面,應(yīng)用高斯定理:圓柱形電容器電容：RARBlq-qrh目前二十頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)設(shè)極板間距為d,RB

=RA

+d當(dāng)d<<RA:討論:同理：對(duì)于球形電容器,其電容為：同學(xué)們?cè)囍孕星蠼?RARBl目前二十一頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)1.電容器的并聯(lián)總電量:等效電容:結(jié)論:

并聯(lián)電容器的等效電容等于個(gè)電容器電容之和.2.電容器的串聯(lián)等效電容:結(jié)論:

串聯(lián)電容器的等效電容的倒數(shù)等于各電容的倒數(shù)之和.C1C2C3UC1C2CnU10.2.4電容器的串聯(lián)和并聯(lián)目前二十二頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)10.3靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)1.電介質(zhì)(dielectric)的電結(jié)構(gòu)電結(jié)構(gòu)特點(diǎn):分子中的正負(fù)電荷束縛得很緊,介質(zhì)內(nèi)部幾乎沒有自由電荷.10.3.1電介質(zhì)的極化電介質(zhì)(dielectric):電阻率(resistivity)很大,導(dǎo)電能力很差的物質(zhì),即絕緣體.導(dǎo)體:

導(dǎo)電的原因是自由電子.半導(dǎo)體:導(dǎo)電原因是體內(nèi)的空穴和電子對(duì).絕緣體:

導(dǎo)電能力很差.目前二十三頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)2.電介質(zhì)在外電場(chǎng)中的極化(polarize)現(xiàn)象兩類電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu):+-C--H+H+H+H+CH4無極分子:正負(fù)電荷中心重疊.電介質(zhì)極化:

在外電場(chǎng)的作用下電介質(zhì)表面出現(xiàn)正負(fù)電荷的現(xiàn)象.極化電荷或束縛電荷+-O--H+H+H2O-q+q=+有極分子:正負(fù)電荷中心分開.目前二十四頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)1)無極分子(nonpolarmolecule)的位移極化(displacementpolarization)±±±±±±±±±±±±±±±+-E0+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-2)有極分子(polarmolecule)的取向極化(orientationpolarization)+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E0FF+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-無外電場(chǎng)時(shí)在外電場(chǎng)作用下在外電場(chǎng)作用下無外電場(chǎng)時(shí)目前二十五頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)10.3.2電介質(zhì)對(duì)電容器電容的影響U0Q-QQ-Q0Ur實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Q不變時(shí)r稱電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù):只與電介質(zhì)自身的性質(zhì)有關(guān).(1)U0>U

電介質(zhì)降低了電勢(shì).(2)電介質(zhì)增大了電容.目前二十六頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)10.3.3電介質(zhì)中的靜電場(chǎng)電介質(zhì)減弱了場(chǎng)強(qiáng)平板電容器:介質(zhì)中的靜電場(chǎng)E自由電荷極化電荷共同作用產(chǎn)生目前二十七頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)10.3.4電介質(zhì)中的高斯定理真空中的高斯定理：介質(zhì)中的高斯定理：？以平板電容器為例：由：+-++++++------------++++++E目前二十八頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)討論:1)介質(zhì)中的高斯定理有普適性.2)電位移矢量D是一個(gè)輔助量.3)描寫電場(chǎng)的基本物理量是電場(chǎng)強(qiáng)度E.4)D

是總場(chǎng),與q、q有關(guān),其通量僅與

q

有關(guān).

5)特例:真空——特殊介質(zhì).1.電位移矢量(electricdisplacementvector):2.介質(zhì)中的高斯定理:

在任何靜電場(chǎng)中,通過任意閉合曲面的電位移通量等于該曲面所包圍的自由電荷(freecharge)的代數(shù)和.真空中:目前二十九頁\總數(shù)三十四頁\編于十一點(diǎn)1)根據(jù)介質(zhì)中的高斯定理計(jì)算出電位移矢量2)根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度與電位移矢量的關(guān)系計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)本課程只要求特殊情況各向同性電介質(zhì)