(大學(xué)物理)第十一章靜電場

(大學(xué)物理)第十一章靜電場目錄靜電場基本概念與性質(zhì)靜電場中帶電粒子運動規(guī)律靜電場能量與能量轉(zhuǎn)換靜電場應(yīng)用實例分析靜電場數(shù)值計算方法簡介實驗：測量導(dǎo)體表面電荷分布及電位差01靜電場基本概念與性質(zhì)指靜止?fàn)顟B(tài)下的電荷所產(chǎn)生的電場現(xiàn)象，如摩擦起電、感應(yīng)起電等。靜電現(xiàn)象物質(zhì)內(nèi)部存在正負(fù)電荷，當(dāng)物質(zhì)處于不平衡狀態(tài)時，電荷會分離并在物體表面積聚，形成靜電。產(chǎn)生原因靜電現(xiàn)象及產(chǎn)生原因在一個孤立系統(tǒng)中，無論發(fā)生何種變化，電荷的總量始終保持不變。真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比。電荷守恒定律與庫侖定律庫侖定律電荷守恒定律描述電場強(qiáng)弱的物理量，表示單位正電荷在該點所受的電場力。電場強(qiáng)度電場中兩點間的電勢之差，等于將單位正電荷從一點移動到另一點時電場力所做的功。電勢差電場強(qiáng)度與電勢差導(dǎo)體指內(nèi)部存在自由電子的物體，能夠傳導(dǎo)電流。在靜電場中，導(dǎo)體內(nèi)部電場為零，電荷分布在導(dǎo)體表面。絕緣體指內(nèi)部幾乎沒有自由電子的物體，不能傳導(dǎo)電流。在靜電場中，絕緣體內(nèi)部和表面均可存在電荷，且電荷分布與導(dǎo)體不同。靜電場中的導(dǎo)體和絕緣體02靜電場中帶電粒子運動規(guī)律勻速直線運動當(dāng)帶電粒子在均勻電場中受到的電場力與其初速度方向共線時，粒子將沿直線作勻速運動。勻變速直線運動若帶電粒子在均勻電場中受到的電場力與其初速度方向不共線，則粒子將沿直線作勻變速運動，其加速度大小與電場強(qiáng)度成正比，方向與電場力方向相同。帶電粒子在均勻電場中運動帶電粒子在非均勻電場中運動曲線運動當(dāng)帶電粒子在非均勻電場中運動時，由于電場強(qiáng)度隨空間位置變化，粒子所受的電場力也將隨之變化，導(dǎo)致粒子作曲線運動。運動軌跡帶電粒子在非均勻電場中的運動軌跡一般不是直線，而是根據(jù)電場強(qiáng)度的分布情況和粒子的初速度、電荷量等因素確定的曲線。洛倫茲力當(dāng)帶電粒子在磁場中運動時，會受到一個與磁場方向和粒子運動方向都垂直的力，這個力被稱為洛倫茲力。洛倫茲力的大小與粒子的電荷量、速度和磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比?；魻栃?yīng)當(dāng)帶電粒子在垂直于磁場的導(dǎo)體板中運動時，由于洛倫茲力的作用，會使得粒子在導(dǎo)體板兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，從而形成橫向電勢差。這個現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)，是研究物質(zhì)中載流子類型和濃度的重要手段。洛倫茲力與霍爾效應(yīng)03靜電場能量與能量轉(zhuǎn)換電勢能電荷在電場中具有的勢能，與電荷量及所在位置的電勢有關(guān)。電勢描述電場中某點電勢能的性質(zhì)，是標(biāo)量，具有相對性。等勢面電勢相等的點構(gòu)成的面，與電場線垂直，且等勢面上移動電荷電場力不做功。電勢能、電勢及等勢面電荷在電場力作用下移動時，電場力對電荷所做的功。電場力做功電場力做功與電荷移動的路徑無關(guān)，只與電荷的初末位置有關(guān)。路徑無關(guān)性電場力做功與路徑無關(guān)性靜電場本身所具有的能量，與電場中電荷的分布情況有關(guān)。靜電場能量能量轉(zhuǎn)換能量儲存在靜電場中，電荷的移動會導(dǎo)致能量的轉(zhuǎn)換，如電勢能轉(zhuǎn)換為動能等。靜電場中的能量可以儲存在電場中，當(dāng)電荷移動時，這些能量可以被釋放出來。030201靜電場能量轉(zhuǎn)換及儲存04靜電場應(yīng)用實例分析平行板電容器充放電過程分析當(dāng)平行板電容器與電源連接時，電源將正電荷輸送到一個極板，同時將負(fù)電荷輸送到另一個極板。這個過程中，電容器極板上的電荷量逐漸增加，電容器內(nèi)部的電場強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。充電過程當(dāng)平行板電容器與電源斷開后，電容器開始放電。此時，電容器極板上的電荷通過外部電路逐漸中和，電容器內(nèi)部的電場強(qiáng)度逐漸減弱。放電過程中，電容器儲存的能量逐漸釋放。放電過程VS范德華力是分子間的一種相互作用力，它是由于分子間的電偶極矩相互作用而產(chǎn)生的。范德華力的大小與分子的極性、大小和形狀有關(guān)。在靜電場中，范德華力可以影響分子的排列和取向。分子間相互作用力除了范德華力外，分子間還存在其他相互作用力，如氫鍵、離子鍵等。這些相互作用力可以影響物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)，如熔點、沸點、溶解度等。在靜電場中，這些相互作用力也可以受到影響。范德華力范德華力與分子間相互作用力靜電噴涂是一種利用靜電場將涂料均勻地噴涂到物體表面的技術(shù)。在靜電噴涂過程中，涂料顆粒帶負(fù)電荷，而物體表面帶正電荷。當(dāng)涂料顆粒接近物體表面時，它們被靜電場吸引并均勻地分布在物體表面上，形成一層均勻的涂層。靜電除塵是一種利用靜電場將空氣中的塵埃顆粒去除的技術(shù)。在靜電除塵過程中，空氣中的塵埃顆粒帶負(fù)電荷，而除塵器的集塵板帶正電荷。當(dāng)塵埃顆粒經(jīng)過除塵器時，它們被靜電場吸引并附著在集塵板上，從而達(dá)到去除塵埃的目的。靜電噴涂靜電除塵靜電噴涂、靜電除塵技術(shù)應(yīng)用05靜電場數(shù)值計算方法簡介有限差分法求解泊松方程差分方程建立利用差分格式將泊松方程離散化，得到每個網(wǎng)格點上的差分方程。網(wǎng)格劃分將求解區(qū)域劃分為規(guī)則的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格點上的電勢作為待求未知量。差分格式選擇根據(jù)靜電場問題的具體性質(zhì)和計算精度要求，選擇合適的差分格式，如一階向前、向后或中心差分格式。邊界條件處理根據(jù)靜電場問題的邊界條件，對差分方程進(jìn)行修正，以確保邊界上的電勢滿足給定條件。求解方法采用迭代法或直接法求解差分方程組，得到每個網(wǎng)格點上的電勢值。求解方法采用迭代法或直接法求解有限元方程組，得到每個節(jié)點上的電勢值。邊界條件處理在有限元方程中引入邊界條件，以確保邊界上的電勢滿足給定條件。有限元方程建立根據(jù)形函數(shù)的性質(zhì)和變分原理，建立有限元方程，即求解電勢分布的線性方程組。有限元模型建立將求解區(qū)域劃分為有限個小的單元，每個單元內(nèi)的電勢分布用形函數(shù)近似表示。變分原理應(yīng)用利用變分原理將拉普拉斯方程轉(zhuǎn)化為等效的變分問題，即求電勢分布的極小值問題。有限元法求解拉普拉斯方程根據(jù)靜電場的邊界條件，建立邊界積分方程，將靜電場問題轉(zhuǎn)化為等效的邊界問題。邊界積分方程建立將求解區(qū)域的邊界劃分為有限個小的邊界元，每個邊界元上的電荷分布作為待求未知量。邊界元劃分采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計算方法，如配點法、最小二乘法等，求解邊界積分方程，得到每個邊界元上的電荷分布。數(shù)值計算方法根據(jù)電荷分布計算靜電場中的電勢和電場分布，以滿足靜電場問題的求解需求。電勢和電場計算邊界元法在靜電場中應(yīng)用06實驗：測量導(dǎo)體表面電荷分布及電位差實驗?zāi)康耐ㄟ^測量導(dǎo)體表面的電荷分布和電位差，驗證靜電場的基本理論和規(guī)律，加深對靜電場性質(zhì)的理解。原理介紹在靜電場中，導(dǎo)體表面的電荷分布和電位差與導(dǎo)體的形狀、大小、電荷量以及周圍環(huán)境的電性質(zhì)有關(guān)。通過測量導(dǎo)體表面的電荷分布和電位差，可以研究靜電場的分布規(guī)律和導(dǎo)體的電性質(zhì)。實驗?zāi)康暮驮斫榻B實驗步驟1.準(zhǔn)備實驗器材，包括導(dǎo)體樣品、電荷計、電位計、絕緣支架等。2.將導(dǎo)體樣品放置在絕緣支架上，并用地線連接導(dǎo)體和電荷計，使導(dǎo)體帶電。實驗步驟和數(shù)據(jù)記錄3.用電荷計測量導(dǎo)體表面的電荷量，并記錄數(shù)據(jù)。5.改變導(dǎo)體的形狀、大小或電荷量，重復(fù)以上步驟進(jìn)行測量。數(shù)據(jù)記錄：記錄不同形狀、大小或電荷量的導(dǎo)體表面的電荷量和電位差數(shù)據(jù)，以及實驗過程中的其他相關(guān)信息。4.用電位計測量導(dǎo)體表面不同位置之間的電位差，并記錄數(shù)據(jù)。實驗步驟和數(shù)據(jù)記錄結(jié)果分析根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，分析導(dǎo)體表面電荷分布和電位差與導(dǎo)體形狀、大小、電荷量以及周圍環(huán)境的電性質(zhì)之間的關(guān)系。通過比較不同條件下的實驗