大學物理靜電場中導體和電介質(zhì)

1、關(guān)于大學物理-靜電場中的導體和電介質(zhì)第一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月內(nèi) 容 提 要靜電場中的導體的內(nèi)外場的性質(zhì)電容電場能量靜電場中的電介質(zhì)中場的特點第二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月雷電奇觀第三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月怒發(fā)沖冠第四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 靜電場中的導體 一金屬導體靜電平衡條件 +金屬離子自由電子 金屬導體內(nèi)部微觀電荷運動特征。金屬導體內(nèi)部正負電荷總量相等，從統(tǒng)計平均看，內(nèi)部處處無多余的電荷累積，呈電中性。金屬第五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月金屬 在外場的作用下，自由電子的定向運動，使電荷在導體內(nèi)

2、局部堆積。電子在合場的驅(qū)動下，不斷運動，一直到。感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷 當導體內(nèi)的電場為零時，電子的宏觀定向運動停止，導體達到靜電平衡。時間：第六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月靜電平衡條件1.導體內(nèi)部場強為零。2.導體是等勢體，導體表面是等勢面。3.導體表面處的場強與表面垂直。 金屬帶電導體+證明2證明 3（略）第七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二.靜電平衡下導體上電荷分布1.實心導體金屬導體+高斯面結(jié)論：電荷分布在導體的表面上。第八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2.空心導體空腔內(nèi)無帶電體時金屬導體+ 結(jié)論：導體上的電荷分布在外表面，腔內(nèi)場強為零，而電勢處處相同。

3、第九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 腔內(nèi)有帶電體時高斯面 結(jié)論：導體內(nèi)表面上的電荷量同腔內(nèi)凈余電量，但異號。+第十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月+帶電導體+三.導體表面外側(cè)附近的場強+s+ 此場強是空間所有電荷在導體表面附近的場強的合場。第十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月四 帶電導體上的電荷面密度與導體表面曲率的關(guān)系 1 尖端放電： 由 知，尖端附近場強大，達到一定程度時，可使空氣被擊穿，與尖端處的異號離子被吸引，與尖端處的電荷中和，使導體上的電荷減少，稱為尖端放電。 理論和實驗表明，帶電導體達靜電平衡時，電荷在表面曲率大處（曲率半徑小）電荷密度較大，或講

4、表面尖端處電荷密度相對較大。 （1）電暈現(xiàn)象：高壓線的電暈現(xiàn)象（在尖端附近被電離的空氣形成的離子與空氣中的分子碰撞，使之激發(fā)，產(chǎn)生光輻射，形成電暈）等。為減小能量損失導體表面應(yīng)光滑平坦。* 演示電吹風等。第十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 （2）如高大建筑物遭雷擊（物與云間放電）。防護：避雷針（避雷針與云間放電）。（3）森林火災(zāi)等。防護：高壓設(shè)備做成球形等。 * *黃島油庫爆炸，球員斃命，農(nóng)田，走路，油罐車的拖地金屬鏈，紡織廠車間飛絮，-等。第十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月應(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離子。電壓約第十四張，PPT共六

5、十五頁，創(chuàng)作于2022年6月金屬腔帶電體+* 高新科技應(yīng)用：計算機屏蔽，電子設(shè)備屏蔽等，演示金屬網(wǎng)的屏蔽作用五.靜電屏蔽 電力線終止在導體表面上，使空腔內(nèi)物體不受外界電場的干擾，從而起到“保護作用”。電子儀器第十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 這表明，當金屬腔內(nèi)的帶電體移動時，只改變腔內(nèi)表面的電荷的分布，不影響外表面上的電荷的分布，但外表面上的感應(yīng)電荷對殼外空間的電場有影響。 若金屬殼接地，則金屬殼電勢為零；內(nèi)表面上感應(yīng)電荷及腔內(nèi)電荷的場對殼外空間的電場無影響。金屬殼起到靜電屏蔽作用。金屬殼+ +第十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 例 71 帶電量為 半徑為 的金屬

6、球，與一內(nèi)外半徑分別為 ,帶電量為 金屬球殼同心。求電勢的分布。 +金屬球金屬球殼解 電荷分布為+球殼內(nèi)外表面上的電荷為和 電勢的分布：據(jù)電勢的疊加原理，金屬球內(nèi)任一點為球殼的電勢第十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月按定義，則金屬球內(nèi)的電勢+金屬球金屬球殼由高斯定律得場強的分布為第十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月+金屬球金屬球殼球與球殼間的電勢差而球殼的電勢為第十九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月+金屬球金屬球殼例題1 若球殼接地，是否對電勢及電勢差有影響。2 金屬球移動，是否影響球殼內(nèi)外的場。3 當球偏心時，如何?討論：第二十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2

7、022年6月 例 72 如圖示，一無限大的均勻帶電金屬板A，若把一大的屬板B靠近A板，求B板上的電荷分布，二板的電勢差。+解： 由電荷守恒定律和導體內(nèi)場強為零及用高斯定律，可得B板上的電荷分部為（證明略）圖示。+二板的電勢差若B板接地后，二板的電勢差+題目第二十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月例 73 求A ，B ，C ，D各面上電荷量。大導體帶電平板解： P按高斯定律，有且要求高斯面按電量守恒，有解得第二十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 例 7-4 一不帶電的金屬球外有一點電荷，如圖示，求球心的場強和電勢。 點電荷 解：因球面的感應(yīng)電荷等量異號，故球心的電勢為而球內(nèi)

8、場強處處為零。 當球接地時，球心的場強幾何感應(yīng)電荷若干 若第二十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月點評求解靜電場中的導體題目思路1 用高斯定律，導體內(nèi)場強為零及電荷守恒律求出電荷的分布。2 按上章的規(guī)律求電勢，電勢差等。3 正確用場強，電勢的疊加原理。4 注意導體內(nèi)場強為零，導體是等電勢體。第二十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月今日物理超導體 通常的金屬導體因自由電子在電場的作用下導電，電子因與金屬中的正離子碰撞而有電阻。 超導體：在極低溫下，一些材料表現(xiàn)為零電組，電流一旦產(chǎn)生，則無阻流下去。物理機理是，目前公認解釋是電子對理論：電子對運動的物理圖像是無電流時電子對的動量

9、為零；有電流時，電子對中的一電子與晶格碰撞而改變動量的大小和方向，但由于電子對中電子間的關(guān)聯(lián)，另一電子的動量也相應(yīng)變化，使電子對的總動量不變這種具有相同動量的大量電子對以相同的速度運動，整體形成了無阻的超導電流。又稱 （巴庫施理論）理論的超導性理論，獲1972年諾貝爾物理獎。高溫超導技術(shù)最新進展與應(yīng)用最新轉(zhuǎn)變溫度材料 第二十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 電介質(zhì)一.電介質(zhì)的極化電介質(zhì)又稱絕緣體，在電介質(zhì)中，電子被束縛在各自的原子或分子中，因而，電介質(zhì)中無自由電子。本節(jié)討論電介質(zhì)對電場的影響。無極分子，正負電荷中心重合在外場的作用下，二者分離，形成電偶極子電介質(zhì)+1 無極分子

10、極化如氧，氫，氮等雙原子分子，原子分布具有對稱性。極化面電荷極化電荷的場強外界施加在介質(zhì)上的場介質(zhì)內(nèi)的場強束縛電荷第二十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2 有極分子的極化有極分子，正負電荷中心不重合。+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，分子都具有固有電矩。電介質(zhì)趨向極化在外場中，有極分子沿外場排列+無外場時，電偶極子雜亂無章的排列+外場存在時，電偶極子沿外場排列+極化面電荷第二十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月電介質(zhì)中的場強為介質(zhì)內(nèi)的場強 與 同向，和 反向。第二十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二.電極化強度矢量電介質(zhì)設(shè)想一塊

11、電介質(zhì)置于外場中被極化。取一體元p定義反映P點附近平均極化程度。反映P點極化程度。式中 是介質(zhì)中的場強， ：電極化率，由介質(zhì)性質(zhì)決定。：電極化強度矢量。：相對介電常數(shù)。第二十九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三.電極化強度矢量與極化電荷面密度的關(guān)系設(shè)一斜圓柱電介質(zhì)被均勻極化。即電極化強度處處相等。均勻極化L+電介質(zhì)結(jié)論：極化電荷的面密度為電極化強度在法線方向上的投影。第三十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月+電介質(zhì)第三節(jié) 電介質(zhì)中的場強 介質(zhì)中的高斯定律一電介質(zhì)中的場強如圖示代數(shù)式：相對介電常數(shù)第三十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月適用條件:1介質(zhì)充滿整個場2介質(zhì)

12、分界面為等勢面+金屬球例+金屬球ABC第三十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月+金屬球第一殼層電介質(zhì)內(nèi)表面的極化電荷面密度：第一殼層電介質(zhì)內(nèi)表面的極化電荷總量第三十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月+電介質(zhì)二介質(zhì)中的高斯定律 電位移選一高斯封閉面令則稱為電位移矢量。第三十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 介質(zhì)中的高斯定律 ：通過場中某一封閉面上的電位移通量等 于該閉合面內(nèi)所圍自由電荷的代數(shù)和。 題目的關(guān)系最重要第三十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第 四 節(jié) 電 容 電 容 器一 孤立導體的電容孤立金屬導體+ 當該孤立導體電量增減時，據(jù)電勢的疊加原理

13、，不難想象，導體的電勢按比例增減，二者是成比例的增加或減少，二者之比值為稱為孤立導體的電容。物理意義：使導體每升高單位電勢所需要的電量。 電容的大小反映導體容納電荷的能力。孤立導體的電容與導體的形狀和大小有關(guān)，是一個與 和 無關(guān)的常數(shù)。* * * 與水容器,庫容量等比較。單位：法拉（ ）；微法（ ）或微微法（ ）。第三十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月R顯然，孤立導體球的電容與線度及周圍電介質(zhì)有關(guān)，與導體球是否帶電，是空心球還是實心球均無關(guān)。設(shè)一半徑為 孤立帶電導體球，置于無限大的均勻電介質(zhì)中。其電容為多大。若金屬球帶電為 ，其電勢為 ， 據(jù)定義，其電容為+ 例如，地球為導體，其平

14、均半徑為 ，其電容值約為第三十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二 電容器的電容+帶電的導體電容器即導體組成的體系。 在孤立導體附近放置另一導體，由電勢疊加原理得知，使原來的導體電勢減少，若維持其電量不變，則原來的帶電導體必容值增加。+原來不帶電的導體導體系感應(yīng)電荷第三十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 設(shè)一金屬板 ，帶電量為 ，與一電位計相連，測的電勢為電位計+。 當另一不帶電的金屬板 靠近板 時，感應(yīng)電荷的產(chǎn)生，據(jù)電勢的疊加，使 板的電勢下降。+電介質(zhì)+把電介質(zhì)插入后， 板的電勢再下降。 電容器電容的定義為一個極板上的電量 （絕對值）和兩極板的電勢差 之比，即+接地，

15、則使 板的電勢進一步下降。第三十九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1 平行板電容器解釋（略）平行金屬板按定義大金屬板+第四十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2 球形電容器按定義金屬球殼金屬球+討論：1 ，得孤立導體球的電容。2 當 時，得平形板電容器的電容第四十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3 柱形電容器按定義+第四十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月點評 2 綜上可知，電容器的電容與極板面積，極板的相對位置，板間電介質(zhì)等有關(guān)。 3 板間電場被極板屏蔽，外部導體或帶電體等對板間場強和板間的電勢差無影響。1 電容器的電容描述電容器容電能力和性質(zhì)。4 用

16、定義式是物理中求解電容的常用方法。5 在電子線路中有分布（雜散）電容。第四十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 例 78 如圖，平行板電容器的極板面積為 ， 板間填充兩種電介質(zhì)。其它相關(guān)量如圖中所示。求：此電容器的電容。解：解題思路，欲求電容，先設(shè)上下二極板的電量，如圖示。+據(jù)定義第四十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月或視為二簡單電容器的串聯(lián)。金屬板 的存在不影響 板上的電量與 的電勢差，故電容不變。其中則總電容為第四十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 例 79 如圖示所示。求電容 ， 板上的電量 ，板間場強大小。解：相當二簡單電容的并聯(lián)。故上的電量為板間的場

17、強大小為，為什麼與介質(zhì)無關(guān)?第四十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三 應(yīng)用 電容器是電技術(shù)中的三大基本元件之一，其在電路中的獨立作用是儲荷與儲能（如照像機的閃光燈），隔直通交。在電工技術(shù)，電子線路等方面有著廣泛的應(yīng)用。如 與電阻，電感一起可組成濾波電路，整流電路，延時電路，選頻與調(diào)諧電路，振蕩電路，相移電路等。在具體應(yīng)用時，一要選合適的容值，二要注意其耐壓值，以免使用時被擊穿。在大規(guī)模集成電路中，電容可做到極小，每平方厘米內(nèi)可做上萬個電容。第四十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 能量是物質(zhì)存在的一種形式，電場做為一種特殊形態(tài)的物質(zhì)-場物質(zhì)，有電場能量。 結(jié)論：帶電過程中

18、，外界不斷克服電場力作正功，因此，帶電過程是儲能過程。第五節(jié) 電場的能量 能量密度2 在帶電體形成過程中因外界作功而形成的能-形成能。1 前面講過帶電體間的電勢能稱為相互作用能。討論一物體帶電過程。 物體+移動中外界不做功+移動中外界不做功+外界克服電場力做功+外界克服電場力做功+物體+移動中外界不做功+移動中外界不做功+外界克服電場力做功+外界克服電場力做功+帶電體第四十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月下面，以平行板電容器的帶電過程為例說明場能的計算+時刻+移動電荷電勢差終態(tài)（充電結(jié)束)+電勢差外界克服電場力做的功外界克服電場力做的功等于電場的能量 。電場儲能解釋（略)第四十九張

19、，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 解釋：由以上表述可見，靜電能與電荷共存，與電荷直接連系在一起?；蛑v電容器儲存的能量是由電荷攜帶的，哪里有能量，哪里有電荷，以上結(jié)論適用于任何形式的電容器。第五十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月經(jīng)變換，場能又表述為可見，場能儲存在電場中?？紤]到板間是均勻場，故能量密度 (單位體積內(nèi)的能量) 為第五十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 1 不僅適合勻強場，而且適合非勻強場，是空間的函數(shù)。 2 又適合電磁波-迅變電磁場。場脫離電荷，電場與磁場相互激發(fā)。是空間和時間的函數(shù)。1 相互作用能（互能）。2 自能：是形成點電荷時外界克服電場力做功之

20、和3 帶電系統(tǒng)的總靜電能：互能+自能。計算公式：導體系的總靜電能計算公式：如帶電平行板（一個導體系)的總靜電能點評電場能量故前述帶電平行板電容器能量為系統(tǒng)的總靜電能=互能+自能。第五十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月例 710 求圖中球形電容器的電容和能量。解：設(shè)金屬球和金屬球殼的電量為題金屬球殼金屬球金屬球直流電源電源的電勢差。則電容器的能量為第五十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 解：解題分析，非均勻場。但場具有對稱性。選擇合適的體元，把能量密度積分即可。選一球殼，其內(nèi)能量為例 711 求圖示孤立導體球的靜電能。+或用第五十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 例 712 討論，在電介質(zhì)正插入時，下列兩種情形下的能量如何變化，并解釋其原因。保持電量一定保持電勢差一定電介質(zhì)電介質(zhì) 解：保持電量一定時，因電容增加，由式得知，能量減少，原因是電場力做正功。+由式電勢差不變，而電容增加，故能量增加，原因