靜電場中的導(dǎo)體課件

靜電場中的導(dǎo)體

物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)

單個(gè)原子的電結(jié)構(gòu)

內(nèi)層電子價(jià)電子原子內(nèi)部殼層的電子受外層電子的屏蔽一般都填滿了每一個(gè)殼層在原子中結(jié)合得比較緊填充在最外層的電子與核的結(jié)合較弱，容易擺脫原子核的束縛——稱為價(jià)電子——自由電子

導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

雖然所有固體都包含大量電子，但導(dǎo)電性能差異很大

導(dǎo)體：導(dǎo)體中存在著大量的自由電子

電子數(shù)密度很大，約為1022個(gè)/cm3

絕緣體

基本上沒有參與導(dǎo)電的自由電子

半導(dǎo)體

半導(dǎo)體中自由電子數(shù)密度較小，約為

1012～1019個(gè)/cm3

物質(zhì)中的電荷在電場的作用下重新分布場分布互相影響場分布、互相制約

達(dá)到某種新的平衡

不同的物質(zhì)會(huì)對電場作出不同的響應(yīng)，在靜電場中具有各自的特性。是場與物質(zhì)的相互作用問題

力學(xué)：只涉及物質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)，對其本身研究甚少。電磁學(xué)：較多地討論場，而對物質(zhì)本身的電磁性質(zhì)也涉及得很少。物質(zhì)與場是物質(zhì)存在的兩種形式物質(zhì)性質(zhì)非常復(fù)雜（要特別注意我們課程中討論這種問題所加的限制）導(dǎo)體靜電平衡條件

導(dǎo)體：有足夠多的自由電子

——受電場力會(huì)移動(dòng)說明：一般情況表面有一定厚度，很復(fù)雜如：E=109V，則感應(yīng)電荷聚集在表面的厚度為10-10m，本課程不討論表面層電荷如何分布。

實(shí)際物質(zhì)內(nèi)部既有自由電子，又是電介質(zhì)。如：氣體在一般情況下絕緣（電介質(zhì)），但加高壓氣體會(huì)被擊穿（導(dǎo)體）——導(dǎo)體是一種理想模型。對導(dǎo)體只討論達(dá)到靜電平衡以后的情況，不討論加電以后電荷的平衡過程。

靜電平衡條件導(dǎo)體剛放入勻強(qiáng)電場中

只要E不為零，自由電子作定向運(yùn)動(dòng)

改變電荷分布，產(chǎn)生附加場兩者大小相等，方向相反——完全抵消——達(dá)到靜電平衡

靜電平衡條件一般情況導(dǎo)體靜電平衡時(shí)的性質(zhì)電勢分布導(dǎo)體是一個(gè)等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面

證明：

導(dǎo)體內(nèi)部E=0導(dǎo)體內(nèi)部任意兩點(diǎn)間電勢差為零——各點(diǎn)等電勢——等勢體

——表面為等勢面

場強(qiáng)分布

導(dǎo)體表面是等勢面，處處與電力線正交？=0？電荷分布導(dǎo)體處于靜電平衡時(shí)，電荷只分布在導(dǎo)體表面，導(dǎo)體內(nèi)部無電荷即

e＝0（體內(nèi)無未被抵消的凈電荷）

證明：設(shè)導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡

——E內(nèi)＝0S向P點(diǎn)收縮

面電荷密度與曲率半徑的關(guān)系

表面具體的電荷分布？很復(fù)雜

（形狀、周圍情況）孤立導(dǎo)體表面的電荷密度與曲率之間并不存在單一的函數(shù)關(guān)系。

孤立導(dǎo)體電荷分布有以下定性規(guī)律

尖端放電：如果場強(qiáng)大到可以使其周圍空氣電離——“尖端放電”。

尖端放電及其應(yīng)用

危害：雷擊對地面上突出物體（尖端）的破壞性最大；高壓設(shè)備尖端放電漏電等。

應(yīng)用實(shí)例：避雷針

高壓輸電中，把電極做成光滑球狀

范德格拉夫起電機(jī)的起電原理就是利用尖端放電使起電機(jī)起電；場離子顯微鏡（FIM）、場致發(fā)射顯微鏡(FEM)乃至掃描隧道顯微鏡(STM)等可以觀察個(gè)別原子的顯微設(shè)備的原理都與尖端放電效應(yīng)有關(guān)；靜電復(fù)印機(jī)的也是利用加高電壓的針尖產(chǎn)生電暈使硒鼓和復(fù)印紙產(chǎn)生靜電感應(yīng)，從而使復(fù)印紙獲得與原稿一樣的圖象。導(dǎo)體空腔

導(dǎo)體空腔一般分為兩類

腔內(nèi)沒有帶電體

腔內(nèi)有帶電體

討論兩類空腔在靜電平衡時(shí)的電場、電勢和電荷分布，只討論達(dá)到平衡的情況。腔內(nèi)無帶電體

包圍導(dǎo)體空腔的導(dǎo)體殼內(nèi)表面上處處沒有電荷，電荷分布在導(dǎo)體外表面，空腔內(nèi)處處E=0，空腔內(nèi)處處電勢相等。證明：作Gauss面如圖

必然會(huì)有電力線起始于內(nèi)表面上帶正電荷處，內(nèi)表面不是等勢面

——導(dǎo)體也不是等