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電磁學(xué)2021/6/271電磁相互作用及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律電磁學(xué)(electromagnetics)研究對(duì)象電磁學(xué)靜電場(chǎng)恒定磁場(chǎng)變化中的電磁場(chǎng)

主要特點(diǎn):研究對(duì)象不再是分離的實(shí)物,而是連續(xù)分布的場(chǎng),用空間函數(shù)(如

等)描述其性質(zhì).2021/6/272第五章靜電場(chǎng)2021/6/273§5-1電荷庫(kù)侖定律5-1-1電荷帶電現(xiàn)象:物體經(jīng)摩擦后對(duì)輕微物體有吸引作用的現(xiàn)象。兩種電荷:

硬橡膠棒與毛皮摩擦后所帶的電荷為負(fù)電荷。

玻璃棒與絲綢摩擦后所帶的電荷為正電荷。電荷的基本單元就是一個(gè)電子所帶電荷量的絕對(duì)值.2021/6/2741.電荷是物質(zhì)一種屬性,是物質(zhì)所帶電的量,單位:庫(kù)倫.2.電荷性質(zhì)電荷有兩類:正電荷、負(fù)電荷.同性相斥、異性相吸.3.電荷守恒定律

在一個(gè)與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi),正、負(fù)電荷的代數(shù)和在任何物理過程中始終保持不變.4.電荷量子化

物體所帶電荷量都是元電荷的整數(shù)倍.電荷的這種特性叫電荷的量子性.注意2021/6/2755-1-2庫(kù)侖定律

真空中兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷q1和q2之間的作用力的大小與這兩個(gè)電荷所帶電荷量的乘積成正比,與它們之間距離的平方成反比,作用力的方向沿著這兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線,同號(hào)電荷相斥,異號(hào)電荷相吸.真空中的電容率2021/6/276§5-2電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度

2021/6/277電荷電場(chǎng)電荷1.電場(chǎng):任何電荷都將在自己周圍的空間激發(fā)電場(chǎng),電場(chǎng)對(duì)處于其中的任何電荷都有力(稱電場(chǎng)力)的作用,即電荷之間的作用力是通過場(chǎng)來傳遞的.特殊形態(tài)的物質(zhì)2021/6/2782.電場(chǎng)強(qiáng)度:定義電場(chǎng)強(qiáng)度:是從力的方面描寫電場(chǎng)性質(zhì)的物理量.2021/6/279電場(chǎng)強(qiáng)度:電場(chǎng)中某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小等于單位電荷在該點(diǎn)所受電場(chǎng)力的大小,方向?yàn)檎姾稍谠擖c(diǎn)所受力的方向.試驗(yàn)電荷應(yīng)滿足:(1)它所帶電荷足夠小;(2)它的線度很小,可以視為點(diǎn)電荷。注意2021/6/2710帶電量為的點(diǎn)電荷在電場(chǎng)強(qiáng)度為的電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力3.點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)分布為正,與同向;為負(fù),與反向.2021/6/27114、場(chǎng)強(qiáng)疊加原理由力的疊加原理得所受合力點(diǎn)電荷

對(duì)的作用力故處總電場(chǎng)強(qiáng)度2021/6/27122.電荷連續(xù)分布電荷體分布電荷面分布電荷線分布1.點(diǎn)電荷系的合場(chǎng)強(qiáng)為電荷分布的體密度為電荷分布的面密度為電荷分布的線密度電荷元的元場(chǎng)強(qiáng):合場(chǎng)強(qiáng)為2021/6/2713例1:求電偶極子軸線的中垂線上一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度.2021/6/2714

定義電偶極矩若,的方向沿x軸的負(fù)向。2021/6/2715例2:均勻帶電直線長(zhǎng)為2l,所帶電荷量q

,求中垂線上一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度.電荷線密度由場(chǎng)對(duì)稱性,Ey=0解:2021/6/2716查積分表若,(無限長(zhǎng)均勻帶電直線)方向沿x軸的正向。2021/6/2717解例:正電荷均勻分布在半徑為的圓環(huán)上.計(jì)算在環(huán)的軸線上任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度.2021/6/2718由對(duì)稱性有

即在遠(yuǎn)離環(huán)心的地方,帶電環(huán)的場(chǎng)強(qiáng)可視為電荷全部集中在環(huán)心處所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng).若2021/6/2719P194習(xí)題:5-8作業(yè)2021/6/2720一、電荷1.電荷是物質(zhì)一種屬性,是物質(zhì)所帶電的量,單位:庫(kù)倫.2.兩類:正電荷、負(fù)電荷.同性相斥、異性相吸.3.電荷守恒4.電荷量子化內(nèi)容回顧二、庫(kù)侖定律2021/6/2721三、電場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度電荷電場(chǎng)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度:是從力的方面描寫電場(chǎng)性質(zhì)的物理量.定義電場(chǎng)強(qiáng)度:特殊形態(tài)的物質(zhì)2021/6/2722四、場(chǎng)強(qiáng)疊加原理2.電荷連續(xù)分布1.點(diǎn)電荷系的合場(chǎng)強(qiáng)合場(chǎng)強(qiáng)為2021/6/27235-2高斯定理2021/6/2724一、電場(chǎng)線

電場(chǎng)的方向:曲線上每一點(diǎn)電場(chǎng)線的切線方向;

規(guī)定1.定義:為形象描繪靜電場(chǎng)而引入的一組空間曲線.

電場(chǎng)強(qiáng)度的大小正比于垂直于的單位面積的電場(chǎng)線的數(shù)目(電場(chǎng)線密度).在SI中,場(chǎng)強(qiáng)的大小E等于電場(chǎng)線密度,即:2021/6/2725點(diǎn)電荷的電場(chǎng)線+-2、典型電場(chǎng)的電場(chǎng)線分布圖形2021/6/2726一對(duì)正電荷的電場(chǎng)線電偶極子的電場(chǎng)線2021/6/2727帶電平行板電容器的電場(chǎng)線+++++++++3.靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線特性(1)電場(chǎng)線起始于正電荷(或來自于無窮遠(yuǎn)處),終止于負(fù)電荷(或伸向于無窮遠(yuǎn)處),在沒有電荷的地方不中斷.(2)電場(chǎng)線不閉合,不相交.(3)電場(chǎng)線密集處電場(chǎng)強(qiáng),電場(chǎng)線稀疏處電場(chǎng)弱.2021/6/2728二、電場(chǎng)強(qiáng)度通量

通過電場(chǎng)中某一個(gè)面的電場(chǎng)線數(shù)叫做通過這個(gè)面的電場(chǎng)強(qiáng)度通量.2021/6/2729(1)通過均勻電場(chǎng)一平面的電通量SSθ(2)閉合曲面的電場(chǎng)強(qiáng)度通量閉合曲面法向正向規(guī)定自內(nèi)向外,因此穿入的電通量為負(fù),穿出的電通量為正.S2021/6/2730練習(xí)1:空間有點(diǎn)電荷q,求下列情況下穿過曲面的電通量.(1)曲面以電荷為中心的球面(2)曲面包圍電荷任意封閉曲面(3)曲面不包圍電荷任意封閉曲面2021/6/2731+結(jié)果與R無關(guān)解:(1)曲面為以電荷為中心的球面2021/6/2732結(jié)論:=(2)曲面包圍電荷的任意封閉曲面(3)曲面不包圍電荷任意封閉曲面2021/6/2733練習(xí)2:空間有點(diǎn)電荷q1,q2,…qn

,求穿過空間任意封閉曲面S的電通量.曲面上各點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度:包括S內(nèi)、S外,所有電荷的貢獻(xiàn).穿過S面的電通量:+‥‥2021/6/2734三、高斯定理

在真空中,通過任一閉合曲面的電場(chǎng)強(qiáng)度通量,等于該曲面所包圍的所有電荷的代數(shù)和除以.2021/6/2735對(duì)高斯定理的討論(1)高斯面:閉合曲面.(2)電場(chǎng)強(qiáng)度:所有電荷的總電場(chǎng)強(qiáng)度.(3)電通量:穿出為正,穿進(jìn)為負(fù).(4)

僅面內(nèi)電荷對(duì)電通量有貢獻(xiàn).(5)揭示了靜電場(chǎng)中“場(chǎng)”和“源”的關(guān)系。2021/6/2736高斯高斯(C.F.Gauss1777

1855)

德國(guó)數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家和物理學(xué)家,有“數(shù)學(xué)王子”美稱,他與韋伯制成了第一臺(tái)有線電報(bào)機(jī)和建立了地磁觀測(cè)臺(tái).2021/6/2737四、應(yīng)用高斯定理計(jì)算電場(chǎng)

2.用高斯定理求解靜電場(chǎng)的步驟(1).場(chǎng)對(duì)稱性分析.(2).選取高斯面.(3).確定面內(nèi)電荷代數(shù)和.(4).應(yīng)用定理列方程求解.1.用高斯定理求解靜電場(chǎng)的條件

靜電場(chǎng)具有球?qū)ΨQ、軸對(duì)稱或面對(duì)稱等特殊對(duì)稱性,可從積分號(hào)內(nèi)提出,變積分方程為代數(shù)方程.2021/6/2738++++++++++++例:一半徑為,均勻帶電的薄球殼.求球殼內(nèi)外任意點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度.(1)球殼內(nèi)(2)球殼外解:電場(chǎng)分布具有球?qū)ΨQ,選同心球面為高斯面2021/6/2739例:無限大均勻帶電平面,單位面積上的電荷(即電荷面密度)為,求距平面為處的電場(chǎng)強(qiáng)度.

選取軸上帶電平面,兩底面與帶電面等距為高斯面.解:++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++對(duì)稱性分析:面且與帶電平面等距的兩側(cè)各點(diǎn)的大小相等.垂直于平2021/6/27402021/6/2741無限大帶電平面的電場(chǎng)疊加問題2021/6/2742若,(無限長(zhǎng)均勻帶電直線)均勻帶電無限長(zhǎng)直線++++++2021/6/2743半徑為R,帶電量為q的均勻帶電細(xì)圓環(huán)能否用高斯定理求解空間中一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度?2021/6/2744總結(jié):

一般來說,若帶電體電荷分布具有球?qū)ΨQ性(如均勻帶電球體、球殼)和軸對(duì)稱性(無限長(zhǎng)均勻帶電直線、圓柱體等),以及無限大的帶電平板,電場(chǎng)的分布就具有對(duì)稱性。對(duì)于其他情況,我們要認(rèn)真分析,關(guān)鍵是看高斯定理左邊的積分式是否可積。2021/6/2745基本要求理解引入電場(chǎng)線的意義是什么,電場(chǎng)線有哪些性質(zhì)?領(lǐng)會(huì)電場(chǎng)強(qiáng)度通量這個(gè)概念及計(jì)算公式.理解高斯定理,及其數(shù)學(xué)表達(dá)式。知道高斯定理反映靜電場(chǎng)具有的性質(zhì)。掌握應(yīng)用高斯定理計(jì)算某些特殊分布電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度。2021/6/2746P177習(xí)題:6-9、6-12作業(yè)2021/6/2747內(nèi)容回顧一、電場(chǎng)線

電場(chǎng)的方向:曲線上每一點(diǎn)電場(chǎng)線的切線方向;

規(guī)定1.定義:為形象描繪靜電場(chǎng)而引入的一組空間曲線.在SI中,電場(chǎng)強(qiáng)度的大小等于垂直于的單位面積的電場(chǎng)線的數(shù)目(電場(chǎng)線密度).2021/6/2748靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線特性(1)電場(chǎng)線起始于正電荷(或來自于無窮遠(yuǎn)處),終止于負(fù)電荷(或伸向于無窮遠(yuǎn)處),在沒有電荷的地方不中斷.(2)電場(chǎng)線不閉合,不相交.2021/6/2749二、電場(chǎng)強(qiáng)度通量

通過電場(chǎng)中某一個(gè)面的電場(chǎng)線數(shù)叫做通過這個(gè)面的電場(chǎng)強(qiáng)度通量.2021/6/2750(1)通過均勻電場(chǎng)一平面的電通量SSθ(2)閉合曲面的電場(chǎng)強(qiáng)度通量閉合曲面法向正向規(guī)定自內(nèi)向外,因此穿入的電通量為負(fù),穿出的電通量為正.S2021/6/2751三、高斯定理

在真空中,通過任一閉合曲面的電場(chǎng)強(qiáng)度通量,等于該曲面所包圍的所有電荷的代數(shù)和除以.(1)高斯面:閉合曲面.(2)電場(chǎng)強(qiáng)度:所有電荷的總電場(chǎng)強(qiáng)度.(3)電通量:穿出為正,穿進(jìn)為負(fù).(4)

僅面內(nèi)電荷對(duì)電通量有貢獻(xiàn).(5)揭示了靜電場(chǎng)中“場(chǎng)”和“源”的關(guān)系。2021/6/27526-3電勢(shì)2021/6/2753一、靜電場(chǎng)的環(huán)路定理1.靜電場(chǎng)力所作的功結(jié)果:

僅與

的始末位置有關(guān),與路徑無關(guān).2021/6/2754任意帶電體的電場(chǎng)(點(diǎn)電荷的組合)PP’2021/6/27552.靜電場(chǎng)的環(huán)路定理

在靜電場(chǎng)中,電場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分為零.移動(dòng)電荷q0沿閉合路徑一周電場(chǎng)力作功:靜電場(chǎng)是保守力場(chǎng)或稱為有勢(shì)場(chǎng).2021/6/2756二、電勢(shì)能

靜電場(chǎng)是保守力場(chǎng),靜電場(chǎng)力是保守力.靜電場(chǎng)力所作的功就等于電荷電勢(shì)能增量的負(fù)值.令

試驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能,在數(shù)值上就等于把它從該點(diǎn)移到零勢(shì)能處?kù)o電場(chǎng)力所作的功.2021/6/27571.電勢(shì)定義電勢(shì)

即靜電場(chǎng)某點(diǎn)電勢(shì)數(shù)值上等于單位正電荷從該點(diǎn)經(jīng)任意路徑移到零電勢(shì)點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力所作的功.

電勢(shì)是電場(chǎng)中場(chǎng)點(diǎn)位置的函數(shù),從作功方面反映靜電場(chǎng)的特性.三、電勢(shì)和電勢(shì)差2021/6/27582.電勢(shì)差定義電勢(shì)差得

即靜電場(chǎng)中A、B兩點(diǎn)的電勢(shì)差等于將單位正電荷由A點(diǎn)經(jīng)任意路徑移至B點(diǎn)電場(chǎng)力的功.移送電荷q電場(chǎng)力的功靜電場(chǎng)某點(diǎn)電勢(shì)是該點(diǎn)與零電勢(shì)點(diǎn)之間的電勢(shì)差。2.電勢(shì)差2021/6/2759

電勢(shì)零點(diǎn)選擇方法:有限帶電體以無窮遠(yuǎn)為電勢(shì)零點(diǎn),實(shí)際問題中常選擇地球電勢(shì)為零.

物理意義

把單位正試驗(yàn)電荷從點(diǎn)移到無窮遠(yuǎn)時(shí),靜電場(chǎng)力所作的功.注意

場(chǎng)強(qiáng)積分法計(jì)算電勢(shì)分布場(chǎng)強(qiáng)積分法與路徑無關(guān),積分時(shí)可選便于計(jì)算的路徑.2021/6/27603.點(diǎn)電荷場(chǎng)的電勢(shì)分布

真空中點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)分布已知可用場(chǎng)強(qiáng)積分法求其電勢(shì)分布.由選取一條場(chǎng)線為積分線則取2021/6/2761四、電勢(shì)疊加原理點(diǎn)電荷系電荷連續(xù)分布:先無限分割取電荷元dq,再求積分.P2021/6/2762例:

正電荷q均勻分布在半徑為R的細(xì)圓環(huán)上.求圓環(huán)軸線上距環(huán)心為x處點(diǎn)P的電勢(shì).環(huán)上各點(diǎn)到軸線等距.解:將圓環(huán)分割成無限多個(gè)電荷元dq,有2021/6/2763例:均勻帶電球面半徑為R,電荷量為q,求:球面內(nèi)、外的電勢(shì)分布.解:選無窮遠(yuǎn)為電勢(shì)零點(diǎn),任一場(chǎng)線為積分路徑I區(qū):球面內(nèi)電勢(shì)球面內(nèi)、外的場(chǎng)強(qiáng)2021/6/2764II區(qū):球殼外電勢(shì)IIIII區(qū):球殼外電勢(shì)2021/6/2765討論1.球面上點(diǎn)的電勢(shì)計(jì)算方法與球面外相同,積分限由,得2.均勻帶電球面內(nèi)各點(diǎn)電勢(shì)相同,都等于球面上的電勢(shì).3.均勻帶電球面外的電勢(shì)分布與一個(gè)位于球心帶相等電荷量的點(diǎn)電荷的電勢(shì)分布相同.2021/6/2766P188習(xí)題:6-15、6-17作業(yè)2021/6/2767一、靜電場(chǎng)的環(huán)路定理

在靜電場(chǎng)中,電場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分為零.靜電場(chǎng)是保守力場(chǎng)或稱為有勢(shì)場(chǎng).內(nèi)容回顧二、電勢(shì)能

試驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能,在數(shù)值上就等于把它從該點(diǎn)移到零勢(shì)能處?kù)o電場(chǎng)力所作的功.2021/6/27681.電勢(shì)

即靜電場(chǎng)某點(diǎn)電勢(shì)數(shù)值上等于單位正電荷從該點(diǎn)經(jīng)任意路徑移到零電勢(shì)點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力所作的功.三、電勢(shì)和電勢(shì)差

即靜電場(chǎng)中A、B兩點(diǎn)的電勢(shì)差等于將單位正電荷由A點(diǎn)經(jīng)任意路徑移至B點(diǎn)電場(chǎng)力的功.2.電勢(shì)差2021/6/2769點(diǎn)電荷場(chǎng)的電勢(shì)分布2021/6/2770五、等勢(shì)面

空間電勢(shì)相等的點(diǎn)連接起來所形成的面稱為等勢(shì)面.為了描述空間電勢(shì)的分布,規(guī)定任意兩相鄰等勢(shì)面間的電勢(shì)差相等.2021/6/2771

在靜電場(chǎng)中,電荷沿等勢(shì)面移動(dòng)時(shí),電場(chǎng)力作功

在靜電場(chǎng)中,電場(chǎng)強(qiáng)度總是與等勢(shì)面垂直的,即電場(chǎng)線是和等勢(shì)面正交的一組曲線.

規(guī)定:電場(chǎng)中任意兩相鄰等勢(shì)面之間的電勢(shì)差相等。因此等勢(shì)面的疏密程度同樣可以表示場(chǎng)強(qiáng)的大?。?021/6/27726-4靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)導(dǎo)體特征:其中有大量的自由電子!電介質(zhì)特征:電阻率大、導(dǎo)電能力差。2021/6/2773

導(dǎo)體內(nèi)有大量的自由電荷,在電場(chǎng)的作用下,導(dǎo)體表面上正、負(fù)電荷相對(duì)聚集,出現(xiàn)感應(yīng)電荷的現(xiàn)象叫靜電感應(yīng)現(xiàn)象.靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體2021/6/2774

導(dǎo)體上任何部分無宏觀電荷的定向移動(dòng)的狀態(tài),稱為導(dǎo)體靜電平衡狀態(tài).2021/6/27751)導(dǎo)體內(nèi)部任意一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為零.1.

靜電平衡條件的場(chǎng)強(qiáng)表述2)導(dǎo)體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)處處與表面垂直.導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度=外電場(chǎng)強(qiáng)度+感應(yīng)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度導(dǎo)體內(nèi)部自由電子的宏觀運(yùn)動(dòng)完全停止。導(dǎo)體表面的自由電子無宏觀運(yùn)動(dòng)。一、導(dǎo)體的靜電平衡條件2021/6/2776

導(dǎo)體表面是等勢(shì)面

導(dǎo)體內(nèi)部電勢(shì)相等2.

靜電平衡條件的電勢(shì)表述導(dǎo)體的靜電平衡條件對(duì)于帶電體和空腔導(dǎo)體也適用.處于靜電平衡的導(dǎo)體是等勢(shì)體,其表面是等勢(shì)面.2021/6/2777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)電荷重新分布導(dǎo)體表面一端帶負(fù)電,另一端帶正電,稱感應(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)2021/6/2778二靜電平衡時(shí)導(dǎo)體上電荷的分布++++++++++結(jié)論:導(dǎo)體內(nèi)部無凈電荷,電荷只分布在導(dǎo)體表面.1

實(shí)心導(dǎo)體高斯面2021/6/27792

空腔導(dǎo)體空腔內(nèi)無電荷時(shí)電荷分布在表面內(nèi)表面?外表面?高斯面2021/6/2780若內(nèi)表面帶電,結(jié)論:空腔內(nèi)無電荷時(shí),電荷分布在外表面,內(nèi)表面無電荷.與導(dǎo)體是等勢(shì)體矛盾-+高斯面++++++++++如果內(nèi)表面必等量異號(hào)2021/6/2781

空腔內(nèi)有電荷時(shí)結(jié)論:空腔內(nèi)有電荷+q時(shí),空腔內(nèi)表面有感應(yīng)電荷-q,外表面有感應(yīng)電荷+q.+高斯面qq-q2021/6/2782帶電導(dǎo)體上的電荷分布:(1)導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷存在時(shí),凈電荷只分布在導(dǎo)體的表面上。實(shí)驗(yàn)表明:導(dǎo)體表面凸而尖:導(dǎo)體表面較平坦:導(dǎo)體表面凹處:(2)空腔內(nèi)有電荷+q時(shí),空腔內(nèi)表面有感應(yīng)電荷-q,外表面有感應(yīng)電荷+q.2021/6/2783三、帶電導(dǎo)體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)

為表面某處電荷面密度,用高斯定理可以證明該處表面外附近點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)

導(dǎo)體表面外附近空間的電場(chǎng)強(qiáng)度與該處導(dǎo)體電荷面密度成正比.導(dǎo)體dSE

帶電導(dǎo)體尖端附近的電場(chǎng)特別大,可使尖端附近的空氣發(fā)生電離而產(chǎn)生放電現(xiàn)象,即尖端放電.2021/6/2784四、靜電屏蔽

1

屏蔽外電場(chǎng)用空腔導(dǎo)體屏蔽外電場(chǎng)

2

屏蔽內(nèi)電場(chǎng)++++++++接地空腔導(dǎo)體屏蔽內(nèi)電場(chǎng)

一個(gè)接地的空腔導(dǎo)體可以隔離內(nèi)外靜電場(chǎng)的影響,這稱為靜電屏蔽.2021/6/2785

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