8.1 静电场中的导体.ppt

* * 第8章 静电场中的导体和电介质 Conductor and dielectric in electrostatic field 常常有同学问我做物理工作成功的要素是什么？我想要素可以归纳为三个P：Perception, Persistence, and Power。Perception—眼光，看准了什么东西，就要抓住不放；Persistence—坚持，看对了就要坚持；Power—力量，有了力量能够闯过关，遇到困难你要闯下去。??? 　　　　　　　 　 ——杨振宁 1、金属导电模型 导体 conductor 导体中存在大量的可自由移动的电荷 绝缘体也称 电介质 dielectric 理论上认为电介质中一个自由移动的电荷也没有 半导体 semiconductor 带电性质介于上述两者之间 本节只涉及金属导体对场的影响 8.1 静电场中的导体 自由电子 原子实与电子云所带电量大小相等。 从微观角度来看，金属导体是由带正电的晶格点阵和自由电子构成。处在晶格上的带正电的粒子又称原子实，它们只能在自己的平衡位置附近作微小振动，形成导体的晶格骨架，而自由电子充满整个导体可自由运动，形成电子气（电子云）。 当导体处于外电场E0中时，电子受力后作定向运动，引起导体中电荷的重新分布。结果在导体一侧因电子的堆积而出现负电荷，在另一侧因相对缺少负电荷而出现正电荷。这就是静电感应现象，出现的电荷叫感应电荷(induced charge)。 当导体不带电，又没有外电场时，导体中的正负电荷等量均匀分布，宏观上呈电中性。 2、静电感应(electrostatic induction) + + + + + + + + + 感应电荷 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 导体内电场强度 外电场强度 感应电荷电场强度 3、导体的静电平衡 静电平衡 ( electrostatic equilibrium ) 导体内部和表面无自由电荷的定向移动, 我们就说导体处于静电平衡状态. 静电平衡条件: 场强描述： 电势描述： 等势体 等势面 金属球放入前电场为一均匀场 金属球放入后电场线发生弯曲 电场为一非均匀场 导体表面附近的场强方向处处与表面垂直 + + + + + + + 等势体 等势面 导体内 导体表面 证明： 等势体 等势面 导体达到静电平衡时， 4、导体上电荷的分布 (1) 实心导体 导体上的电荷分布决定于静电平衡条件和静电场的基本性质。 设导体达到静电平衡 在导体内任取一高斯面 由静电平衡 得 + + + + + + + + + + + + + + + + 导体内没有净电荷，未被抵消的净电荷只能分布在导体表面上。 由高斯面的任意性 ，只要在导体内部，上述结果都满足。 结论： + + + + + + + + + + + + + + + + (2) 空腔导体Ⅰ（腔内无电荷） 若已知导体带电Q，那么空腔导体的内表面上是否有电荷分布呢？ 用高斯定理分析： 高斯面一直紧缩到空腔内表面，这结论都成立。 所以电荷只能分布在外表面。 导体内部 所以 能否出现内表面电荷代数和为零的情况呢 ？这同样满足高斯定理！ NO！ 如果这样，就会有电场线从面上正电荷发出，伸向同一面上的负电荷！ 这意味着导体表面电势不等！ 讨论 + + + + + + + + + + + + + + + + (3) 空腔导体Ⅱ（腔内有电荷） 若已知导体带电Q，腔内有电荷q ，那么电荷又如何分布呢？ 高斯面一直紧缩到空腔内表面这结论都成立。 空腔内表面有 -q 分布 按静电感应，外表面分布电荷为 Q + q 腔体内表面所带的电量和腔内电荷电量等量异号， 腔体外表面所带的电量由电荷守恒定律决定。 导体内部 4、导体表面电荷分布与场强 (1) 分布与几何形状的关系 导体表面上的电荷分布情况，不仅与导体表面形状有关，还和它周围存在的其他带电体有关。 静电场中的孤立带电体： 导体上电荷面密度的大小与该处表面的曲率有关。 曲率较大，表面尖而凸出部分，电荷面密度较大 曲率较小，表面比较平坦部分，电荷面密度较小 曲率为负，表面凹进去的部分，电荷面密度最小 在表面附近作柱形高斯面 导体外部近表面处场强大小与该处导体表面电荷面密度? 成正比 (2) 分布与场强的关系 尖端电荷密度大，因而场强