《电磁学》第二章导体和电介质概要.ppt

导体、绝缘体和半导体 虽然所有固体都包含大量电子，但导电性能差异很大 导体： 导体中存在着大量的自由电子 电子数密度很大，约为1022个/cm3 绝缘体 基本上没有参与导电的自由电子 半导体 半导体中自由电子数密度较小， 约为 1012～1019个/cm3 不同的物质会对电场作出不同的响应，在静电场中具有各自的特性。 1.1 导体静电平衡条件 导体：有足够多的自由电子 ——受电场力会移动 说明： 一般情况表面有一定厚度，很复杂如：E=109V，则感应电荷聚集在表面的厚度为10-10m，本课程不讨论表面层电荷如何分布。 实际物质内部既有自由电子，又是电介质。如：气体在一般情况下绝缘（电介质），但加高压气体会被击穿（导体）——导体是一种理想模型。 对导体只讨论达到静电平衡以后的情况，不讨论加电以后电荷的平衡过程。 静电平衡条件 一般情况 导体静电平衡时的性质 电势分布 导体是一个等势体，导体表面是等势面 证明： 场强分布 1.2 电荷分布 导体处于静电平衡时，电荷只分布在导体表面，导体内部无电荷即?e＝0（体内无未被抵消的净电荷） 证明：设导体达到静电平衡 ——E内＝0 孤立导体电荷分布有以下定性规律 尖端放电： 如果场强大到可以使其周围空气电离——“尖端放电”。 尖端放电及其应用 危害： 雷击对地面上突出物体（尖端）的破坏性最大； 高压设备尖端放电漏电等。 应用实例： 避雷针 高压输电中，把电极做成光滑球状 范德格拉夫起电机的起电原理就是利用尖端放电使起电机起电； 场离子显微镜（FIM）、场致发射显微镜(FEM)乃至扫描隧道显微镜(STM)等可以观察个别原子的显微设备的原理都与尖端放电效应有关； 静电复印机的也是利用加高电压的针尖产生电晕使硒鼓和复印纸产生静电感应，从而使复印纸获得与原稿一样的图象。 1.3 导体空腔 导体空腔一般分为两类 腔内没有带电体 腔内有带电体 讨论两类空腔在静电平衡时的电场、电势和电荷分布 ，只讨论达到平衡的情况 。 (a) 腔内无带电体 包围导体空腔的导体壳内表面上处处没有电荷，电荷分布在导体外表面，空腔内处处E=0，空腔内处处电势相等。 证明：作Gauss面如图 (2) 空腔内部有带电体 q 导体内表面上所带电荷与腔内电荷的代数和为零 证明：作Gauss面如图 带等量异号电荷的无限大平面板（忽略边缘效应） 静电屏蔽 在静电平衡状态下 讨论： 静电屏蔽是由导体静电平衡条件决定 由于电荷有正、负 —— 静电屏蔽 静电屏蔽应用：屏蔽室、高压带电操作等 2.2 电容和电容器 孤立导体的电容 孤立导体：空间只有一个导体，在其附近没有其它导体和带电体 物理意义：使导体每升高单位电势所需的电量 定义 电容器 导体附近有其它导体存在，则导体的电势不仅与它本身所带的电量有关，而且还与其它导体的形状和相对位置有关。 孤立导体球电容器 电容器储能 电容器的能量是如何储存起来的？ 电容器极板上的电荷是一点一点聚集起来的，聚集过程中，外力克服电场力做功 ——电容器体系静电能。 设电容器的电容为C，某一瞬时极板带电量绝对值为q(t)，则该瞬时两极板间电压为 此时在继续将电量为-dq的电子从正极板—负极板，电源作多少功？ 电容器储能公式的推广 孤立导体 2.3 电介质 物质具有电结构 当物质处于静电场中 场对物质的作用：对物质中的带电粒子作用 物质对场的响应：物质中的带电粒子对电场力的作用的响应 导体、半导体和绝缘体有着不同的固有电结构 不同的物质会对电场作出不同的响应，产生不同的后果，——在静电场中具有各自的特性。 导体中存在着大量的自由电子——静电平衡 绝缘体中的自由电子非常稀少——极化 半导体中的参与导电的粒子数目介于两者之间。 电介质极化的微观机制 无极分子：正负电荷中心完全重合(H2、N2) 微观：电偶极矩p分子＝0，(l=0) 宏观：中性不带电 无极分子 有极分子 极化性质 位移极化 取向极化 后果：出现极化电荷（不能自由移动）→束缚电荷 极化的描绘：P、q’、E’ 极化强度矢量P：描述介质在外电场作用下被极化的强弱程度的物理量 定义：单位体积内电偶极矩的矢量和 极化电荷 极化后果：从原来处处电中性变成出现了宏观的极化电荷 可能出现在介质表面 （均匀介质）面分布 可能出现在整个介质中 （非均匀介质）体分布 退极化场E’ 附加场E’： 在电介质内部：附加场与外电场方向相反，削弱 在电介质外部：附加场与外电场方向相同，加强 极化的后果 三者从不同角度定量地描绘同一物理现象 ——极化，之间必有联系，这些关系——电介