第十八章静电场的导体和电介质.ppt

第十八章 静电场中的导体和电介质 陈 丽 娟 理学院 电话ljchen@scut.edu.cn 如果? ? ?/2 落在面内的是负电荷 如果? ?/2 落在面内的是正电荷 所以小面元ds对面内极化电荷的贡献 2)在S所围的体积内的极化电荷 与 的关系 3.电介质的极化规律 1) 各向同性线性电介质 isotropy linearity 2) 各向异性线性电介质 anisotropy 张量描述 无量纲的纯数 与 无关 与 、与晶轴的方位有关 3) 铁电体 ferroelectrics 主要宏观性质 1) 电滞现象 2)居里点 3)介电常数很大 非线性电容：用于振荡电路和介质放大器中 类似于铁磁体 与 间非线性， 没有单值关系。 四. 介质中的高斯定理 电位移 一、介质中的高斯定理 S S 令： 称为电位移矢量 得介质中的高斯定理： S S 联立(1)和(2)： 注意：1） 是一个辅助量，场的基本量仍是场 强 2） 是 关系的普遍式。 对各向同性的介质： 令： 称为相对介电常数， 称为介电常数，则： 3） 的单位为库仑/米2 五. 有介质时静电场的计算 例3 导体球置于均匀各向同性介质中, 带电Q。 如图示 Q 求： ?场的分布 ?紧贴导体球表面处的极化电荷 解：1)场的分布 导体内部 Q ^ Q 2) 紧贴导体球表面处的极化电荷 * * 本章教学要求： 了解导体的静电平衡条件。了解介质的极化 现象及其微观解释。了解各向同性介质中D和 E之间的关系和区别。了解介质中的高斯定理, 了解电容,了解电能密度的概念。 本章重点： 导体的静电平衡条件,导体表面附近的场强，各向同性介质中D和E之间的关系和区别。 本章难点： 介质的极化，介质中D和E之间的关系推导。 一.本章研究的问题 静电场 场量 基本性质方程 本章讨论： 电场与物质的相互作用(影响) 二. 导体 绝缘体 1.导体 存在大量的可自由移动的电荷 conductor 2.绝缘体 理论上认为一个自由移动的电荷也没有 也称 电介质 dielectric 3.半导体 介于上述两者之间 semiconductor 本章讨论金属导体和电介质对场的影响 一.导体的静电平衡状态及条件 1.静电平衡 electrostatic equilibrium 导体内部和表面无自由电荷的定向移动， 说导体处于静电平衡状态。 2.导体静电平衡的条件 §1 静电场中的导体 3. 导体静电平衡的性质 1) 导体是等势体，表面是等势面 证：在导体上任取两点 导体等势是导体体内电场强度处处为零的必然结果 静电平衡条件的另一种表述 和 2) 导体表面的场强处处与表面垂直。 + + + - - - - - -Q Q + + + + + Q 二. 静电平衡时导体上的电荷分布 1）实心导体 导体内部净电荷为零，电荷只分布在导体 表面，且总量不变。 - + - + + - S 证明：在导体内作一高 斯面S S 2）导体内有空腔 A）腔内无带电体 特点： 1）空腔内表面和导体内 部没有净电荷，电荷 只分布在导体外表面。 2）空腔内部场强为零， 为一等势空间。 纵剖面 (导体中场强为零， 净电荷密度为零， 导体为等势体。） - - - + + + - - - + + + + + + + + + + + + + B）腔内有带电体（设内部电荷为q，空腔导体 原来带电Q） 结论：静电平衡时，导体 内表面带电-q，外球带电 q+Q。 证明：作高斯面S S + q - - - - - - - - + + + + + + + + + + S + q - - - - - - - - 导体外壳接地,外表面无电荷. 3）电荷在导体表面的分布 对于孤立的带电体，导体表面的电荷分布规律为： 尖锐处, 曲率大处 面电荷密度大 平缓处, 曲率小处 面电荷密度小 尖端放电 孤立带电导体球 孤立导体 4) 导体表面附近的场强 导体 + + + + + + + + + + + + ? 紧贴导体表面作一圆柱 形高斯面。 写作 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 在带电尖端附近，电离的分子与周围分子碰撞，使周围的分子处于激发态发光而产生电晕现象。 尖端放电与避雷针原理 荧光质 导电膜 + 高压 场离子显微镜(FIM) 金属尖端的强电场的应用一例 接真空泵或充氦气设备 金属尖端 接地 原理： 样品制成针尖形状， 针尖与荧光膜之间加高压， 样品附近极强的电场使吸附在表面的 原 子 电离，氦离子沿电力线运动， 撞击荧光膜引起发光， 从