第十章导体和电介质1.ppt

第十章 静电场中的导体和电介质 主要内容： 1、导体的静电平衡条件： 导体的静电平衡 2、导体上电荷的分布： 3、导体表面外附近的场强： 尖端放电： 4、静电屏蔽： 静 电 屏 蔽 例10-1 例10-2 1、孤立导体的电容： 2、电容器的电容： (1) 平行板电容器： (2) 球形电容器： (3) 圆柱形电容器： 3、电容器的串联和并联： 例10-3 1、电介质对电场的影响： 电介质的极化 3、有电介质时的高斯定理： 例10-5 1、电容器的储能公式： 例10-6 2、电场的能量和能量密度： 例10-7 例 极化电荷 Polarization charge or bound charge 在外电场中，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在介质表面要出现电荷。我们称它为束缚电荷或极化电荷。外电场消失，束缚电荷消失。 在外电场中，出现束缚电荷的现象～电介质的极化。 无极分子 有极分子 ? 取向极化只发生在有极分子电介质中，而位移极化则发生在任何电介质中。通常，取向极化效应 位移极化效应，在有极分子电介质中，可不计位移极化。但在高频电场作用下，位移极化效应可大于取向极化效应。 ? 两种极化产生的宏观效果完全相同，在实际问题中，常不加以区别。 统一描述: 出现束缚电荷 以平行板电容器为例： +Q ?Q ?Q +Q S 取图示高斯面S，则： 即： Q：自由电荷 Q：束缚电荷 定义：电位移矢量 有电介质时的高斯定理： Q：自由电荷 ? 引入电位移矢量的好处是无须知道束缚电荷的分布也可以求电场； ? 电位移矢量是一个辅助矢量，电场的基本性质仍由电场强度矢量描述。 例10-5：一平行板电容器：S =100cm2, d =1.0cm，充电到极板间电压U0=100V，将电源断开后插入厚b = 0.5cm， εr = 7 的电介质板，求：(1)电容器内空隙间和电介质板中的场强；(2)插入介质板后，极板间的电势差；(3)插入介质板后的电容。 空气平行板电容器： (1) 空隙间：取高斯面A1 S b +Q0 ?Q0 d A1 电介质板内：取高斯面A2 （与空隙内相同！） (2) 极板间电势差： 插入电介质板后，电势差下降。 S b +Q0 ?Q0 d A2 (3) 插入电介质板后的电容： ? 按定义： ? 看作两个电容器的串联： 介质板位置不影响电容的大小。 S b d 讨论： ? 若电介质充满电容器内部： ? 若插入厚度为d/2的金属板： 或： 返回 电荷之间存在电场力的相互作用。因此，使物体带电的过程（电场的建立过程）是外力克服电场力作功的过程。 由能量守恒与转化定律： 外力克服电场力所作的功 = 带电系统的静电能。 （如：电容器的充电过程） 反过来，带电系统的静电能也可以转化为其它形式的能量。 （如：闪光灯内电容器的放电过程将电能转化为光的能量） §10-4 电 场 的 能 量 电容器的充电过程中，电源克服电场力作功将其它形式的能量（如：化学能）转化为电场能量。 t 时刻，极板上电量为q，极板间电势差为u，电量dq由负极板移至正极板过程中电源作功为： 充电至Q时，电容器内电场的能量为： 称为电容器的储能公式。 ε +q ?q u 例10-6：电容器C1 =8μF , 充电到U0=120V，移去电源，将C1与C2 =4μF并联。求：(1)电容器组的电压；(2)接通开关前后系统的能量。 C1 S C2 (1) C1与C2并联后： C1充电后的电量： * 导体内有大量自由电子，自由电子在电场力作用下运动使电荷重新分布，称为导体的静电感应。 电介质（绝缘体）内几乎没有自由电荷，但在外电场作用下会产生极化电荷（束缚电荷），称为电介质的极化。 感应电荷和极化电荷产生的电场称为附加电场。当电场中引入导体或电介质后，空间的电场分布发生变化： 外电场（原来的电场）； 附加电场。 (1) 导体的静电平衡条件； (2) 电介质的极化、有电介质时的高斯定理； (3) 电容和电容器； (4) 电场的能量。 返回 导体不带电或不受外电场作用时—电中性。 (a) 在外电场E0作用下，电子逆电场方向运动； (b) 导体表面出现感应电荷，导体内产生附加电场E ； (c) 外电场与附加场等值而反向时，电荷运动停止，导体处于静电平衡状态。 导体内： E = E0 ? E = 0 §10-1 静电场中的导体 导体的静电平衡条件： (a) 导体内电场强度处处为零； (c) 导体表面场强处处与导体表面正交。 (b) 导体是个等势体，导体表面为等势面； Q Q S (1) 实心导体： 导体内任取高斯面。 (2) 空腔导体（腔内无电荷）： ? 导体内任取高斯面，则： 内表面上也不可能有等量异号电荷，否则： 与导体是等势体的结论不符。