大学物理——CH10导体和电介质中的静电场.ppt

第10章 导体和电介质中的静电场 P.*/21 第10章 导体和电介质中的静电场 静电场 导体、电介质 相互作用 相互影响 感应电荷 极化电荷 电荷重新分布 原有电场 影响 电场重新分布 10.1.1 导体的静电平衡 1. 金属导体(conductor)的电结构 热平衡特征: 任意微小体积元内, 自由电子的负电荷和晶体点阵上的正电荷的数目相等, 整个导体或其中任一部分都显现电中性. §10-1 静电场中的导体 第10章 导体和电介质中的静电场 2. 导体的静电平衡条件 + + + + + + + 导体球放入后电力线发生弯曲. 静电感应(electrostatic induction): 在外电场中, 导体表面不同部分出现正负电荷重新分布的现象. 静电平衡 (electrostatic equilibrium)： 导体内部和表面没有电荷的宏观定向运动. 问题: 达到静电平衡时导体表面电荷怎样分布? 导体(带电或不带电) 静电感应现象过程 外电场作用下 自由电子作宏观定向运动 电荷重 新分布 导体表面一端带负电,另一端带正电,称感应电荷. 附加电场 自由电子宏观定向运动停止. 静电平衡状态 导体内部场强处处为零 场强: 表面场强垂直于导体表面 电势: 导体为一等势体 导体表面是一个等势面 3. 静电平衡时导体中的电场特性 (1) 实心导体 E= 0 S + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1. 静电平衡时, 导体所带的电荷只能分布在导体的表面, 导体内部没有. 净电荷: 未被中和的正负电荷. 10.1.2 静电平衡时导体上的电荷分布 结论: 导体内部没有净电荷(net charge), 电荷只能分布在导体外表面. E= 0 S 结论: (3) 空心导体, 空腔内有电荷q ? +q 内表面感应出 - - - - - - - - 电荷分布在导体内外两个表面, 内表面带电荷-q. 根据电荷守恒定律, 外表面带电为: Q是原导体所带电荷. 电荷分布在导体外表面, 导体内部和内表面没净电荷. 结论: 导体内部没有净电荷(net charge), 电荷只能分布在导体外表面. (2) 空心导体, 空腔内无电荷 结论: 2. 带电导体表面附近的场强 导体 作高斯面, 电场方向如图, 设导体表面电荷面密度为σ, 由高斯定理: dS E 得 (1) 静电平衡时, 导体表面上各点的电荷密度与其邻近处场强的大小成正比. 尖端放电(discharge at sharp point): 对于有尖端的带电导体, 尖端处电荷面密度大, 则导体表面邻近处场强也特别大. 当电场强度超过空气的击穿场强时, 就会产生空气被电离的放电现象, 称为尖端放电. (2) 静电平衡时, 导体表面曲率越大, 面电荷密度越大. 尖端放电演示 静电吹烛 - + + + + + + + + + + - + + 避雷针 10.1.3 空腔导体和静电屏蔽 1. 空腔导体 腔内没有电荷空腔导体起到屏蔽外电场的作用. 腔内存在电荷 q 接地的空腔导体可以屏蔽内、外电场的影响. 2. 静电屏蔽(electrostatic shielding)：　 一个接地的空腔导体可以隔离内外电场的影响. 法拉第笼 3. 有导体存在时的E和U分布 求解思路： 导体上的电荷分布 计算 分布(方法同前) 静电平衡条件 电荷守恒定律 例10-1. 有一外半径R1、内半径R2的金属球壳, 其中放一半径为R3的金属球, 球壳和球均带有电量10-8C的正电荷. 问: (1) 两球电荷分布. (2) 球心的电势. (3) 球壳电势. 解: (1) 电荷分布如图所示球面q, 壳内表面-q, 壳外表面2q. R3 R2 R1 + + + + + + + + - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + (2) (3) 例10-2. 两块导体平板, 面积为S, 分别带电q1和q2, 两极板间距远小于平板的线度. 求平板各表面的电荷密度. q1 q2 B A 解: 设四板面密度如图示. ?2 ?3 ?4 ?1 由电荷守恒得: 考察A板中一点a,由静电平衡条件, 导体板内 Ea=0. . a . b 同理, B板中一点b : Eb=0. (1) (2) (3) (4) 联立(1) (2) (3) (4)解得: q1 q2 B A + + + + + + + + + + - - - - - - - - - q -q 如 q1=-q2 , 结果如何? § 10.2 电容和电容器