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大学物理课件第五章静电场

静电场基本概念与性质

静电场中导体与绝缘体特性

静电势能、能量守恒与转化

静电屏蔽原理与技术应用

静电危害防护与安全管理

实验：探究静电场分布规律

静电场基本概念与性质

01

产生原因

物质内部存在正负电荷，当物体受到外力作用（如摩擦、接触等）时，会使得物体内部的电荷分布发生变化，从而产生静电现象。

静电现象

指静止状态下的电荷所产生的电场现象，如摩擦起电、感应起电等。

在一个孤立系统中，无论发生何种变化或过程，其总电荷量始终保持不变。

在静电场中，某点的电场强度等于各个点电荷单独存在时在该点产生的电场强度的矢量和。

电荷守恒定律

叠加原理

描述电场强弱的物理量，用E表示，单位是牛/库（N/C）。

正电荷所受电场力的方向与该点电场强度的方向相同，负电荷所受电场力的方向与该点电场强度的方向相反。

静电场强度

方向判断

通过任意闭合曲面的电通量等于该闭合曲面内所包围的电荷量的代数和除以真空中的介电常数。

高斯定理

利用高斯定理可以求解具有对称性的电荷分布所产生的电场强度；判断电场线是否始于正电荷或无穷远，终止于负电荷或无穷远；确定带电体为等势体时其表面为等势面等。

应用

静电场中导体与绝缘体特性

02

内部电场为零

导体内部自由电子的移动使得导体内部电场为零，即导体是等势体。

表面电荷分布

导体表面电荷分布不均匀，电荷密度与表面曲率有关，曲率越大的地方电荷密度越大。

导体表面为等势面

导体表面是等势面，即导体表面上任意两点的电势差为零。

极化现象

01

绝缘体在静电场中会发生极化现象，即正负电荷中心不重合，产生电偶极矩。

02

极化强度

绝缘体的极化程度用电偶极矩来衡量，电偶极矩越大，极化越强。

03

极化方向与电场方向

绝缘体极化后，电偶极矩的方向与电场方向一致。

静电感应

当导体靠近绝缘体时，由于静电感应作用，导体内的自由电子会重新分布，使得靠近绝缘体一侧的导体表面带上与绝缘体异号的电荷。

相互作用力

导体和绝缘体之间存在相互作用力，该力的大小与两者之间的距离、电荷量以及介电常数有关。

电场分布

导体和绝缘体之间的电场分布受到两者形状、大小和相对位置的影响。

平行板电容器由两个平行放置的导体板构成，中间为绝缘介质。当电容器充电后，两个导体板分别带上等量异号电荷，形成匀强电场。

平行板电容器

电介质在静电场中会发生极化现象，极化后的电介质内部存在束缚电荷，这些束缚电荷产生的电场与外加电场方向相反，起到削弱外加电场的作用。

电介质中的电场

当导体尖端带电时，由于尖端处曲率大、电荷密度高，使得尖端附近电场强度极大，导致空气被击穿而产生放电现象。

尖端放电

静电势能、能量守恒与转化

03

静电势能定义

电荷在静电场中具有的势能，与电荷量及所在位置的电势有关。

计算方法

W=qU，其中W为静电势能，q为电荷量，U为电势差。

静电势能性质

静电势能是标量，具有叠加性；静电场中的电荷具有电势能，电势能可以转化为其他形式的能量。

能量守恒定律

在一个孤立系统中，总能量保持不变。

在静电场中的应用

当电荷在静电场中移动时，电场力对电荷做功，电荷的电势能发生变化，但总能量保持不变。

能量转化

在静电场中，电荷的电势能可以转化为动能、热能等其他形式的能量，但总能量保持不变。

03

02

01

当两个带电体靠近时，它们之间的电场能量以电势能的形式储存起来。

静电能量储存

静电能量释放

能量转化效率

当两个带电体分开时，它们之间的电场能量释放出来，转化为其他形式的能量。

在静电能量储存与释放过程中，由于存在能量损失和耗散，因此转化效率通常小于100%。

1

2

3

分子间的相互作用力之一，与分子间的电势能有关，可用于解释物质的聚集状态和表面张力等现象。

范德华力

一种储存静电能量的装置，由两个带电极板和介质组成。电容器广泛应用于电子、通信、电力等领域。

电容器

利用静电场使涂料微粒带电并吸附在被涂物表面的技术，具有高效、节能、环保等优点。

静电喷涂

静电屏蔽原理与技术应用

04

利用屏蔽体对静电场的感应作用，使屏蔽体内部电场强度为零或接近零，从而达到消除或减弱静电影响的目的。

根据屏蔽体材料和结构的不同，静电屏蔽可分为空腔导体屏蔽、接地导体屏蔽和组合屏蔽等。

分类方法

静电屏蔽原理

03

复合材料

由金属和非金属复合而成，兼具两者的优点，如导电塑料等。

01

金属

具有良好的导电性和反射性能，是常用的静电屏蔽材料。如铜、铝等。

02

非金属

某些非金属材料如石墨、导电橡胶等也具有一定的导电性，可用于特定场合的静电屏蔽。

评估方法

通过测量屏蔽体内部和外部的电场强度、电位分布等参数，评估屏蔽效果的好坏。

优化措施

针对评估结果，可以采取增加屏蔽体厚度、提高材料导电性、改善接地措施等方法来优化屏蔽效果。同时，也需要考虑成本、重量等