静电场中的导体和电介质课件.PPTVIP

*NEXT靜電場中的導體和電介質§1靜電場中的導體一．金屬導體和靜電平衡條件二．靜電平衡時導體電荷的分佈三．靜電現象及其應用§2電容和電容器§3靜電場的能量二．帶電體系的靜電能三.電場能量能量密度§4電介質一．電介質的極化二．電介質的極化的微觀機制三．極化強度向量四．電位移向量一．孤立導體的電容二．電容器及其電容三．電容器的串、並聯一．電容器儲能§1靜電場中的導體一．金屬導體和靜電平衡條件兩類導體：第一類導體（金屬導體），導電過程伴隨自由電荷，無化學反應，無明顯品質遷移；第二類導體，電荷移動與化學變化相聯系(酸、堿、鹽溶液)。金屬導體之特點：正離子的晶格點陣，外層價電子結構。中性：導體不帶電，又無外場作用，自由電子只在各自原子附近作微觀熱運動，無宏觀運動。靜電感應：在外場作用下，電荷重新分佈，達到新的平衡。靜電平衡條件：導體內：導體外：表面附近§1導體+qS2二．靜電平衡時導體電荷的分佈導體內無淨電荷，即ρ=0;電荷只分佈在導體表面。用高斯定理可證明，靜電平衡時實心空腔空腔含電荷導體表面電荷的面密度與曲率有關。導體表面電荷的面密度與表面附近場強有關。+qSS1+由得圖2.1靜電平衡中的導體圖2.2靜電場中的導體§1導體【證明】：設導體表面電荷面密度σ，如圖2.3所示。取一足小閉合正柱面，兩端面面積ΔS，並緊貼導體表面內外兩側，且與導體表面平行，參見圖2.3。由靜電平衡條件，導體內場強為零，導體外表面附近的場強與導體表面垂直，所以有圖2.3導體面密度與場強由高斯定理比較兩式得三．靜電現象及其應用尖端放電範德格拉夫起電機靜電遮罩靜電加速器庫侖定律的精確驗證法拉第圓筒§2電容和電容器【定義】：孤立導體的電容孤立導體的電勢與導體本身所帶電量有關。§2電容一.孤立導體的電容孤立導體的電容僅與導體本身性質，即導體的大小、形狀和介質有關，與導體本身所帶電量無。孤立導體的電容等於升高單位電勢所需增加的電量。電容的單位：等，【例1】：求孤立導體球的電容，設半徑為R。【解】：令導體球帶電Q，則其電勢按定義得圖2.4孤立導體【討論】：大球的電容值大導體的電勢，與周圍的電荷、導體及介質有關，上述電容的定義不適用於非孤立導體。§2電容非孤立導體的電勢不僅與導體本身所帶電量有關，還與周圍存在的介質、電荷及導體有關。為避免外界影響，可加遮罩罩，如圖2.5。A導體帶電與否只影響罩內電場；A導體的電勢等於AB間的電勢差。圖2.5遮罩的導體BA二.電容器及其電容【定義】：電容器的電容【注】：C是電容器的電容值，A、B為電容器的兩極板；Q為電容器任一極板帶電量的絕對值；ΔU為兩極間電勢差的絕對值。【例2】：計算平板電容器的電容。（圖2.6）【解】：令兩極板分別帶電量±Q，則設兩極板面積S，兩極間距d。極間電場強度dS圖2.6平板電容兩極間電勢差電容器的電容【討論】：C∝S，S為有效面積，即兩極板相對之面積；C∝1／d，對其他形狀電容器也適用；C∝ε，與極間介質有關。【例3】：計算球形電容器的電容。（圖2.7）【解】：給電容器充電Q，則設電容器兩極板半徑R1R2，極間介質為真空。R1R2圖2.7球形電容電容場強電勢差【討論】：當R1,R2R2-R1時，可令R2-R1=d，R2R1=R2，則同平板電容器當R2R1時，同孤立導體球的電容【例4】：計算圓柱形電容器的電容。（圖2.8）設電容器兩極板半徑R1R2，長L，極間介質為真空。【解】：給電容器充電Q，則電荷線密度L圖2.8圓柱形電容場強電勢差電容三.電容器的串、並聯電容器並聯，相當S增大，U相同，Q∝C電容器串聯，相當d增大，Q相同，C1C2Cn圖2.9電容器串聯C1C2Cn圖2.10電容器並聯§2電容由則得由則得§2電容四.電容器儲能------+++++++dqΔU圖2.11電容器充電無限大平行平板電容器充電過程中，外力做功，即電源做功。