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8-1导体的静电平衡.ppt
* * 第八章 静电场中的导体和电介质 8.1 导体的静电平衡 8.2 空腔导体与静电屏蔽 8.3 静电场中的电介质 8.4 电位移矢量 8.5 静电场的边值关系 8.6 电容和电容器 本章只限于讨论各向同性均匀金属导体,与电场的相互影响。 金属导电模型 构成导体框架、形状、大小的是那些基本不动的带正电荷的原子实,而自由电子充满整个导体——公有化。 当有外电场或给导体充电,在场与导体的相互作用的过程中,自由电子的重新分布起决定性作用。 自由电子 8.1 导体的静电平衡 当没有外电场时,导体中的正负电荷等量均匀分布,宏观上呈电中性。 一、导体的静电平衡条件 外电场E0与自由电荷移动后的附加场E ?之和为导体内总场强 在外电场E0的作用下,自由电子作宏观的定向移动,电荷在导体上重新分布,使导体带电。 静电感应现象,出现的电荷叫感生电荷。 1 静电感应 E0 ++++++ - - - - - - E ? 当导体内部和表面都无电荷定向移动的状态称为静电平衡状态。 导体处于静电平衡状态 用反证法: 若电场强度不为零,则自由电荷将能移动。 静电平衡条件是由导体的电结构特征和静电平衡的要求所决定的与导体的形状无关。 演示程序:导体的静电平衡 2 导体静电平衡条件 二 导体的静电平衡性质 导体内部场强处处为零 如果导体内场强不为零,自由电子将在电场的作用下继续发生定向移动。 导体是一个等势体,其表面是一个等势面。 导体内场强处处为零,使得导体上任意两点的电势差都为零。 导体表面外侧的场强(电场线)必定和导体表面垂直。 如果导体表面外侧的场强和导体表面不垂直,那么场强在导体表面有一切向分量,电子就会在导体表面作定向移动,这与静电平衡条件不符。 三 导体上的电荷分布 (1) 处于静电平衡下的导体,其内部各处净电荷为零;电荷只能分布在表面。 假设导体内某处有净电荷q,则在导体内取高斯面S包围q, 由于导体内部任一点场强E=0,则对于同一个高斯面S 与假设发生矛盾 (2) 导体表面电荷面密度与表面邻近处的场强成正比。 通过在导体表面外无限靠近表面P点,作平行于导体表面的面元?S1,以此面元为上底面作一个穿过导体表面的扁柱形高斯面,在导体内的下底面为?S2,侧面积为?S3。 方向:垂直于表面 孤立导体处于静电平衡时,它的表面各处的面电荷密度与各处表面的曲率有关,曲率越大的地方,面电荷密度越大。因此场强也越大。 尖端放电 Q S ?1 ?2 ?3 ?4 E1 E2 E3 例题 面积为S,带电量Q 的一个金属板,与另一不带电的金属平板平行放置。求静电平衡时,板上电荷分布及周围电场分布。若第二板接地,情况又怎样? S 解 将金属板近似看成是无限大带电平板。 设静电平衡后,金属板各面所带电荷面密度为 S? 取高斯面S ?,由静电平衡条件和高斯定理 以上四个方程联立可求出: 第二个金属板内任一点的场强为零,由无限大均匀带电平面产生的场强公式和场强叠加原理 设Q0,由各板上的电荷面密度、金属板内场强为零和高斯定理可求得各区间的场强的大小均为 Q S ?1 ?2 ?3 ?4 E1 E2 E3 由高斯定理得: 由第二金属板内场强为零得: 若第二板接地 电荷守恒 联立解出: 方向如图 Q S ?1 ?2 ?3 ?4 E1 E2 E3 相应地得到各区间的场强 小 结 静电感应 导体静电平衡条件 一、导体的静电平衡条件 二 导体的静电平衡性质 导体内部场强处处为零 导体是一个等势体,其表面是一个等势面 导体表面外侧的场强必定和导体表面垂直 三 导体上的电荷分布 处于静电平衡下的导体,其内部各处净电荷为零;电荷只能分布在表面。 导体表面电荷面密度与表面邻近处的场强成正比。 *
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