大学物理电学(5-6).pptVIP

一个闪电能够释放巨大的能量，在云和大地之间的电势差超过107V。 * 引 言 静电场与物质的相互作用问题：（1）物质在静电场中要受到电场的作用，表现出宏观电学性质；（2）物质的电学行为也会影响电场的分布，最后达到静电平衡状态。 理论基础为静电场的高斯定理与环路定理 物质分类 ♀导体 ♀绝缘体 ♀半导体 ☉金属导体内存在大量自由电子（在晶格离子的正电背景下） ☉导体的电中性与带电、自由电子的热运动等 ☉与导体相对，绝缘体内没有可移动的自由电子——称电介质 ☉半导体内有少量可自由移动的电荷 导体、绝缘体和半导体与静电场作用的物理机制各不相同。 §5-6 静电场中的导体 ●导体的静电平衡性质 ●导体上的电荷分布 ●空腔导体的静电平衡 一、导体的静电感应现象 F 静电感应： 在外电场影响下，引起导体中电荷重新分布而呈现带电的现象。 静电平衡： 感应电荷产生的附加电场与外加电场在导体内部相抵消。此时，导体内部和表面没有电荷的宏观定向运动。 Ⅰ 导体的静电平衡性质 二、导体的静电平衡性质 1、导体内部的场强处处为零。导体表面的场强垂直于导体表面。 2、导体内部和导体表面处处电势相等，整个导体是个等势体。导体表面为等势面。 E - F E= 0 E 三、静电平衡下导体上的电荷分布 1、在静电平衡下，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。 导体内部没有净电荷，电荷只能分布在导体表面。 E= 0 S + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 2、静电平衡下的孤立导体，其表面处面电荷密度σ与该表面曲率有关，曲率（1/R）越大的地方电荷密度也越大，曲率越小的地方电荷密度也小。当表面凹进，曲率为负值，电荷面密度更小。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + R R R R R 因此，孤立的带电导体球，长直圆柱体，无限大平板表面电荷均匀分布。 特例：相距很远的两导体球，半径分别为R, r ，用导线将它们相连接。 Q q 电势相等： 3、处于静电平衡的导体，其表面上各点的电荷密度与表面附近处场强的大小成正比。 由高斯定理 dS E σ 四、尖端放电 避雷针 电晕 静电除尘 - + + + + + + + + + + - + + 唐代《炙毂子》一书记载了这样一件事：汉朝时柏梁殿遭到火灾，一位巫师建议，将一块鱼尾形状的铜瓦放在层顶上，就可以防止雷电所引起的天火。屋顶上所设置的鱼尾开头的瓦饰，实际上兼作避雷之用，可认为是现代避雷针的雏形。 ★导体与静电场相互作用问题计算基本原则★ √导体静电平衡条件 √静电场基本方程 √电荷守恒定律 例、两块大导体平板，面积为S，分别带电q1和q2 ，两极板间距离远小于平板的线度。求平板各表面的电荷密度。 B A q2 q1 解： 电荷守恒： 由静电平衡条件，导体板内E=0 Ⅱ 导体空腔 静电屏蔽 一、空腔内无电荷 1.导体内部场强处处为零，空腔内场强处处为零。 2.导体壳与空腔形成等势区。 3.空腔内表面无电荷。 + + + + + + + + + + 二、空腔内有电荷q q 1.导体内部场强处处为零。导体壳为等势体。空腔内场强不再为零，空腔内不再为等势区。 2.电荷分布在导体内外两个表面，内表面感应电荷-q。外表面电荷分布与实心导体相同。 q -q 三、静电屏蔽 根据导体空腔的电学性质，可以利用空腔导体对腔内、外进行静电隔离。 （1）空腔导体起到屏蔽外电场的作用。 精密仪器 + + + + + - - - - - - + + + + + （2）接地的空腔导体可以屏蔽内、外电场的影响。 高压设备 + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + 空腔导体（不论是否接地）的内部空间不受腔外电荷和电场的影响；接地的空腔导体，腔外空间不受腔内电荷和电场的影响，统称静电屏蔽。 屏蔽服 例1、金属球A与金属球壳B同心放置。已知球A半径为R1，带电为q；金属球壳B内外半径为R2、R3，带电为Q。求：（1）系统的电荷分布（2）空间电势分布及球A和球壳B的电势。 B A q Q 解：（1）静电平衡时，导体（净）电荷只能分布在导体表面上。 ·球A的电量只可能在球的表面。 ·壳B有两个表面，电量分布在内、外两个表面。 ·由于A、B对称中心重合，电荷和场分布应该对该中心是球对称。 电荷在导体表面均匀分布。