2导体和介质.ppt

§2-1. 静电场中的导体 §2-2.电容和电容器 §2-3.电介质的极化 §2-4.有电介质时的静电场 §2-5.静电场的边界条件 §2-6.带电体系的静电能 物质的电结构 物质具有电结构?电场对物质的作用是电场 对物质中带电粒子的作用 §2-1.静电场中的导体 §2-1.静电场中的导体 1. 电势分布 2.场强分布 尖端放电及其应用 危害： 雷击对地面上突出物体（尖端）的破坏性最大； 高压设备尖端放电漏电等。 应用实例： 避雷针 火花放电设备的电极做成尖端 高压输电中，把电极做成光滑球状 范德格拉夫起电机的起电原理就是利用尖端放电使起电机起电； 场离子显微镜（FIM）、场致发射显微镜(FEM)乃至扫描隧道显微镜(STM)等可以观察个别原子的显微设备的原理都与尖端放电效应有关； 静电复印机的也是利用加高电压的针尖产生电晕使硒鼓和复印纸产生静电感应，从而使复印纸获得与原稿一样的图象。 1.空腔内无带电体时： 包围导体空腔的导体壳内表面上处处没有电荷,电荷只能分布在导体外表面，空腔内处处E=0，空腔内处处电势相等。 证明：作Gauss面如图 2.空腔内部有带电体q : 导体内表面上所带电荷与腔内电荷的代数和为零 证明：作Gauss面如图 在静电平衡状态下 2). 接地的空心导体使内外两个区域互不影响. 七. 有导体时的静电场分析与计算 例: 带电导体球(q, R1), 同心放入内外 半径为R2, R3的不带电导体球壳内, ? 求外球壳的电量和U(r)分布 ? 外球壳接地后, 再求上述各量 ? 若把内球接地, 求内球电荷和外球壳电势. ? 若把内球接地, 电荷重新分布, 　 设R1, R2, R3各面带电q1, q2和 q3. §2-2. 电容和电容器 例:同心球形电容器(R2 R1) 例:同轴圆柱形电容器. (R2 R1, l R2 - R1 ) 电介质的击穿 一般情况 电介质中的载流子（离子、电子或空穴等）在外电场作用下也会运动，一般情况下，这些运动电荷数量有限，作用是微弱的，可以忽略，此时电介质是绝缘体. 外电场增加到相当强时 通常条件下不导电的电介质的绝缘性能将会遭到破坏，称为电介质的击穿。 击穿场强Em：电介质发生击穿时的临界场强 击穿电压Vm： 电介质发生击穿时的临界电压 电容器指标: (1)电容量. (2)耐压. (不被击穿时的最高工作电压, 有直流耐压和交流耐压之分) §2-3. 电介质的极化 二. 电介质的极化 无极分子 有极分子 极化性质: 位移极化 取向极化 极化后果： 出现极化电荷(束缚电荷) q′ 在介质内任取一闭合曲面S 微分形式 介质中任意一点的极化强度矢量的散度等于 该点的极化电荷体密度的负值。 均匀极化的电介质内部 3.极化强度和极化电荷面密度的关系 五.电介质的极化规律 电极化率 介质性质是否随空间坐标变 （空间均匀性） ?e—常数：均匀介质； ?e—坐标的函数：非均匀介质 介质性质是否随空间方位变（方向均匀性） ?e—标量：各向同性介质； ?e—张量：各向异性介质 以上概念是从不同的角度来描述介质的性质 空气：各向同性、线性、非均匀介质 水晶：各向异性、线性介质 酒石酸钾钠、钛酸钡：各向同性非线性介质——铁电体 铁电体的极化特征： 极化状态不仅决定于电场，还与极化历史有关， 其性质类似于铁磁体 电滞回线：铁电体极化过程中极化强度矢量P随外场的 变化曲线是非线性的，类似于铁磁体的磁滞回线（如图） 铁电体极化的微观机制 铁电体内部有自发极化的小区域 ——电畴 每个电畴内极化均匀、方向相同，形成一固有电矩 电畴是不能任意取向的，只能沿着晶体的几个特定的晶向取向，即取决于铁电晶体原型结构的对称性 通过电介质中任意闭合曲面的电位移通量，等于闭合曲面内的自由电荷的代数和。 理论地位：描述场的性质，有源无旋场。 真空 二. 有介质时的静电场计算 要点： 界面上介质的性质有一突变，这将导致: 静电场也会有突变 电场的高斯定理、环路定理的积分形式在 边界上依然成立，可以把不同介质的场量 用积分方程联系起来 把积分方程放到边界突变处即可得到边界条件 §2-6.带电体系的静电能 §2-6.带电体系的静电能 §2-6.带电体系的静电能 二. 电容器储存的静电能 3. 电容器储存的电能 静电场的能量 三. 电场的能量 例: 如图, 正方形平行板电容器边长