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《静电场》复习 第九章 静电场中的导体和电介质 Conductor in electrostatic field 平行板电容器 球形电容器 圆柱形电容器 * 大学物理学电子教案 静电场中的导体 9-1 静电场中的导体 9-2 电容 电容器 两条实验定律 两个出发点 两个基本性质 ●电荷受力 ●电场力作功 两个物理量 ● 电场强度 ●电势能 ●库仑定律 ●叠加原理 ● 高斯定理 ●环路定理 在静电场中总是存在导体或电介质 静电场与 静电场中导体或电介质之间有相互作用 主要内容有： 静电场中导体 电容器 电介质的极化 有介质时的高斯定理 电场的能量 9-1 静电场中的导体 一、静电感应 静电平衡条件 金属导体有自由电子，作无规则的热运动。 导体中的自由电子在电场力的作用下作宏观定向运动，引起导体中电荷重新分布而呈现出带电的现象，叫作静电感应。 1、静电感应 1 + + + + + + + + A B + + + + + + + + _ _ _ _ + + + + A B 导体的两个侧面出现了等量异号的电荷。在导体的内部建立一个附加电场。 导体内部的场强E 就是E‘ 和E0 的叠加。 + + + + + + - - - - - - + - + + + + + + - - - - - - + + + + + + - - - - - - 开始， E’ E0 ，导体内部场强不为零，自由电子继续运动，E’ 增大。到E’= E0 即导体内部的场强为零，此时导体内没有电荷作定向运动，导体处于静电平衡状态。 2、静电平衡状态 2 用电场表示 导体内部任一点的电场强度为零； 导体表面处的电场强度，与导体的表面垂直。 3、静电平衡条件 3 E内= 0 E表 ? 表面 用电势表示： 导体是个等势体； 导体表面是等势面。 对于导体内部的任何两点A和B 对于导体表面上的两点A和B A B 3、静电平衡条件 3 等势面 二、静电平衡时导体上电荷的分布 在静电平衡时，导体内部的电场强度为零，所以通过导体内部任一高斯面的电场强度通量必为零 结论： 在静电平衡时，导体所带的电荷只能分布在导体的表面上，导体内部没有净电荷。 1、实心导体 1 ?内=0 S ? V E=0 情况2、空腔内无电荷 情况1、空腔内有电荷+q 2、空腔导体 2 ?外 q内表 E内 ?内 q ? 0 ? 0 =-q S 空腔的内表面有感应电荷-q， 空腔的外表面有感应电荷+q 空腔的内表面没有电荷，电荷只能分布在空腔的外表面。 ?外 E内 ?内 S内 S = 0 = 0 导体 导体表面 导体表面之外邻近表面处的场强，与该处电荷面密度成正比，方向与导体表面垂直。 3、导体表面附近的电场 3 孤立导体处于静电平衡时，表面各处的面电荷密度与表面的曲率有关，曲率越大的地方，面电荷密度越大。 4、孤立导体 4 尖端放电： 带电体尖端附近的场强较大，大到一定的程度，可以使空气电离，产生尖端放电现象。 荧光质 导电膜 + 高压 场离子显微镜(FIM) 金属尖端的强电场的应用一例 接真空泵或充氦气设备 金属尖端 接地 原理： 样品制成针尖形状，针尖与荧光膜之间加高压，样品附近极强的电场使吸附在表面的原 子 电离，氦离子沿电力线运动， 撞击荧光膜引起发光，从而获得样品表面的图象。 应用： 高压设备的电极 高压输电线 避雷针 不利的一面：浪费电能 避免方法：金属元件尽量做成球形，并使导体表面尽可能的光滑 三、静电屏蔽 第一类空腔(空腔导体内部无电荷) 空腔内表面不带任何电荷; 空腔内部及导体内部电场强度处处为零。 可以利用空腔导体来屏蔽外电场，使空腔内的物体不受外电场的影响。 + + 1、静电屏蔽现象 1 第二类空腔(空腔导体内部有电荷) 内部面将感应异号电荷，外表面将感应同号电荷。 + q –q 若把空腔外表面接地，则空腔外表面的电荷将中和，空腔外面的电场消失。 空腔内的带电体对空腔外就不会产生任何影响。 高压设备都用金属导体壳接地做保护 在电子仪器、或传输微弱信号的导线中都常用金属壳或金属网作静电屏蔽。 高压带电操作 ? ? ? ? ? ? ? ? 外界不影响内部 2、应用 2 S S 例1：两块平行放置的面积为S 的金属板，各带电量Q1、 Q2 , 板距与板的线度相比很小。求： ②若把第二块金属板接地，以上结果如何？ EI EII EIII Q1 Q2 ① 静电平衡时, 金属板电荷的分布和周围电场的分布。 EI EII EIII Q1 Q2 解： 高斯定理 静电平衡条件 导体内部的场强为零 电荷守恒 ? P1 ? P2 解得： 电场分布： EI EII EIII Q1 Q2 ? P1 ? P2 EI EII EIII Q1 Q2 如果第二块坂接