物理学05静电.ppt

实际电场中总是存在着各种各样的物质。,14.1 静电场中的导体和电介质,导 体-内部电荷可以移动(金银铜等各种金属) 电介质-内部电荷不能移动(绝缘体:橡胶,塑料等) 半导体-介于导体和绝缘体之间(二氧化硅等),根据物质的导电特性，物质可为三类：,14.1.1 静电场中的导体,1、导体的静电感应现象,在匀强电场中放入一导体，导体内的自由电荷在电场力的作用下，将发生宏观移动，使得原来不带电的导体一面呈现正电性，另一面呈现负电性，称为感应电荷。,感应电荷也产生电场，与原来的电场相叠加，使得原来的电场发生改变，称为静电感应现象。,导体内的电荷重新分布 导体外的电场重新分布,静电感应的结果：,2、导体的静电平衡条件,导体内任何点电荷都不发生宏观移动时，称为静电平衡,电场条件:,(1) 导体内的电场强度处处为零 (2) 导体表面的电场强度垂直于导体表面,无限大导体平板垂直放入一匀强电场中，随着感应电荷不断增加，感应电荷产生电场逐渐增强，导体内的电场,若(1)不满足，电荷将在导体内部继续移动； 若(2)不满足，电荷将沿着导体表面移动。,推论：由,导体任意两点a 、b 都有 即,(1) 导体是等势体 (2) 导体表面是等势面,电势条件:,3、带电导体的电荷分布,(1)实心带电导体-电荷只能分布在导体的表面上,由高斯定理,(2)空腔带电导体-外表面带电，内表面不带电,内表面是否带有等量的异号电荷？,由高斯定理,内表面带电的代数和为零,反证法：,违背导体静电平衡条件,内表面带电 - q2 ，与腔内带电体等值异号； 外表面带电 q1 + q2 ，为腔体和腔内带电体带电的代数和。,(3)空腔带电导体-腔内有带电体的情况,由高斯定理,假设：空腔带电导体带电 q1 腔内带电导体带电 q2,子弹头形带电导体如图，使用验电器检测结果，尖端处带电较多。,其它形状带电导体,R 为曲率半径,4、带电导体表面的场强,高斯面如图,当 足够小时， 可看成是常量,与平行板电容器板间的电场相同。,结论： 大的地方 大,电源电压足够高时，尖端处电荷密度较大，电场较强，空气被电离，发生放电现象，形成静电风。,尖端放电现象：,电风轮,5、导体带电特性在现代科技中的应用,举例：有线电视电缆；电视机高频头。,(1) 、静电屏蔽技术,带电体在空腔导体外-导体内和腔内电场处处为零； 带电体在空腔导体内-腔体接地，腔体外电场处处为零。,避雷器 -电话交换机用户端子,(2)尖端放电技术应用,避雷针 -建筑物防雷击,户外端子,户内端子,14.1.2、静电场中的电介质,1、电介质的电结构,电介质分子一般是多原子分子，比较复杂；,原子核带正电，电子带负电；,正电荷电量 = 负电荷电量,简化模型-正电荷中心、负电荷中心,电介质分子可以看成是一个电偶极子,分子结构不对称，正电荷中心与负电荷中心不重合，具有固有电偶极矩。,2、电介质的种类,(1)、有极分子,在外电场中，受到力矩的作用。,（2）、无极分子,分子结构具有对称性，正电荷中心与负电荷中心重合，固有电偶极矩为零。,在外电场中，正负电荷中心发生移动，分开一定距离，产生感应电偶极矩。,一般情况下-感应电偶极矩 固有电偶极矩,3、电介质的极化,极化的结果：,两种电介质的极化机制不同，但效果相同。,有极分子-固有电偶极子沿外电场方向有规则地排列,无极分子-正负电荷中心沿外电场方向移动,电介质内部仍然呈现电中性，在电介质表面出现多余的电荷，称为极化电荷或束缚电荷，这种束缚电荷不能接地中和。,4、有介质存在时的电场,考虑各向同性电介质充满电场空间,自由电荷在真空中的场强,极化电荷形成的电场强度,介质内的电场,显然有,定义：,电介质的绝对介电常数,对于各向同性的电介质，存在关系,称电介质的相对介电常数,真空中,空气中,5、电介质中的高斯定律,和 都是未知量，且相互依赖,公式变换,代入真空中高斯定律,在任何静电场中，通过任意闭合曲面的电位移通量，等于该闭合曲面所包围的自由电荷代数和。,定义：电位移矢量,电位移通量 = 自由电荷代数和,物理意义：,称为介质中的高斯定律,电位移通量与感应电荷无关。,在介质中,注意：电位移矢量是辅助量。,6、电位移矢量的进一步说明,由定义：,在真空中,结论：,空间任意一点的电位移与电介质无关，均与真空中相同。,有电介质时，用电位移描述电场比较方便。,求：介质球内 P 点的电场强度、电势？,解：由介质中的高斯定理,