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1、第五节 静电场对导体和电介质的作用,对导体的作用 静电感应对电介质的作用 电介质的极化,上午10时18分,2,导体：具有大量能够自由移动的带电粒子（载流 子），能够很好地传导电流的物质。,根据载流子的不同，可将常见导体分为两类：（1）自由电子导电 金属等；（2）自由离子导电 酸、碱、盐溶液等。,金属导体,金属是由带正电的离子点阵和带负电的自由电子组成，其自由电子的浓度约为1022/cm3，因而电阻率是很低的。,上午10时18分,3,一、静电场对导体的作用,静电感应,+,上午10时18分,4,1、导体的静电平衡,无外电场时,上午10时18分,5,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,E,外,E
2、,感,导体达到静电平衡,上午10时18分,6,静电平衡条件：,（1）导体内部任何一点处的电场强度为零；,（2）导体表面处电场强度的方向，都与导体表面垂直.,上午10时18分,7,导体表面为等势面,（3）推论：导体为等势体,导体内各点电势相等,上午10时18分,8,2 静电平衡时导体上电荷的分布（净电荷分布）,结论：导体内部无净电荷，电荷只分布在导体表面.,1）实心导体,上午10时18分,9,2）空腔导体,空腔内无电荷时,电荷分布在表面,（本身带有净电荷Q）,上午10时18分,10,若内表面带电，必等量异号,结论：空腔内无电荷时，电荷分布在外表面,内表面无电荷.,与导体是等势体矛盾,Q,上午10
3、时18分,11,空腔内有电荷时,结论:空腔内有电荷+q时，空腔内表面有感 应电荷-q，外表面有感应电荷+q，因此外表面电荷为Q+q,+,q,上午10时18分,12,作扁圆柱形高斯面,3)导体表面附近场强与电荷面密度的关系,结论:处于静电平衡状态的带电导体，导体以外，靠近导体表面附近处：,上午10时18分,13,4）导体表面上的电荷分布情况，不仅与导体表面形状有关，还和它周围存在的其他带电体有关。,电荷面密度较小,结论:处于静电平衡状态的孤立导体，导体表面的电荷面密度的大小与该处表面的曲率有关。,孤立导体,上午10时18分,14,上午10时18分,15,尖端放电,尖端场强特别强，足以使周围空气分
4、子电离而使空气被击穿，导致“尖端放电”。,形成“电风”,电荷面密度大,静电场中的导体,实例：尖端放电与避雷针,云层带电,绝大多数带电云底层带负电,顶层带正电,接地,接地,小结：静电平衡时导体的性质,1)导体是等势体，导体的表面是等势面,2)导体内部净电荷为零，电荷只能分布在表面,3)导体表面电荷面密度与表面邻近处的场强成正比,4)孤立导体各处的面电荷密度与其表面的曲率有关.,上午10时18分,20,（1）封闭导体壳（不论接地与否）内部不受外电场的影响；,（2）接地封闭导体壳（或金属丝网）外部不受壳内带电体的影响。,3、静电屏蔽,有导体存在时电场的计算,电荷分布,要点:先确定导体上的电荷是如何分
5、布的.,例题 半径为 的导体球均匀带电，另外一同心导体球壳均匀带电 其半径分别为 和，求电场强度和电势的分布。,解：导体上电荷分布是:球壳内表面带电，外表面带电。,静电场中的导体,根据静电平衡条件和静电场的基本规律得电场分布,静电场中的导体,上午10时18分,24,二、静电场对电介质的作用,1 电介质,2 电介质分类,有极分子,无极分子,3 电介质中的高斯定理,通常条件下导电性能很差的物质,上午10时18分,25,2 电介质分类,有极分子分子正负电荷中心不重合，分子电偶极矩不为零。,无极分子分子正负电荷中心重合，分子电偶极矩为零。,水分子,上午10时18分,26,1）有极分子的取向极化,无外电
6、场时电偶极矩取向不同。,上午10时18分,27,2）无极分子的位移极化,小结:,(1)电介质极化现象在外电场作用下，介质表面产生极化(束缚)电荷的现象。,(2)不论是有极分子还是无极分子的极化，微观机理虽然不相同，但在宏观上表现相同。,(3)电介质内的电场强度。,静电场中的电介质,定义：单位体积内分子电偶极矩的矢量和。,电极化强度矢量 描写电介质极化程度的物理量,3）电极化强度,实验证明对各向同性电介质有,介质的电极化率,上午10时18分,30,三、电介质中的高斯定理,引入电位移矢量,称为介电常量或电容率，r称为相对介电常数,自由电荷,通过任一闭合曲面的电位移通量，等于该曲面内所包围的自由电荷
7、的代数和。,电介质中的高斯定理,定理应用：,解：,例1、在半径为R1金属球之外有一层半径为R2 的均匀介质层，设介质的相对介电常数为r，金属球带电量q0。求：介质层内外的D、E分布;,上午10时18分,35,电容是描述电容器容纳电荷本领的量；,一 电容器的电容,定义：电容器两极板间电势差增加1伏所需要的电量。,电容是标量,单位：法拉（F）,电容器：两个相互靠近的金属极板组成的装置。,第六节 电容器 电场的能量,按可调分类：可调电容器、微调电容器、双连电容器、固定电容器按介质分类：空气电容器、云母电容器、陶瓷电容器、纸质电容器、电解电容器按体积分类：大型电容器、小型电容器、微型电容器按形状分类：
8、平板电容器、圆柱形电容器、球形电容器,电容器的分类,平行板电容器的电容,无电介质,平行板电容器间有电介质：,A,B,解：两极板间电场,板间电势差,电容,球形电容器的电容,当R2 时，,孤立导体球电容。,R2 R1=d,R2 R1=R,平行板电容器电容。,讨论：,解：设两极板带电 q,板间电场,(l R2 R1),板间电势差,圆柱形电容器的电容,圆柱形电容器的电容,圆柱越长，电容越大；两圆柱之间的间隙越小，电容越大。,上午10时18分,41,同心球型电容器,同轴圆柱型电容器,平行板电容器,电容器的电容由本身的几何参数和极板间的介质决定。,上午10时18分,42,二、电容器的串并联,串联等效电容,
9、并联等效电容,电容器充电过程中,电量dq 在外力的作用下，从负极板到正极板，外力因克服静电力需做的功,储存在电容器中的能量：,1、电容器储存的能量,q,-q,U+,U-,dq,功能原理：W外=系统能量的增量,三、电容器的能量 电场的能量,2、静电场的能量,电容器储存的能量与场量的关系,（平行板电容器）,电容器所具有的能量与极板间电场 和 有关，和 是极板间每一点电场大小的物理量，所以能量与电场存在的空间有关，电场携带了能量。,2）电场的能量密度,电场单位体积内的能量,对任一电场，电场强度非均匀,上式虽然从特例导出，但是一个普遍适用的公式。,补充：极化（束缚）电荷与极化强度的关系,可证明对于均匀
10、电介质，极化电荷集中在它的表面。电介质产生的一切宏观效果都是通过未抵消的束缚电荷来体现。,在介质中引入极化强度力线来描述它在外场中的极化。,沿着此曲线取一长度dl与垂直于此曲线的横截面dS,组成一个小圆柱体，在其内部极化可视为是均匀的.因而该体元具有电偶极矩，根据定义它可视为两端具有 电荷的偶极矩,如果在电介质内任选一 的法线 与 成 角的圆柱面则,表明：任选一面 上束缚电荷面密度 等于极化强度矢量在该面法线方向上的分量,在非均匀电介质中，有束缚电荷的积累。根据电荷守恒得：,在均匀电介质内部，束缚电荷彼此抵消，束缚电荷仅出现在介质表面。,通常定义 为介质外法线方向。,极化强度力线,上午10时18分32秒,山东农业大学应用物理系,50,第七章 学习要求,思考题：普通物理学(P209)7-5,7-7,7-9,7-12,7-13,练习题：普通物理学(P210)7-4，7-5,7-6，7-11,7-13,作业题：（教材P210）7-3 大学物理学习指导(P132)三（高斯定理）、六、七,Thank you for your attention,
