物理静电场中的导体省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版上章上章讨论了讨论了真空中真空中电荷作用力遵照规律电荷作用力遵照规律描述电场物理量电场强度和电势描述电场物理量电场强度和电势电场性质由高斯定理和安培环路定理完整描述电场性质由高斯定理和安培环路定理完整描述电荷分布已知时,电荷分布已知时,电场强度和电势电场强度和电势计算计算本章本章讨论讨论有导体时有导体时,电场强度和电势电场强度和电势计算计算 只只讨论各向同性、均匀金属导体。讨论各向同性、均匀金属导体。1第1页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版l单个原子电结构单个原子电结
2、构 内内层层电子电子价价电电子子原原 子子 内内部部 壳壳 层层电子电子受受外外层层电电子屏蔽子屏蔽普普通通都都填填满满每一个壳层每一个壳层与与原原子子核核结结合得比较紧合得比较紧填充在最外层电子与核结合较填充在最外层电子与核结合较弱,轻易摆脱原子核束缚弱,轻易摆脱原子核束缚称称为为价电子价电子(自由电子自由电子)原子核及原子核及内电子内电子原原子实子实一一 导体特征导体特征2第2页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版金属导体结构示意图金属导体结构示意图原子实在空间周原子实在空间周期性排列组成晶期性排列组成晶格点阵格点阵只能作微小位移只能作微小位移热
3、振动热振动电子能够在晶电子能够在晶格间自由运动格间自由运动l金属微观结构金属微观结构3第3页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版金属导体结构示意图金属导体结构示意图当导体不带电也不受当导体不带电也不受外电场作用时外电场作用时,金属金属导体中大量自由电子导体中大量自由电子和晶格点阵正电荷相和晶格点阵正电荷相互中和互中和,其中任一部其中任一部分都是呈电中性分都是呈电中性。这。这时时,在导体中正负电在导体中正负电荷均匀分布荷均匀分布,除了微除了微观热运动外观热运动外,没有宏没有宏观电荷运动。观电荷运动。l金属微观结构金属微观结构4第4页14-114-1导体
4、的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版 金属能够看作固定在晶格点阵上正离子金属能够看作固定在晶格点阵上正离子和不规则运动自由电子集合。和不规则运动自由电子集合。金属中自由电子数量非常大,大到几乎金属中自由电子数量非常大,大到几乎取之不尽地步。取之不尽地步。自由电子运动即使非常激烈,但它们不自由电子运动即使非常激烈,但它们不会跑到金属外面,这表示金属表面存在一个会跑到金属外面,这表示金属表面存在一个阻止自由电子从金属逸出作用。阻止自由电子从金属逸出作用。一个电子从金属内部跑到金属外部必须一个电子从金属内部跑到金属外部必须作最小功称为逸出功,亦称功函数。作最小功称为逸出功,亦
5、称功函数。5第5页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版+感应电荷感应电荷二二 静电平衡条件静电平衡条件l 静电感应静电感应+导体有足够多自由电子导体有足够多自由电子 受电场力会移动受电场力会移动.6第6页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体静电感应过程导体静电感应过程无外电场无外电场加外电场加外电场7第7页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体静电感应过程导体静电感应过程外场外场感应感应8第8页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物
6、理学第五版第五版导体静电感应过程导体静电感应过程外场外场感应感应9第9页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体静电感应过程导体静电感应过程外场外场感应感应10第10页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体静电感应过程导体静电感应过程外场外场感应感应11第11页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体静电感应过程导体静电感应过程外场外场感应感应12第12页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体静电感应过程导体静电感应
7、过程外场外场感应感应13第13页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体静电感应过程导体静电感应过程外场外场感应感应14第14页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体静电感应过程导体静电感应过程外场外场感应感应15第15页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体静电感应过程导体静电感应过程外场外场感应感应16第16页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版导体静电感应过程导体静电感应过程外场外场感应感应17第17页14-1
8、14-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版 当外电场和导体当外电场和导体上重新分布电荷所上重新分布电荷所产生电场对产生电场对静电感应现象:静电感应现象:在静电场力作用下,导在静电场力作用下,导体中自由电子在电场力作用下作宏观定向体中自由电子在电场力作用下作宏观定向运动,使电荷产生重新分布现象。运动,使电荷产生重新分布现象。自由电子作用相互抵消,导体中电荷宏观运自由电子作用相互抵消,导体中电荷宏观运动停顿。动停顿。18第18页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版静电平衡条件:静电平衡条件:(1)导体内部任何一点处电场强度为
9、零;导体内部任何一点处电场强度为零;(2)导体表面处电场强度方向,都与导体导体表面处电场强度方向,都与导体表面垂直表面垂直.19第19页14-114-1导体的静电平衡场条件导体的静电平衡场条件物理学物理学第五版第五版+导体表面为等势面导体表面为等势面推论:推论:导体为等势体导体为等势体导体内各点电势相等导体内各点电势相等20第20页14-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版高斯面内一部分带正电,一部分带负电?高斯面内一部分带正电,一部分带负电?S向向P点收缩点收缩 仍成立仍成立高斯面高斯面+实心带电导体实心带电导体P1实心导体实心导体结论:结论:导
10、体内部无净电荷,导体内部无净电荷,电荷只分布在电荷只分布在导体导体表面表面.21第21页14-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版2空腔导体空腔导体 空腔内无电荷时空腔内无电荷时导体内部无电荷导体内部无电荷电荷只能分布在电荷只能分布在表面表面内表面?内表面?外表面?外表面?空腔带电导体空腔带电导体高斯高斯面面22第22页14-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版若内表面带电,必等量异号若内表面带电,必等量异号 结论:结论:空腔内无电荷时,空腔内无电荷时,电荷分布在外表面电荷分布在外表面,内表面无电荷内表
11、面无电荷.腔内无电场腔内无电场与导体是等势体矛盾与导体是等势体矛盾高斯高斯面面+空腔带电导体空腔带电导体以上这些结论不受腔外带电体影响,以上这些结论不受腔外带电体影响,23第23页14-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版 空腔内有电荷时空腔内有电荷时结论结论:空腔内有电荷空腔内有电荷+q时,空腔内表面有感时,空腔内表面有感 应电荷应电荷-q,外表面有感应电荷,外表面有感应电荷+q +高斯高斯面面qq-q空腔导体空腔导体24第24页14-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版 空心金属圆筒空心金属圆筒C固
12、定在一个验电器固定在一个验电器B上。上。给圆筒一定电荷,则给圆筒一定电荷,则B金箔张开。金箔张开。取一个装有绝缘柄小球取一个装有绝缘柄小球D,使它和圆,使它和圆筒筒C外表面接触后再碰验电器外表面接触后再碰验电器A,则,则A上金上金箔张开,证实圆筒箔张开,证实圆筒C外表面是带了电。外表面是带了电。使小球使小球D和圆筒和圆筒C内表面接触后再碰内表面接触后再碰验电器验电器A,则,则A上金上金箔不张开,这表明箔不张开,这表明圆筒圆筒C内表面不带电。内表面不带电。法拉第圆筒试验法拉第圆筒试验25第25页14-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版作扁圆柱形高斯
13、面作扁圆柱形高斯面3 导体表面附近场强与电荷面密度关系导体表面附近场强与电荷面密度关系+S S26第26页14-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版4导体表面电荷分布规律导体表面电荷分布规律+27第27页14-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版n表面详细电荷分布?表面详细电荷分布?很复杂很复杂 (形状、周围情况形状、周围情况)n孤立导体电荷分布孤立导体电荷分布 有以下定性规律有以下定性规律28第28页14-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版 带电导体尖端
14、附带电导体尖端附近电场尤其大,可使近电场尤其大,可使尖端附近空气发生电尖端附近空气发生电离而成为导体产生放离而成为导体产生放电现象电现象 尖端放电现象尖端放电现象29第29页14-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版+30第30页14-214-2静电平衡的导体上电荷分布静电平衡的导体上电荷分布物理学物理学第五版第五版避雷针必须可靠接地避雷针必须可靠接地带电云带电云带电云带电云避雷针工作原理避雷针工作原理+31第31页14-314-3静电屏蔽静电屏蔽物理学物理学第五版第五版腔内腔内腔外腔外理论上需说明问题是:理论上需说明问题是:1)1)腔内、外表面电
15、荷分布特征腔内、外表面电荷分布特征2)2)腔内、腔外空间电场特征腔内、腔外空间电场特征讨论思绪讨论思绪:从特例开始从特例开始 然后得出结论然后得出结论导体壳结构特点:导体壳结构特点:两区域:两区域:腔内、腔外腔内、腔外两表面:两表面:内表面、外表面内表面、外表面内表面内表面外表面外表面三三 静电屏蔽静电屏蔽32第32页14-314-3静电屏蔽静电屏蔽物理学物理学第五版第五版(1 1)腔内无带电体)腔内无带电体 内表面上有没有电荷分布?内表面上有没有电荷分布?作作GaussGauss面如图面如图 p内表面一部分带正电荷,一部分带负电内表面一部分带正电荷,一部分带负电 荷,荷,电荷代数和为零电荷代
16、数和为零p内表面处处无净电荷内表面处处无净电荷33第33页14-314-3静电屏蔽静电屏蔽物理学物理学第五版第五版则与导体是等势体矛盾,故说明则与导体是等势体矛盾,故说明假设假设不成立不成立?假设假设:内表面有一部分带正电荷内表面有一部分带正电荷一部分带等量负电荷一部分带等量负电荷则会从正电荷向负电荷发电力线则会从正电荷向负电荷发电力线证实了:腔内无带电体时证实了:腔内无带电体时 内表面内表面处处没有电荷;处处没有电荷;腔内腔内无电场无电场34第34页14-314-3静电屏蔽静电屏蔽物理学物理学第五版第五版普通情普通情况下电况下电量可能量可能分布在:分布在:1)1)导体壳是否带电导体壳是否带电
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