物理学05静电市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

7/13/202417/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙实际电场中总是存在着各种各样物质。实际电场中总是存在着各种各样物质。14.1 14.1 静电场中导体和电介质静电场中导体和电介质导导 体体-内部电荷能够移动内部电荷能够移动(金银铜等各种金属金银铜等各种金属)电介质电介质-内部电荷不能移动内部电荷不能移动(绝缘体绝缘体:橡胶橡胶,塑料塑料等等)半导体半导体-介于导体和绝缘体之间介于导体和绝缘体之间(二氧化硅等二氧化硅等)依据物质导电特征，物质可为三类：依据物质导电特征，物质可为三类：1第1页7/13/202427/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙14.1.1 14.1.1 静电场中导体静电场中导体1、导体静电感应现象、导体静电感应现象 在匀强电场中放入一导体，导体在匀强电场中放入一导体，导体内自由电荷在电场力作用下，将发内自由电荷在电场力作用下，将发生生宏观宏观移动，使得原来不带电导体移动，使得原来不带电导体一面展现正电性，另一面展现负电一面展现正电性，另一面展现负电性，称为性，称为感应电荷感应电荷。感应电荷也产生电场，与原来电场相叠加，使得原感应电荷也产生电场，与原来电场相叠加，使得原来电场发生改变，称为来电场发生改变，称为静电感应静电感应现象。现象。导体内电荷重新分布导体内电荷重新分布导体外电场重新分布导体外电场重新分布静电感应结果：静电感应结果：2第2页7/13/202437/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙2、导体静电平衡条件、导体静电平衡条件导体内任何点电荷都不发生宏观移动时，称为导体内任何点电荷都不发生宏观移动时，称为静电平衡静电平衡电场条件电场条件:(1)导体内电场强度处处为零导体内电场强度处处为零(2)导体表面电场强度垂直于导体表面导体表面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无限大导体平板垂直放入一匀强电场中，伴随感应电荷不停增加，感应电荷中，伴随感应电荷不停增加，感应电荷产生电场逐步增强，导体内电场产生电场逐步增强，导体内电场当当时，导体内将无电荷移动时，导体内将无电荷移动若若(1)不满足，电荷将在导体内部继续移动；不满足，电荷将在导体内部继续移动；若若(2)不满足，电荷将沿着导体表面移动。不满足，电荷将沿着导体表面移动。3第3页7/13/202447/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙推论：由推论：由导体任意两点导体任意两点a、b 都有都有 即即(1)导体是等势体导体是等势体(2)导体表面是等势面导体表面是等势面电势条件电势条件:3、带电导体电荷分布、带电导体电荷分布(1)实心带电导体实心带电导体-电荷只能分布在导体表面上电荷只能分布在导体表面上由高斯定理由高斯定理4第4页7/13/202457/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙(2)空腔带电导体空腔带电导体-外表面带电，内表面不带电外表面带电，内表面不带电内表面是否带有等量异号电荷？内表面是否带有等量异号电荷？由高斯定理由高斯定理内表面带电代数和为零内表面带电代数和为零反证法：反证法：违反导体静电平衡条件违反导体静电平衡条件5第5页7/13/202467/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙内表面内表面带电带电-q2，与腔内带电体等值异号；，与腔内带电体等值异号；外表面外表面带电带电 q1+q2，为腔体和腔内带电体带电代数和。，为腔体和腔内带电体带电代数和。(3)空腔带电导体空腔带电导体-腔内有带电体情况腔内有带电体情况由高斯定理由高斯定理假设：空腔带电导体带电假设：空腔带电导体带电 q1 腔内带电导体带电腔内带电导体带电 q2 6第6页7/13/202477/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙(4)、带电导体表面电荷面密度、带电导体表面电荷面密度球形带电导体，电荷均匀分布球形带电导体，电荷均匀分布子弹头形带电导体如图，使用验电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。器检测结果，尖端处带电较多。其它形状带电导体其它形状带电导体R 为曲率半径为曲率半径7第7页7/13/202487/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙4、带电导体表面场强、带电导体表面场强高斯面如图高斯面如图当当 足够小时，足够小时，可看成是常量可看成是常量与平行板电容器板间电场相同。与平行板电容器板间电场相同。结论：结论：大地方大地方 大大8第8页7/13/202497/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙 电源电压足够高时，尖端处电荷密度较大，电场较强，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。空气被电离，发生放电现象，形成静电风。高高压压电电源源尖端放电现象：尖端放电现象：电风轮电风轮9第9页7/13/2024107/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙5、导体带电特征在当代科技中应用、导体带电特征在当代科技中应用举例：有线电视电缆；电视机高频头。举例：有线电视电缆；电视机高频头。(1)、静电屏蔽技术、静电屏蔽技术带电体在空腔导体外带电体在空腔导体外-导体内和腔内电场处处为零；导体内和腔内电场处处为零；带电体在空腔导体内带电体在空腔导体内-腔体接地，腔体外电场处处为零。腔体接地，腔体外电场处处为零。10第10页7/13/2024117/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙11第11页7/13/2024127/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙避雷器避雷器 -电话交换机用户端子电话交换机用户端子(2)尖端放电技术应用尖端放电技术应用避雷针避雷针 -建筑物防雷击建筑物防雷击户外端子户外端子户内端子户内端子12第12页7/13/2024137/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙13第13页7/13/2024147/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙14.1.214.1.2、静电场中电介质、静电场中电介质1、电介质电结构、电介质电结构电介质分子普通是多原子分子，比较复杂；电介质分子普通是多原子分子，比较复杂；原子核带正电，电子带负电；原子核带正电，电子带负电；正电荷电量正电荷电量=负电荷电量负电荷电量简化模型简化模型-正电荷中心、负电荷中心正电荷中心、负电荷中心 电介质分子能够看成是一个电偶极子电介质分子能够看成是一个电偶极子14第14页7/13/2024157/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙 分子结构不对称，正分子结构不对称，正电荷中心与负电荷中心电荷中心与负电荷中心不重合，含有不重合，含有固有电偶固有电偶极矩。极矩。2、电介质种类、电介质种类(1)、有极分子、有极分子依据正负电荷中心是否重合依据正负电荷中心是否重合有极分子有极分子无极分子无极分子 在外电场中，受到力矩作用。在外电场中，受到力矩作用。15第15页7/13/2024167/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙（2）、无极分子）、无极分子 分子结构含有对称性，正分子结构含有对称性，正电荷中心与负电荷中心重合，电荷中心与负电荷中心重合，固有电偶极矩为零。固有电偶极矩为零。在外电场中，正负电荷中在外电场中，正负电荷中心发生移动，分开一定距离，心发生移动，分开一定距离，产生产生感应电偶极矩感应电偶极矩。普通情况下普通情况下-感应电偶极矩感应电偶极矩 固有电偶极矩固有电偶极矩16第16页7/13/2024177/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙17第17页7/13/2024187/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙18第18页7/13/2024197/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙3、电介质极化、电介质极化 极化结果：极化结果：两种电介质极化机制不一样，但效果相同。两种电介质极化机制不一样，但效果相同。有极分子有极分子-固有电偶极子沿外电场方向有规则地排列固有电偶极子沿外电场方向有规则地排列无极分子无极分子-正负电荷中心沿外电场方向移动正负电荷中心沿外电场方向移动 电介质内部依然展现电电介质内部依然展现电中性，在电介质表面出现中性，在电介质表面出现多出电荷，称为多出电荷，称为极化电荷极化电荷或或束缚电荷束缚电荷，这种束缚电，这种束缚电荷不能接地中和。荷不能接地中和。19第19页7/13/2024207/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙4、有介质存在时电场、有介质存在时电场考虑各向同性电介质充满电场空间考虑各向同性电介质充满电场空间自由电荷在真空中场强自由电荷在真空中场强极化电荷形成电场强度极化电荷形成电场强度介质内电场介质内电场显然有显然有20第20页7/13/2024217/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙定义：定义：电介质电介质绝对介电常数绝对介电常数对于各向同性电介质，存在关系对于各向同性电介质，存在关系称电介质称电介质相对介电常数相对介电常数真空中真空中空气中空气中21第21页7/13/2024227/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙5、电介质中高斯定律、电介质中高斯定律真空中真空中为自由电荷为自由电荷有介质时有介质时为束缚电荷为束缚电荷 和和 都是未知量，且相互依赖都是未知量，且相互依赖公式变换公式变换代入真空中高斯定律代入真空中高斯定律22第22页7/13/2024237/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙 在任何静电场中，经过任意闭合曲面电位移通量，等在任何静电场中，经过任意闭合曲面电位移通量，等于该闭合曲面所包围自由电荷代数和。于该闭合曲面所包围自由电荷代数和。定义：电位移矢量定义：电位移矢量电位移通量电位移通量=自由电荷代数和自由电荷代数和物理意义：物理意义：称为介质中高斯定律称为介质中高斯定律电位移通量与感应电荷无关。电位移通量与感应电荷无关。令令为经过任意闭合曲面电位移通量为经过任意闭合曲面电位移通量23第23页7/13/2024247/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙在介质中在介质中注意：电位移矢量是辅助量。注意：电位移矢量是辅助量。6、电位移矢量深入说明、电位移矢量深入说明由定义：由定义：在真空中在真空中结论：结论：空间任意一点电位移与电介质无关，均与真空中相同。空间任意一点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。有电介质时，用电位移描述电场比较方便。24第24页7/13/2024257/13/2024第十四章第十四章 静电场中的导体和电解质静电场中的导体和电解质作者：赵龙作者：赵龙求：介质球内求：介质球内 P 点电场强度、电势？点电场强度、电势？例题例题 1：金属球半径金属球半径 R，带电，带电 Q，介质球壳，内半径，介质球壳，内半径 a，外半径外半径 b，介电常数，介电常数 ,解：由介质中高斯定理解：由介质中高斯定理25第25页