有导体和电介质存在时的静电场课件.ppt

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1、第十三章有导体和电介质存在时的静电场前面两章讲述了真空中静电场的基本概念和规律，而在实际的应用中，常利用导体带电形成电场，而且还使用绝缘体（或电介质）来改变空间的电场和电荷的分布。本章即将讨论静电场对导体和电介质的作用，及导体和电介质对静电场的影响。1导体(conductor):存在大量的自由电子。绝缘体(dielectric):理论上认为一个自由移动的电荷也没有，称为电介质。半导体(semiconductor):介于上述两者之间。静电场中的物质按其导电特性可分为三类：2内容§13-1静电场中的金属导体§13-3静电场中的电介质§13-4电介质对电容的影响及

2、电容器的能量§13-2电容和电容器3一、金属导体的静电平衡1.金属键晶体的电结构金属导体是由大量带正电的原子实和带负电的自由电子组成；自有电子处于不停的热运动中；若导体无外加电荷或外加电场；自由电子分布均匀，整个导体对外不显电性§13-1静电场中的金属导体42.静电感应若施以外电场自有电子定向漂移电荷重新分布导体两段出现等量异号电荷，称为静电感应静电感应所产生的电荷产生一个附加电场导体内合电场为：5自有电子不断漂移，附加电场不断增加。当时，自由电子停止定向漂移；导体内合电场导体达到静电平衡3.静电平衡注意静电平衡是在瞬间完成的，几乎不需要时间.64.静电平衡

3、下的导体性质(1)静电平衡时导体中自由电荷没有定向运动(或宏观运动)的状态，而实现这一状态的必要条件，是导体内部的电场强度为零。导体内(2)导体表面附近的电场强度处处与表面垂直，否则电场强度沿表面的分量将使自由电子沿表面作定向运动。(3)整个导体是等势体，导体的表面是等势面。在导体内部任取两点P和Q，它们之间的电势差可以表示为7由于外部电场的作用，使某一导体的两端出现异号电荷，试问空间的电场线应该如何画？思考题电场线的走向代表了它所经过的空间各点上电场强度的方向，而电场强度的方向总是由高电势指向低电势；另外，处于静电平衡的导体是等势体，其表面是等势面。＋-由

4、这两点看，由导体正端发出的电场线是绝对不会终止于自身的负端的。8二、静电平衡的导体上的电荷分布及表面的电场1、导体内部不存在净电荷，电荷只能分布在导体表面。因为导体内部的电场强度为零，上式积分为零，所以导体内部必定不存在净电荷。在导体内部任取一闭合曲面S，运用高斯定理，应有9在带电导体表面任取一面元S，可认为其电荷面密度为均匀分布。包围S作一圆柱状闭合面，使其上、下底面与导体表面平行。通过整个圆柱状闭合面的电通量等于通过圆柱上底面的电通量。上式表示，处于静电平衡的导体，其表面附近的电场强度大小与该处面电荷密度成正比。DS根据高斯定理，有2.带电导体表面

5、附近的电场10r1r2lq2q1等势体代入上式一导线相连的两导体球3.孤立的导体处于静电平衡时，其面电荷密度分布的特点11说明：大球的电荷密度小，小球的电荷密度大推论：由于任意形状导体的表面都可视为许多半径不同的球面连接而成，因此表面尖锐的地方，对应球面半径小（或曲率大），面电荷密度大，反之面电荷密度小。注意表面凹陷处，电荷面密度很小，几乎为零。12尖端放电：导体表面越尖锐，其电荷面密度越大。凸起越利害的地方，其附近的场强越大，而强的电场又可以将空气分子电离，从而使空气中电荷移动。例：金属针上的电荷形成的“电风”会将蜡烛的火焰吹向一边，这就是尖端放电现象。1

6、3三、处于静电平衡的空腔导体，其电荷与电场分布特点1.腔内无电荷的空腔导体因静电平衡时导体内处处作高斯面在导体内包围空腔面上处处可能可能内表面无电荷内表面有等量异号电荷腔内无电荷的空腔导体其电荷只能分布在导体的外表面成立与静电平衡时导体为等势体相矛盾排除此可能性空腔内部电场强度为零，即它们是等势体。142.腔内有电荷的空腔导体设导体原已带有电量空腔内电荷的电量因静电平衡时导体内处处作高斯面在导体内包围空腔面上处处空腔内电荷电量导体内表面分布的电量因本系统的导体中电荷守恒导体外表面分布的电量为15利用导体静电平衡的性质，使导体空腔内部空间不受腔外电荷和电场的影

7、响，或者将导体空腔接地，使腔外空间免受腔内电荷和电场影响，这类操作都称为静电屏蔽。无线电技术中有广泛应用，例如，常把测量仪器或整个实验室用金属壳或金属网罩起来，使测量免受外部电场的影响。四、导体静电平衡性质的应用1.静电屏蔽(electrostaticshielding)16封闭导体壳不论是否接地，内部电场不受壳外电荷影响接地封闭导体壳外部电场，不受壳内电荷的影响腔内位置变化有影响腔内电量变化有影响若不接地172.库仑平方反比律的精确证明4.范德格拉夫静电高压起电机3.场致发射显微镜18五、有导体存在时静电场的分析与计算导体放入静电场中时，电场会影响导体上电

8、荷的分布；而同时，导体上的电荷分布也会影响电场的分布