第五节第五节 静电场对导体和电介质的作用静电场对导体和电介质的作用对导体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*2导体：具有大量能够自由移动的带电粒子（载流导体：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。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：根据载流子的不同，可将常见导体分为两类：（1 1）自由电子导电）自由电子导电 金属等；金属等；（2 2）自由离子导电）自由离子导电 酸、碱、盐溶液等。酸、碱、盐溶液等。金属导体金属导体 金属是由带正电的离子点阵和带负电的自由电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子组成，其自由电子的浓度约为10102222/cm/cm3 3，因而电阻，因而电阻率是很低的。率是很低的。*3+感应电荷感应电荷一、静电场对导体的作用一、静电场对导体的作用静电感应静电感应+*41 、导体的静电平衡、导体的静电平衡无无外外电电场场时时*5+E外外E感感感应电荷感应电荷感应电荷感应电荷导导体体达达到到静静电电平平衡衡*6静电平衡条件：静电平衡条件：（1）导体内部任何一点处的电场强度为零；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，都与导体表面导体表面处电场强度的方向，都与导体表面垂直垂直.+金属球放入后电力线发生金属球放入后电力线发生弯曲电场为一非均匀场弯曲电场为一非均匀场金属球放入前金属球放入前电场为一均匀场电场为一均匀场*7+ +导体表面为等势面导体表面为等势面（3）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*82 2 静电平衡时导体上电荷的分布（净电荷分布）静电平衡时导体上电荷的分布（净电荷分布）+结论：结论：导体内部无净电荷，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.1）实心导体实心导体高斯高斯面面*92）空腔导体空腔导体 空腔内无电荷时空腔内无电荷时电荷分布在表面电荷分布在表面内表面？内表面？外表面？外表面？高斯高斯面面（本身带有净电荷Q）*10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, 内表面无电荷内表面无电荷. 与导体是等势体矛盾与导体是等势体矛盾高斯高斯面面+Q*11 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，空腔内时，空腔内表面有感表面有感 应电荷应电荷-q，外表面有感应外表面有感应电荷电荷+q，因此外表面电荷为因此外表面电荷为Q+q +高斯高斯面面qQ+q-q*12作作扁圆柱形高斯面扁圆柱形高斯面3) 导体表面附近场强与电荷面密度的关系导体表面附近场强与电荷面密度的关系+ S S结论结论: 处于静电平衡状态的带电导体，导体以外，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：靠近导体表面附近处：*134）导体表面上的电荷分布情况，不仅与导体表面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。形状有关，还和它周围存在的其他带电体有关。电荷面密度大电荷面密度大电荷面密度较小电荷面密度较小电荷面密度更小电荷面密度更小结论结论: 处于静电平衡状态的处于静电平衡状态的孤立导体孤立导体，导体表面导体表面的电荷面密度的大小与该处的电荷面密度的大小与该处表面的表面的曲率曲率有关。有关。孤立导体孤立导体*14孤立孤立导体导体ABC*15尖端放电尖端放电 尖端场强特别强，足以使周围空气分子电离尖端场强特别强，足以使周围空气分子电离而使空气被击穿，导致而使空气被击穿，导致“尖端放电尖端放电”。形成形成“电风电风”电荷面密度电荷面密度 大大+静电场中的导体实例：实例：尖端放电与避雷针尖端放电与避雷针云层带电云层带电绝大多数带电云底层带负绝大多数带电云底层带负电电, ,顶层带正电顶层带正电接地接地接地接地小结：静电平衡时导体的性质小结：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，导体内部净电荷为零，电荷只电荷只能分布在表面能分布在表面 3)导体表面电荷面密度与表面邻导体表面电荷面密度与表面邻近处的场强成正比近处的场强成正比4) 孤立导体孤立导体各处的面电荷密度与其各处的面电荷密度与其表面的曲率有关表面的曲率有关. *20（1）封闭导体壳（不论接地与否）内部不受外）封闭导体壳（不论接地与否）内部不受外电场的影响电场的影响；（2）接地封闭导体壳（或金属丝网）外部不受壳）接地封闭导体壳（或金属丝网）外部不受壳内带电体的影响。内带电体的影响。3 3、 静电屏蔽静电屏蔽有导体存在时电场的计算有导体存在时电场的计算电荷守恒定律电荷守恒定律静电平衡条件静电平衡条件要点要点: 先确定导体上的电荷是如何分布的先确定导体上的电荷是如何分布的.例题例题 半径为半径为 的导体球均匀带电的导体球均匀带电 ，另外，另外一同心导体球壳均匀带电一同心导体球壳均匀带电 其半径分别为其半径分别为 和和 ，求电场强度和电势的分布。，求电场强度和电势的分布。解：导体上电荷分布是解：导体上电荷分布是: : 球壳内表面带电球壳内表面带电 ，外表面带电，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*24二、静电场对电介质的作用二、静电场对电介质的作用 1 1 电介质电介质2 2 电介质分类电介质分类有极分子有极分子无极分子无极分子3 3 电介质电介质中的高斯定理中的高斯定理通常条件下导电性能很差的物质通常条件下导电性能很差的物质*252 2 电介质分类电介质分类有极分子有极分子分子正负电荷中心不分子正负电荷中心不重合，重合，分子电偶极矩分子电偶极矩不为零。不为零。无极分子无极分子分子正负电荷中心重分子正负电荷中心重合，合，分子电偶极矩分子电偶极矩为零。为零。无极分子+正电荷中心正电荷中心负电荷负电荷中心中心H+HO水分子水分子*261） 有极分子的取向极化有极分子的取向极化无外电场时电偶无外电场时电偶极矩取向不同。极矩取向不同。加上外场加上外场*272） 无极分子的位移极化无极分子的位移极化加上外电场后加上外电场后小结小结: :(1)(1)电介质极化现象电介质极化现象在外电场作用下，介质表面在外电场作用下，介质表面产生极化产生极化( (束缚束缚) )电荷的现象。电荷的现象。(2)(2)不论是有极分子还是无极分子的极化，微观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。机理虽然不相同，但在宏观上表现相同。(3)(3)电介质内的电场强度。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。定义：单位体积内分子电偶极矩的矢量和。电极化强度矢量电极化强度矢量 描写电介质极化程度的物理量描写电介质极化程度的物理量3 3）电极化强度）电极化强度实验证明对各向同性电介质有实验证明对各向同性电介质有 介质的电极化率介质的电极化率*30介质中的场介质中的场极化电荷的场极化电荷的场自由电荷的场自由电荷的场三、电介质中的高斯定理三、电介质中的高斯定理引入电位移矢量引入电位移矢量 称为称为介电常量介电常量或或电容率电容率， r r称为称为相对介电常数相对介电常数 自由电荷自由电荷 通过任一闭合曲面的电位移通量，等于该曲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的代数和。面内所包围的自由电荷的代数和。电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理定理应用：定理应用：解：解：例例1 1、在半径为在半径为R1金属球之外有一层半径为金属球之外有一层半径为R2 的的均匀介质层均匀介质层，设介质的相对介电常数为设介质的相对介电常数为 r，金属金属球球带电量带电量q0 0。求：介质层内外的。求：介质层内外的D、E分布分布; ;R1*35电容是描述电容器容纳电荷本领的量；电容是描述电容器容纳电荷本领的量；一一 电容器的电容电容器的电容定义：电容器两极板间电势差增加定义：电容器两极板间电势差增加1伏所需要的电量。伏所需要的电量。 电容是标量电容是标量单位：法拉（单位：法拉（F）电容器：两个相互靠近的金属极板组成的装置。电容器：两个相互靠近的金属极板组成的装置。第六节第六节 电容器电容器 电场的能量电场的能量按可调分类：按可调分类：可调电容器、微调电容器、可调电容器、微调电容器、 双连电容器、固定电容器双连电容器、固定电容器按介质分类：按介质分类：空气电容器、云母电容器、陶瓷电容器、空气电容器、云母电容器、陶瓷电容器、 纸质电容器、电解电容器纸质电容器、电解电容器按体积分类：按体积分类：大型电容器、小型电容器、微型电容器大型电容器、小型电容器、微型电容器按形状分类：按形状分类：平板电容器、圆柱形电容器、球形电容器平板电容器、圆柱形电容器、球形电容器平行板平行板d球形球形柱形柱形电电容容器器的的分分类类平行板电容器的电容平行板电容器的电容无电介质无电介质平行板电容器间有电介质：平行板电容器间有电介质：AB解：两极板间电场解：两极板间电场板间电势差板间电势差电容电容球形电容器的电容球形电容器的电容-q+q当当R2 时，时，孤立导体球电容。孤立导体球电容。R2 R1= d , R2 R1 = R平行板电容器电容。平行板电容器电容。讨论：讨论：R1R2o+q- q解：设两极板带电解：设两极板带电 q 板间电场板间电场( l R2 R1 )板间电势差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形电容器的电容圆柱形电容器的电容 lR1R2圆柱越长，电容越大；两圆柱圆柱越长，电容越大；两圆柱之间的间隙越小，电容越大。之间的间隙越小，电容越大。*41同心球型电容器同心球型电容器同轴圆柱型电容器同轴圆柱型电容器平行板电容器平行板电容器电容器的电容由电容器的电容由本身的几何参数和极板间的介质决定本身的几何参数和极板间的介质决定。*42二、二、 电容器的串并联电容器的串并联串联等效电容串联等效电容并联等效电容并联等效电容 电容器充电过程中电容器充电过程中,电量电量dq 在外力的作用下，从负在外力的作用下，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：储存在电容器中的能量：1、电容器储存的能量、电容器储存的能量q- -qU+U-dq功能原理：功能原理：W外外=系统能量的增量系统能量的增量三、三、 电容器的能量电容器的能量 电场的能量电场的能量2、静电场的能量、静电场的能量电容器储存的能量与场量的关系电容器储存的能量与场量的关系（平行板电容器）（平行板电容器） 电容器所具有的能量与极板间电场电容器所具有的能量与极板间电场 和和 有关，有关， 和和 是极板间每一点电场大小的物理量，所以能量与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。电场存在的空间有关，电场携带了能量。2）电场的能量密度）电场的能量密度 电场单位体积内的能量电场单位体积内的能量对任一电场，电场强度非均匀对任一电场，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。上式虽然从特例导出，但是一个普遍适用的公式。补充：补充：极化（束缚）电荷与极化强度的关系极化（束缚）电荷与极化强度的关系可证明对于可证明对于均匀电介质均匀电介质，极化电荷集中在它的，极化电荷集中在它的表面。表面。电介质产生的一切宏观效果都是通过未电介质产生的一切宏观效果都是通过未电介质产生的一切宏观效果都是通过未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。抵消的束缚电荷来体现。抵消的束缚电荷来体现。抵消的束缚电荷来体现。在介质中引入极化强度力线在介质中引入极化强度力线来描述它在外场中的极化。来描述它在外场中的极化。沿着此曲线取一长度沿着此曲线取一长度d dl与垂与垂直于此曲线的横截面直于此曲线的横截面d dS,组成组成一个小圆柱体，在其一个小圆柱体，在其内部极化可视为是均匀的内部极化可视为是均匀的. .因而该体元具有因而该体元具有电偶极矩电偶极矩 ，根据定义它可视为两端，根据定义它可视为两端具有具有 电荷的偶极矩电荷的偶极矩如果在电介质内任选一如果在电介质内任选一 的法线的法线 与与 成成 角的角的圆柱面则圆柱面则表明表明表明表明：任选一面：任选一面 上束缚电荷面密度上束缚电荷面密度 等等于极化强度矢量在该面法线方向上的分量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，有束缚在非均匀电介质中，有束缚电荷的积累。根据电荷守恒得：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。抵消，束缚电荷仅出现在介质表面。通常定义通常定义 为介质外法线方向。为介质外法线方向。极化强度力线极化强度力线*山东农业大学应用物理系山东农业大学应用物理系山东农业大学应用物理系山东农业大学应用物理系50第七章 学习要求 思考题思考题：普通物理学普通物理学(P209) 7-5, 7-7, 7-9, 7-12, 7-13 练习题练习题：普通物理学普通物理学(P210) 7-4，7-5, 7-6 ，7-11, 7-13作业题作业题：（教材：（教材P210）7-3 大学物理学习指导大学物理学习指导(P132) 三（高斯定理）、六、七三（高斯定理）、六、七Thank you for your attention