導(dǎo)體和電介質(zhì)的靜電場(chǎng)1導(dǎo)體ppt

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1、第2章導(dǎo)體和電介質(zhì)存在時(shí)的靜電場(chǎng)§1靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體§2有導(dǎo)體存在時(shí)靜電場(chǎng)場(chǎng)量的計(jì)算§3導(dǎo)體殼與靜電屏蔽§4電容器及電容§5電介質(zhì)及其極化§6電位移矢量§7靜電場(chǎng)的能量1一、本章研究的問(wèn)題仍然是靜電場(chǎng)所以場(chǎng)量仍是基本性質(zhì)方程仍是思路：物質(zhì)的電性質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的影響解出場(chǎng)量2二、導(dǎo)體絕緣體1.導(dǎo)體存在大量的可自由移動(dòng)的電荷conductor2.絕緣體理論上認(rèn)為無(wú)自由移動(dòng)的電荷也稱(chēng)電介質(zhì)dielectric3.半導(dǎo)體介于上述兩者之間semiconductor本章討論金屬導(dǎo)體和電介質(zhì)對(duì)場(chǎng)的影響3§1靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體一、導(dǎo)體的靜電平衡條件二、導(dǎo)體上電荷的分布（導(dǎo)體的電性質(zhì)和對(duì)場(chǎng)的貢獻(xiàn)）4

2、一、導(dǎo)體的靜電平衡條件1.靜電平衡導(dǎo)體內(nèi)部和表面無(wú)自由電荷的定向移動(dòng)說(shuō)導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)2.導(dǎo)體靜電平衡的條件ee－＋－＋－＋－＋53.導(dǎo)體的電勢(shì)導(dǎo)體靜電平衡時(shí)導(dǎo)體各點(diǎn)電勢(shì)相等即導(dǎo)體是等勢(shì)體表面是等勢(shì)面證：在導(dǎo)體上任取兩點(diǎn)和注意：導(dǎo)體等勢(shì)是導(dǎo)體體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零和表面場(chǎng)垂直表面的必然結(jié)果所以導(dǎo)體等勢(shì)是靜電平衡條件的另一種表述6二、導(dǎo)體的靜電平衡條件和靜電場(chǎng)的基本性質(zhì)，可以得出導(dǎo)體上的電荷分布。1.導(dǎo)體體內(nèi)處處不帶電證明：在導(dǎo)體內(nèi)任取體積元由高斯定理?體積元任取證畢帶電只能在導(dǎo)體表面！72.導(dǎo)體表面電荷導(dǎo)體設(shè)導(dǎo)體表面某處電荷面密度為該處的電場(chǎng)強(qiáng)度為設(shè)P是導(dǎo)體外緊靠導(dǎo)體

3、表面的一點(diǎn)導(dǎo)體表面由高斯定理有得外法線(xiàn)方向?qū)懽?3.孤立帶電導(dǎo)體表面電荷分布一般情況較復(fù)雜孤立的帶電導(dǎo)體電荷分布實(shí)驗(yàn)的定性分布在表面凸出的尖銳部分(曲率是正值且較大)電荷面密度較大在比較平坦部分(曲率較小)電荷面密度較小在表面凹進(jìn)部分帶電面密度最小尖端放電孤立帶電導(dǎo)體球孤立導(dǎo)體9熒光質(zhì)導(dǎo)電膜+高壓場(chǎng)離子顯微鏡(FIM)金屬尖端的強(qiáng)電場(chǎng)的應(yīng)用一例接真空泵或充氦氣設(shè)備金屬尖端接地原理：樣品制成針尖形狀，針尖與熒光膜之間加高壓，樣品附近極強(qiáng)的電場(chǎng)使吸附在表面的原子電離，氦離子沿電力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，撞擊熒光膜引起發(fā)光，從而獲得樣品表面的圖象。10§2有導(dǎo)體存在時(shí)靜電場(chǎng)場(chǎng)量的計(jì)算原則:1

4、.靜電平衡的條件2.基本性質(zhì)方程3.電荷守恒定律11例1無(wú)限大的帶電平面的場(chǎng)中平行放置一無(wú)限大金屬平板求：金屬板兩面電荷面密度解:設(shè)金屬板面電荷密度由對(duì)稱(chēng)性和電量守恒（1）導(dǎo)體體內(nèi)任一點(diǎn)P場(chǎng)強(qiáng)為零（2）12例2金屬球A與金屬球殼B同心放置求:1)電量分布已知：球A半徑為帶電為金屬殼B內(nèi)外半徑分別為帶電為2)球A和殼B的電勢(shì)13解：1)導(dǎo)體帶電在表面球A的電量只可能在球的表面殼B有兩個(gè)表面電量可能分布在內(nèi)、外兩個(gè)表面由于AB同心放置仍維持球?qū)ΨQ(chēng)?電量在A表面、B內(nèi)表面分布均勻14證明殼B上電量的分布：在B內(nèi)緊貼內(nèi)表面作高斯面S面S的電通量高斯定理電荷守恒定律思考：該結(jié)論對(duì)

5、內(nèi)表面的形狀、內(nèi)部帶電狀況有限制嗎？外表面相當(dāng)于孤立帶電表面由于曲率相同所以均勻分布15等效:在真空中三個(gè)均勻帶電的球面利用疊加原理球面電荷單獨(dú)存在時(shí)對(duì)電勢(shì)的貢獻(xiàn)第1個(gè)第2個(gè)第3個(gè)16例3接地導(dǎo)體球附近有一點(diǎn)電荷q,如圖所示。求:導(dǎo)體上感應(yīng)電荷的電量解:接地即設(shè):感應(yīng)電量為Q由導(dǎo)體是個(gè)等勢(shì)體知o點(diǎn)的電勢(shì)為0由電勢(shì)疊加原理有關(guān)系式：17§3導(dǎo)體殼與靜電屏蔽一、腔內(nèi)無(wú)帶電體時(shí)場(chǎng)的特征二、.腔內(nèi)有帶電體時(shí)場(chǎng)的特征三、靜電屏蔽的裝置---接地導(dǎo)體殼四、靜電學(xué)邊值問(wèn)題的唯一性定理18§3導(dǎo)體殼與靜電屏蔽electrostaticshielding腔內(nèi)腔外理論上需說(shuō)明的問(wèn)題是：1)

6、腔內(nèi)、外表面電荷分布特征2)腔內(nèi)、腔外空間電場(chǎng)特征討論的思路:從特例開(kāi)始然后得出結(jié)論導(dǎo)體殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩區(qū)域：腔內(nèi)、腔外兩表面：內(nèi)表面、外表面內(nèi)表面外表面19一、腔內(nèi)無(wú)帶電體時(shí)場(chǎng)的特征結(jié)論：內(nèi)表面處處沒(méi)有電荷腔內(nèi)無(wú)電場(chǎng)即或說(shuō)腔內(nèi)電勢(shì)處處相等證明:在導(dǎo)體殼內(nèi)緊貼內(nèi)表面作高斯面S因?yàn)閷?dǎo)體體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)處處為零所以S20由高斯定理得高斯面內(nèi)電量代數(shù)和為零即由于空腔內(nèi)無(wú)帶電體所以因?yàn)閷?dǎo)體體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)處處為零所以1）處處不帶電即處處無(wú)凈電荷2）一部分帶正電荷一部分帶等量負(fù)電荷還需排除第2種情況用反證法證明21則與導(dǎo)體是等勢(shì)體矛盾故說(shuō)明假設(shè)不成立?假設(shè)：內(nèi)表面有一部分帶正電荷一部分帶等量的負(fù)

7、電荷則會(huì)從正電荷向負(fù)電荷發(fā)電力線(xiàn)證明了：腔內(nèi)無(wú)帶電體時(shí)內(nèi)表面處處沒(méi)有電荷腔內(nèi)無(wú)電場(chǎng)22一般情況下電量可能分布在：1)導(dǎo)體殼是否帶電?2)腔外是否有帶電體?未提及的問(wèn)題說(shuō)明：腔內(nèi)的場(chǎng)與腔外(包括殼的外表面)的電量及分布無(wú)關(guān)腔內(nèi)表面腔外表面空腔內(nèi)部與殼絕緣的帶電體殼外空間與殼絕緣的帶電體結(jié)論在腔內(nèi)23二、腔內(nèi)有帶電體時(shí)場(chǎng)的特征電量分布腔內(nèi)的電場(chǎng)1)殼是否帶電?2)腔外是否有帶電體?腔內(nèi)的場(chǎng)只與腔內(nèi)帶電體及腔內(nèi)的幾何因素、介質(zhì)有關(guān)用高斯定理可證未提及的問(wèn)題結(jié)論或說(shuō)在腔內(nèi)1)與電量q有關(guān)2)與幾何因素(腔內(nèi)帶電體、腔內(nèi)表面形狀）介質(zhì)有關(guān)24腔內(nèi)部