靜電場(chǎng)的導(dǎo)體和電介質(zhì)

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1、第十八章靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)陳麗娟理學(xué)院電話：18998388500ljchen@scut.edu.cn本章教學(xué)要求：了解導(dǎo)體的靜電平衡條件。了解介質(zhì)的極化現(xiàn)象及其微觀解釋。了解各向同性介質(zhì)中D和E之間的關(guān)系和區(qū)別。了解介質(zhì)中的高斯定理,了解電容,了解電能密度的概念。本章重點(diǎn)：導(dǎo)體的靜電平衡條件,導(dǎo)體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)，各向同性介質(zhì)中D和E之間的關(guān)系和區(qū)別。本章難點(diǎn)：介質(zhì)的極化，介質(zhì)中D和E之間的關(guān)系推導(dǎo)。一.本章研究的問題靜電場(chǎng)場(chǎng)量基本性質(zhì)方程本章討論：電場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用(影響)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cond

2、uctor2.絕緣體理論上認(rèn)為一個(gè)自由移動(dòng)的電荷也沒有也稱電介質(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)的影響一.導(dǎo)體的靜電平衡狀態(tài)及條件1.靜電平衡electrostaticequilibrium導(dǎo)體內(nèi)部和表面無自由電荷的定向移動(dòng)，說導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)。2.導(dǎo)體靜電平衡的條件§1靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體3.導(dǎo)體靜電平衡的性質(zhì)1)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)導(dǎo)體等勢(shì)是導(dǎo)體體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零的必然結(jié)果靜電平衡條件的另一種表述和2)導(dǎo)體表面的場(chǎng)強(qiáng)處處與表面垂直。+++-

3、-----QQ+++++Q二.靜電平衡時(shí)導(dǎo)體上的電荷分布1）實(shí)心導(dǎo)體導(dǎo)體內(nèi)部?jī)綦姾蔀榱?，電荷只分布在?dǎo)體表面，且總量不變。-+-++-S證明：在導(dǎo)體內(nèi)作一高斯面SS2）導(dǎo)體內(nèi)有空腔A）腔內(nèi)無帶電體特點(diǎn)：1）空腔內(nèi)表面和導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷，電荷只分布在導(dǎo)體外表面。2）空腔內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零，為一等勢(shì)空間。縱剖面(導(dǎo)體中場(chǎng)強(qiáng)為零，凈電荷密度為零，導(dǎo)體為等勢(shì)體。）---+++---+++++++++++++B）腔內(nèi)有帶電體（設(shè)內(nèi)部電荷為q，空腔導(dǎo)體原來帶電Q）結(jié)論：靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)表面帶電-q，外球帶電q+Q。證明：作高斯面SS+q-------

4、-++++++++++S+q--------導(dǎo)體外殼接地,外表面無電荷.3）電荷在導(dǎo)體表面的分布對(duì)于孤立的帶電體，導(dǎo)體表面的電荷分布規(guī)律為：尖銳處,曲率大處面電荷密度大平緩處,曲率小處面電荷密度小尖端放電孤立帶電導(dǎo)體球孤立導(dǎo)體4)導(dǎo)體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)體++++++++++++?緊貼導(dǎo)體表面作一圓柱形高斯面。寫作+++++++++++++++++++在帶電尖端附近，電離的分子與周圍分子碰撞，使周圍的分子處于激發(fā)態(tài)發(fā)光而產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。尖端放電與避雷針原理熒光質(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

5、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。三.靜電屏蔽1.靜電屏蔽原理靜電屏蔽：腔內(nèi)、腔外的場(chǎng)互不影響腔內(nèi)場(chǎng)只與內(nèi)部帶電量及內(nèi)部幾何條件及介質(zhì)有關(guān)腔外場(chǎng)只由外部帶電量和外部幾何條件及介質(zhì)決定2.靜電屏蔽的應(yīng)用1）測(cè)試用的屏蔽室2）無線電電路中的屏蔽罩、屏蔽線、高壓帶電作業(yè)中的均壓服。3）變壓器中的屏蔽層。初級(jí)次級(jí)四.有導(dǎo)體存在時(shí)靜電場(chǎng)場(chǎng)量的計(jì)算原則:1.靜電平衡的條件2.基本性質(zhì)方程3.電荷守恒定律例1無限大的帶電平

6、面的場(chǎng)中平行放置一無限大金屬平板求：金屬板兩面電荷面密度解:設(shè)金屬板面電荷密度由對(duì)稱性和電量守恒?導(dǎo)體體內(nèi)任一點(diǎn)P場(chǎng)強(qiáng)為零?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)和解：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?電量在表面均勻分布球A均勻分布著電量由高斯定理和電量守恒可以證明殼B的電量分布是相當(dāng)于均勻帶電的球面相當(dāng)于一個(gè)均勻帶電的球面證明殼B上電量的分布：在B內(nèi)緊貼內(nèi)表面作高斯面面

7、S的電通量高斯定理電荷守恒定律等效:在真空中三個(gè)均勻帶電的球面利用疊加原理例3接地導(dǎo)體球附近有一點(diǎn)電荷,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)電量為由導(dǎo)體是個(gè)等勢(shì)體o點(diǎn)的電勢(shì)為0則§2靜電場(chǎng)中的介質(zhì)介質(zhì)中高斯定理一.電介質(zhì)的分類+-+-有極分子polarmolecules無極分子non~無外場(chǎng)時(shí)：有極分子無極分子+二.電介質(zhì)的極化過程電中性熱運(yùn)動(dòng)---紊亂2.有電場(chǎng)時(shí)有極分子介質(zhì)均勻位移極化displacement~邊緣出現(xiàn)電荷分布無極分子介質(zhì)稱極化電荷或稱束縛電荷Polarizationchargesboundcharg

8、es取向極化(orientationpolarization)共同效果1.無電場(chǎng)時(shí)3.極化電荷產(chǎn)生的場(chǎng)（退極化場(chǎng)）cba三.電極化強(qiáng)度矢量1.電偶極子排列的有序程度反映了介質(zhì)被極化的程度排列愈有序說明極化愈