靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體 大學(xué)物理課件.ppt

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1、第四節(jié)靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體前面我們討論了靜電場(chǎng)的一般規(guī)律.本章我們將把這些基本規(guī)律應(yīng)用于場(chǎng)中存在導(dǎo)體的情況,即討論場(chǎng)與金屬導(dǎo)體的相互作用.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semiconductor4-1導(dǎo)體的靜電平衡條件4-2靜電平衡導(dǎo)體上的電荷分布4-3空腔導(dǎo)體與靜電屏蔽本節(jié)內(nèi)容：4-4有導(dǎo)體存在時(shí)靜電場(chǎng)的分析與計(jì)算本章的討論僅限于各向同性的均勻的金屬導(dǎo)體在電場(chǎng)中的情況4－1導(dǎo)體的靜電平衡條件+++---------++++

2、++E=0導(dǎo)體內(nèi)部和表面無自由電荷的定向移動(dòng)一、靜電平衡靜電平衡狀態(tài)：靜電感應(yīng)：導(dǎo)體在電場(chǎng)作用下電荷重新分布的現(xiàn)象。靜電平衡過程：導(dǎo)體,自由電荷,靜電感應(yīng),靜電平衡狀態(tài)二、導(dǎo)體靜電平衡條件(1)導(dǎo)體內(nèi)任何一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度都等于零.靜電平衡條件是由導(dǎo)體的電結(jié)構(gòu)特征和靜電平衡的要求所決定的，與導(dǎo)體的形狀無關(guān)。靜電平衡條件的特征(2)導(dǎo)體表面的電場(chǎng)強(qiáng)度垂直于導(dǎo)體表面.三、導(dǎo)體上的電勢(shì)分布結(jié)論：靜電平衡時(shí)導(dǎo)體為等勢(shì)體，導(dǎo)體表面為等勢(shì)面。證明：在導(dǎo)體內(nèi)任取兩點(diǎn)，電勢(shì)差為：導(dǎo)體為等勢(shì)體，導(dǎo)體表面為等勢(shì)面。靜電平衡時(shí)E=0小結(jié)：靜電平衡時(shí)導(dǎo)體中的電場(chǎng)特性1.導(dǎo)

3、體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)處處為零。導(dǎo)體表面的電場(chǎng)強(qiáng)度垂直于導(dǎo)體表面.2.導(dǎo)體內(nèi)部和導(dǎo)體表面處處電勢(shì)相等，整個(gè)導(dǎo)體是個(gè)等勢(shì)體，導(dǎo)體表面是等勢(shì)面。一、處于靜電平衡的導(dǎo)體，其內(nèi)部各處凈電荷為零,電荷只能分布在導(dǎo)體表面。4-2靜電平衡導(dǎo)體上的電荷分布證明：在導(dǎo)體內(nèi)任取體積元由高斯定理由于體積元任取證畢電荷只能分布在導(dǎo)體表面.二、靜電平衡導(dǎo)體表面電荷與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系導(dǎo)體設(shè)導(dǎo)體表面電荷面密度：設(shè)P是導(dǎo)體外緊靠導(dǎo)體表面的一點(diǎn)^：外法線方向?qū)懽鞅碛^：處于靜電平衡的導(dǎo)體表面上各處的面電荷密度與當(dāng)?shù)乇砻婢o鄰處的場(chǎng)強(qiáng)大小成正比。實(shí)質(zhì)：E不是僅僅?產(chǎn)生的，E是由總電荷產(chǎn)生的。r1r2

4、三、靜電平衡導(dǎo)體的面電荷密度與曲率半徑的關(guān)系導(dǎo)體表面尖銳處R小，?大，表面E也大；導(dǎo)體表面平滑處R大，?小，表面E也??；我們看到尖端附近的電荷面密度最大,因而附近的電場(chǎng)也很強(qiáng),而平板附近電場(chǎng)則較弱.對(duì)非孤立導(dǎo)體無關(guān)系。尖端放電現(xiàn)象：電荷密度大--周圍電場(chǎng)強(qiáng)---加速空氣中帶電粒子（電子或離子）-足夠大能量的帶電粒子與空氣分子碰撞使空氣電離成電子和離子--新電子和離子與其他空氣分子碰撞---又產(chǎn)生新的帶電粒子---異號(hào)帶電粒子飛向尖端與尖端電荷中和--同號(hào)帶電粒子飛離尖端---好象尖端上的電荷“噴射”出來一樣?？諝庵兄绷鞲邏悍烹婋妶?chǎng)擊穿在高壓導(dǎo)體

5、球間產(chǎn)生的火花和自然界的閃電避免尖端放電高壓設(shè)備中輸電線的表面應(yīng)是光滑的。利用尖端放電避雷針就是利用尖端放電。尖端放電現(xiàn)象：2、處于靜電平衡的導(dǎo)體，其表面上各點(diǎn)的電荷密度與表面鄰近處場(chǎng)強(qiáng)的大小成正比。3、靜電平衡下的孤立導(dǎo)體，其表面處面電荷密度?與該表面曲率有關(guān)，曲率（1/R）越大的地方電荷密度也越大，曲率越小的地方電荷密度也小。小結(jié)：靜電平衡導(dǎo)體上的電荷分布1、在靜電平衡下，導(dǎo)體所帶的電荷只能分布在導(dǎo)體的表面，導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷。E不是僅僅?產(chǎn)生的，E是由總電荷產(chǎn)生的。（一）、腔內(nèi)無帶電體?內(nèi)表面處處沒有電荷?腔內(nèi)無電場(chǎng)即或說，腔內(nèi)電勢(shì)處處相

6、等。電荷分布與電場(chǎng)一、空腔導(dǎo)體內(nèi)外的靜電場(chǎng)4-3空腔導(dǎo)體與靜電屏蔽證明:與等勢(shì)矛盾在導(dǎo)體殼內(nèi)緊貼內(nèi)表面作高斯面S高斯定理若內(nèi)表面有一部分是正電荷一部分是負(fù)電荷則會(huì)從正電荷向負(fù)電荷發(fā)電力線證明了上述兩個(gè)結(jié)論腔內(nèi)無帶電體?內(nèi)表面處處沒有電荷?腔內(nèi)無電場(chǎng)即或說，腔內(nèi)電勢(shì)處處相等。結(jié)論一：空腔內(nèi)沒有帶電體時(shí),空腔內(nèi)表面上無面電荷,導(dǎo)體所帶電荷全部分布在導(dǎo)體外表面；導(dǎo)體內(nèi)及腔內(nèi)空間的場(chǎng)強(qiáng)處處為０；導(dǎo)體及空腔為一等勢(shì)區(qū)。高壓靜電空腔原帶有電荷Q，將q電荷放入空腔內(nèi)。?內(nèi)表面帶有–q電荷。?外表面帶有Q+q電荷。（二）、腔內(nèi)有帶電體電荷分布：導(dǎo)體內(nèi)由于腔內(nèi)有

7、q電荷，腔內(nèi)表面有–q電荷,由電荷守恒定律，在外表面上產(chǎn)生等量的正電荷，外表面上的電荷為：證畢證明：在導(dǎo)體面內(nèi)表面作高斯面，結(jié)論二：空腔內(nèi)有帶電體q,則腔內(nèi)表面帶電量為-q,外表面帶電量為Q+q。當(dāng)腔外的電荷分布及電場(chǎng)改變時(shí),腔內(nèi)的電場(chǎng)并不改變.可見,腔內(nèi)電場(chǎng)不受腔外電荷和電場(chǎng)的影響,只由腔內(nèi)電荷及導(dǎo)體內(nèi)表面上的電荷決定。腔內(nèi)電荷變化會(huì)引起腔外電場(chǎng)的變化。接地可屏蔽內(nèi)部電場(chǎng)變化對(duì)外部的電場(chǎng)影響。例如：如家電的接地保護(hù)二、靜電屏蔽要使腔內(nèi)電場(chǎng)對(duì)腔外電場(chǎng)也沒有影響,可以把導(dǎo)體接地。接地：意味著“導(dǎo)體電勢(shì)為零”，不意味著“電荷一定全跑光”。靜電屏蔽：

8、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)決定電纜剖面圖結(jié)論：1、腔不接地腔內(nèi)帶電體不