EEPW论坛

, 导体和电介质的静电特性; 2,导体和电介质内外的电场分布图像; 3,静电场的能量. 1,按导电能力划分,大致可将物体分为两类: 导体:导电能力极强的物体 绝缘体或电介质:导电能力极弱或者不导电的物体 2,金属导体的电结构特点:具有大量的自由电子.当导体不带电,也不受外电场的作用时,导体内的大量自由电子和晶体格点阵的正电荷相互中和,导体呈电中性状态. §9-1 静电场中的导体(Conductors in Electrostatic Field) 静电感应现象:在导体内部存在电场时,自由电子受电场力作用作定向运动,从而引起导体内部正负电荷的的重新分布,结果使导体一端带正电荷,一端带负电荷.这就是静电感应,分布在导体上的电荷便是感应电荷. 1.导体的静电平衡状态 (electrostaticequilibrium): 指导体内部和表面都没有电荷作宏观的定向运动的状态. (E :感应电荷q 产生的电场) 2. 静电平衡条件(electrostatic equilibrium condition) : 导体内部电场强度处处为零 这也是静电平衡问题的出发点 3,导体静电平衡时的特点 场强特点: 电势特点:导体是等势体;导体表面是等势面. 电荷分布特点:电荷只分布在导体表面上,导体表面附近的场强 与该表面的电荷面密度成正比,方向垂直于表面: 对孤立导体,表面各处的面电荷密度和该处表面的曲率有关.一般而言,曲率大处,面电荷密度大. 这一结论对孤立导体和处于外电场中的任意导体均适用 §9-2 空腔导体内外的静电场 导体空腔内无带电体 不论导体空腔是自身带电还是处在外电场中,在静电平衡条件下,腔的内表面上处处没有电荷,电荷只能分布在腔的外表面上,腔内空间各点的电场强度处处为零. 空腔导体外面的空间总有电场存在,电场分布由腔外表面的电荷分布和其它带电体的分布共同决定. P O 总之,对导体空腔内无带电体 当导体处在外电场中时,空腔导体外的带电体,只会影响空腔导体外表面上的电荷分布,并改变空腔导体外的电场分布. 这些电荷重新分布的结果,最终是使导体内部及空腔内部的场强为零. P Q O 导体空腔内有带电体 导体空腔内的空间有带电体时,设电量为q,在静电平衡条件下,腔的内,外表面上分别出现电荷量为-q和q的感应电荷.若导体空腔原来带电量为q0,则腔外表面上的带电量为q0+q.腔内空间场强值由腔内带电体和腔内表面上的电荷分布决定,与腔外表面及腔外其它带电体的电荷分布无关. 腔外空间的电场由腔内带电体和外加电场在外表面产生的感应电荷共同确定. P q Q O §9-2 空腔导体内外的静电场 导体空腔内的电场 导体空腔内的空间无带电体时,不论腔外是否有带电体(附加电场),在静电平衡条件下,腔的内表面上处处没有电荷,电荷只能分布在腔的外表面上,腔内空间各点的电场强度处处为零. P Q 导体空腔内的空间有带电体时,设电量为q,在静电平衡条件下,腔的内,外表面上分别出现电荷量为-q和q的感应电荷.若导体空腔原来带电量为q0,则腔外表面上的带电量为q0+q.腔内空间场强值由腔内带电体的电荷量,位置和腔内表面的形状决定. P q Q 导体空腔外的电场 当腔外无附加电场时,腔内带电体将在腔外表面感应出与带电体等量同号电荷,这些感应电荷在腔外空间激发电场. 当腔外有附加电场时,(1)腔内无电荷,受附加电场影响,腔外表面产生感应电荷,腔外附加电场会重新分布.(2)腔内有电荷,腔外表面上的电荷由腔内带电体和腔外附加电场产生的两种感应电荷共同确定,它们共同在腔外空间激发电场. 总之,只要有附加电场存在,无论腔内有无带电体,腔外表面上的感应电荷都会影响该附加电场的分布. 静电屏蔽(Electrostatic Shielding) 在静电平衡条件下: 空腔导体外面的带电体不会影响空腔内部的电场分布,即空腔导体可保护腔内空间的电场不受腔外带电体的影响; 接地空腔导体,空腔内的带电体对腔外的物体不会产生影响.即接地空腔导体可保护腔外空间的电场不受腔内带电体的影响, 以上两种现象称为静电屏蔽. 静电屏蔽的讨论 静电屏蔽的物理实质使导体在电场作用下,导体中的自由电子重新分布,使导体上出现感应电荷,而感应电荷产生的场与其他源电荷产生的场在一特定区域内合场强为零,从而使处在该区域内的物体不受电场作用. 导体的静电屏蔽作用是自然界存在两类电荷与导体中存在大量自由电子的结果. 从静电屏蔽的最后结果看,因为导体内部场强为零,电场线都终止在导体表面上,犹如电场线不能穿透金属导体,但这里的电场线代表所有电荷共同产生的电场. §9-3 电容器(capacitor)的电容(capacity) 孤立导体的电容 孤立导体的电容定义为:导体带电量与导体电势的比: 物理意义:使导体升高单位电势所需的电荷量. 1,电容是导体的客观性质,电容反映了该导体在给定电势的条件下储存电量能力的大小,C 越大,说明在相同的电势下储存的电量越多. 2,电容仅由导体的形状,大小和周围电介质决定,与导体是否带电及带电多少无关. 国际单位:法拉(F=C/V) 1F=106 F=1012pF 电容的单位 国际单位:F法拉(1F=1C/V) F是一个很大的单位,电容为1F的孤立导体球的半径约为9×109m.地球的半径为6.4 × 106m,把地球看作是球形导体时,电容为: 通常取微法( F ),皮法(pF)作为电容的单位 1F=106 F=1012pF 非孤立导体的电容 此时带电导体的电势不仅与自己所带的电荷有关,且与周围导体的形状,位置及其带电状况带电体都有关系.即非孤立导体的电势与其电荷量不成正比. 采用静电屏蔽的原理来消除其他导体的影响 (参见P95例题9-2)球A在球B的影响下电势发生了变化,但两球的电势差恒保持不变 因此 , 即导体A,B之间的电势差仅与导体A的电量成正比,与导体B周围的其他带电体或导体无关. 电容器的电容 导体A和导体B之间的电势差仅与导体A的电量成正比,与导体B周围的其他带电体或导体无关,将这种由导体A和导体B构成的一对导体系称为电容器.两个导体分别称为极板,两极板上分别带等量异号的电荷. 电容器的电容定义为: C取决于两极板的大小,形状,相对位置和极板间电介质的电容率. 电容的大小反映了当电容器两极板间存在一定电势差时,极板上贮存电量的多少. 常见的真空电容器:平行板电容器,球形电容器,圆柱形电容器.