第二章导体和电介质中的静电场电磁学教案..doc

第二章 导体和电介质中的静电场 一、目的要求 （1）深刻理解导体静电平衡的条件和特点。 （2）了解导体的电容和电容器。 （3）掌握求电容的各种方法。 （4）掌握介质极化机制，熟悉极化强度、极化率、介电常数等概念。 （5）会求解极化强度和介质中的电场。 （6）理解电场能量、能量密度概念，会求电场的能量。 二、教学内容 第一节 静电场中的导体（2学时） 第二节 导体的电容 电容器（2学时） 第三节 静电场中的电介质（2学时） 第四节 静电场的能量（2学时） 三、教材分析 本章主要研究导体和电介质在静电场中的静特性，其基本思路是：导体的电结构→静电平衡条件→静电场中导体的特性→静电场中导体特性的应用→电容、静电屏蔽、尖端放电。电介质的电结构→静电场中电解质的极化→电解质的极化规律→有介质的高斯定理。 四、重点难点 本章的重点是导体静电平衡的特性，难点是电解质的极化规律。。 第一节 静电场中的导体 一、教学内容 （1）电场力的功 （2）环路定理 （3）电势 电势能 二、教学方式 讲授 三、讲课提纲 1.导体的静电平衡的条件 物质按导电性能可分为导体、绝缘体(也叫电介质)和半导体三类。金属导体只所以能很好地导电，是由它本身的结构所决定的。金属导体原子是由可以在金属内自由运动的最外层价电子(称为自由电子)和按一定分布规则排列着的晶体点阵正离子组成，在导体不带电或无外电场作用时，整个导体呈电中性。但将导体放在静电场中时，导体中的自由电子在电场力的作用下将逆着电场方向移动，从而使导体上的电荷重新分布，一些区域出现负电荷而另一些地方出现等量正电荷，发生静电感应现象。 导体在外电场E 中发生静电感应产生的感应电荷也要激发电场，这个场强E’与外电场的场强E 方向相反，因此总场强E = E +E’将减小，如图所示。但只要 E ＞E’ 即E 0自由电子就将继续定向移动， E不断增大，直至达到导体内总场强E＝0，自由电子定向移动停止，如图所示。我们把这种电荷没有宏观运动的状态叫静电平衡状态。由此可见，导体静电平衡条件就是导体内任意一点的场强都为零，因为只要那一点的Ei≠0，则导体内部的自由电子就会产生定向移动，就没有达到平衡。 2.静电平衡导体的性质 (1)导体内任意一点的场强都为零。 (2)导体是一个等势体，导体表面是一个等势面。因为导体内任意两点的电势差 ,而各点的E＝0，所以 ,即任何两点无电势差而为等势体，导体表面也就是一个等势面了。 (3)导体表面的场强皆垂直于导体表面，大小为。因为若场强与导体表面不垂直，则沿着导体表面的场强分量不为零，这样导体上的电荷就会定向移动，就未达到平衡状态，所以导体静电平衡时必然表面场强垂直于导体表面。 如图所示，在导体表面A点处作一小圆柱面作为高斯面，因为导体内的场强为零，导体外的场强垂直于导体表面，所以 故 E = n (4)导体内部无电荷，电荷只分布在导体表面。因为导体内部任何点的场强皆为零，所以紧靠导体内表面作一高斯面，其电通量为零，高斯面内的净电荷也必为零。这样导体上的电荷不能在体内那就只有分布在表面上，而且曲率大处分布的面电荷密度大，因而场强大。“尖端放电”的原因就是由于导体尖端处曲率大，电荷密度大，场强大而产生的放电现象。因此电子线路的焊点和高压线路及零部件要避免毛刺，而避雷针和电视发射塔却要作得很尖。 (5)对于空腔导体: 若腔内无电荷，则除以上特性外，由高斯定理还可得空腔内表面上无电荷，空腔内无电场，腔内是等势区，因此空腔使腔外的电场对腔内无影响，这种作用叫静电屏蔽。但若腔内有电荷，则腔的内表面会感应出等量异号电荷，空腔外表面则 出现与腔内电荷等量同号电荷，这样腔内电荷的电场是可以对腔外产生影响的，所以空腔导体静电屏蔽是“屏外不屏内”。将收音机上罩以金属网罩，则收不到电台节目就是屏蔽的原因。若将空腔接地，则外表面电荷与地中和，电场消失，即内外电场都被隔断，因此接地导体的静电屏蔽是“接地内外屏”。静电屏在实际中应用很广，将电子仪表外壳作成金属，将电缆外层包以金属，将弹药库罩以金属网，在高压带电作业时穿上均压服等等，都是利用静电屏蔽以消除外场的作用。 例题1：如图所示，金属球B被另一金属球壳A包围，分别带电q= +5mC和 q=+3mC，试问：A球的外表面带多少电量？ 例题2:两平行且面积相等的导体板，其面积比两板间的距离平方大得很多，即S＞＞，两板带电量分别为qa和qB。试求静电平衡时两板各表面上电荷的面密度。 四、板书设计 （见多媒体光盘） 五、练习作业 思考题：1－9 作 业：1－10 第二节 电容和电容器 一、教