高校大学物理静电场中的导体课件.ppt
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前面讨论了真空中的静电场,实际的电场中往往存在各种导体或实物介质,这些宏观物体的存在会与电场产生相互作用和相互影响,从而出现一些新的现象。下面将讨论导体和电介质在静电场中的性质和行为。
作为应用将介绍电容器。
8.7静电场中的导体电容器
8.7.1静电场中的导体
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金属导电模型
构成导体的框架、形状、大小的是那些根本不动的带正电荷的原子核,而自由电子充满整个导体,属于导体共有。
当有外电场存在时,电场与导体的相互作用使得导体内的自由电子重新分布,从而决定了导体的电学性质。
自由电子
导体带电-q
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一、导体的静电平衡
当导体内部和外表上任何一局部都没有宏观电荷运动,称导体处于静电平衡状态。
导体内的总电场强度
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静电平衡时
假设电场强度不为零,那么自由电荷将能移动。
静电平衡是由导体的电性结构特征和静电平衡条件所决定的,与导体的形状无关。
静电平衡条件
二、导体静电平衡的条件
导体内部场强处处为零:
1.从电场角度
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导体是等势体,导体外表为等势面。
或导体上任意两点间的电势差为零：
或场强在导体内部或导体外表上的任意两点a、b之间的任意线积分应等于零：
2.从电势角度
?
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导体外表
?
1.导体外表邻近处的场强与导体外表垂直:
三、导体的静电平衡时的性质
2.当导体到达静电平衡时,电荷都分布在导体外表上,内部各处的净电荷为零。
?
静电平衡时，导体上的电荷重新分布。
在导体内任意作一高斯面S
E=0
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尖端放电
在外表凸出锋利局部电荷面密度较大,在比较平坦局部电荷面密度较小,在外表凹进局部带电面密度最小。
3.处于静电平衡的孤立带电导体电荷分布
孤立带电导体球
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四、空腔导体到达静电平衡时电荷分布
1腔内无带电体
在静电平衡下,电荷只能分布在导体的外外表上,内外表无电荷。
在导体内任取一包围内外表的高斯面S,静电平衡时,高斯面上的电场强度处处为零,由高斯定理
问题:在空腔内外表的不同部位是否还会有等量异号的电荷分布?
净电荷为零。
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2腔内有带电体
在静电平衡下,电荷分布在导体内、外两个外表,其中内外表的电荷是空腔内带电体的感应电荷,与腔内带电体的电荷等量异号。
空腔内电荷为-q,静电平衡时,取一高斯面S,由于S上的场强为零,腔内外表电荷与腔内电荷代数和为零,腔内外表感应电荷为+q。电荷守恒,腔外外表出现感应电荷-q。
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五、静电平衡时导体外表附近
的场强与外表电荷的关系
设导体外表电荷面密度为
设P是导体外紧靠导体外表的一点,相应的电场强度为
电场强度E和电荷密度的关系:
+
+
+
+
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六、尖端放电
带电导体尖端附近空气中的放电现象。
静电平衡时,带电导体外附近的场强与导体的面电荷密度成正比。导体表现凸出而锋利的地方,即曲率较大的尖端,电荷密集,面电荷密度增大,附近的场强特别强,致使空气电离,产生放电现象。
空气中的直流高压放电图片：
云层和大地间的闪电
闪电的图片：
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尖端放电时,在它周围往往隐隐地笼罩着一层光晕,叫做电晕。高压输电线附近发生的尖端放电会造成能量损耗,需使输电线外表光滑,以防止尖端放电。
避雷针那么利用尖端放电,将集中的高空电荷通过接地装置泄入大地,以免建筑物等遭雷击。
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静电感应
电晕放电
可靠接地
带电云
避雷针的工作原理
+
+
+
+
－
－
－
－
－
+
+
－
+
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七、静电屏蔽(腔内、腔外的场互不影响)
空腔导体(不管是否接地)的内部空间不受腔外电荷和电场的影响;接地的空腔导体,腔外空间不受腔内电荷和电场的影响。
—静电屏蔽。
外不影响内
内不影响外
汽车是个静电屏蔽室：闪电击中汽车。
车内安然无恙！
有导体存在时
静电场的分析与计算
根本依据:
(2)利用电荷守恒
(3)利用高斯定律
(4)利用环路定理
〔电势、电力线的概念〕
(1)利用静电平衡条件
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例1一个半径为R1,带电量为q1的