西工大9电磁学3.ppt

* 大学物理电子教案 (电磁学 3) 西北工业大学应用物理系 第7章 静电场中的导体和电介质 本章研究有物质存在时静电场的性质和规律. 按照电荷在物质中的传导与极化特性, 可把电场中的物质分为导体和绝缘体(电介质). 静电场和导体之间的相互作用 导体的电容和电容器 静电场和电介质的相互作用 静电场的能量 §7.1 静电场中的导体 本节讨论静电场中导体与电场之间的相互作用问题. 金属导体的电结构及其特征: (1) 金属是由大量带负电的自由电子和带正电的晶体点阵(原子实)构成的. (2) 无外电场时, 自由电子做无规则的热运动, 但宏观上不会形成电荷的聚集区, 故导体处处对外呈现电中性. 静电场对导体作用-静电平衡 (3) 处于电场中的导体, 其自由电子在电场力作用下产生定向运动, 使电荷分布发生变化, 同时电场分布亦发生变化, 最终达到静电平衡状态. 导体上的电荷分布与场强的关系 导体空腔的性质-静电屏蔽 1. 导体的静电平衡 (1) 静电感应 导体因受外电场力的作用而发生电荷的重新分布现象――静电感应. 因感应而出现的电荷称为感应电荷. - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + 静电感应的最终结果如何？ (2) 静电平衡 感应电荷在导体内产生的场强完全抵消外电场时, 导体内部场强为0. 于是, 电子受到的电场力为0, 电荷停止移动, 导体达到静电平衡. 静电平衡的条件 ① 导体内场强处处为零 - --- ----- -- -- ++ +++ ++++ +++ ++ ② 导体表面与其附近场强处处垂直 静电平衡时 则有 ③ 导体是一等势体, 导体表面是一等势面 静电平衡时, 导体内的自由电子停止移动, 导体内部场强为0, 表面场强始终与表面垂直. 因此, 导体为一等势体, 其表面为一等势面. 静电平衡后, 导体上的电荷如何分布？ 2. 导体表面电荷分布与其附近场强的关系 在静电场中, 导体表面电荷的分布由静电平衡条件决定, 即导体上的电荷分布必须使得导体满足静电平衡条件, 否则电荷分布不稳定. (1) 电荷分布 导体达到静电平衡后, 导体内没有未被抵消静的净电荷, 电荷只能分布在导体表面上. 在导体内任取一高斯面 S (2) 孤立导体表面的电荷分布 考虑带电量分别为q1、q2; 半径分别r1、r2的两相距很远的带电导体球. 当用导线把它们连接起来时, 其电荷如何分布？ 结论: 两球的电荷面密度与其半径成反比. 半径大的电荷面密度小、半径小的电荷面密度大. (3) 导体表面的电场强度 导体达到静电平衡后, 导体表面的电场强度与电荷面密度成正比, 并与导体表面相垂直. 则有 在导体表面任取一面积元 , 其电荷面密度为 ?. 取底面大小为 、轴线与导体表面垂直的薄圆柱面为高斯面, 且上底面无限接近导体表面. 由高斯定律可得: 3. 静电平衡现象及应用 (1) 尖端放电 特点: 导体尖端处曲率大、面电荷密度大、场强也大. 当场强超过空气的击穿场强时, 空气被击穿而电离. 带电离子在电场力作用下发生激烈运动,产生电离现象. 导体尖端处场强较大,平坦处次之, 凹进处最小. + + + + + + + + + + + + + + + + + + (2) 电风 + + + + + + - - - - - - + + + + + + + + + + + 导体尖端放电, 在空气中引起的带电离子流 (3) 电晕 - - - - - - - - - - 天气阴暗时, 在高压输电线路上笼罩着一层光晕. 这是高压输电线上的尖端放电现象所致. 导体尖端放电, 在空气中引起带电离子流. 离子与空气分子碰撞时, 会使分子处于激发态, 从而产生光辐射. 电晕现象将引起大量离子向空气中流散, 导致电能损耗. 所以高压线表面应尽可能光滑, 一些高压设备表面常为球面以避免尖端放电. (4) 静电除尘 + + + + + + - - - - - - 烟囱半径 R2 烟囱中央金属导线半径 R1 其间的电压 U 烟囱内存在一沿径向 r 的轴对称电场 E 式中 烟囱表面的电荷面密度. 由电场强度与电势差关系有 可见, 导线表面(r = R1)处场强最大, 且 R1 越小、U 越大, 则 Emax 越大. 若空气的绝缘强度为Ec, 则当Ema