PPT《第四章》

第四章

第四章 静电场中的导体 从物质电结构理论的观点来看,任何物体都亦可能带电.

按导电性能的不同,物体可分为三类,即1)导体:当物体的某部分带电后,如果能够把所带的电荷迅速地向其他部分传布开来,则这种物体称为导电体,简称导体. 各种金属,碱、酸或盐的溶液即化学上的电解质,人体,地球等. 引言 2) 电介质 (绝缘体):如果物体某部分带电后,其电荷只能停留在该部分,而不能显著地向其他部分传布,这种不导电的物体称为电介质,又称绝缘体. 如:玻璃、石蜡、硬橡胶、塑料、松香、丝绸、瓷器、纯水、干燥空气等都是电介质.由于电介质很难导电,所以它容易带电. 3) 半导体:导电性能介于它们导体和绝缘体两者之间的物质,叫半导体. 本章主要内容:讨论导体带电和它周围的电场有什么关系,即介绍静电场的一般规律在有导体存在的情况下的具体应用. 本章基本要求:理解静电场中导体的静电平衡条件,导体表面电荷的分布情况和静电屏蔽原理 本章难点:掌握静电平衡状态下导体的电场特征及各点电势的计算,能分析导体上的电荷分布情况. 4.1 导体的静电平衡条件 一. 金属导体的电结构特征 导体能够很好地导电,乃是由于导体中存在着大量可以自由移动的电荷. 只讨论金属导体 自由电子 晶体点阵和自由电子示意图 + + + + + + + + + + + + 从物质的电结构来看,金属导体具有带负电的自由电子和带正电的晶体点阵.当导体不带电也不受外电场的作用时,两种电荷在导体内均匀分布,都没有宏观移动,只有微观的热运动存在(见右图). 电中性 从物质的电结构来看,金属导体具有带负电的自由电子和带正电的晶体点阵.当导体不带电也不受外电场的作用时,两种电荷在导体内均匀分布,都没有宏观移动,或者说电荷并没有作定向运动.这时,只有微观的热运动存在(见右图). 因此,在导体中任意划取的微小体积元内,自由电子的负电荷和晶体点阵上的正电荷的数目是相等的,整个导体或其中任一部分都不显现电性,而呈中性. 晶体点阵和自由电子示意图 + + + + + + + + + + + + 二. 静电感应 静电平衡条件 + + + + + + + + + 感生电荷 1. 静电感应现象 导体上因静电感应而出现的电荷,称为感生电荷. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 导体内电场强度 外电场强度 感生电荷电场强度 静电平衡 将一块不带电的金属导体放入静电场中.导体内带负电的自由电子在电场力的作用下,将相对于晶体点阵逆着电场的方向作宏观的定向运动,从而改变导体上的电荷分布. 电荷分布的改变 导体内部的电场分布 导体周围的电场分布 改变 静电平衡状态 1) 导体的静电平衡状态:导体内部和表面都没有电荷的定向移动. 2) 静电平衡条件: 导体内部任何一点的场强都等于零;

导体表面紧邻处的场强必定和导体表面垂直. 表面 2. 静电平衡条件 证明(1):如果导体内部有一点场强不为零,该点的自由电子就要在电场力作用下作定向运动,这就不是静电平衡了. 证明(2):若导体表面紧邻处的场强不垂直于导体表面,则场强将有沿表面的切向分量 Et,使自由电子沿表面运动,整个导体仍无法维持静电平衡. + + + + + + 导体是等势体 导体表面是等势面 导体内部电势相等 3) 推论:处于静电平衡的导体是等势体 当电势不同的导体相互接触或用另一导体(例如导线)连接时,导体间将出现电势差,引起电荷宏观的定向运动,使电荷重新分布而改变原有的电势差,直至各个导体之间的电势相等、建立起新的静电平衡状态为止. 注意 + + + + + + + + + + 结论:导体内部无净电荷 1. 实心导体 2. 有空腔导体 空腔内无电荷 4.2 静电平衡的导体上的电荷分布 一. 处于静电平衡的导体,其内部各处净电荷为零,电荷只分布在导体的外表面上. 电荷分布在表面上 + + - - 疑问:内表面上有电荷吗? 注意:封闭面 S 内的总电荷为零存在两种可能: 导体的内表面无电荷;