第九章静电场中的导体和电介质.docx

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第九章静电场中的导体和电介质

体和电介质

引言：

一、导体、电介质、半导体

导体：

导电性能很好的材料；例如：

各种金属、电解质溶液。

电介质（绝缘体）：

导电性能很差的材料；例如：

云母、胶木等。

半导体:

导电性能介于导体和绝缘体之间的材料；

二、本章内容简介

三、本章重点和难点

1.重点

（1）导体的静电平衡性质；

（2）空腔导体及静电屏蔽；

（3）电容、电容器；

2.难点

导体静电平衡下电场强度矢量、电势和电荷分布的计算；

第一节静电场中的导体

一、静电感应静电平衡

1.静电感应

（1）金属导体的电结构

从微观角度来看，金属导体是由带正电的晶格点阵和自由电子构成，晶格不动，相当于骨架，而自由电子可自由运动，充满整个导体，是公有化的。

例如：

金属铜中的自由电子密度为：

。

当没有外电场时，导体中的正负电荷等量均匀分布，宏观上呈电中性。

（2）静电感应

当导体处于外电场E0中时，电子受力后作定向运动，引起导体中电荷的重新分布。

结果在导体一侧因电子的堆积而出现负电荷，在另一侧因相对缺少负电荷而出现正电荷。

这就是静电感应现象，出现的电荷叫感应电荷。

2.静电平衡

不管导体原来是否带电和有无外电场的作用，导体内部和表面都没有电荷的宏观定向运动的状态称为导体的静电平衡状态。

（a）自由电子定向运动（b）静电平衡状态

3.静电平衡条件（静电平衡态下导体的电性质）

（1）导体内部任何一点处的电场强度为零；导体表面处电场强度的方向，都与导体表面垂直。

（2）在静电平衡时，导体内上的电势处处相等，导体是一个等势体。

证明：

假设导体表面电场强度有切向分量，即，则自由电子将沿导体表面有宏观定向运动，导体未达到静电平衡状态，和命题条件矛盾。

因为，所以，即导体为等势体，导体表面为等势面。

二、静电平衡时导体上电荷的分布

1.实心导体

（1）处于静电平衡态的实心导体，其内部各处净电荷为零，电荷只能分布于导体外表面。

证明：

在导体内包围P点作闭合曲面S，由静电平衡条件，所以由高斯定理：

，得。

（2）处于静电平衡的导体，其表面上各点的电荷面密度与表面邻近处场强大小成正比。

证明：

在导体表面任取无限小面积元ΔS，认为它是电荷分布均匀的带电平面，电荷面密度为σ，作高斯面（如图：

扁平圆柱面），轴线与表面垂直，Δl很小，由高斯定理：

由此得，即。

注意和结论：

★；

★为导体表面的外法线方向单位矢量；

★由导体上及导体外全部电荷所产生的合场强，而非仅由导体表面该点处的电荷面密度所产生。

例如：

孤立的半径为R的均匀带电球面，球面外邻近处P点的场强大小为由整个球面上电荷共同产生。

带电球附近有点电荷q1时，同一P点处的场强由球面上原有电荷q和点电荷q1，以及其在球面上的感应电荷所共同产生即,仍然满足。

（3）静电平衡下的孤立导体，其表面某处面电荷密度σ与该表面曲率有关，曲率越大的地方，电荷密度σ也越大，。

（4）尖端放电

对于有尖端的带电导体，尖端处电荷面密度大，则导体表面邻近处场强也特别大。

当场强超过空气的击穿场强时，就会产生空气被电离的放电现象，称为尖端放电。

2.空腔导体

（1）空腔导体内部无带电体

无论空腔导体是否带电、是否处于外电场中，空腔导体都具有下列性质：

①空腔内部及导体内部电场强度处处为零，它们形成等电势区。

②空腔内表面不带任何电荷。

上述性质可用高斯定律证明。

下面说明性质②。

在导体内做一高斯面，根据静电平衡，导体内部场强处处为零，所以导体内表面电荷的代数和为零。

如内表面某处面电荷密度σ>0,则必有另一处σ<0，两者之间就必有电力线相连，就有电势差存在，这与导体内场强为零相矛盾。

所以导体内表面处处σe=0。

这些结论不受腔外电场的影响，腔外电场与腔外表面电荷在腔内场强总贡献为零。

（2）腔内有带电体

①导体中场强为零。

②空腔内部的电场决定于腔内带电体，空腔外的电场决定于空腔外表面的电荷分布。

③空腔的内表面所带电荷与腔内带电体所带电荷等量异号。

④导体接地，则空腔内带电体的电荷变化将不再影响导体外的电场。

证明：

（弄清感应电荷的数量。

）

三、静电屏蔽electrostaticshielding

如图，在空腔导体外，还有一带负电的带电体B，由于静电感应，空腔导体外表面上的电荷及带电体B上的电荷将重新分布。

静电平衡时：

（1）B使外表面上电荷重新分布；

（2）内表面、腔内带电体的电荷分布不变；

（3）导体空腔部分的电场等于零；

（4）导体接地，腔内电场不影响腔外，腔内各点相对地的电势不再变化。

总之，空腔导体（无论接地与否）将使腔内空间不受外电场的影响，而接地空腔导体将使外部空间不受空腔内的电场的影响，称之为静电屏蔽现象。

例子：

屏蔽服、屏蔽线、金属网。

课本P61-P62。

例题1：

课本P62-P63，请自学。

例题2：

一半径为互相绝缘的两个同心导体球壳，现将+q电量给予内球壳，求：

（1）外球壳上所带的电荷和外球的电势。

（2）把外球壳接地后再重新绝缘，求外球上所带的电荷及外球的电势。

（3）然后把内球接地，问内球上所带电荷及外球电势改变多少？

解：

（1）+q分布在内球壳外表面，静电感应后，外球壳内表面带电-q，外表面带电+q，整个外球壳总电荷为零，。

由高斯定理得：

。

由静电平衡条件得：

球壳导体内部场强为零，即：

。

所以有：

或由电势叠加原理得：

（2）外球壳接地后再绝缘，则：

同时，，即。

（3）内球壳接地后，得。

此时设内球带正电荷为e，外球内表面带电荷为-q，则，所以得不为零。

因而有：

则有：

。

第二节电容电容器

静电平衡时导体上的电荷只能分布在表面，且与其本身的形状、结构及周围的介质有关。

下面我们讨论的是导体容电本领问题。

一、孤立导体的电容

1.定义

设在真空中有一半径为R，带电荷为Q的孤立球形导体，则它的电势（相对于无限远处的零电势而言）为

而

该比值仅与导体的几何形状和大小有关，与导体所带的电量无关。

由此我们定义孤立导体的电容为孤立导体所带的电荷Q与其电势V的比值。

即：

电容C是反映导体容电能力的物理量。

用单位电势差所能容纳的电量来表征。

2.单位

法拉（F），微法（mF）,皮法（pF）

二、电容器

1.例子和概念

两个同心球壳，内球A和外球B分别带+q和-q电量，中间充以空气或电介质。

当外壳接地后，这样的导体组——非常靠近的中间充满电介质的两个导体组合，称为电容器。

两个导体称为电容器的极板。

2.电容器的电容

定义：

电容器的电容，Q为一个极板所带电量的绝对值，VA-VB为两极板间的电势差。

（1）电容器电容的大小取决于极板的形状、大小、相对位置以及电介质的电容率。

与电容器是否带电无关。

（2）电容器符号：

，固定电容器；，可变电容器。

3.电容的计算

（1）假设电容器的两个极板A、B分别带+q和-q电荷。

（2）求两极板间的电场分布，并由计算两极板间电势差。

（3）由定义式计算电容C。

4.例子：

几种常见的电容器电容的计算

（1）平板电容器

设有两靠得很近，相距为d，面积为S的平行金属板组成的平行板电容器，板间为真空。

每块极板上的电荷面密度为，两极板间的电场为均匀电场，忽略边缘效应，两极板间的场强为：

两极板间的电势差为

根据电容的定义得平板电容器的电容为

可见，平板电容器的电容与电容器是否带电无关，只与电容器本身的结构形状有关。

例题1：

课本P66（请自学）

（2）圆柱形电容器

设内、外圆柱面各带有+Q和-Q的电荷，则电荷线密度为。

在两个圆柱面之间距圆柱的轴线为r处的电场强度大小为

的方向垂直于圆柱轴线。

于是，两圆柱面间的电势差为

由电容的定义式可得圆柱形电容器的电容为

可见，圆柱越长或两圆柱面间的间隙越小，电容越大。

当两圆柱体面间的间隙d«RA时，有

于是圆柱形电容器的电容可写成

这正是平板电容器的电容。

可见，当两圆柱面之间的间隙远小于圆柱体半径时，圆柱形电容器可当作平板电容器。

布置作业

P94第2题P95第7题

第十六讲

第九章静电场中的导体和电介质

例题2：

课本P67（球形电容器的电容）两半径分别为R1和R2的同心金属球壳组成球形电容器，两球壳间为真空，求电容。

解：

设内外球面分别带+q和-q电量，由高斯定理得两极板间场强方向沿径向，大小为：

。

两极板间电势差为：

由定义得：

（1）当时，，和平板电容器一样。

（2）当时，孤立球形电容器。

例题3：

课本P68（传输线的分布电容，自学）

三、电容器的并联和串联

1.电容器的并联

并联电路总电容量增大，电容组耐压值不变。

2.电容器的串联联

串联电路总电容量减少，电容组耐压值增大。

但如其中一个被击穿，其余电容器会相继被击穿。

第三节静电场中的电介质

重点：

电介质的极化和极化强度矢量；电位移矢量；有介质时的高斯定理；有介质时电场强度的计算。

难点：

电位移矢量

电介质：

指电阻率很大，导电性能很差的物质。

例如：

氢（气）、纯水（液）、云母（固）。

我们先从实验现象入手讨论电介质和静电场的相互作用规律。

一、电介质对电容的影响相对电容率

1.实验事实相对电容率

（1）如图所示，平板电容器极板间为真空时的电容为C0。

若对该电容器充电至两极板间的电压为U0，则相应地极板上的电荷为Q=C0U0。

此时若撤去电源，维持极板上的电荷Q不变，并使两极板间充满均匀的各向同性的电介质，由实验可测得两极板间电压。

（2）由平板电容器电容公式得：

，即在维持电容器两极板的电荷不变时，充满电介质的电容器的电容为真空电容的倍。

其中为是一个没有单位的、大于1的纯数，称为电介质的相对电容率。

（3）定义：

电介质的电容率，、都是表征电介质性质的。

2.电场强度的变化

（1）把两边同除以d得

即

可见，在两极板电荷不变的条件下，充满均匀的各向同性的电介质的平板电容器中，电介质内的电场强度为原来真空时电场强度的。

（2）当极板上加一定的电压时，极板间就有一定的电场强度，电压越大，电场强度也越大。

当电场强度增大到某一最大值时，电介质中分子发生电离，从而使电介质失去绝缘性，即电介质被击穿了。

电介质能承受的最大电场强度称为电介质的击穿场强，相应两极板的电压称为击穿电压。

与的关系为。

不同电介质的击穿场强是不同的。

上述实验表明：

插入电介质后两极板间电压减少，电场减弱了。

电场减弱的原因可用电介质与外电场的相互影响，下面从微观结构上来解释。

二、电介质的极化

1.电介质的电结构

（1）电子被原子核紧紧束缚；

（2）在静电场中电介质中性分子中的正、负电荷仅产生微观相对运动；

（3）在静电场与电介质相互作用时，电介质分子简化为电偶极子。

电介质由大量微小的电偶极子组成；

（4）电介质在外电场中→极化→产生极化电荷→产生附加电场→作用于电介质→达到静电平衡。

2.电介质的内部结构

（1）有极分子，无外电场时，分子的正、负电荷中心不重合，分子具有固有电偶极矩。

例如：

H2OHClCOSO2。

（2）无极分子，无外电场时，分子的正、负电荷中心重合，分子没有固有电偶极矩。

。

例如：

CO2H2N2O2He。

3电介质的极化（Polarization）

（1）位移极化Displacementpolarization

主要是电子发生位移。

（2）取向极化Orientationpolarization