Ch6_1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體

1、第六章第六章 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)介質(zhì) 2靜電知識(shí)與電子技術(shù)靜電知識(shí)與電子技術(shù)電容位移振動(dòng)傳感器電容位移振動(dòng)傳感器 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體3 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體4 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體5思考思考1 1、火藥或有爆炸危險(xiǎn)的建筑物為什么要用金屬、火藥或有爆炸危險(xiǎn)的建筑物為什么要用金屬網(wǎng)蒙起來(lái)，再將金屬網(wǎng)很好的接地網(wǎng)蒙起來(lái)，再將金屬網(wǎng)很好的接地? ?2 2、在高壓輸電線上帶電工作的人員為什么要穿、在高壓輸電線上帶電工作的人員為什么要穿上金屬絲制成的衣服上金屬絲制成的衣服? ?3 3、高壓電器設(shè)備中，為什么所有金屬元件應(yīng)避、高壓電器設(shè)

2、備中，為什么所有金屬元件應(yīng)避免帶有尖棱，最好作成球形免帶有尖棱，最好作成球形? ? 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體6一一.導(dǎo)體的微觀模型導(dǎo)體的微觀模型: 基本不動(dòng)的帶正電荷的晶格基本不動(dòng)的帶正電荷的晶格+自自由電子組成。由電子組成。自由電子自由電子二二.導(dǎo)體受外界靜電場(chǎng)的影響導(dǎo)體受外界靜電場(chǎng)的影響1.無(wú)外場(chǎng)時(shí)無(wú)外場(chǎng)時(shí):自由電子只在晶自由電子只在晶格附近作無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)格附近作無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng),無(wú)宏無(wú)宏觀定向運(yùn)動(dòng)觀定向運(yùn)動(dòng),導(dǎo)體內(nèi)正負(fù)電導(dǎo)體內(nèi)正負(fù)電荷分布均勻荷分布均勻,對(duì)外不顯電性對(duì)外不顯電性.2.有外場(chǎng)時(shí)有外場(chǎng)時(shí):自由電子在無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)自由電子在無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上疊加沿外場(chǎng)方向的的基礎(chǔ)上疊加沿外場(chǎng)方

3、向的宏觀定宏觀定向運(yùn)動(dòng)向運(yùn)動(dòng),導(dǎo)體內(nèi)正負(fù)電荷將重新分布導(dǎo)體內(nèi)正負(fù)電荷將重新分布,即出現(xiàn)靜電感應(yīng)現(xiàn)象即出現(xiàn)靜電感應(yīng)現(xiàn)象.+-0EE-+ 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體7三三. .靜電感應(yīng)靜電感應(yīng) 靜電平衡條件靜電平衡條件1. 靜電平衡靜電平衡+感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體8+0E 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體900EEE0E+E0E0E 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體102.2.靜電平衡條件靜電平衡條件靜電平衡時(shí)靜電平衡時(shí),在外場(chǎng)作用下在外場(chǎng)作用下,自由電子重新分布結(jié)束自由電子重新分布結(jié)束,最后最后,所有電子均停止宏觀運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)所有電子均停止宏觀運(yùn)動(dòng)

4、的狀態(tài)。（1 1）導(dǎo)體內(nèi)部任何一點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度為零）導(dǎo)體內(nèi)部任何一點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度為零（2）導(dǎo)體表面處的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向）導(dǎo)體表面處的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向,都與導(dǎo)體表都與導(dǎo)體表面垂直面垂直四四. 靜電平衡下導(dǎo)體的電特性靜電平衡下導(dǎo)體的電特性1. 場(chǎng)強(qiáng)特性場(chǎng)強(qiáng)特性(1)導(dǎo)體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)處處為零導(dǎo)體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)處處為零0EEEo內(nèi) 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體11證明證明:用反證法用反證法.若若 ,則自由電則自由電子將受靜電力子將受靜電力 而做加速運(yùn)動(dòng)而做加速運(yùn)動(dòng),與靜與靜電平衡相矛盾電平衡相矛盾.0EEEo內(nèi)0內(nèi)EqF(2)導(dǎo)體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)方導(dǎo)體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)方向與導(dǎo)體表面處處垂直向與導(dǎo)體表面處處垂

5、直證明證明: 用反證法。用反證法。若不垂若不垂直直,則存在切向分量則存在切向分量,表面表面的電子將受切向靜電力的電子將受切向靜電力而加速運(yùn)動(dòng)而加速運(yùn)動(dòng),這與靜電平這與靜電平衡相矛盾衡相矛盾.+ +neeEldab 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體122.電勢(shì)特性電勢(shì)特性(1)導(dǎo)體內(nèi)部電勢(shì)相等導(dǎo)體內(nèi)部電勢(shì)相等.(2)導(dǎo)體表面是一個(gè)等勢(shì)面導(dǎo)體表面是一個(gè)等勢(shì)面.導(dǎo)體是等勢(shì)體導(dǎo)體是等勢(shì)體+ +neeEldab證明證明:在導(dǎo)體表面在導(dǎo)體表面或內(nèi)部任取兩點(diǎn)或內(nèi)部任取兩點(diǎn)a和和b,則有則有:0.l dEVVbaba內(nèi)baVV 0內(nèi)E場(chǎng)強(qiáng)特性場(chǎng)強(qiáng)特性電勢(shì)特性電勢(shì)特性 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體1

6、33.電荷特性電荷特性+結(jié)論結(jié)論:凈電荷分布在導(dǎo)體凈電荷分布在導(dǎo)體表面，內(nèi)部無(wú)凈電荷。表面，內(nèi)部無(wú)凈電荷。00dqSES00diSqSE，0E(1) 實(shí)心導(dǎo)體實(shí)心導(dǎo)體(2)有空腔導(dǎo)體有空腔導(dǎo)體0 qS 空腔內(nèi)無(wú)電荷空腔內(nèi)無(wú)電荷S電荷分布在表面上電荷分布在表面上內(nèi)表面上有電荷嗎？?jī)?nèi)表面上有電荷嗎？ 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體140d lEUABABS+ + +- - -AB 結(jié)論：結(jié)論：電荷分布在外表面上（內(nèi)表面無(wú)電電荷分布在外表面上（內(nèi)表面無(wú)電荷）；荷）；導(dǎo)體外表面以?xún)?nèi)各點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度都為零，導(dǎo)體外表面以?xún)?nèi)各點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度都為零，導(dǎo)體及空腔都等電勢(shì)。導(dǎo)體及空腔都等電勢(shì)。+ + + + + +

7、 + + + + +0diSqSE，0d lEUABAB 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體15q 空腔內(nèi)有電荷空腔內(nèi)有電荷q2S00d1iSqSE，qq內(nèi)qQ1S電荷分布在表面上電荷分布在表面上內(nèi)表面上有電荷嗎？?jī)?nèi)表面上有電荷嗎？00d2iSqSE， 結(jié)論結(jié)論 當(dāng)空腔內(nèi)有電荷當(dāng)空腔內(nèi)有電荷 時(shí)時(shí),內(nèi)表面因靜電感應(yīng)出內(nèi)表面因靜電感應(yīng)出現(xiàn)等值異號(hào)的電荷現(xiàn)等值異號(hào)的電荷 ，外表面有感應(yīng)電荷外表面有感應(yīng)電荷 （電荷（電荷守恒）守恒）qqq 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體16+E 為表面電荷面密度為表面電荷面密度 作錢(qián)幣形高斯面作錢(qián)幣形高斯面 S S(3)(3)導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度與電荷面密度的關(guān)

8、系導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度與電荷面密度的關(guān)系0dSSES0SSE0E 表面電場(chǎng)強(qiáng)度的大表面電場(chǎng)強(qiáng)度的大小與該表面電荷面密度小與該表面電荷面密度成正比成正比0E 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體17+注意注意: :導(dǎo)體表面電荷分布與導(dǎo)體形狀以及周?chē)h(huán)境有關(guān)導(dǎo)體表面電荷分布與導(dǎo)體形狀以及周?chē)h(huán)境有關(guān). .(4)導(dǎo)體表面電荷分布導(dǎo)體表面電荷分布EE;,0E 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體18 尖端放電現(xiàn)象尖端放電現(xiàn)象 E孤立導(dǎo)體靜電平衡時(shí)，孤立導(dǎo)體靜電平衡時(shí)，曲率越小的地方，面電荷曲率越小的地方，面電荷密度越大密度越大。 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體19帶電導(dǎo)體尖端附近電場(chǎng)最強(qiáng)帶電導(dǎo)體尖端

9、附近電場(chǎng)最強(qiáng)帶電導(dǎo)體尖端附近的電場(chǎng)特帶電導(dǎo)體尖端附近的電場(chǎng)特別大，可使尖端附近的空氣別大，可使尖端附近的空氣發(fā)生電離而成為導(dǎo)體產(chǎn)生放發(fā)生電離而成為導(dǎo)體產(chǎn)生放電現(xiàn)象，即電現(xiàn)象，即尖端放電尖端放電 。弊：弊：會(huì)損耗電能會(huì)損耗電能(如電暈如電暈), 還會(huì)干擾精密測(cè)量還會(huì)干擾精密測(cè)量和對(duì)通訊產(chǎn)生和對(duì)通訊產(chǎn)生危害危害 。尖端放電現(xiàn)象的尖端放電現(xiàn)象的利利與與弊弊思考題：高壓電器設(shè)備中，為什么所有金屬元件思考題：高壓電器設(shè)備中，為什么所有金屬元件應(yīng)避免帶有尖棱，最好作成球形應(yīng)避免帶有尖棱，最好作成球形? ?避免尖端放電產(chǎn)生。避免尖端放電產(chǎn)生。 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體20利利：靜電起電機(jī)、靜電除

10、塵機(jī)、電風(fēng)、電風(fēng)輪、避：靜電起電機(jī)、靜電除塵機(jī)、電風(fēng)、電風(fēng)輪、避雷針。雷針。避雷針避雷針 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體21靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)電暈放電電暈放電可靠接地可靠接地帶電云帶電云避雷針的工作原理避雷針的工作原理+ 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體22+在課余時(shí)間觀看尖端放電相關(guān)視頻在課余時(shí)間觀看尖端放電相關(guān)視頻 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體23五五. . 靜電屏蔽靜電屏蔽 1.1.屏蔽外電場(chǎng)屏蔽外電場(chǎng)E外電場(chǎng)外電場(chǎng)空腔導(dǎo)體可以屏蔽外電場(chǎng)空腔導(dǎo)體可以屏蔽外電場(chǎng), , 使空腔內(nèi)物體不受外電場(chǎng)使空腔內(nèi)物體不受外電場(chǎng)影響影響. .這時(shí)這時(shí), ,整個(gè)空腔導(dǎo)體和腔內(nèi)的電勢(shì)也必處處相

11、等整個(gè)空腔導(dǎo)體和腔內(nèi)的電勢(shì)也必處處相等. .E空腔導(dǎo)體屏蔽外電場(chǎng)空腔導(dǎo)體屏蔽外電場(chǎng) 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體24靜電屏蔽的應(yīng)用靜電屏蔽的應(yīng)用同軸電纜線中的屏蔽層 高壓帶電操作的屏蔽服 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體25q接地接地空腔導(dǎo)體將使空腔導(dǎo)體將使外部空間不受空腔外部空間不受空腔內(nèi)的電場(chǎng)影響內(nèi)的電場(chǎng)影響. 問(wèn)：?jiǎn)枺嚎臻g各部分空間各部分的電場(chǎng)強(qiáng)度如何分的電場(chǎng)強(qiáng)度如何分布布 ？接地導(dǎo)體電勢(shì)為零接地導(dǎo)體電勢(shì)為零q 2.2.屏蔽腔內(nèi)電場(chǎng)屏蔽腔內(nèi)電場(chǎng)+q 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體26qqU=0Q+qQ 殼內(nèi)外場(chǎng)殼內(nèi)外場(chǎng)互不影響互不影響3.接地的封閉導(dǎo)體殼，屏蔽了殼內(nèi)、外

12、的電接地的封閉導(dǎo)體殼，屏蔽了殼內(nèi)、外的電場(chǎng)的影響。場(chǎng)的影響。 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體27說(shuō)明：空腔導(dǎo)體殼接地與否，外界均對(duì)殼內(nèi)電說(shuō)明：空腔導(dǎo)體殼接地與否，外界均對(duì)殼內(nèi)電場(chǎng)無(wú)任何影響場(chǎng)無(wú)任何影響.CU 外界不影響內(nèi)部外界不影響內(nèi)部腔外表面的電荷腔外表面的電荷分布不影響腔內(nèi)分布不影響腔內(nèi)電場(chǎng)分布電場(chǎng)分布 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體281 1、火藥或有爆炸危險(xiǎn)的建筑物為什么要用金屬、火藥或有爆炸危險(xiǎn)的建筑物為什么要用金屬網(wǎng)蒙起來(lái)，再將金屬網(wǎng)很好的接地網(wǎng)蒙起來(lái)，再將金屬網(wǎng)很好的接地? ?2 2、在高壓輸電線上帶電工作的人員為什么要穿、在高壓輸電線上帶電工作的人員為什么要穿上金屬

13、絲制成的衣服上金屬絲制成的衣服( (均壓服均壓服)?)?答：金屬網(wǎng)起靜電屏蔽作用。避免由于雷電答：金屬網(wǎng)起靜電屏蔽作用。避免由于雷電引起爆炸。引起爆炸。答：均壓服起靜電屏蔽作用。避免外電場(chǎng)深答：均壓服起靜電屏蔽作用。避免外電場(chǎng)深入人體內(nèi)部，也使感應(yīng)電流只通過(guò)均壓服，入人體內(nèi)部，也使感應(yīng)電流只通過(guò)均壓服，避免留過(guò)人體。從而避免留過(guò)人體。從而保證人身安全。保證人身安全。在課余時(shí)間觀看靜電屏蔽視頻在課余時(shí)間觀看靜電屏蔽視頻 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體291R2R3Rqq 例例1. 有一外半徑有一外半徑 和內(nèi)半徑和內(nèi)半徑 的金屬球殼，在球殼內(nèi)放一半徑的金屬球殼，在球殼內(nèi)放一半徑 的同心金的同心金屬球，若使球殼和金屬球均帶有屬球，若使球殼和金屬球均帶有 的正電荷，的正電荷，問(wèn)問(wèn): 兩球體上的電荷如何分布？球心的電勢(shì)為多少？?jī)汕蝮w上的電荷如何分布？球心的電勢(shì)為多少？ cm101Rcm72Rcm53RC108q解解 : 根據(jù)靜電平衡的條件求電荷分布根據(jù)靜電平衡的條件求電荷分布)(031RrE0S2232d,qSERrR作球形高斯面作球形高斯面2S2024rqE1S2Sr作球形高斯面作球形高斯面1S 6-1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體301R2R3R)(031RrE)(423202RrRr