(2024年)靜電場課件

靜電場課件12024/3/26CATALOGUE目錄靜電場基本概念靜電場中的電荷分布靜電場中的電勢與電勢差靜電場中導體和電介質特性靜電場能量與能量轉換靜電場應用實例分析22024/3/2601靜電場基本概念32024/3/26電荷是物質的一種屬性，分為正電荷和負電荷。同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。電荷電荷周圍空間存在電場，電場對放入其中的其他電荷有力的作用。電場為了形象地描述電場而引入的線，電場線上每點的切線方向表示該點的電場強度方向，電場線的疏密程度表示電場的強弱。電場線電荷與電場42024/3/26

電場強度與電勢電場強度描述電場強弱的物理量，用E表示。單位是牛/庫（N/C），電場強度是矢量，方向與正電荷在該點所受電場力方向相同。電勢描述電場能的性質的物理量，用φ表示。單位是伏特（V），電勢是標量，只有大小，沒有方向。電勢差兩點間電勢的差值，用U表示。單位是伏特（V），電勢差是標量，有正負之分。52024/3/26電介質電介質是絕緣體，其內(nèi)部幾乎沒有自由電子。在靜電場中，電介質內(nèi)部可以存在電場，且電介質會被極化，產(chǎn)生極化電荷。導體導體內(nèi)部存在大量自由電子，能夠在電場作用下自由移動，從而形成電流。在靜電場中，導體內(nèi)部電場強度為零，電荷分布在導體表面。靜電感應當導體靠近帶電體時，由于靜電感應現(xiàn)象，導體會出現(xiàn)感應電荷。感應電荷的電量與帶電體的電量相等，但符號相反。靜電場中的導體和電介質62024/3/2602靜電場中的電荷分布72024/3/26點電荷一種理想化的物理模型。當帶電體間的距離比它們本身的大小大得多，以至帶電體的形狀和大小對它們之間的作用力影響可以忽略不計時，此帶電體可看作點電荷。電荷分布描述電荷在空間中如何分布的物理量。對于連續(xù)分布的電荷，其電荷分布可以用電荷密度來描述。點電荷與電荷分布82024/3/26在一個孤立系統(tǒng)中，不論發(fā)生什么變化，其中所有電荷的代數(shù)和永遠保持不變。即電荷既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能從一個物體轉移到另一個物體，或者從物體的一部分轉移到另一部分。電荷守恒定律用于解釋和預測各種靜電現(xiàn)象，如摩擦起電、感應起電等。電荷守恒定律的應用電荷守恒定律92024/3/26真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上。庫侖定律對于線性系統(tǒng)，如果兩個不同原因（激勵）分別作用于系統(tǒng)而產(chǎn)生的響應是可加的，則當這兩個激勵同時作用于系統(tǒng)時，其響應是這兩個響應的代數(shù)和。這一原理在靜電場中同樣適用，即多個點電荷在某點產(chǎn)生的電場強度是各個點電荷單獨存在時在該點產(chǎn)生的電場強度的矢量和。疊加原理庫侖定律與疊加原理102024/3/2603靜電場中的電勢與電勢差112024/3/26電勢是描述電場中某點電勢能的物理量，表示單位正電荷在該點所具有的電勢能。電勢的計算公式為φ=Ep/q，其中φ表示電勢，Ep表示電勢能，q表示電荷量。在靜電場中，電勢與距離場源電荷的遠近及電場線的方向有關。電勢定義及計算電勢計算電勢定義122024/3/26等勢面定義電場中電勢相等的各個點構成的面叫做等勢面。等勢面與電勢差關系等勢面上各點電勢相等，因此在等勢面上移動電荷時電場力不做功。電勢差是指電場中兩點之間電勢的差值，與路徑無關，只與兩點位置有關。等勢面與電勢差關系132024/3/26電場力做功與路徑無關性電場力做功特點在靜電場中，電場力對電荷做功與路徑無關，只與電荷的初末位置有關。路徑無關性原理由于靜電場是保守場，因此可以引入電勢概念來描述電場的性質。電場力做功與路徑無關性的原理是電場力是保守力，其做功只與電荷的初末位置有關。142024/3/2604靜電場中導體和電介質特性152024/3/26當導體置于靜電場中時，其內(nèi)部自由電子會受到電場力的作用而重新分布，使得導體兩端分別出現(xiàn)正負電荷，這種現(xiàn)象稱為靜電感應。靜電感應現(xiàn)象當導體內(nèi)部電荷分布達到穩(wěn)定，使得導體內(nèi)部電場為零時，稱導體處于靜電平衡狀態(tài)。此時，導體表面為等勢面，且導體內(nèi)部無電荷定向移動。靜電平衡狀態(tài)在靜電平衡狀態(tài)下，導體表面的電荷分布與導體形狀和周圍電場有關。通常，電荷會集中在導體的尖端或曲率半徑較小的地方。導體表面電荷分布導體在靜電場中特性162024/3/26電介質極化現(xiàn)象01電介質置于靜電場中時，其內(nèi)部正負電荷中心會發(fā)生相對位移，使得電介質兩端分別出現(xiàn)正負束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為電介質的極化。極化規(guī)律02電介質的極化程度與電場強度、電介質性質及溫度等因素有關。通常，電場越強、電介質越容易被極化；溫度升高會降低電介質的極化程度。極化類型03根據(jù)電介質內(nèi)部正負電荷中心的位移方式，可將極化分為電子極化、離子極化和取向極化等類型。電介質極化現(xiàn)象及規(guī)律172024/3/26高斯定理表述通過任意閉合曲面的電通量等于該曲面內(nèi)所包圍電荷量的代數(shù)和除以真空中的介電常數(shù)。當存在電介質時，需考慮電介質對電場的影響。電介質中的高斯定理在有電介質存在的情況下，高斯定理仍然適用，但需注意電介質極化產(chǎn)生的束縛電荷對電場的影響。此時，高斯定理中的電荷量應包括自由電荷和束縛電荷兩部分。應用舉例利用高斯定理可以求解具有對稱性的靜電場問題，如無限長均勻帶電直線、無限大均勻帶電平面等。在這些情況下，通過選擇合適的高斯面并運用高斯定理，可以簡化計算過程并得到電場強度的表達式。有電介質存在時高斯定理應用182024/3/2605靜電場能量與能量轉換192024/3/26123單位體積內(nèi)的靜電場能量。靜電場能量密度的定義w=1/2*ε*E^2，其中ε為介電常數(shù)，E為電場強度。計算公式反映靜電場在空間中某一點的能量分布情況。能量密度的物理意義靜電場能量密度及計算202024/3/2603能量轉換與儲存的關系電荷在靜電場中的移動引起能量的轉換和儲存，二者相互關聯(lián)。01靜電場中的能量轉換當電荷在靜電場中移動時，電場力對電荷做功，實現(xiàn)能量的轉換。02儲存過程在靜電場中，能量以電勢能的形式儲存于電荷與電場之間。能量轉換與儲存過程分析212024/3/26在一個孤立系統(tǒng)中，總能量保持不變。能量守恒定律當電荷在靜電場中移動時，電場力對電荷做功，消耗或增加的能量等于電荷電勢能的變化量，遵循能量守恒定律。在靜電場中的應用通過具體例子說明能量守恒定律在靜電場中的應用，如電容器充放電過程中的能量轉換和守恒。實例分析能量守恒定律在靜電場中應用222024/3/2606靜電場應用實例分析232024/3/26充電過程當平行板電容器與電源連接時，正極板上的自由電子受到電源電場的作用向負極板移動，使得正極板帶正電，負極板帶負電。隨著充電的進行，電容器兩極板間的電勢差逐漸增大，直到等于電源電壓，此時充電結束。放電過程當平行板電容器與電源斷開后，若兩極板間存在電勢差，則會通過外電路進行放電。放電過程中，正極板上的正電荷向負極板移動，使得兩極板間的電勢差逐漸減小，直到為零，此時放電結束。平行板電容器充放電過程分析242024/3/26VS根據(jù)庫侖定律和電場疊加原理，可以推導出長直導線周圍的電場分布規(guī)律。當導線通以恒定電流時，導線周圍的空間將形成環(huán)形電場，且離導線越近，電場強度越大。長直導線周圍的電勢分布由于電場強度的分布規(guī)律，可以進一步推導出長直導線周圍的電勢分布。在距離導線一定距離處，電勢隨著與導線的距離增大而減小。長直導線周圍的電場分布長直導線周圍空間分布規(guī)律探討252024/3/26在強電場作用下，物體尖銳部分發(fā)生的一種放電現(xiàn)象稱為尖端放電。當帶電體表面的電荷密度很大時，使得其周圍場強很強