《電磁學中的靜電場現(xiàn)象》課件

電磁學中的靜電場現(xiàn)象課程概述靜電場基本概念電荷、電場、電勢靜電場性質規(guī)律庫侖定律、高斯定理靜電場應用第一部分：靜電學基礎電荷基本性質正負電荷、量子化、守恒庫侖定律電荷間相互作用規(guī)律電場概念電荷的基本性質正電荷和負電荷同性相斥，異性相吸電荷的量子化最小單位為元電荷電荷守恒定律庫侖定律庫侖定律表述點電荷間作用力與電荷乘積成正比，與距離平方成反比庫侖常數(shù)k=9×10^9N·m2/C2真空介電常數(shù)ε?=8.85×10^-12F/m庫侖定律的數(shù)學表達式矢量形式F=k·q?q?/r2·r其中r為單位方向向量標量形式F=k·|q?q?|/r2同號電荷斥力，異號吸力庫侖定律的適用范圍點電荷尺寸遠小于距離靜止電荷無相對運動真空或均勻介質無其他干擾因素宏觀尺度忽略量子效應影響電場的概念電場電荷周圍的作用空間電場強度單位電荷受力大小矢量場有大小和方向電場強度的計算點電荷電場強度E=k·q/r2疊加原理E=E?+E?+…矢量疊加考慮方向電場線1電場線定義與電場方向相切的曲線2起止特點從正電荷出發(fā)，終止于負電荷3密度特性密度與場強成正比4不相交性電場線不會相交典型電場分布點電荷電場徑向發(fā)散或指向中心場強隨距離平方反比減小電偶極子電場從正電荷到負電荷的閉合曲線遠處場強隨距離立方反比減小高斯定理電通量概念穿過面積的電場線數(shù)量數(shù)學表達Φ=∮E·dS高斯定理通量等于內(nèi)部電荷量除以ε?高斯定理的數(shù)學表達式積分形式∮E·dS=q/ε?微分形式?·E=ρ/ε?物理意義電荷是電場源利用高斯定理計算電場靜電場的環(huán)路定理保守性做功與路徑無關環(huán)路積分為零∮E·dl=0旋度為零?×E=0存在勢函數(shù)E=-?φ電勢的概念電勢定義單位電荷從無窮遠移至該點所做功電勢差兩點間電場力做功與電荷的比值與電場關系E=-?φ電勢的計算點電荷電勢φ=k·q/r電勢疊加φ=φ?+φ?+…標量疊加比電場疊加簡單等勢面等勢面定義電勢相等點的集合與電場線關系互相垂直導體表面特性是等勢面間距特點密集處場強大靜電場中的電勢能W電勢能W=qφWij兩點電荷勢能Wij=k·qiqj/rijE總勢能E=?∑∑Wij第二部分：靜電場中的導體導體靜電平衡內(nèi)部場強為零表面電荷分布表面電場垂直靜電屏蔽內(nèi)部無外場影響導體的靜電平衡條件內(nèi)部電場為零自由電子快速移動抵消內(nèi)部場E=0表面電場垂直表面切向分量為零E⊥=σ/ε?靜電平衡下導體的性質等勢體全體同一電勢表面電荷分布電荷僅存在于表面電場方向垂直導體表面導體表面的電荷分布曲率影響曲率越大電荷密度越大尖端放電尖端處電場強度很大避雷針原理利用尖端放電保護建筑靜電屏蔽法拉第籠封閉金屬殼體內(nèi)無外部電場影響屏蔽原理導體表面感應電荷抵消外場應用場景電子設備、實驗儀器、避雷裝置靜電感應1外場作用導體附近有帶電體2電荷重排導體內(nèi)自由電子移動3表面感應電荷產(chǎn)生正負感應電荷4內(nèi)部電場為零達到新平衡狀態(tài)電容器電容器定義能儲存電荷的導體系統(tǒng)電容概念C=Q/U影響因素幾何形狀、介質、極板距離平行板電容器C電容計算C=ε?S/dE內(nèi)部電場E=σ/ε?U極板電壓U=Ed球形電容器內(nèi)球半徑R?外球半徑R?兩球間距d電容C=4πε?R?R?/(R?-R?)圓柱形電容器結構特點同軸圓柱體電容計算C=2πε?L/ln(b/a)電場分布徑向方向應用同軸電纜電容器的串聯(lián)和并聯(lián)串聯(lián)電容1/C=1/C?+1/C?+…總電容小于最小電容并聯(lián)電容C=C?+C?+…總電容等于各電容之和電容器儲能儲能公式W=?CU2=?QU能量密度w=?ε?E2能量位置儲存在電場中第三部分：靜電場中的介質極化機制分子偶極矩定向2場量變化電位移、極化強度介質分類極性、非極性、各向同性介質的極化極化微觀機制分子內(nèi)電荷分離或偶極矩排列極化強度P=χ?ε?E單位體積極化偶極矩電位移矢量定義D=ε?E+P與電場關系D=εE=ε?ε?E介電常數(shù)ε?=ε/ε?高斯定理在介質中的應用有介質存在時高斯定理∮D·dS=qf微分形式?·D=ρf物理意義自由電荷是電位移的源電介質中的靜電場方程泊松方程?2φ=-ρ/ε拉普拉斯方程?2φ=0邊界條件確定具體解電介質的極化率和電容率電介質的分類非極性介質分子無永久偶極矩如氫氣、氮氣、甲烷極性介質分子有永久偶極矩如水、醇類、酮類各向同性介質和各向異性介質各向同性介質介電性質與方向無關各向異性介質介電性質隨方向變化介電張量描述各向異性介質電性質鐵電體1特性自發(fā)極化2鐵電疇極化方向一致的區(qū)域3滯回效應極化隨電場非線性變化4應用電容器、傳感器、存儲器件壓電體正壓電效應受壓產(chǎn)生電荷逆壓電效應電場作用變形應用傳感器、換能器典型材料石英、鋯鈦酸鉛第四部分：靜電場的應用工業(yè)應用靜電復印、除塵、噴涂科學研究加速器、發(fā)電機生物醫(yī)學電泳、細胞融合電子技術靜電防護、靜電吸附靜電復印技術1充電感光鼓表面均勻充電2曝光光照使電荷局部泄漏3顯影帶電墨粉吸附于潛像4轉印墨粉轉移到紙上5定影熱壓墨粉固定靜電除塵荷電粉塵顆粒帶電收集帶電粉塵被吸附到極板清除機械振打使粉塵脫落靜電噴涂原理帶電涂料粒子被導體吸引優(yōu)點均勻覆蓋、減少浪費應用汽車、家具、電器涂裝靜電發(fā)電范德格拉夫發(fā)電機可產(chǎn)生高達幾百萬伏電壓靜電感應發(fā)電利用電荷感應產(chǎn)生高壓摩擦起電不同材料接觸分離產(chǎn)生電荷靜電加速器原理利用高靜電場加速帶電粒子種類范德格拉夫加速器、串列加速器應用粒子物理實驗、材料改性、放射性同位素生產(chǎn)靜電場在半導體工業(yè)中的應用靜電防護防止敏感元器件靜電損傷靜電吸附硅片加工過程中的定位離子注入利用電場加速離子修飾半導體材料靜電場在生物技術中的應用靜電場在醫(yī)學中的應用靜電治療高壓靜電場促進血液循環(huán)藥物遞送靜電噴霧均勻給藥診斷技術利用電場特性進行疾病檢測第五部分：靜電場的測量與檢測精確測量實驗室高精度設備2工業(yè)監(jiān)測生產(chǎn)環(huán)境實時監(jiān)控3安全防護防靜電預警系統(tǒng)靜電場強度的測量電場強度計測量空間點場強大小和方向工作原理探測電荷在場中受力或電場引起的電勢差靜電電壓的測量靜電電壓表測量高電位工作原理靜電力平衡原理測量范圍可達數(shù)百萬伏電荷量的測量庫侖計測量微小電荷電容法Q=CU感應法利用感應電荷測量放電法電荷通過已知電阻放電靜電場可視化技術靜電場數(shù)值模擬有限元法將區(qū)域分為有限個單元求解邊界元法僅對邊界進行離散化蒙特卡洛法利用隨機抽樣求解靜電場的安全防護危害識別靜電火花引燃風險預防措施接地、增濕、導