导体和电介质中的静电场
研究问题： 研究导体的静电特性及导体内外的电场分布
研究电介质的静电特性及电介质中的静电场
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
静电场中的导体
导体的静电平衡
导体电结构： 带正电的晶格点阵和大量可以自由移动的电子组成。
静电感应： 在电场作用下，导体中的正负电荷重新分布，
使导体两端分别带等量异号电荷
静电平衡状态： 导体中没有电荷作宏观定向运动的状态
静电平衡条件： 导体内任一点的电场强度都等于零
反证法－当场强不为零时，电子受力作用而发生定向移动－非平衡状态。
推论： 导体是等势体，导体表面是等势面；
导体表面的场强垂直于导体表面。
导体上的电荷分布
孤立导体：当带电导体处于静电平衡状态时，导体内部处处没有净电荷，电荷只能分布在导体表面。
空腔导体：腔内无其它带电体时，同上；
腔内有其它带电体时，空腔内表面所带电荷与内部带电体电量等值异号。
导体表面的场强与电荷的关系
导体表面附近的场强与该表面的电荷面密度成正比，方向垂直于导体表面。
导体表面电荷分布的规律：
对于孤立的形状不规则的带电导体，电荷在其外表面的分布与导体表面
的曲率成正比。
应用：尖端放电（避雷针、静电喷漆、静电除尘等）
例题 两个半径分别为R和r的球形导体，用导体连接，电势为V，求电荷分布。
设两球分别带电Q和q,
空腔导体内外的静电场
静电平衡时，导体空腔内各点的场强等于零，内表面上无电荷分布；外表面的电场分布由导体外表面电荷及其它带电体决定。
静电屏蔽：使空腔导体内的电场不受外界的影响或利用接地的空腔导体将腔内带电体对外界的影响隔绝的现象。
应用：设备外的接地金属网（罩），导线外金属丝编织的屏蔽线层。
例题 小球与球壳分别带电q和Q，
小球及球壳内外表面的电势分别为：
（2）两球的电势差
（3）外球接地时，球壳外表面电荷消失，两球电势差保持不变。
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
练习题 P152 2-8
导体球内表面带电－q，外表面带电＋q
导体球壳电势
外球接地，外表面电荷为零，内表面带电－q。U2＝0
内球接地，因外球内表面有电荷，故内球电荷不能为零。
设其带电量为q`, 内球相对于无限远处电势也应为零
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
练习题 （1）
（2）连接后 U1＝U2
（3）外球接地
练习题 p150 2-2 对于两导体内的P1和P2两点，静电平衡时所有电荷在该点的合场强为零
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
练习题 2-4 利用上题结果， 已知
根据电荷守恒定律
A对C、B两板的电势差相等
解得
A板电势
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
电容器的电容
孤立导体的电容
定义：
意义： 使导体升高单位电势所需要的电荷量
电容是表征导体储电能力的物理量，取决于导体的大小、形状，与导体是否带电无关。
单位： 1法拉＝1库仑／伏
电容器的电容
导体A和导体B组成一对导体系，使电场局限在两极板之间－电容器。
使电容器的两极板上带等量异号电荷，两导体的电势差与外界无关
定义：
意义：两导体间的电势差为单位值时，极板上所容纳的电荷量。（取决于两极板的大小、形状、相对位置及极板间电介质的电容率）
常见电容器的电容
平行板电容器
圆柱形电容器
球形电容器
电介质电容器
电容器两极板之间充满电介质后，电容增大为
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
小结： 1、计算任意形状的电容器电容时
假设两极板分别带有等量异号电荷；
求出两极板之间的电场强度
由场强和电势差的关系式求出两极板之间的电势差
由电容的定义式求出电容
电容器的电容与其大小、形状、介质有关，而与其是否带电及带电量多少无关；
电容器的标称值除电容大小外，还有耐压值 。当加在电容器两极板之间的电压超过其耐压值时，电介质将被击穿。不同的电介质有不同的击穿场强。
电容器的连接
电容器的串联
串联等效电容器电容的倒数等于每个电容器电容的倒数之和
电容器的并联
并联等效电容器电容的倒数等于每个电容器电容之和
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
电介质及其极化
电介质的概念： 宏观上，电介质是电阻率很大、导电能力很差的物质；
微观上，电子与原子核结合力很强，电子处于束缚状态。
有极分子――分子中正电荷中心和负电荷中心错开，相当于一个电偶极子。P=qre
例如：NH3、H2O、CO、SO2、H2S等
无极分子――分子中正电荷中心和负电荷中心重合，等效电偶极矩为零。
例如：He、N2、CH4等
电介质的极化：在外电场作用下，在电介质中出现极化电荷的现象
无极分子位移极化――正、负电荷中心相对位移
有极分子取向极化－－电偶极矩沿外场取向排列
微观机制不同，但宏观结果相同：
在电介质的两个相对表面上出现极化电荷，在电介质内部有沿电场方向的电偶极矩。
电极化强度：
定义：单位体积内分子电偶极矩的矢量和
单位： C／m2
与电场强度的关系： 在各向同性的介质中，
电极化强度与极化电荷之间的关系：
极化电荷面密度，等于电极化强度沿外法线方向的分量
例如：半径为R的介质球均匀极化，电极化强度为P。求球心处的场强
电介质中的静电场
电介质内部 合场强为自由电荷产生电场和极化电荷电场的矢量和
在均匀介质充满整个电场的情况下，
例如：平行板电容器内部充满介质时，
普遍结论：电介质内部，由于极化电荷的作用，电场减弱。
6、电介质中的场方程
（1）电介质中场强的环路定理 环路定理仍成立
（2）电介质中的高斯定理
引入电位移矢量，使得场方程中与极化电荷无关。
（3）D、E、P之间的关系
各向同性的均匀介质中，
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
例题 半径为R的金属球，带电量为q0, 浸在均匀介质中，求场强及极化电荷分布。
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
例题 平行板电容器内充有两层介质，求各层介质内的电位移和场强及电容器电容
（1）在介质交界面处作高斯面S1
在介质与导体板交界处作高斯面S2
求电容器电容：
注意：D0＝εE0的关系式只适用于均匀介质充满整个空间或电介质表面是等势面的情况，一般情况下应为D＝εE。
静电场的能量
点电荷间的相互作用能
（其中Vi是除第i个点电荷之外的所有其它点电荷在第i个点电荷所在处激发的电势）
电荷连续分布时的静电能
（电势φ包括电荷元在内的整个电荷在该点处所激发的电势）
注意： 静电能＝固有能（每一个带电体自身各部分电荷之间的相互作用能）
＋相互作用能（各个带电体之间的相互作用能）
例：电容器的带电过程分析＿
静电场的能量
带电体系的静电能总是和电场的存在相联系着的。
例题 求均匀带电球体的静电能
方法一：用计算
方法二：用计算
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
例题 平行板电容器充电后两板间距离增大到2d
外力克服两极板的吸引力作功为
两极板之间的相互吸引力为
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――例题 平行板电容器，插入厚度一定的铜板
(1) 电容变化为
插入铜板使电容器的电容增大，但与铜板的位置无关。
（2）充电到两极间电压为300V后，将铜板抽出，外界作功应等于电容
器能量的变化。
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
练习题 扁平电介质垂直放入均匀电场中，均匀极化
（1）电介质内的电极化强度
（2）电介质总的电偶极矩
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
练习题
相当于两个电容器并联
练习题 相当于两电容器并联
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
练习题
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
练习题 (1)介质内外的电场强度
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
练习题
