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1、第12章导体电学第1页，本讲稿共32页电场与物质的相互作用电场与物质的相互作用(影响影响)1.1.导体导体 存在大量的可自由移动的电荷存在大量的可自由移动的电荷2.2.绝缘体绝缘体 理论上认为一个自由移动的电荷也没有理论上认为一个自由移动的电荷也没有 也称也称 电介质电介质3.3.半导体半导体 介于上述两者之间介于上述两者之间本章首先讨论金属导体对场的影响本章首先讨论金属导体对场的影响大学物理学：导体电学2第2页，本讲稿共32页12.1 静电场中的导体静电场中的导体+-一、导体的静电感应和静电平衡一、导体的静电感应和静电平衡静电感应：静电感应：在外电场作用下，导体内自由电子有宏在外电场作用下，
2、导体内自由电子有宏观移动，导体表面出现宏观电荷分布的观移动，导体表面出现宏观电荷分布的现象。现象。静电平衡：静电平衡：当导体内部和表面都没有宏观的电荷移动时，导体处于当导体内部和表面都没有宏观的电荷移动时，导体处于静电平衡静电平衡。此时，感应电荷产生的附加电场与外加电。此时，感应电荷产生的附加电场与外加电场在导体内部相抵消。场在导体内部相抵消。大学物理学：静电场中的导体3第3页，本讲稿共32页二、导体的静电平衡时的性质二、导体的静电平衡时的性质1.导体内部，场强处处为零。导体内部，场强处处为零。如导体内部电场强度不为零，自由电子就要受到电场力如导体内部电场强度不为零，自由电子就要受到电场力的作
3、用而发生宏观运动！的作用而发生宏观运动！2.导体内各处电势相同导体内各处电势相同,导体为等势体，导体表面为导体为等势体，导体表面为等势面。等势面。在导体上任意两点间的电势差为：在导体上任意两点间的电势差为：4大学物理学：静电场中的导体第4页，本讲稿共32页A、实心导体、实心导体在导体内任取一高斯面在导体内任取一高斯面 S，由高斯定理：，由高斯定理：高斯面为任意高斯面为任意三、静电平衡时导体上电荷的分布三、静电平衡时导体上电荷的分布导体内部没有净电荷，电荷只能分布在导体表面。导体内部没有净电荷，电荷只能分布在导体表面。+（导体内部）（导体内部）电荷只分布在导体表面上，导体内部处处不带电电荷只分布
4、在导体表面上，导体内部处处不带电5大学物理学：静电场中的导体第5页，本讲稿共32页S+-+B、腔中无电荷的空腔导体、腔中无电荷的空腔导体在在导导体内任取一高斯面体内任取一高斯面可能：可能：有一部分是正电荷，另一部分是等量的负电荷有一部分是正电荷，另一部分是等量的负电荷？这种情况也是不可能出现的：因为这样会产生电势差这种情况也是不可能出现的：因为这样会产生电势差 电荷只分布在导体电荷只分布在导体外外表面上表面上6大学物理学：静电场中的导体第6页，本讲稿共32页C、腔中有电荷的空腔导体、腔中有电荷的空腔导体S-设内表面带电设内表面带电 电荷只分布在导体电荷只分布在导体内外内外表面上表面上设导体原带
5、电设导体原带电 大学物理学：静电场中的导体7第7页，本讲稿共32页1.空腔导体起到屏蔽外电场空腔导体起到屏蔽外电场的作用。的作用。根据导体腔的电学性质；可以利用空腔导体对腔内、外进根据导体腔的电学性质；可以利用空腔导体对腔内、外进行静电隔离。行静电隔离。-四、静电屏蔽四、静电屏蔽仪器仪器+8大学物理学：静电场中的导体第8页，本讲稿共32页2.接地的空腔导体可以屏蔽内、外电场的影响。接地的空腔导体可以屏蔽内、外电场的影响。-+仪器仪器+大学物理学：静电场中的导体9第9页，本讲稿共32页导体导体五、尖端放电五、尖端放电设导体表面上的电荷面密度和表面外侧电场强设导体表面上的电荷面密度和表面外侧电场强
6、度如图所示度如图所示对如图所示高斯面，应用高斯定理：对如图所示高斯面，应用高斯定理：导体表面和表面附近的场强导体表面和表面附近的场强与该表面的电荷面密度成正比与该表面的电荷面密度成正比大学物理学：静电场中的导体10第10页，本讲稿共32页（1）在导体表面曲率为）在导体表面曲率为正值且较大的地方电荷正值且较大的地方电荷面密度较大面密度较大实验研究导体电荷的定性实验研究导体电荷的定性分布：分布：其表面处面电荷密其表面处面电荷密度度 与该表面曲率有关与该表面曲率有关（2）在曲率较小部分电荷面密度较小）在曲率较小部分电荷面密度较小当表面凹进时，曲率为负值，电荷面密度更小。当表面凹进时，曲率为负值，电荷
7、面密度更小。大学物理学：静电场中的导体11第11页，本讲稿共32页尖端放电尖端放电孤立导体孤立导体对于具有尖端的带电体，因为尖端的曲率很大，分布的面电对于具有尖端的带电体，因为尖端的曲率很大，分布的面电荷密度也大，所以它周围的电场很强，当场强超过空气击穿荷密度也大，所以它周围的电场很强，当场强超过空气击穿场强时，就会发生空气被电离的放电现象，称为场强时，就会发生空气被电离的放电现象，称为尖端放电尖端放电。大学物理学：静电场中的导体12第12页，本讲稿共32页例例1、无限大的带电平面的场中平行放置无限大的带电平面的场中平行放置一无限大金属平板。求：金属板两面电荷一无限大金属平板。求：金属板两面电
8、荷面密度。面密度。解：解：设金属板面电荷密度设金属板面电荷密度大学物理学：静电场中的导体13第13页，本讲稿共32页例例2、原来不带电的导体球附近有一点电荷原来不带电的导体球附近有一点电荷,如图所示。求如图所示。求（1）导体球上的电势；导体球上的电势；（2）若导体球接地，若导体球接地，导体上感应电荷导体上感应电荷的电量的电量解解:（1）导体是个等势体，若求出）导体是个等势体，若求出O点的电点的电势，即为导体球的电势。势，即为导体球的电势。大学物理学：静电场中的导体14（2）导体球接地）导体球接地第14页，本讲稿共32页例例3、半无限大接地导体附近有一点电荷半无限大接地导体附近有一点电荷q，求导
9、体表面的感应电荷面求导体表面的感应电荷面密度。密度。解：解：P大学物理学：静电场中的导体15第15页，本讲稿共32页 12.2 电容器及电容电容器及电容一、孤立导体的电容一、孤立导体的电容电容只与导体的几何因素（及周围介质）有关，反映导体带电容只与导体的几何因素（及周围介质）有关，反映导体带电多少的本领电多少的本领固有的容电本领固有的容电本领 SI：法拉：法拉 F定义定义 孤立导体的电容孤立导体的电容 孤立导体的电势与带电量有关；带电量相同时不同形状和大孤立导体的电势与带电量有关；带电量相同时不同形状和大小的孤立导体电势不同，但是小的孤立导体电势不同，但是大学物理学：电容器及电容16第16页，
10、本讲稿共32页真空中孤立导体球的电容真空中孤立导体球的电容设导体球半径为设导体球半径为R，带电为，带电为Q导体球电势为：导体球电势为：导体球电容为：导体球电容为：对半径如地球一样的导体球，其电容为：对半径如地球一样的导体球，其电容为：大学物理学：电容器及电容17第17页，本讲稿共32页二、电容器的电容二、电容器的电容定义：定义：一般情况下，导体并不是孤立的，而是多个导体组成的导体一般情况下，导体并不是孤立的，而是多个导体组成的导体组组电容器电容器电容器电容器基本单元：两导体组（基本单元：两导体组（A、B）电容器）电容器电容器电容只与导体组的几何构形（及周围空间介质）有关，电容器电容只与导体组的
11、几何构形（及周围空间介质）有关，与带电多少无关。与带电多少无关。18大学物理学：电容器及电容第18页，本讲稿共32页Sd三、几种常见电容器及其电容三、几种常见电容器及其电容1.平板电容器平板电容器为无限大为无限大设设A板带板带B板带板带+-19大学物理学：电容器及电容第19页，本讲稿共32页2.球形电容器电容球形电容器电容RARB-+20大学物理学：电容器及电容第20页，本讲稿共32页3.柱形电容器单位长度的电容柱形电容器单位长度的电容设单位长度带电量为设单位长度带电量为 l l l l21大学物理学：电容器及电容第21页，本讲稿共32页四、电容器的联接四、电容器的联接1.并联并联C=C1+C
12、22.串联串联C1C2C2C122大学物理学：电容器及电容第22页，本讲稿共32页 12.3 传导电流传导电流一、电流和电流密度一、电流和电流密度1.传导电流传导电流（1）金属中的自由电子在外电场的作用下的宏观）金属中的自由电子在外电场的作用下的宏观定向移动定向移动（2）电解质溶液或电离气体中正、负离子的宏观）电解质溶液或电离气体中正、负离子的宏观定向移动定向移动2.运流电流运流电流单个或多个电荷在空间的定向移动（或运动）单个或多个电荷在空间的定向移动（或运动）如：分子中电子绕核的运动，等效为圆电流。如：分子中电子绕核的运动，等效为圆电流。分子的等效电流称为分子的等效电流称为分子电流分子电流分
13、子电流分子电流或或安培电流安培电流安培电流安培电流。23大学物理学：传导电流第23页，本讲稿共32页3.电流强度电流强度大小：单位时间内通过导体某一截面的电量大小：单位时间内通过导体某一截面的电量方向：正电荷运动的方向方向：正电荷运动的方向单位：安培单位：安培 (A)若电流强度与时间无关若电流强度与时间无关稳恒电流稳恒电流稳恒电流稳恒电流大学物理学：传导电流24第24页，本讲稿共32页电流密度的大小等于从垂直于电场方向的单位电流密度的大小等于从垂直于电场方向的单位截面上流过的电流强度。截面上流过的电流强度。单位：单位：大学物理学：传导电流254.电流密度电流密度 ，载流子数密度为，载流子数密度
14、为平均漂移速度的大小平均漂移速度的大小设每个载流子电量为设每个载流子电量为矢量式矢量式第25页，本讲稿共32页二、欧姆定律的微分形式二、欧姆定律的微分形式I:电阻率电阻率:电导率电导率欧姆定律欧姆定律对于柱形材料对于柱形材料 大学物理学：传导电流26在导体内假想一个柱体在导体内假想一个柱体 导体中任意一点的电流密度与该点处的电场强度成正比，导体中任意一点的电流密度与该点处的电场强度成正比，两者方向平行两者方向平行第26页，本讲稿共32页三、焦耳定律的微分形式三、焦耳定律的微分形式IR热功率密度热功率密度热功率密度与电场强度的平方成正比热功率密度与电场强度的平方成正比大学物理学：传导电流27第2
15、7页，本讲稿共32页12.4 电动势电动势 稳恒电场稳恒电场一、电源一、电源 电动势电动势BA+-+q-q非静电力非静电力电源电源提供非静电场力的装置，或称提供非静电场力的装置，或称电泵电泵。+28大学物理学：电动势 稳恒电场第28页，本讲稿共32页为非静电场场强为非静电场场强电动势电动势等于将单位正电荷从电源负极沿内电路移到正极过程中非等于将单位正电荷从电源负极沿内电路移到正极过程中非静电场力做的功。静电场力做的功。+大学物理学：电动势 稳恒电场29第29页，本讲稿共32页注意注意：电动势与电势：电动势与电势,一字之别一字之别二、稳恒电场二、稳恒电场稳恒电场稳恒电场由并非静止、只是空间分布由并非静止、只是空间分布保持恒定的电荷产生的。保持恒定的电荷产生的。而而30大学物理学：电动势 稳恒电场第30页，本讲稿共32页三、电路上两点的电势差三、电路上两点的电势差一段含源电路一段含源电路。可利用可利用计算计算、两端的电势差两端的电势差31大学物理学：电动势 稳恒电场第31页，本讲稿共32页II-IRIR。也可根据如下规则求：也可根据如下规则求：指定一方向指定一方向32大学物理学：电动势 稳恒电场第32页，本讲稿共32页