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1、4.3 电场和磁场与物质的相互作用电场和磁场与物质的相互作用静静电电场场中中的的导导体体无外电场时无外电场时4.3.11导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外2导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外+3导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外+4导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外+5导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外+6导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外+7导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E
2、外外+8导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外+9导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外+10导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外+11导体的静电感应过程导体的静电感应过程+加上外电场后加上外电场后E外外+12导体的静电感应过程导体的静电感应过程+加上外电场后加上外电场后E外外+13+导体达到静平衡导体达到静平衡E外外E感感感应电荷感应电荷感应电荷感应电荷14导体内部随意点的场强为零。导体内部随意点的场强为零。导体表面旁边的场强方向到处与表面导体表面旁边的场强方向到处与表面垂直。垂直。等势体等势体等势面等势面
3、导体内导体内导体表面导体表面 处于静电平衡状态的导体，导体内部电场强度处于静电平衡状态的导体，导体内部电场强度到处为零，整个导体是个等势体。到处为零，整个导体是个等势体。静电平衡静电平衡条件条件15处于静电平衡状态的处于静电平衡状态的导体的性质：导体的性质：1 1、导体是、导体是等势体等势体，导体表面是，导体表面是等势面等势面。2 2、导体内部到处没有未被抵消的净电荷，净电荷只、导体内部到处没有未被抵消的净电荷，净电荷只分布在导体的表面上。分布在导体的表面上。3 3、导体以外，靠近导体表面附近处的场强大小与导、导体以外，靠近导体表面附近处的场强大小与导体表面在该处的面电荷密度体表面在该处的面电
4、荷密度 的关系为的关系为具体说明如下具体说明如下16金属球放入前电场为一匀整场金属球放入前电场为一匀整场1 1、导体表面旁边的场强方向到处与表面垂直。、导体表面旁边的场强方向到处与表面垂直。17金属球放入后电力线发生弯曲金属球放入后电力线发生弯曲 电场为一非匀整场电场为一非匀整场+182、导体内没有净电荷，未被抵消的净电荷只能、导体内没有净电荷，未被抵消的净电荷只能分布在导体表面上。分布在导体表面上。+19静电场中的孤立导体上电荷面密度的大小与该处静电场中的孤立导体上电荷面密度的大小与该处表面表面的曲率的曲率有关有关:3、导体表面上的电荷分布、导体表面上的电荷分布曲率较大，表面曲率较大，表面尖
5、而凸出部分尖而凸出部分，电荷面密度较大，电荷面密度较大曲率较小，表面曲率较小，表面比较平坦部分比较平坦部分，电荷面密度较小，电荷面密度较小曲率为负，表面曲率为负，表面凹进去的部分凹进去的部分，电荷面密度最小，电荷面密度最小20导线导线证明证明:即即用导线连接两导体球用导线连接两导体球则则214、导体外部近表面处场强方向与该处导体表面垂、导体外部近表面处场强方向与该处导体表面垂直，大小与该处导体表面电荷面密度直，大小与该处导体表面电荷面密度 e成正比。成正比。表面旁边作圆柱形高斯面表面旁边作圆柱形高斯面尖端放电尖端放电 尖端场强特殊强，足以使四周空气分子电离尖端场强特殊强，足以使四周空气分子电离
6、而使空气被击穿，导致而使空气被击穿，导致“尖端放电尖端放电”。形成形成“电风电风”22二、静电屏蔽二、静电屏蔽1 1、空腔内无带电体的状况、空腔内无带电体的状况腔体内表面不带电量，腔体内表面不带电量，腔体外表面所带的电量为带电体所带总电量。腔体外表面所带的电量为带电体所带总电量。导体上电荷面密度的大小与该处导体上电荷面密度的大小与该处表面的曲率表面的曲率有关。有关。23 腔体内表面所带的电量和腔内带电体所带的电量等腔体内表面所带的电量和腔内带电体所带的电量等量异号，腔体外表面所带的电量由电荷守恒定律确定。量异号，腔体外表面所带的电量由电荷守恒定律确定。未引入未引入q1时时放入放入q1后后2、空
7、腔内有带电体、空腔内有带电体+243、静电屏蔽、静电屏蔽 接地封闭导体壳（或金属丝网）外部的场接地封闭导体壳（或金属丝网）外部的场不受壳内电荷的影响。不受壳内电荷的影响。封闭导体壳（不论接地与否）内部的电场封闭导体壳（不论接地与否）内部的电场不受外电场的影响；不受外电场的影响；+25 有极分子：分子正负电荷中心不重合。有极分子：分子正负电荷中心不重合。无极分子：分子正负电荷中心重合；无极分子：分子正负电荷中心重合；电电介介质质CH+H+H+H+正负电荷正负电荷中心重合中心重合甲烷分子甲烷分子+正电荷中心正电荷中心负电荷负电荷中心中心H+HO水分子水分子分子电偶极矩分子电偶极矩一、电介质的极化一
8、、电介质的极化4.3.2 4.3.2 静电场中的电介质静电场中的电介质26 1.无极分子的无极分子的位移极化位移极化无外电场时无外电场时加上外电场后加上外电场后+极化电荷极化电荷极化电荷极化电荷272.有极分子的转向极化有极分子的转向极化+无外电场时无外电场时电矩取向不同电矩取向不同两端面出现两端面出现极化电荷层极化电荷层转向转向外电场外电场加上外场加上外场28无限大匀整无限大匀整电介质中电介质中 充满电场空间的各向同性均匀电介质内部的场强大小等充满电场空间的各向同性均匀电介质内部的场强大小等于真空中场强的于真空中场强的 倍，方向与真空中场强方向一致。倍，方向与真空中场强方向一致。介质中的场介
9、质中的场极化电荷的场极化电荷的场自由电荷的场自由电荷的场二、电介质中的电场二、电介质中的电场29三、有电介质时的高斯定理三、有电介质时的高斯定理自由电荷自由电荷 极化电荷极化电荷定义：电位移矢量定义：电位移矢量真空中真空中介质中介质中自由电荷自由电荷30介质中的高斯定理介质中的高斯定理自由电荷自由电荷 通过随意闭合曲面的电位移通量，等于该闭通过随意闭合曲面的电位移通量，等于该闭合曲面所包围的自由电荷的代数和。合曲面所包围的自由电荷的代数和。电位移线电位移线大小大小:方向方向:切线切线线线线线31例例1.已知已知:导体板导体板介质介质求：介质内的求：介质内的32电容器电容器导体组合，使之不受四周
10、导体组合，使之不受四周导体的影响导体的影响电容器电容：电容器任一极板所带电量的确定值电容器电容：电容器任一极板所带电量的确定值q 与两极板间相应的电压与两极板间相应的电压uA-uB的比值。的比值。1、电容器及电容、电容器及电容4.3.34.3.3、电容器、电容器、电容器、电容器、电场能量电场能量电场能量电场能量33电容器电容的计算电容器电容的计算平行板电容器平行板电容器已知：已知：S、d、0设设A、B分别带电分别带电+q、-qA、B间场强分布间场强分布电势差电势差由定义由定义探讨探讨与与有关有关；插入介质插入介质34球形电容器球形电容器已知已知设设+q、-q场强分布场强分布电势差电势差由定义由
11、定义探讨探讨孤立导体的电容孤立导体的电容35圆柱形电容器圆柱形电容器已知：已知：设设 场强分布场强分布电势差电势差由定义由定义36将真空电容器充溢某种电介质将真空电容器充溢某种电介质电介质的电容率（介电常数）电介质的电容率（介电常数）平行板电容器平行板电容器电介质的相对电容率（相对介电常数）电介质的相对电容率（相对介电常数）同心球型电容器同心球型电容器同轴圆柱型电容器同轴圆柱型电容器37电容器的串联电容器的串联电容器的串并联电容器的串并联38例例1.已知已知:导体板导体板介质介质求求:各介质内的各介质内的解解:设两介质中的设两介质中的 分别为分别为由高斯定理由高斯定理由由得得39场强分布场强分
12、布电势差电势差电容电容例例2.平行板电容器。平行板电容器。已知已知d1、r1、d2、r2、S 求求:电容电容C解解:设两板带电设两板带电 40例例3.已知已知:导体球导体球介质介质求求:1.球外任一点的球外任一点的2.导体球的电势导体球的电势解解:过过P点作高斯面得点作高斯面得电势电势41开关倒向开关倒向a,电容器充电。电容器充电。开关倒向开关倒向b,电容器放电。电容器放电。灯泡发光灯泡发光电容器释放能量电容器释放能量电源供电源供应应 计算电容器带有电量计算电容器带有电量Q，相应电势差为，相应电势差为U时所具有的能量。时所具有的能量。2、电容器的储电容器的储能能42任任一一时时刻刻终终了了时时
13、刻刻外力做功外力做功电容器的电能电容器的电能43电场能量体密度电场能量体密度描述电场中能量分布状况描述电场中能量分布状况三、静电场的能量三、静电场的能量电场存在的空间体积电场存在的空间体积44推广：对任一电场，电场强度非匀整推广：对任一电场，电场强度非匀整45例：例：计算球形电容器的能量计算球形电容器的能量 已知已知RA、RB、q解：场强分布解：场强分布取体积元取体积元能量能量46课课堂堂探探讨讨比较匀整带电球面和匀整带电球体所储存的能量。比较匀整带电球面和匀整带电球体所储存的能量。471、磁介质的分类磁介质的分类 磁介质磁介质磁介质磁介质磁介质磁介质能与磁场产生相互作用的物质能与磁场产生相互
14、作用的物质磁化磁化磁介质在磁场作用下所发生的变更磁介质在磁场作用下所发生的变更（1）顺磁质）顺磁质（3）铁磁质）铁磁质（2）抗磁质）抗磁质（4）超导体）超导体根据根据 的大小和方向可将磁介质分为四大类的大小和方向可将磁介质分为四大类 附加磁场附加磁场磁导率磁导率描述不同磁介质磁化后对外原磁场的影响描述不同磁介质磁化后对外原磁场的影响48 利用安培环路定理求利用安培环路定理求.2、介质中磁场的基本规律介质中磁场的基本规律已知：真空中长直螺线管，已知：真空中长直螺线管，I、n(单位长度导线匝数单位长度导线匝数)若在长直螺线管内若在长直螺线管内充溢某种匀整磁介质充溢某种匀整磁介质49定义定义磁场强度
15、磁场强度 在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流的代数和，而与磁化电流无关。的代数和，而与磁化电流无关。单位：安培单位：安培/米米(A/m)同样，无限大匀整磁介质中同样，无限大匀整磁介质中磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理50例例1 一环形螺线管，管内充溢磁导率为一环形螺线管，管内充溢磁导率为，相对磁导，相对磁导率为率为r的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长度上的导线匝数为单位长度上的导线匝数为n。求：环内
16、的磁场强度和磁感应强度求：环内的磁场强度和磁感应强度解：解：51例例2 一无限长载流圆柱体，通有电流一无限长载流圆柱体，通有电流I，设电流，设电流 I 匀整分布在整个横截面上。柱体的磁导率为匀整分布在整个横截面上。柱体的磁导率为，柱，柱外为真空。外为真空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。解：解：IR52在分界面上在分界面上H 连续连续,B 不连续不连续IR533.有剩磁、磁饱和及磁滞现象。有剩磁、磁饱和及磁滞现象。铁磁质的特性铁磁质的特性铁磁质的特性铁磁质的特性2.有很大的磁导率。有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增加放入线圈中时可以使磁场增
17、加102 104倍。倍。4.温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。3 3、铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质1.磁导率磁导率不是一个常量，不是一个常量，2.它的值不仅决定于原线圈中的电流，还决定于它的值不仅决定于原线圈中的电流，还决定于铁铁3.磁质样品磁化的历史磁质样品磁化的历史;B 和和H 不是线性关系。不是线性关系。54初始磁初始磁化曲线化曲线.矫顽力矫顽力饱和磁感应强度饱和磁感应强度磁滞回线磁滞回线剩剩 磁磁磁滞回线磁滞回线55铁磁质的分类及其应用铁磁质的分类及其应用软磁材料可作变压器纯铁，硅钢、坡莫合软磁材料可作变压器纯铁，硅钢、坡莫合金金(Fe，Ni)，铁
18、氧体等。，铁氧体等。r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，感应强度大，矫顽力矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（长，损耗小（HdB面积小）。面积小）。还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。磁芯、磁棒。(1)软磁材料软磁材料56(2)硬磁材料硬磁材料作永久磁铁作永久磁铁钨钢，碳钢，铝镍钴合金钨钢，碳钢，铝镍钴合金(3)矩磁材料矩磁材料作存储元件作存储元件Br=BS ，Hc不大，磁滞回线是矩形。不大，磁滞回线是矩形。用于用于记忆元件记忆元件，当，当+脉冲产生脉冲产生HHC使磁芯呈使磁芯呈+B态，态，则则脉冲产生脉冲产生H102A/m)，剩磁剩磁Br大大磁滞回线的面积大，损耗大。磁滞回线的面积大，损耗大。还用于磁电式电表中的永磁铁。还用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体锰镁铁氧体，锂锰铁氧体57