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电磁学-静电场中的导体和电介质a.ppt

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电磁学-静电场中的导体和电介质a.ppt
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第二章 静电场中的导体与电介质,当空间存在,本章研究讨论,以及静电场的能量和能量密度等。,一、理解并掌握导体的静电平衡条件及静电平衡时导体的基本性质。加深对于高斯定理和环路定理的理解,结合应用电场线这一工具,会讨论静电平衡时的若干现象,并求解电场中有导体存在时的场强和电势分布较简单的问题。,二、明确电容、电容器的物理意义以及电容、电压、电量三者之间的关系和电容器串联、并联的特征;熟练掌握电容及电容器储能的计算方法。,基 本 要 求,三、理解电介质极化原理、极化规律及有介质存在时电场的讨论方法。深入理解和掌握引入电位移矢量 的意义、有介质时的静电场方程的实质, 的联系和区别,会运用介质存在时的高斯定理求解带电导体和均匀电介质具高度对称分布时电场中的电位移矢量,进而再求解场强、电势、电极化强度和极化电荷等物理量。了解静电场的边值关系。,§2.1 导体(金属导体)和 电介质,四、 理解电场具有能量,掌握静电场能量和静电场能量密度概念,并明确静电场能量和静电势能的联系和区别,掌握电场能量的计算方法。,一、原子实(atomic kernel),——原子的内部满壳层中的电子+原于核,——视为正的点电荷.,原子实的质量≈原子的质量,二、在外加作用下,物体内电荷的运动方式,迁移运动 ——导致形成电流的运动,位移运动 ——形成电极化的运动,电荷受外加电场作用而引起运动的效应最为显著,但宏观物体的外力、加热、光照等外加作用也会引起其中的电荷产生迁移或位移运动 。,三、物质的分类,宏观物体在外电场作用下产生电流的传导效应的大小用电导率来衡量 。,电导率γ——,,单位:-1·m-1,其中ρ 为电阻率,1. 按照电导率γ 的大小将物质分类,导体——,γ 108 -1·m-1,绝缘体 ——,γ 10-7 -1·m-1,半导体 ——,10-7 γ 108 -1·m-1,宏观物体在外电场作用下产生电极化效应的大小可用相对电容率 εr 来衡量 。,2. 按照相对电容率 εr 的大小将物质分类,在SI中,真空的相对电容宰 εr =1;而一般情况下所有物质的相对电容率均大于1。,称 εr ≠1 的物质为电介质。,绝缘体是理想的电介质,因为在外电场作用下其中的传导效应小到可以忽略不计,而只需研究其电极化效应。但是绝缘体和电介质是按照不同标准将物质分类的结果,两个名词并不等价 。,除稀薄的完全电离气体(等离子体)外,自然界几乎所有物质都是电介质。,金属不是绝缘体而是良导体。但是在 x 射线频率的电场作用下,金属成为电介质。 原因——此时传导电流的电子因惯性而来不及跟随电场作迁移运动,明显地表现出电极化的介电行为,因而也成为电介质。,对于较低的频率,金属因其良好的传导性而难以在其中形成电场,所以它的介电性质难以研究,但不能因此认为它没有电极化效应而排除在电介质之外。,自从电流的各种效应发现之后,由于电介质长期被作为绝缘材料,所以许多人认为电介质就是绝缘体。绝缘性能是电介质的重要性能之一,但电介质还有更多更重要的其它性能,例如热释电效应、压电效应、电致伸缩效应。以上效应使得电介质可以将热信息、力信息、电信息互相转换而成为重要的功能材料。,四、导体和电介质的导电结构,导体和电介质导电性能上的差别是因两者的电结构不同 。,1. 第一类导体(金属导体),自由电子(-)+ 正离子(晶格点阵)( + ),正离子不能作宏观移动,仅能围绕各自的平衡位置作微小振动。,微观结构:,无外电场时,自由电子在晶格间作无规则热运动,并和晶格发生频繁碰撞。自由电子的这种无规则热运动的平均速度为零,因而不会形成电流。,金属内部存在大量自由电子是金属具有良好导电性的原因。,2. 第二类导体(电解质溶液),电解质溶于水后,在溶液中形成许多正、负离子,这些正、负离子可以在溶液中自由移动。当有外加电场时,这些正、负离子在电场力作用下作定向漂移运动形成电流。,存在大量可以自由移动的正、负离子是电解质溶液具有良好导电性的原因。,当金属内部有电场时,自由电子除作无规则热运动外、还在电场力作用下作定向漂移运动形成电流 。,不带电的金属导体在无外场空间整体呈电中性,且体内无电荷的宏观定向运动。,1. 第一类导体(金属导体),为了突出电介质的主要特征,使讨论问题得以简化,忽略它的微弱导电性,把电介质看成是完全不导电的物质。,§2.2 静电场中的导体(金属导体),一、金属导体的静电感应及静电平衡:,1. 金属导体的静电感应:,导体内存在着自由电荷,它们在电场作用下可以移动。,电荷的分布和电场的分布相互影响、相互制约。,3. 绝缘体(电介质),绝缘体中自由电荷极少,绝大多数电荷只能作在分子范围内的位移运动。这些不能作宏观运动的电荷称为束缚电荷。,电介质中自由电荷极少是电介质导电性能极差的原因
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