文档介绍：静电场与导体的相互作用
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静电场与物质的相互作用体现在两个方面:一方面,当把物质放在静电场中时物质要受到电场的作用;另一方面,电场中的物质也会对电场产生影响。
一、导体的静电平衡条件
这一部分只限于讨论各向同性均匀金属导体与电场的相互作用。
导体内有大量的自由电荷,当把导体放在外电场中时,导体中的自由电子都将受到电场力的作用,出现宏观定向运动,引起导体上电荷的重新分布,在导体表面出现感应电荷。
这种现象称为静电感应现象。
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导体内部的总场强
当时,导体处于静电平衡状态。
导体的静电平衡:在电场中,导体的内部和表面都没有电荷定向移动的状态。
导体静电平衡条件: 导体内部场强处处为0。
用反证法,若电场强度不为零,则自由电荷将能移动。
说明:
(包括导体外部的电荷和导体上的电荷)在导体内部产生的总场强。
。
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结论:静电平衡时导体为等势体,导体表面为等势面。
证明:设一导体处于静电平衡状态。
在导体内任取两点,
静电平衡时
导体为等势体,导体表面为等势面。
其电势差为:
二、静电平衡状态导体的性质
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结论1:静电平衡时导体内无净电荷,所有电荷分布于外表面。
高斯面
证明:导体内作高斯面
静电平衡时
缩小高斯面,
所以静电平衡时导体内无净电荷。
如果
则有
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结论2:电荷在导体表面上的分布与导体表面的形状和周围存在的带电体有关。
一般来说,孤立导体处于静电平衡时,它的表面各处的面电荷密度与各处表面的曲率有关,曲率越大的地方,面电荷密度越大。
结论:静电平衡时,场强方向与导体表面垂直。
由于静电平衡时导体表面为等势面,由等势面的性质,场强方向垂直于等势面,所以场强垂直于导体表面。
如果场强不垂直于表面,电场力继续移动电荷,不满足静电平衡条件。
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结论1:空腔内表面处处无净电荷,全部电荷分布于外表面。
证明:在导体内作高斯面,
导体内
导体内表面电荷是否会等量异号?
设内表面A处e>0 ,B处e<0,两者之间就必有电力线相连。
空腔内AB两点就有电势差存在,这与导体是等势体、导体内场强为零相矛盾。所以导体内表面处处e=0。
三、静电平衡状态导体空腔的性质静电屏蔽
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结论2:空腔内部及导体内部电场强度处处为零,即它们是等电势。
空腔导体具有静电屏蔽作用。例如:高压带电作业人员穿的导电纤维编织的工作服。
以上这些结论不受腔外带电体的影响,
不管外电场如何变化,由于导体表面电荷的重新分布,总要使内部场强为零。腔外带电体与腔外表面电荷在腔内场强总贡献为零。
+
2
U=C2
U=C2
+
3
U=C3
U=C3
这是静电屏蔽的一种含义。
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导体原带有电荷 Q ,腔内另有 q 电荷。
结论:内表面带有–q 电荷。外表面带有 Q+q 电荷。
证明:在导体面内作高斯面,
导体内
由于腔内有 q 电荷,
腔内表面有–q 电荷,
由电荷守恒定律,在外表面上产生等量的正电荷,外表面上的电荷为:
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腔内有带电体的空腔导体接地时,内表面所带总电量与空腔内带电体的电量相等、符号相反。
腔外无带电体时,外表面上的感应电荷被大地电荷中和,所以不带电荷。金属空腔是零等势体。
若腔内有带电体的导体空腔接地, 并且腔外有带电体时,外表面上的感应电荷被大地电荷部分中和。
可以证明:此时壳内的任何电场都不影响外界,也不受外界影响。
例如:如家电的接地保护;
外表面所带电荷的多少必须保证腔内、腔内表面、腔外表面以及腔外电荷在导体内产生的场强为零,即满足静电平衡条件。金属空腔是零电位。
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