导体01
小学科学20导体和绝缘体(学历案)
小学科学20导体和绝缘体（学历案）导体和绝缘体是小学科学课程中的重要内容之一，它们在电学方面具有重要的应用和意义。
导体是能够传导电流的物质，而绝缘体则是不能传导电流的物质。
本文将详细介绍导体和绝缘体的概念、特性和应用，以及学习导体和绝缘体的重要性。
首先，我们来介绍导体。
导体是指电流可以自由流动的物质。
通常，金属是良好的导体，如铜、铝等。
导体的主要特点是具有低电阻，电子能够很容易地在导体中自由移动。
这是因为导体中的原子或分子处于松散状态，它们的外层电子不牢固地束缚在原子核周围，可以自由地在导体中移动。
导体不仅可以传导电流，还能传导热量。
导体的应用非常广泛。
例如，在电线、电路板和电器中都使用导体，用于传输电能和信号。
导体的低电阻特性使得电流可以稳定地通过导线传输，确保电路的正常工作。
此外，在现代科技领域中，许多导体还具有特殊的性质，如超导体，它们在极低的温度下可以表现出无电阻的特性，用于制造超导体磁铁、超导体电缆等。
与导体相对应的是绝缘体。
绝缘体是指电流不能通过的物质，如塑料、橡胶、陶瓷等。
绝缘体的主要特点是具有高电阻，电子不能在绝缘体中自由移动。
这是因为绝缘体中的原子或分子形成了紧密的结构，电子无法从一个原子跃迁到另一个原子上。
绝缘体不仅不能传导电流，还具有良好的绝缘性能，可以阻止电流通过并防止电击和短路等危险。
绝缘体在电子设备和工业生产中起着重要的作用。
例如，我们经常会见到的塑料电线管就是用于保护电线的绝缘体。
绝缘材料的使用可以有效地避免电线短路和触电事故，确保电路的安全运行。
此外，绝缘体还用于制造电容器、绝缘子、绝缘胶带等，广泛应用于电子、电力、航空航天等领域。
学习导体和绝缘体对小学生来说非常重要。
在学习科学的过程中，通过了解导体和绝缘体的特点和应用，可以帮助学生认识到电流在物质中的传导性质。
此外，导体和绝缘体的概念也为学生进一步学习电路、电磁学等课程打下基础。
了解导体和绝缘体的差异，能够让学生在使用电器或接触电源时更加安全，避免电击事故的发生。
请列举三种常见的导体。
半导体材料的发展 趋势：随着科技的 不断进步，新型半 导体材料不断涌现， 如碳化硅、氮化镓 等，具有更高的电 子迁移率和更宽的 禁带宽度，为电子 和光电子器件的发 展提供了新的可能。
金属原子结构：自由电子的存在使得金属原子能够传递电流 导电原理：金属中自由电子在电场作用下定向移动形成电流 导电能力：金属的导电能力与其纯度、温度等因素有关 应用场景：广泛用于电线、电缆等电气工程领域
电磁屏蔽：金属导体能够有效地屏蔽电磁波，保护电子设备不受外界电磁干扰的影响，提高设备 的稳定性和可靠性。
电容器电极：金属导体在电容器中作为电极使用，能够储存电荷和实现电荷的转移，对电路的正 常运行起到关键作用。
电解质导体作为电池的电解液，能够传递电流并产生化学反应 在电解工业中，电解质导体可用于电解水制氢、制氯等过程，提供高效的 电能转换 电解质导体在电池和电解工业中的应用，提高了能源利用效率和生产效率
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01 导 体 种 类 02 导 体 应 用 03 导 体 的 特 性
定义：金属导体是指由金属元素组成的导体，具有良好的导电性能。 特性：金属导体的导电性能与其纯度、温度、金属的种类等因素有 关。金属导体中的自由电子在电场的作用下定向移动，形成电流。 应用：金属导体广泛应用于电力传输、电子设备制造等领域。
半导体。
应用：广泛用 于电子器件、 太阳能电池等
领域。
不同种类的电解质导体具有不同的性能特点，需要根据具体需求进行选择
半导体材料在电子 器件中的应用：如 晶体管、集成电路 等，用于放大、开 关、整流等作用。
半导体材料在光电 子器件中的应用： 如激光器、太阳能 电池、光电探测器 等，用于光电转换、 光通信等。
导体与绝缘体(完美版)课件
在电子设备中，导体如金、银、铜等用于制造集 成电路，实现电子信号的传输和处理。
连接器
导体用于制造各种连接器，如电线、电缆和插头 等，实现电路的连接和断开。
散热器
在电子设备中，导体如铝、铜等用于制造散热器 ，帮助设备在高负荷运行时散发多余的热量。
金属导体的其他应用
电磁铁
利用导体的导电性，电磁铁在许多领域都有应用，如工业自动化 、门禁系统等。
纳米材料在导体与绝缘体中的应用
纳米导体的研究与应用
纳米材料具有独特的物理和化学性质，纳米导体在电子器件、传感器、太阳能电池等领域的应用逐渐普及，为微 型化、高效化的技术发展提供支持。
纳米绝缘体的研究与应用
纳米绝缘体在电子封装、微电子器件制造等领域具有广泛的应用前景，其高绝缘性、小尺寸效应和特殊结构等特 性为绝缘技术的发展带来新的机遇。
新型绝缘体材料
新型绝缘体材料如氮化硼、氧化铝等，具有高绝缘性、耐高温和轻量化等特点， 广泛应用于电子器件制造、高温环境下的绝缘需求。
高温超导体的研究与应用
高温超导体的发现
近年来，高温超导体成为研究的热点 ，它们在一定的温度下能够实现零电 阻，为能源传输和存储领域带来巨大 的潜力。
高温超导体的应用
随着研究的深入，高温超导体在电力 传输、磁悬浮列车、磁共振成像等领 域的应用逐渐成为现实，为人类生活 带来便利。
电解质溶液中的离子在电场的作用下受到电场力的作用而定 向移动，形成电流。
3
CATALOGUE
绝缘体的绝缘原理
气体绝缘原理
气体分子结构
气体分子由原子组成，原子核外 的电子数与质子数相等，形成稳
定的分子结构。
气体绝缘原理
在正常状态下，气体分子中的电 子被原子核牢牢束缚，无法自由 移动。当电场施加时，气体分子 中的电子难以克服原子核的束缚
导体和绝缘体课件
此外，在电子设备的生产过程中 ，绝缘材料还被用于制造绝缘层 、绝缘垫片、绝缘胶带等，以确 保电子设备的可靠性和稳定性。
绝缘材料在其他领域中的应用
在日常生活中，绝缘材料的应用也十分 广泛。例如，家用电器中的塑料外壳、 电饭煲的加热盘、电吹风的电机外壳等
都是绝缘材料的应用实例。
在建筑行业中，绝缘材料被用于制造电 气设备的保护套管、建筑物的隔热材料 等，以提高建筑物的电气安全性和节能
绝缘材料的绝缘原理
绝缘材料通常具有高电阻率， 能够有效地阻止电流的通过。
绝缘材料的分子结构稳定，不 易发生电子转移，从而阻碍电 流的形成。
绝缘材料内部存在大量的空隙 和陷阱，能够捕获和限制电子 的运动，阻止电流的传导。
绝缘材料的性能指标
01
02
03
绝缘电阻
衡量绝缘材料阻止电流通 过的能力，数值越高，绝 缘性能越好。
绝缘体的定义和特性
定义
绝缘体是能够阻止电流通过的物 质。
特性
绝缘体具有低导电性或几乎不导 电，能够阻止电荷的传输。例如 塑料、橡胶、陶瓷等都是常见的 绝缘体。
导体和绝缘体的分类
导体分类
根据导电性能的不同，导体可分为良 导体和不良导体。良导体如铜、银等 ，不良导体如铁、铝等。
绝缘体分类
绝缘体可分为无机绝缘体和有机绝缘 体。无机绝缘体如陶瓷、玻璃等，有 机绝缘体如塑料、橡胶等。
非金属导体的应用
电线电缆
非金属导体如塑料、橡胶等常用 于制造电线电缆，因为它们的绝
缘性能好且成本较低。
导电涂料
非金属导体可以制成导电涂料，涂 覆在绝缘材料表面，实现导电功能 。
导热材料
某些非金属导体具有较好的导热性 能，如石
超导体
1911年2月，掌握了液氦和低温技术的卡末林·昂尼斯发现，在4.3K以下，铂的电阻保持为一常数，而不是 通过一极小值后再增大。因此卡末林·昂尼斯认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失。为了验证这种猜想，卡末 林·昂尼斯选择了更容易提纯的汞作为实验对象。首先，卡末林·昂尼斯将汞冷却到零下40℃，使汞凝固成线状； 然后利用液氦将温度降低至4.2K附近，并在汞线两端施加电压；当温度稍低于4.2K时，汞的电阻突然消失，表现 出超导状态。
超导体已经进行了一系列试验性应用，并且开展了一定的军事、商业应用，在通信领域可以作为光子晶体的 缺陷材料。
背景
超导体的发现与低温研究密不可分。在18世纪，由于低温技术的限制，人们认为存在不能被液化的“永久气 体”，如氢气、氦气等。1898年，英国物理学家杜瓦制得液氢。1908年，荷兰莱顿大学莱顿低温实验室的卡末 林·昂内斯教授成功将最后一种“永久气体”——氦气液化，并通过降低液氦蒸汽压的方法，获得1.15~4.25K的 低温。 低温研究的突破，为超导体的发现奠定了基础。
BCS理论认为，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成库珀对，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动， 形成超导电流。对于库珀对产生的原因，BCS理论做出了如下解释：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正 电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原 来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子 对将不会和晶格发生能量交换，没有电阻，形成超导电流。
导体表面上的电荷分布情况
03
影响导体表面电荷分布的 因素
外部电场对电荷分布的影响
01
02
03
静电感应
当导体处于外部电场中时， 导体表面的电荷会感应出 与外部电场相反的电荷， 形成静电感应现象。
电极化
导体内部的自由电荷在外 部电场的作用下重新排列， 形成电极化现象。
电场线分布
导体表面的电荷分布会受 到外部电场线的影响，电 场线越密集的区域，电荷 密度越高。
应用场景
在研究导体表面电荷分布时，电荷守 恒定律是重要的基础。通过测量导体 表面的电荷分布，可以推算出导体内 部电荷的分布情况。
电场与电势
电场
电场是由电荷产生的空间中的力场，它对放入其中的电荷施加作用力。在静电 平衡状态下，导体表面附近的电场方向垂直于导体表面。
电势
电势是一个标量，表示电场中某一点电荷所具有的势能。在静电平衡状态下， 导体表面的电势与导体内部电势相等，且等于外部电场中该点的电势。
测量仪等。
电容法
总结词
电容法是通过测量导体电容的变化来推断导 体表面电荷分布的一种方法。
详细描述
电容法的基本原理是电容器的电容与电极间 的距离和相对面积有关。当导体表面电荷分 布发生变化时，电容器的电容也会相应地发 生变化。通过测量电容的变化，可以推断出 导体表面电荷的分布情况。这种方法需要使 用高精度的电容测量仪器，如电容计等。
04
导体表面电荷分布的应用
电容器
01
电容器是利用导体表面 电荷分布来存储电场能 量的电子元件。
02
电容器由两个平行、相 对的导电板组成，称为 电极。
03
电荷分布在电极表面， 形成等量异号的电荷， 产生电场。
04
电容器的电容取决于电 极面积、电极间距和介 电常数。
圆波导tm01模等效阻抗
圆波导tm01模等效阻抗圆波导的TM01模式是一种非常重要的传输模式，被广泛应用于微波和光波导系统中。
在设计和分析圆波导系统时，了解TM01模式的等效阻抗是至关重要的。
本文将以圆波导TM01模式等效阻抗为主题，一步一步回答。
在开始讨论圆波导TM01模式等效阻抗之前，我们先来了解一下什么是等效阻抗。
等效阻抗是指在输电线（导体）上，使得这条线上的电流和电压满足一定条件的阻抗。
在电磁学中，等效阻抗描述了电磁波在不同媒介中传播的特性。
对于圆波导TM01模式，它是一种只有一个横向电场分量和一个轴向磁场分量的模式。
在TM01模式中，电场沿径向方向分布，磁场沿方位角方向分布。
TM01模式被广泛用于微波和光波导系统中，因为它具有良好的场分布和较低的传输损耗。
圆波导TM01模式的等效阻抗可以通过以下步骤计算：步骤1：确定圆波导的尺寸和工作频率。
首先，我们需要确定圆波导的内半径（a）和工作频率（f）。
圆波导通常由金属导体制成，因此内半径是金属导体的外半径。
工作频率可以根据具体的应用需求确定。
步骤2：计算TM01模式的截止频率。
TM01模式的截止频率可以通过以下公式计算：fc = （1.841 / 2π）（c / a）其中，fc为截止频率，c为真空中的光速，a为圆波导的内半径。
步骤3：计算圆波导的波长。
圆波导的波长可以通过以下公式计算：λg = λ/ （2π）其中，λ为工作频率的波长。
步骤4：计算TM01模式的等效阻抗。
TM01模式的等效阻抗可以通过以下公式计算：ZTE = （c / γg）×（R / a）其中，ZTE为等效阻抗，c为真空中的光速，γg为TM01模式的相位常数，R为圆波导内径的截断频率，a为圆波导的内半径。
步骤5：计算相位常数。
TM01模式的相位常数可以通过以下公式计算：γg = √（k0²- βg²）其中，k0为自由空间中的波数，βg为TM01模式的传播常数。
至此，我们已经得到了圆波导TM01模式的等效阻抗。
快离子导体总结
快离子导体总结简介：快离子导体（fast ionic conductor）也称超离子导体,有时又叫做固体电解质,有时又叫做固体电解质它区别于一般离子导体的最基本特征是在一定的温度范围内具有能与液体电解质相比拟的离子电导率(0.01Ω•cm)和低的离子电导激活能(≤0.40eV)。
多数快离子导体是无机化合物，也有不少有机材料是银，铜和氢离子的快离子导体。
用于基础研究的快离子导体多数是单晶体，但实际应用时常采用多晶体材料，近来又开始了非晶态快离子导体的研究工作。
发展历程：1834年M.法拉第首先观察到AgS中的离子传输现象。
1935年发现 AgI在147C 从低温相转变到高温相时，电导率增加了四个数量级，这个相变是由一般离子导体到快离子导体的相变。
1961年合成了第一个室温快离子导体 AgSI。
1967年前后相继发现了具有实用价值的快离子导体RbAgI和Na--AIO1978年又发现了室温铜离子导体RbCu16ICl13。
分类：快离子导体中运动离子的半径一般都比较小，研究得最多的是AgCu、Li、Na、F和O等的快离子导体。
附表列出了一些有代表性的材料。
按照材料由一般离子相到快离子相的相变行为，可以把快离子导体分为三类：第一类：发生一级相变,相变时离子电导率有突变，典型代表是AgI。
第二类：以PbF为代表, 相转变在相当宽的温度范围内完成，离子电导率由一般离子态的值平滑地变到快离子态的值。
这种相变叫做法拉第相变，相变时有比热容峰。
第三类：在所研究的温度范围内未发现相变,电导率增加随温度升高按指数式，Na-β-AIO就是一例。
一些典型的快离子导体特性：快离子导体具有特殊的晶体结构，可以看成是由两个亚点阵所构成，一个是不运动离子形成的刚性亚点阵，另一个是由运动离子构成的液态亚点阵。
刚性亚点阵必须满足三个条件：①刚性亚点阵中能被运动离子占据的位置数远远大于运动离子数。
②间隙位置之间的势垒必须足够低，以使运动离子能通过热激活从一个间隙位置跃迁到近邻的位置。
电缆导体电阻和电阻率误差原因分析
电缆导体电阻和电阻率误差原因分析摘要：本文通过对电缆导体电阻和电阻率的解释，分析了导体电阻和电阻率测量时产生误差的原因，以及有效减少误差的正确措施，对电缆检验人员和企业技术人员有较强的现实意义和较好的指导意义。
关键词：电缆导体；电阻及电阻率；误差原因；措施；前言电线电缆是我国重点工业产品之一，它被广泛的应用在国民经济建设的很多领域。
电线电缆的产品质量关系到国计民生和老百姓的生命健康财产安全。
一、电阻率及电阻概述1.对于电缆来说，导体的电阻是指其对于电流通过的阻碍作用。
导体的电阻与导体的材料、长度、截面、温度有关；也可以这样说：当软圆铜线温度为20℃、截面为1mm2、长度为1m时，其电阻值为0．017241Ω；电阻值越大，阻碍电流通过的能力就越大，载流量就越小。
上海电缆研究所通过试验，提出了电缆的载流量，可供参考。
电缆导体的电阻率有体积电阻率、质量电阻率、单位长度电阻率。
体积电阻率为单位长度和单位截面积的导体的电阻。
国际电工委员会IEC28（125）《铜电阻国际标准》中规定：“20℃温度时，国际退火铜体积电阻率是1／58=0．017241Ω·mm2／m”。
2.影响电阻的因素（1）原材料的选择选用优质的铜或铝为原料。
当原料进入工厂时，企业若是不严格控制原材料的性能测试或存储材料不当而造成材料氧化，再或者选择了低价回收铜导致铜杂质含量高，势必影响导线承载能力，导致导体直流电阻增加。
改进建议：购买表面光亮、品质优良的铜、铝作为原材料。
进入工厂时，原材料的质量应严格检验，须通过原材料的性能试验并具备合格的第三方检验报告。
同时，采用适当的贮存方法（如物理方法对隔离空气进行适当的包裹）防止铜的氧化。
（2）生产工艺中的控制电线电缆生产过程中，铜导体易氧化变色，这会大大影响导体载留质量。
其次，生产时，拉丝工艺中的退火不良，绞合时张力太紧会导致导体拉细等情况，也会影响导体直流电阻的阻值。
改善建议：采用合适的铜杆加工工艺，使用含抗氧剂的拉丝油；在退火工序使用抗氧剂，并尽量缩短铜丝的受热过程，采用以上措施能够降低电线电缆铜导体氧化程度。
用能带理论解释导体、半导体和
材料化学1301班 冯燕萍
汇报人姓名
单/击/此/处/添/加/副/标/题/内/容
当温度接近 0 K时，电子由低能级到高能级逐个填充能带。
电子填充能带的情况 金属导体、绝缘体和本征半导体
一般，原子的内层能级都被电子填满，成为满带。价电子引起的能带（价带）可能是满带，也可能不是满带。 有些能带相互交叠形成混合能带，交叠后的能带还可能再分裂为上下两个能带。
二. 金属导体、绝缘体和半导体
1. 导体 较低的能带都被电子填满，上面的能带只是部分地被电子填充。
当无外电场时，晶体中的电子速度分布对称，不引起宏观电流。
当有外电场时，晶体中的运动着电子有些被加速，有些被减速，即有些动能增加有些动能减小。只有当电子所在的能带内有未被占据的空能级，即为非满带时，这样的跃迁才有可能实现。
本征半导体的禁带比绝缘体的窄很多，在常温下，少数电子经热激发可越过禁带跃迁到空带中，这时，半导体就具有一定的导电性。
3s
3p
Eg 禁带
空带
填满的能带
有些电子可能跃入空带
谢谢聆听
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绝缘体在外电场的作用下， 共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。
当外电场足够强时，共有化电子还是能越过 禁带跃迁到上面的空带中，使绝缘体的击穿 。
共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。
（Eg：3～6 eV）
3. 本征半导体不含杂质的纯净半导体。
当温度接近 0 K时，价带都被电子填满，价带以上的能带都是空带。因此和绝缘体一样都没有导电性。
01
03
02
一.电子填充能带的情况
满带：填满电子的能带 不满带：未填满电子的能带 空带：没有电子占据的能带 禁带：不能填充电子的能区 价带：在0k时能被电子占满的最高能 带，对半导体价带通常是慢带 导带：半导体最外面（能量最高）的 一个能带。
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q
在腔内仍有：
E外表面电荷 E其他带电体 0
由于空腔导体具有上述静电特性，
可以利用其对腔内和腔外进行静电隔离，称之为
3. 静电屏蔽 例如为了使仪器不受外电场的影响，
可将它用导体壳罩起来
－ － －
－ － －
＋ ＋ ＋
＋＋ ＋＋
仪器
由于静电感应使壳的外表面带上感应电荷， 而感应电荷在腔内产生的电场抵消了外电场， 使壳内空间的合场强为零
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
这样自由电子是必在导体的一端堆积起来 使导体的一端因多余电子而带负电， 而另一端因缺少电子而带正电——静电感应。 图形简化
－ － － － － －
E
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
E外
这种电荷在两端的堆积是否会永远进行下去呢？ 不会 因为在两端堆积的正负电荷也要在空间激发电场 在导体内所激发的电场与外电场方向相反， 导体内任意一点的电场
开始时， E 0
E内 E E外
增大
随着两端电荷的数量增多， E
E E外
最终
－ － － － － －
E
E内 0
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
E外
E内 E E外 0
导体内场强处处为零， 宏观上自由电子将不再作定向运动 电荷在两端的堆积行为终止 ——把这种状态称作导体的静电平衡状态
3. 静电屏蔽
＋
＋
－ － － ＋
＋
－ ＋ ＋ ＋ － ＋ －
＋ ＋
另一种情况是为了
＋
使某带电体不影响周围空间， ＋ 也可用导体壳将它罩起来，
＋
－ ＋
电器
＋ － ＋
＋ － ＋
为除去导体壳外表面上因感应而出现的同号电荷， 可将导体“接地”，使这部分电荷泄放给大地。 使空腔内外的电场互不影响
静电问题已被广大科学工作者和工程技术人员所重视，
设
ˆ n
P E表
S
P 是导体外紧靠导体表面的一点 E dS E表 dS E dS
S
导体表面 ˆ dS dSn E表dS S S ˆ E表 n E表 S 0 0
S S
3. 孤立带电导体表面电荷分布
E内 0
S
由高斯定理 E dS 0
S
q dV 0
i i V
闭合曲面任取
0
证毕
无论导体原来是否带电，当导体处于静电平衡时， 电荷只能分布在导体表面！
2. 导体表面面电荷密度与场强关系
设导体表面电荷面密度为 ( x, y, z )
S
相应的电场强度为 E表 ( x, y, z )
+q
-q
r
A
q
UB
q Qq 4 0 r 4 0 r 4 R 0 2 q
o
R0
R2
R1
例3 半径为R 接地导体球附近有一点电荷,如图所示。
求:导体上感应电荷的电量
解: 导体上感应电荷
只分布在导体球表面， 设:感应电量为
l
dS
Q
R o
●
q
在球面上取一面元 dS
所带电量为 dq
金属
金属一般是由许多单晶颗粒组成的多晶体。
晶体点阵，自由电子，正离子
金属导体内部包含有大量的自由电子， 这是金属导体在电结构方面的重要特征。 例如铜约为 8×1022 cm
－
3
＋
＋
＋ ＋
＋ ＋
＋ ＋
＋ ＋
＋
＋
＋
＋
＋
这些大量的自由电子， 在导体处于一种什么样的状态呢？ 当导体未带电或未受到外电场作用时， 这些自由电子在金属导体内作无规则热运动 使得其内部的自由电子负电荷与晶格离子正电荷 平均说来，在空间上是等量分布的， 因此导体的任何部分都呈电中性。
＋
＋
＋ ＋
＋ ＋
＋ ＋
＋ ＋
E外
＋
＋
＋
＋
＋
如果将金属导体放在外电场中，会出现什么情况呢？
以匀强电场为例
＋ ＋ ＋ ＋ ＋
E外
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
在外电场作用下中， 金属导体中的自由电子将沿外电场反向作定向运动，
＋ ＋
＋ ＋ ＋ ＋
＋ ＋ ＋ ＋
＋ ＋ ＋ ＋
＋ ＋ ＋ ＋
E外
＋
＋
E外
三. 空腔导体的静电平衡
腔外
何谓空腔导体
腔内
空腔导体（导体壳）的几何结构
腔内、腔外
内表面 外表面
内表面、外表面 讨论的问题是：当空腔导体处于的静电平衡时
1) 腔内、外表面电荷分布特征 2) 腔内、腔外空间电场特征
1. 腔内无带电体
不论空腔导体是本身带电还是处在外电场中， 静电平衡时具有下述性质： 导体内场强处处为零 腔内空间的场强处处为零
E腔内 0
V
V
证明： 静电平衡时，导体为等势体，内表面为等势面， 设其电势为V 在腔内紧邻内表面作另一等势面 S，对应电势为V′
S
1. 腔内无带电体
导体内场强处处为零 腔内空间的场强处处为零
V
V
q 证明： 通过闭合面S 的电通量 E dS i内 腔内
假设
E腔内 0
E0
在导体内任取一点 P， 由导体静电平衡条件 P点场强为零
x
E E0 E1 E2 0
E E0 E1 E2 0
选择向右为正方向，假设
1 2
1 2
E2 P
E1
E0 iˆ 2 0
1 2 ˆ i E1 iˆ E2 2 0 2 0
●
b
a dl
●
U c
证：在导体上任取两点
b
a和b
E内 0
U a U b E dl 0
a
U a Ub
静电平衡条件的 另一种表述
导体等势是导体体内电场强度 处处为零的必然结果
二.导体上电荷的分布
由导体的静电平衡条件和静电场的基本性质， 可以得出导体上的电荷分布规律。 1. 静电平衡导体体内净余电荷处处为零 证明： 在导体内任取一闭合曲面S
E dS 0
S
S
设内表面的面电荷密度为
由高斯定理
S E dS
0
0
1. 腔内无带电体
导体内场强处处为零 腔内空间的场强处处为零
E腔内 0
空腔内表面处处无电荷 导体连空腔形成一等势区
注意： 1) 外表面仍会受外电场影响，出现电荷分布， 但总电量仍为零。 2) 腔内无电场， 是导体外表面及其他带电体的场同时叠加的结果。
腔内带电体对导体壳外的电场有了贡献。 空腔内部电荷及电场变化会对导体壳的外界产生影响
2. 腔内有带电体 q
腔内的电场不再为零，其分布 • 与电荷 q 电量和分布有关 • 与内表面形状、腔内介质等因素有关 • 与导体外其它带电体的分布无关 这就是说：导体空腔外的电荷对空腔内的电场 及电荷分布没有影响
qi i E dS
S
0
E dl 0
L
3.电荷守恒定律
q const .
i i
例1 无限大的带电平面的场中
平行放置一无限大金属平板 求：金属板两面电荷面密度 解: 设金属板面电荷密度
1 2
E2 P
E1
由电荷守恒定律
1， 2 1 2
通过实验人们得到一些定性结论：
在表面凸出的尖锐部分(曲率是正值且较大) 电荷面密度较大， 在比较平坦部分(曲率较小)电荷面密度较小， 在表面凹进部分带电面密度最小。
孤立导体
特殊情况：孤立带电导体球、长直圆柱或大的平板， 它们的面电荷分布是均匀的 孤立带电 导体球
C
对于具有尖端的带电导体， 因尖端曲率较大，分布的面电荷密度也大， 在尖端附近的电场也特别强， 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
静电可以给人带来灾害，也可以促进生产， 改善人们的劳动条件。 四.静电应用及防护
输漆管
喷杯
1. 静电应用
• 静电喷涂 • 静电除尘
高压电源
－
＋
工件
如图为静电喷漆的装置示意图
如图为静电除尘的装置示意图
§2 有导体存在时静电场场量的计算
原则:
1.静电平衡的条件
2.基本性质方程
E内 0
或
U c
孤立导体
尖端放电
防护： 球形电力设备
应用： 避雷针
2007年5月16日下午，暴风雨横扫纽约市中心曼哈顿地区，闪电击中 了帝国大厦。这张雷击照片是在纽约的东河(EastRiver)地区拍到的。 照片显示，一道闪电划破曼哈顿上空昏暗的天空，直接击中帝国大厦。 雷击并未对1454英尺的帝国大厦造成损害。帝国大厦顶端的避雷针每 年要遭受约100次雷击。
1 1 2
E0
1 2 0 2 0 2 0 2 0
x
1 2
1 2 2
例2 金属球 A与金属球壳 B 同心放置。 已知：球 A的半径为R0，带电为q， 金属壳B内外半径分别为R1、R2，带电为 Q。 求:1)电荷分布 2)球A 和壳B 的电势UA、UB
E腔内 E腔外表面 E腔外 0
电荷 带电体
2. 腔内有带电体 q