第六章 静电场中的导体
第六章 电场中的导体
一、选择题
1、导体放在静电场中达到静电平衡时，下列说法正确的是（ ）
（A ）导体是等势体， （B ）导体表面是等势面
（C ）导体内部电场强度处处为零， （D ）电场强度垂直于导体表面。
（E ）以上均正确
2、两个导体球A 、B 相距很远（可以看成是孤立的），其中A 球原来带电，B 球不带电。
A 、B 两球半径不等，且A B R R >。
若用一根细长导线将它们连接起来，则两球所带电量密度σ（ ）。
()A B A σσ= ()B B A σσ> ()C A B q q < ()D B A σσ<
3、把A 、B 两块不带电的导体放在一带正电导体的电场中，如图所示。
设无限远处为电势零点，A 的电势为A U ，B 的电势为B U ，则两导体电势为（ D ）。
()A B A 0U U >≠； ()B B A 0U U >=；
()C B A U U =； ()D B A U U <。
4、半径为R 的金属球与地连接，在与球心O 相距2d R =处有一电荷为q 的点电荷，如图所示。
设地的电势为零，则球上的感生电荷q '为 （ ） ()A 0； ()B
2q ； ()C 2
q -； ()D q 。
5、在一个孤立的导体球壳内，若在偏离球中心处放一个点电荷，则在球壳内、外表面上将出现感应电荷，其分布将是：（ )
()A 内表面均匀，外表面也均匀；
()B 内表面不均匀，外表面均匀； ()C 内表面均匀，外表面不均匀；
()D 内表面不均匀，外表面也不均匀。
O R d q
二、计算题
1.如图，半径为1R 的金属球带有电荷为1q ，外面有一内径为2R ，外径为3R 的金属球壳，带有电量为2q ，现将球壳的外表面接地。
求：（1）电场分布；（2）
半径为r 的P 点处的电势；（3）两球的电势1V 、2V 和它们的电势差。
2.半径为R 的不带电的金属球旁，放置点电荷+q ，距离球心为r ，如图，求：
(1) 球心处的电势以及金属球上的感应电荷在球心处产生的场强。
(2)若将金属球接地，球上的静电荷为多少？。
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第6章 静电场中导体和电介质 重点与知识点
理学院物理系 王 强
第六章 静电场中的导体和电介质
大学物理
第六章 重点与知识点
一、静电场中的导体
2、空腔导体(带电荷 、空腔导体 带电荷 带电荷Q)
1）、腔内无电荷，导体的净电荷只能分布在外表面。 腔内无电荷，导体的净电荷只能分布在外表面。 净电荷只能分布在外表面 Q
在静电平衡状态下,导体 在静电平衡状态下, 空腔内各点的场强等于零, 空腔内各点的场强等于零, 空腔的内表面上处处没有 空腔的内表面上处处没有 净电荷分布。 净电荷分布。
C2 U
Cn
2、电容器的并联
C = C1 + C2 + ⋅ ⋅ ⋅ + Cn
= ∑ Ci
i =1
nq1C1来自q2C2qn U
Cn
2012年3月23日星期五
理学院物理系 王 强
第六章 静电场中的导体和电介质
大学物理
第六章 重点与知识点
四、 电场的能量
（一）、静电场的能量
电场能量密度: 电场能量密度
We 1 2 1 we = = εE = ED V 2 2
ε
电容率, : 电容率,决定于电介质种类的常数
2）、电介质中的高斯定理 ）
v r D ⋅ dS = ∑ Q0i ∫
S i (自由电荷)
2012年3月23日星期五
电介质中通过任 一闭合曲面的电位 一闭合曲面的电位 移通量等于该曲面 移通量等于该曲面 所包围的自由电荷 所包围的自由电荷 的代数和
第六章 静电场中的导体和电介质
一般电场所存储的能量: 一般电场所存储的能量
dWe = wedV
1 2 We = ∫ dWe = ∫ ε E dV V V 2
适用于所有电场） （适用于所有电场）
06 静电场中的导体和介质
当 r R1 和 r R2 时：
r
q 2 S E dS E 4 r
E
q 4 0 r
2
0
q 4 0 r 2 (r R1 ) E 0( R1 r R2 ) 2 q 4 0 r (r R2 )
6-1
例1: 点电荷 q 处于导体球壳的中心，球壳不带电， 内、外半径分别为 R1 和 R2 ，求这一带电体系产生 的电场和电荷在空间的分布。 电荷只能分布于球壳的内、 外表面，在导体内作一同心 球面高斯面。
当 R1 r R2 和 r R2 时： 当 r R1 时：
E0
r
R2 q S D dS S ( DdS cos 0 ) S DdS D S dS 2 D 4 r q自 q 0( r R1 ) q D 0 r E E q 2 ( R1 r R2 ) 2 4 r 4 0 r r
q2
q q1 S E dS 0
R1 q1
q R2 q
q1 q
0
r
根据电荷守恒定律： q2
q
6-1
例 2: 点电荷 q 处于导体球壳的中心，球壳接地，内 外半径分别为 R1 和 R2 ，求这一带电体系产生的电 场和电荷在空间的分布。
解：电场方向：沿半径向外。 当 R1 r R2 时： E 当 r R1 时：
导体内电场强度 外电场强度 感应电荷电场强度
6-1
二. 导体处于静电平衡时的特征
2）导体内部没有电荷，电荷只能分布于导体 表面。
证明：假设导体内部某点有电荷，在导体内作一 极小高斯面包围该点，则
q S E dS 0
静电场中的电介质二解答
入其中的两个电容器．比较三者电容值的大小，则 __插__导__体__板__的__ 是电容最大的电容器；__空__气__的___是电容 最小的电容器．
1
C
1 Ch
1 Cm
1 Cb
Cm1
e0S
d
Cm3
e 0e r S
d
1
1
C2
1 Ch
1 Cb
2 导体板
3 电介质板
Q C
er
U
er
U U
3
F
F
(a)
(b)
静电场中的电介质二
第六章 静电场中的导体与电介质
5. 一空气平行板电容器，极板面积为S，两极板之间距 离为d， 如图所示．今在其间平行地插入一厚度为t、面
积为S/2、介电常量为e的各向同性均匀电介质板．略去
边缘效应，试求该情况下电容器的电容．
C1 S/2 C2 t
C3 d
静电场中的电介质二
第六章 静电场中的导体与电介质
放映结束 感谢各位批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
C
Q U
4e
0R
C1
: C2
R1
:
R2
U
Q1
4e 0R1
Q2
4e 0R2
Q1
R1 R2
Q2
CQ U
Q1 Q2 Q2
R1 R2
Q2
Q2
Q2
4e 0 R1 R2
4e 0R2
6 大学物理 第06章 静电场中的导体和电介质
第六章 静电场中的导体和电介质 加上外电场后
E外
16
物理学
第五版
+ + + + + + + + + +
第六章 静电场中的导体和电介质 加上外电场后
E外
17
物理学
第五版
+ + + + + + + + + +
E外
加上外电场后 第六章 静电场中的导体和电介质
18
物理学
第五版
导体达到静平衡
+ + + + + + + + + +
介质电容率 ε ε0 εr
41
- - - - - - - σ
相对电容率 εr 1
第六章 静电场中的导体和电介质
物理学
第五版
+++++++
- - - - - - - σ
σ E0 ε0
ε0
σ
+++++++
- - - - - - - σ
σ E ε
ε
σ
第六章 静电场中的导体和电介质
②用导线连接A、B，再作计算
连接A、B，
Q q
q
( q )
中和
B
q q
A R1 O
R2
球壳外表面带电 Q q
R3
r R3
R3
E0
Qq uo Edr Edr 4 0 R3 0 R3
E外
16
物理学
第五版
+ + + + + + + + + +
第六章 静电场中的导体和电介质 加上外电场后
E外
17
物理学
第五版
+ + + + + + + + + +
E外
加上外电场后 第六章 静电场中的导体和电介质
18
物理学
第五版
导体达到静平衡
+ + + + + + + + + +
介质电容率 ε ε0 εr
41
- - - - - - - σ
相对电容率 εr 1
第六章 静电场中的导体和电介质
物理学
第五版
+++++++
- - - - - - - σ
σ E0 ε0
ε0
σ
+++++++
- - - - - - - σ
σ E ε
ε
σ
第六章 静电场中的导体和电介质
②用导线连接A、B，再作计算
连接A、B，
Q q
q
( q )
中和
B
q q
A R1 O
R2
球壳外表面带电 Q q
R3
r R3
R3
E0
Qq uo Edr Edr 4 0 R3 0 R3
大学物理 第六章 静电场
-
开始， E’< E0 ，导体内部场强不为零，自由电子继续运动，E’ 增大。到E’= E0 即导体内部的场强为零，此时导体内没有电荷 作定向运动，导体处于静电平衡状态。
3 3、静电平衡条件 用电场表示 •导体内部任一点的电场强度为零； •导体表面处的电场强度，与导体的 表面垂直。 3 3、静电平衡条件
U AB
qd E d oS
②
球形电容器
+q R1 R2 o
解：两极板间电场
q E 2 4 o r
板间电势差
( R1 r R2 )
-q 讨论：①当R2 → 时，
U 12
电容
R2
R1
q 1 1 ( ) E dl
4 o R1 R2
C 4 o R1 ,
E表 表面
E内= 0
等 势 面
用电势表示： •导体是个等势体； •导体表面是等势面。 对于导体内部的任何两点A和B
U AB
对于导体表面上的两点A和B
B E dl 0
A
U AB
B Et dl 0
A
E dl
A
B
二、静电平衡时导体上电荷的分布
例1：两块平行放置的面积为S 的金属板，各带电量Q1、 Q2 ,
板距与板的线度相比很小。求：
① 静电平衡时, 金属 板电荷的分布和周围电
Q1
Q2
场的分布。
②若把第二块金属 板接地，以上结果如何？
1
EI
2
S
3
EII
4
S
EIII
解： 电荷守恒
( 1 2 ) s Q1 ( 3 4 ) s Q2 i i 高斯定理 2 o
6.1.1静电场中的导体 - 静电场中的导体
q
Q
r
R
V
q
4 0r
Q
4 0 R
rr RR
4. 导体表面的电场和电荷 尖端放电及其应用： 尖端附近的强电场引起空气电离。
A. 电风实验 B. 避雷针的原理 C. 高压设备中的电极通常做成直径较大的 光滑球形
4. 导体表面的电场和电荷
电晕现象是强电场作用下导线周围空气产生的电离 现象。导体表面的电场强度超过某一定数值时，就 会产生电晕。
电介质：
半导体: 自由电子数密度较小,约为 1012～1019个/cm3
绝缘体: 基本上没有参与导电的自由电子
2. 导体的静电平衡条件
（1）物理图像
自由电荷 重新分布
（附加电场
E）
↑
导体（自由电荷）
相互 作用
静电场（ E0）
↓
静电场重新分布
E E0 E
（2）静电平衡状态：
（2）导体是等势体，导体表面是等势面；
U ab
b
E
dl
0
a
E0 a
Uac
c
E dl 0
a
b
c
（3（）因导为体电表场面线邻与近等处势的面场处强处必正定交和）导体表E面out垂直?。
4. 导体表面的电场和电荷
（1）
E
0
en
作扁圆柱形高斯面 S→ E
导体内部和表面无电荷的定向移动 （电荷分布不随时间变化）
2. 导体的静电平衡条件
（3）静电平衡条件：导体内部各点场 强为零 Ein E0 E' 0
3. 静电平衡时导体的基本性质
（1）导体内部各处无净电荷，电荷只分布在表面；
导体的静电平衡条件
小结
导体的静电平衡状态：
导体的内部和表面都没有电荷作任何宏观定 向运动的状态.
导体的静电平衡条件
导体内部 Ei 0
导体表面 E 表面
导体为等势体
导体表面为等势面
导体静电平衡条件： 0 Ei
A B
VA VB
2) 导体表面为等势面
2) 导体表面为等势面
证：在导体表面任取两点 A , B
B
U AB VA VB A Ei dl
导体表面处电场强度的方向,都与导体表面垂直
B
U AB VA VB A Ei dl 0
E dl
VA VB
即，静电平衡时，导体表面为一等势面，导体 为等势体。
第六章 静电场中的导体和电介质
本章内容：
1 静电场中的导体 2 静电场中的电介质 3 电位移 有介质时的高斯定理 4 电容 电容器 5 静电场的能量和能量密度
导体的静电平衡条件
一、导体的导电性能分类
1 导体 导电能力极强的物体(存在大量可自由移动的电荷) 2 绝缘体（电介质） 导电能力极弱或不能导电的物体 3 半导体 导电能力介于上述两者之间的物体
导体的内部和表面都 没有电荷作任何宏观定向 运动的状态.
导体内任一点的电 场强度都等于零
3 导体的静电平衡条件
导体内任一点的电场强度都等于零 导体表面处电场强度的方向,都与导体表面垂直
E
推论 静电平衡状态
1）导体各点电势相等，导体为等势体
证：在导体内任取B两 点 A , B
U AB VA VB A Ei dl 0
二、导体的静电平衡 1 静电感应
感应电荷
感应电场
++
++++
静电场中的导体解答
(2) 球心O点处，由球壳内表面上电荷
产生的电势． (3) 球心O点处的总电势．
a
q
r Ob
Q
图3-1
静电场中的导体
第六章 静电场中的导体与电介质
解：(1) 由静电感应，金属球壳的内表面上有感生电荷-q，
外表面上带电荷q+Q．
(2) 不论球壳内表面上的感生电荷是如何分布的，因为任一
电荷元离O点的距离都是a，所以由这些电荷在O点产生的
电势为 U q
dq
4 0a
q
4 0a
(3) 球心O点处的总电势为分布在球壳内外表面上的电荷和
点电荷q在O点产生的电势的代数和
UO
U q U q UQq q q
4 0 r 4 0a
4 0b
a
q
r Ob
Q
q (1 1 1) Q
4 0 r a b 4 0b
图3-1
静电场中的导体
第六章 静电场中的导体与电介质
6. 假想从无限远处陆续移来微量电荷使一半径为R的 导体球带电．(1) 当球上已带有电荷q时，再将一个电荷 元dq从无限远处移到球上的过程中，外力作多少功？ (2) 使球上电荷从零开始增加到Q的过程中，外力共作 多少功？
解:
U q
4 0 R
dW dq U qdq
4 0R
2 0
,
2 0
所以合场强为：E0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
0
,
E0
2 0
静电场中的导体
第六章 静电场中的导体与电介质
4．一空心导体球壳，其内、外半径分别为R1和R2，带 电荷q，如图所示．当球壳中心处再放一电荷为q的点电
6静电场中的导体和电介质
V表面 常量
2. 导体上电荷分布 1）静电平衡时，导体内无净电荷，电荷只分布在导体 外表面上。 证明： (1)导体内无空腔 .p
E内 ds 0 q内 0
(2)导体内有空腔，腔内无其它带电体
可以看成已经达到静电平衡的实心导体，从中 挖出空腔，由于没有挖去净电荷，不会影响电 荷分布，也不影响电场分布。内表面无净电荷。
r
D1 E1 R1 2 r1 2 1r1 r R1 r1 r : E1 21r1 E1 2 r2 E 2 1r1 同理：r r2 R2 : E2 22 r2
R2
r R2 V d r1 dr2 ln ln 21r1 22 r2 21 R1 22 r R r
q
§6—7 静电场中的电介质 电介质 绝缘体(不导电) 1.电介质的电结构 带负电的电子→束缚电子 每个分子 带正电的原子核 正负重心不重合 两类电介质： 正负重心重合 E 2.电极化现象 E外 0 1）有极分子 2）无极分子
所有负电荷负重心 所有正电荷正重心
有极分子 p p 0 无极分子
q q A B
(3)内球与地相接，设内球带电q’：
R1
q q VA dr dr 2 2 R 4 r R2 4 r o o q 1 1 q q 1 ( ) 0 可解出 q 4o R R1 4o R2 q q 1 VB 4o R2
R
o
R
q
q
4 R 4
o
dq
q
o
2R
0
q q R 2R
q 4o R
大学物理 第6章 静电场中的导体和电介质(小结)
Q 解：看成是带电球，电量为Q， 电势： V 以无限远为电势零点。 4 0 R
Q Q
静电能：
We A
Vdq
0
4
0
qdq
0
R
Q
2
8 0 R
当Q不变时，使R增大到R’=2R时，We’=We / 2 ；可见， 当R增大时，静电能减小，说明电场力对外作正功， 即帮助汽泡增大；从受力情况看，肥皂泡上每个电荷 元都受到其他电荷的电场力作用，力的方向沿半径向 外，半径增大时，电场力作正功，电场能减小。
4 0 r 4 0 r r 为该点到球心的距离. （2）球内（无论是空心与实心）的场强E=0， （内无电荷）；电势不为零，等于球面上的电势。 （3）求E和V时，要将形成场的所有电荷都考虑 到，然后求矢量（E）和或代数和（V）。
2
E
及
V
例题5 有一带正电的肥皂泡，吹大到使它的半径为原 来的2 倍，问静电能有什么变化？电荷的存在对吹泡 有帮助还是有妨碍？
解（1）设q2 、 q3为外球壳内、外 层所带电荷。 由高斯定理可得：
R2 R1 D C B A 0
R3
q 2 q1
2 3
10
8
C
q2 q3 q
q3 4 3 10
8
q1
C
q2
q3
（2）各点的场强和电势 B点： q1 由高斯定理得： E B 2 4 0 rB
VB
q1 4 0 rB
q1 4 0 rB
q2 4 0 rB
q2 4 0 R 2
q3 4 0 rB
q3 4 0 R 3
Q Q
静电能：
We A
Vdq
0
4
0
qdq
0
R
Q
2
8 0 R
当Q不变时，使R增大到R’=2R时，We’=We / 2 ；可见， 当R增大时，静电能减小，说明电场力对外作正功， 即帮助汽泡增大；从受力情况看，肥皂泡上每个电荷 元都受到其他电荷的电场力作用，力的方向沿半径向 外，半径增大时，电场力作正功，电场能减小。
4 0 r 4 0 r r 为该点到球心的距离. （2）球内（无论是空心与实心）的场强E=0， （内无电荷）；电势不为零，等于球面上的电势。 （3）求E和V时，要将形成场的所有电荷都考虑 到，然后求矢量（E）和或代数和（V）。
2
E
及
V
例题5 有一带正电的肥皂泡，吹大到使它的半径为原 来的2 倍，问静电能有什么变化？电荷的存在对吹泡 有帮助还是有妨碍？
解（1）设q2 、 q3为外球壳内、外 层所带电荷。 由高斯定理可得：
R2 R1 D C B A 0
R3
q 2 q1
2 3
10
8
C
q2 q3 q
q3 4 3 10
8
q1
C
q2
q3
（2）各点的场强和电势 B点： q1 由高斯定理得： E B 2 4 0 rB
VB
q1 4 0 rB
q1 4 0 rB
q2 4 0 rB
q2 4 0 R 2
q3 4 0 rB
q3 4 0 R 3