18-静电场中的导体和介质(2009)2
电磁学02静电场中的导体与介质
A q -q
-q+q
UA
q'
4 0 R0
q ' 4 0R1
q q '
4 0 R2
0
可得 q ( q) 1(9略)
例4 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
R
解: 接地 即 U0
o
感应电荷分布在表面，
l
q
电量设为:Q’（分布不均匀！）
由导体等势，则内部任一点的电势为0
选择特殊点：球心o计算电势，有：
1) Dds
S
1 (
r
1) q0内
l i mq内
V0V
1 (
r
1) limq0内 V0V
1 (
r
1)0
00 0。 40
[例2] 一无限大各向同性均匀介质平板厚度为 d
表明：腔内的场与腔外(包括壳的外表面)
物理 内涵
的电荷及分布无关。
在腔内 E 腔 外表 E 腔 面外 0带
电 量 的电 体 的
二.腔内有带电体时
q
① 带电量： Q腔内 q （用高斯定理易证）
表面
23
② 腔内的电场： 不为零。
由空腔内状况决定，取决于：
*腔内电量q；
*腔内带电体及腔内壁的 几何因素、介质。
平行放置一无限大的不带电导体平板。
0 1 2 求：导体板两表面的面电荷密度。
E２ • E１ 解: 设导体电荷密度为 1、 2 ，
E0 电荷守恒： 1 + 2 = 0
(1)
导体内场强为零：E0 +E1‐E2 = 0
0 1 2 0 20 20 20
（1）、（2）解得：
(整理)静电场中的导体和电介质
第八章 静电场中的导体和电介质§8-1 静电场中的导体一、静电感应 导体的静电平衡条件 1、静电感应2、导体静电平衡条件（1）导体的静电平衡：当导体上没有电荷作定向运动时称这种状态为导体的静电平衡。
（2）静电平衡条件 从场强角度看：①导体内任一点，场强0=E；②导体表面上任一点E与表面垂直。
从电势角度也可以把上述结论说成：①⇒导体内各点电势相等；②⇒导体表面为等势面。
用一句话说：静电平衡时导体为等势体。
二、静电平衡时导体上的电荷分布 1、导体内无空腔时电荷分布如图所示，导体电荷为Q ，在其内作一高斯面S ，高斯定理为：∑⎰=∙内S Sq s d E 01ε导体静电平衡时其内0=E，∴ 0=∙⎰s d E S， 即0=∑内S q 。
S 面是任意的，∴导体内无净电荷存在。
结论：静电平衡时，净电荷都分布在导体外表面上。
2、导体内有空腔时电荷分布 （1）腔内无其它电荷情况如图所示，导体电量为Q ，在其内作一高斯面S ，高斯定理为：∑⎰=∙内S Sq s d E 01ε 静电平衡时，导体内0=E∴ 0=∑内S q ，即S 内净电荷为0，空腔内无其它电荷，静电平衡时，导体内又无净电荷∴空腔内表面上的净电荷为0。
但是，在空腔内表面上能否出现符号相反的电荷，等量的正负电荷？我们设想，假如有在这种可能，如图所示，在A 点附近出现+q ，B 点附近出现-q ，这样在腔内就分布始于正电荷上终于负电荷的电力线，由此可知，B A U U >,但静电平衡时，导体为等势体，即B A U U =，因此，假设不成立。
结论：静电平衡时，腔内表面无净电荷分布，净电荷都分布在外表面上，（腔内电势与导体电势相同）。
（2）空腔内有点电荷情况如图所示，导体电量为Q ，其内腔中有点 电荷+q ，在导体内作一高斯面S ，高斯定理为∑⎰=∙内S Sq s d E 01ε 静电平衡时0=E， ∴ 0=∑内S q 。
又因为此时导体内部无净电荷，而腔内有电荷+q ， ∴ 腔内表面必有感应电荷-q 。
第六章静电场中的导体与电介质
第六章 静电场中的导体和电介质
33
物理学
第五版
6 静电场中的导体与电介质
电位移线
方向: 切线 大小:
电位移线起始于正自由电荷终止于负自由电荷， 与束缚电荷无关。
电场线起始于正电荷终止于负电荷，包括自由 电荷和与束缚电荷。
第六章 静电场中的导体和电介质
34
物理学
第五版
SD dS
有介质时的高斯定理
n
D dS S
Q0i
i 1
第六章 静电场中的导体和电介质
28
物理学
第五版
6 静电场中的导体与电介质
第三节 电介质中的高斯定理 电位移矢量
电介质中的高斯定理 电介质中高斯定理的应用
第六章 静电场中的导体和电介质
29
物理学
第五版
6 静电场中的导体与电介质
一、电位移矢量 电介质中的高斯定理
电介质 有极分子：（水、有机玻璃等） 正电荷的
等效中心
定义：分子电矩——由分子（或
原子）中的正负电荷中心决定的
电偶极子的电偶极矩，用 表
示：
电子云的
第六章 静电场中的导体和电介质 负电中心
5
物理学
第五版
6 静电场中的导体与电介质
1）无极分子（非极性分子）
分子内正负电荷中心重合
甲烷分子 CH4
+H 正负电荷
真空中:
自由电荷
电介质中：
极化电荷如何求？
极化电荷 自由电荷
向外，'>0，正极化电荷在外，闭合曲
面内留下负极化电荷；
+
向内，'<0，负极化电荷在外，闭合曲 -
静电场中的导体和电介质
2 20
3 20
联立：
1
2
0
3 2
导体中电荷发生
2
2
0
3 2
迁移，重新分布
由导体表面附近一点的场强公式
E
0
Ep
2 0
0 20
3 20
或者：由场强的叠加原理，视为三个无限大带电平面的叠加
EP2 1 0 2 2 0 2 30 2 0 0 2 30
两种解法结论一致
4 导体表面电荷分布规律
静电场中的导体和电介质
➢主要内容
➢导体静电平衡条件和性质 ▲ ➢电场中导体和电介质的电学性质 ➢有介质时的高斯定理Gauss’s Law in Dielectric ▲ ➢电容器的性质和计算 ➢静电场的能量Energy of Electrostatic Field ▲
§1静电场中的导体
Effects of Conductor in Electrostatic Field
++
++++ + + + +
感应电荷
➢问：这种静电感应的过程是否会一直进行下去？
E
E外
E 附加电场
E 内E外 E
当 E内0
电荷的宏观定向运动将停止
➢定义：静电平衡状态
当一个带电体系中的电荷没有定向运动，从而电场分布不随 时间变化时，称该带电体达到静电平衡状态。
2 静电平衡
+
E0
+
➢极化电荷不能转移到其他物体，而自由电荷可以转移到其他物体。
➢极化电荷可以吸附导体中的自由电荷，但不能被中和，而自由电荷 可以被中和。
➢极化电荷可作微小移动，在介质内产生的场强可削弱 介质内的外场，是不能宏观分开的正、负电荷。 ➢自由电荷是能够宏观分开的正、负电荷，在导体内部 所产生的场强完全抵消外场。
2、静电场中的导体和电介质
思考题
1. 导体静电平衡时，有什么特点？ 2. 现有甲、乙二人，站在与地绝缘的泡沫板上， 甲带有正电荷，乙不带电。你只有一根导线。 （1）如何让乙也带上正电荷？ （2）如何让乙带上负电荷？ 3. 电极化强度矢量满足何种边界条件？
学习动物精神
11、机智应变的猴子：工作的流程有时往往是一成不变的， 新人的优势在于不了解既有的做法，而能创造出新的创意 与点子。一味 地接受工作的交付， 只能学到工作方法 的皮毛，能思考应 变的人，才会学到 方法的精髓。
垂直的端面上出现极化电荷。
对于非均匀电介质，除在电介质表面上出现极化
电荷外，在电介质内部也将产生体极化电荷。
2.5.2
电极化强度
当电介质处于极化状态时，在电介质内部任一宏观小 体积元V内分子的电矩矢量和不等于零，即Σp≠0（其中p 为分子电矩）。 为了定量地描述电介质的极化程度，引入电极化强度 矢量P，它等于介质单位体积内分子电矩的矢量和。
导体静电平衡的特点
（1）导体内部任意一点的电场强度等于零。
（2）导体表面上任一点的场强必定垂直于导体表面。
（3）导体为等势体，导体表面是等势面。 （4）电荷都分布在导体的表面上，导体内部任一小体积 元内的净电荷等于零。 （5）导体在电场中达到静电平衡时，其表面上电荷的分
布不一定是均匀的，一般地讲，表面曲率大的地方，电荷
力线只能终止（或起始）于导体表面，并与导体表面垂直，
不能穿过导体进入内部。也就是说，空腔导体内部的物体不 会受到外部电场的影响。 空腔导体使其内部不受外电场影响的性质叫静电屏蔽。 在静电防护领域，为了使对静电敏感的器件不受外界静
电场的影响，通常将敏感器件装在屏蔽袋中。
静电场中的导体和电介质
静电场中的导体和电介质静电平衡时导体是个等势体，导体表面是等势面，大前提是整个导体都是一样的，不要因为单独说导体表面是个等势面就误以为导体表面和内部不是等势的。
（证明省略）由此公式得出：导体表面电荷密度大的地方场强大，面电荷密度小的地方场强小。
导体表面电荷分布规律①与导体形状有关②与附近有什么样的带电体有关。
定性分析来说，孤立导体面电荷密度与表面的曲率有关，但是并不是单一的函数关系。
拓展知识（尖端放电的原理以及应用；避雷针的原理）这是一个从带电体上吸取全部电荷的有效方法。
测量电量时，要在静电计上安装法拉第圆筒，并将带电体接触圆筒的内表面，就是为了吸取带电体的全部电量，使测量更准确。
库仑平方反比定律推出高斯定理，高斯定理推出静电平衡时电荷只能分布导体外表面。
所以可以由实验精确测定导体内部没有电荷，就证明了高斯定理的正确，进而就证明了库仑平方反比定律的正确。
所以说这是精确的，因为通过实验测定数据是一定会存在误差的，而通过实验测定导体内部没有电荷是不会存在误差的，所以是很精确的。
以上是库仑平方反比定律验证的发展历史。
见图2-1，导体壳内部没有电荷时，导体的电荷只是分布在外表面上，为了满足电荷守恒定理，见图2-1c，就要一边是正电荷，而另一边是负电荷，其实空腔内没有电场的说法是对于结果而言的，并不能看出本质，本质是外电场和感应电荷的电场在导体腔的内部总的场强为0。
使带电体不影响外界，则要求将带电体置于接地的金属壳或者金属网内，必须接地才能将金属壳或者金属网外表面感应电荷流入地下。
则外界不受带电体场强的作用，而本质上也是带电体的场强和内表面感应电荷的场强叠加作用使外界总场强为0。
孤立导体的电容：电容C与导体的尺寸和形状有关，与q，U无关，它的物理意义是使导体每升高单位电位所需要的电量。
电容器及其电容：对电容的理解要升高一个层次：电容是导体的一个基本属性，就好像水桶的容量一样，C=U/q。
然而导体A的附近有其他导体时，导体的电位不仅与自己的q 有关，还受到其他导体的影响。
静电场中的导体和电解质
Q + + + + ++ + + + + E= 0 S+ + + + + + + + ++
Q q + + + +++ + +-q + + - E= 0 S + 结论: 电荷分布在导体外表面, 导体 + q + + 内部和内表面没净电荷. + - - + + + + ++ 腔内有电荷q: E 0 q 0
i
结论: 电荷分布在导体内外两个表面,内表面感应电荷为-q. 外表面感应电荷为Q+q.
NIZQ
第 5页
大学物理学 静电场中的导体和电介质
结论: 在静电平衡下,导体所带的电荷只能分布在导体的 表面,导体内部没有净电荷. • 静电屏蔽 一个接地的空腔导体可以隔离内 外电场的影响. 1. 空腔导体, 腔内没有电荷 空腔导体起到屏蔽外电场的作用. 2. 空腔导体,腔内存在电荷 接地的空腔导 体可以屏蔽内、 外电场的影响.
NIZQ
第 3页
大学物理学 静电场中的导体和电介质
• 静电平衡时导体中的电场特性
E内 0
场强:
ΔVab
b
a
E dl 0
• 导体内部场强处处为零 E内 0 • 表面场强垂直于导体表面 E表面 // dS
• 导体为一等势体 V 常量 • 导体表面是一个等势面
S
0 E P dS qi
静电场中的导体与电介质
§2 静电场中的导体和电介质§2－1 静电场中的导体1. 导体的静电平衡条件当电荷静止不动时，电场散布不随转变，该体系就达到了静电平衡。
在导体中存在自由电荷，它们在电场的作用下可以移动，从而改变电荷的散布……导体内自由电荷无宏观运动的状态。
导体的静电平衡的必要条件是其体内图2－1导体的静电平衡场强处处为零。
从静电平衡的条件动身可以取得以下几点推论：推论1）导体是等位体，导体表面是等位面：2）导体表面周围的场强处处与它的表面垂直：因为电力线处处与等位面正交，所以导体外的场强必与它的表面垂直。
（注意：本章所用的方式与第一章不同，而是假定这种平衡以达图2－2导体对等位面的控制作用到，以平衡条件动身结合静电场的普遍规律分析问题。
）2．电荷散布1) 体内无电荷，电荷只散布在导体的表面上:当带电导体处于静电平衡时，导体内部不存在净电荷（即电荷的体密度）电荷仅散布在导体的表面。
可以用高斯定理来证明：设导体内有净电荷，则可在导体内部作一闭合的曲面，将包围起来，依静电条件知S面上处处, 即由高斯定理必有q=02） 面电荷密度与场强的关系:当导体静电平衡时，导体表面周围空间的 与该处导体表面的面电荷密度 有如下关系：论证： 在电荷面密度为 的点取面元设 点为导体表面之外周围空间的点，面元。
充分小，可以为 上的面电荷密度 是均匀的，以为横截面作扁圆柱形高斯面（S ）,上底面过P 点，把电荷q= 包围起来. 通太高斯面的电通量是：3） 表面曲率的影响、尖端放电导体电荷如何散布，定量分析研究较复杂，这不仅与这个导体的形状有关，还和它周围有何种带电体有关。
对孤立导体，电荷的散布有以下定性的规律：图2－3导体表面场强与电荷面密度曲率较大的地方（凸出而尖锐处），电荷密度e 较大；曲率较小的地方（较平坦处）电荷密度e 较小；曲率为负的地方（凹进去向）电荷密度e 更小。
1） 端放电的利和弊3 导体壳（腔内无带电体情况）大体性质：当导体壳内无带电体时，在静电平衡当导体壳内无 带电体时，在静电平衡下：导体壳内表面上处处无电荷，电荷仅散布在外 表面；空腔内无带电场，空腔内电位处处相等。
大学物理-第18章静电场中的导体与电介质
+
O
+- H+ - H+
++
-
++
+
He
H2O
有极分子对外影响等效为一个电偶极子，电矩 Pe ql
事只实不上过lq所在为中为有无从心分分电负 的子子 场电 有中均 时荷 向所可 ，作 线有等 无用 段正效 极中电为 分心荷电 子指的偶 的向代极电正数子偶电和的极作；模矩用型为
综 1）不管是位移极化还是取向极化，其最后的 述：宏观效果都是产生了极化电荷。
2）两种极化都是外场越强，极化越厉害 所产生的分子电矩的矢量和也越大。
三、电介质内的场强、有介质时的高斯定理
1、电介质内的场强
EE0E'
c
E0
E'
a
b
EE0E'
实验发现，在均匀介质中
E
2 3 0 ……(3)
在板内任选一点P,其场强是四个面的场强的叠加，有
EP210220230240
又 EP 0 12340 Q
联立四式得：
……(4) 1 2 3 4
12432Q S
I
II III
P
由于静电平衡时表面面电荷密度与表面附近场强大小成
E0
E
E0
r
r 1
0
++
E0
+ +-
E
+ +-
静电场中的导体和电介质
2.1.1 导体的静电平衡条件 当一带电体系中的电荷静止不动，从而电场分布不随时间变化时，则该带电体系达到了静电平衡。 均匀导体的静电平衡条件就是其体内场强处为0。 从导体静电平衡条件还可导出以下推论： （1）导体是个等位体，导体表面是个等位面。 （2）导体以外靠近其表面地方的场强处处与表面垂直。
2.2.3 电容器的并联、串联 （1） 并联 电容器并联时，总电容等于个电容器电容之和。 (2) 串联 电容器串联后，总电容的倒数是各电容器电容的到数之和
2.2.4 电容器储能（电能） 设每一极板上所带电荷量的绝对值为Q,两极板间的电压为U,则电容器储存的电能 从这个意义上说，电容C也是电容器储能本领大小的标志。
（2）极化电荷的分布与极化强度矢量的关系 以位移极化为模型，设想介质极化时，每个分子中的正电“重心”相对负电“重心”有个位移l。用q代表分子中正、负电荷的数量，则分子电矩P分子=ql。设单位体积内有 n个分子，则极化强度矢量P=np分子=nql。
取任意闭合面S,根据电荷守恒定律，P通过整个闭合面S的通量应等于S面内净余的极化电荷∑q′的负值 ，即 这个公式表达了极化强度矢量P与极化电荷分布的一个普遍关系。
（3）库仑平方反比率的精确验证 用实验方法来研究导体内部是否确实没有电荷，可以比库仑扭秤实验远为精确的验证平方反比律。 卡文迪许的验证实验装置见教材中图2-11。实验时，先使连接在一起的球1和壳3带电，然后将导线抽出，将球壳3的两半分开并移去，再用静电计检验球1上的电荷。反复实验结果表明球1上总没有电荷。
（1） 平行板电容器 平行板电容器由两块彼此靠得很近的平行金属极板组成。设两极板A、B的面积为S , 带电量分别为±q , 则电荷的面密度分别为 ±σe =±q/S 根据式（2.1），场强为 E = σe/ε0 ， 电位差为 根据电容的定义
静电场中的导体和电解质
1 1
C i Ci
C Ci
电容器的串联使用可以提高耐压能力、
i
并联使用可以提高总电容量
26
计算电容的基本步骤： 方法2:电容的串并联
补充例:书89页习题10.12
dx
X
证法1:并联法.
O b
b+xsin
dC 0adx 0a (1 x )dx
b x sin b
37
已知: P 0e E, ' P cos
求证: 证明:
S D dS q0
E•
dS
1 ε0
(σ 0 s
s)
(1)
P • dS s
(2)
由(1),(2)式可知: (ε 0 E P) • dS σ 0 s 令 电 位 移 矢 量D ε 0 E P , 则 有 ：
根据电荷守恒，导体外表面感应电量 qb qc
且电荷均匀分布，因此，导体外场强分布类似
于点电荷的场 ，电荷qd, 受力为 (qb qc )qd
这个答案是近似的(r>>R时)。
4 0r 2 21
静电平衡应用(二)电容器,电容的计算
1、电容器的电容：
q C
UA UB
物理意义：使电容器两导 体升高单位电势差所需的 电量为该电容器的电容。
R2
q
q1 1
U A
E
R1
• d
R1 4 0 r 2
dr
4 0
( R1
R2
)
20
[例题]导体球 A含有两个球
静电场中的导体和电介质
静电场中的导体和电介质引言在物理学中，静电场是指当电荷处于静止状态时周围存在的电场。
导体和电介质是静电场中两种常见的物质类型。
理解导体和电介质在静电场中的行为对于理解静电现象和应用静电学原理具有重要意义。
本文将介绍导体和电介质在静电场中的特性和行为，包括导体的电荷分布和电场分布、导体内部电场为零的原因，以及电介质的电极化和电介质的介电常数。
导体导体的电荷分布在静电场中，导体具有特殊的电荷分布特性。
由于导体中的自由电子可以在导体内自由移动，一旦一个导体与其他带电体接触，自由电子将重新分布以达到平衡。
导体的外部表面电荷会分散在整个表面上，使得导体表面的电场强度为零。
这意味着在静电平衡条件下，导体表面任意一点的电势相等。
导体内部的电场分布特性在导体内部，电场强度为零。
这是由于自由电子可以在导体内自由移动，当导体中存在电场时，自由电子会沿着电场方向移动，直到达到平衡。
这种现象称为电荷迁移。
因此，导体内部的自由电子的运动将产生一个等量但相反方向的电场，导致导体内部的电场强度为零。
这也是为什么导体内部没有电场线存在的原因。
电介质电极化现象电介质是一种不易导电的物质，而其在静电场中的行为与导体有着显著不同。
当一个电介质暴露在静电场中时，电介质分子会发生电极化现象。
电极化是指电介质分子在电场作用下产生偶极矩。
在电场的作用下，电介质分子会发生形状变化，正负电荷分离，产生一个平均不为零的电偶极矩。
这种电极化现象可以分为两种类型：取向极化和感应极化。
取向极化是指电介质分子的取向方向在电场的作用下发生变化，而感应极化是指电场作用下导致电介质分子内部正负电荷的相对移动。
电介质的介电常数电介质的介电常数是描述电介质在电场中的响应特性的重要参数。
介电常数是一个比值，代表了电介质在电场力下的相对表现。
介电常数决定了电介质的极化程度和电场中的电场强度。
电介质的介电常数大于1，意味着电介质对电场的屏蔽效果更明显。
在实际应用中，通过选择合适的电介质和调整电场强度，可以改变静电场的分布和效果，用于电容器、绝缘材料等相关领域。
静电场中的导体和电介质(大学物理作业,考研真题)
物理（下）作业专业班级：姓名：学号：第十一章静电场中的导体和电介质（1）一、选择题1、两个同心薄金属球壳，半径分别为1R 和2R （1R <2R ）,若分别带上电量1q 和2q 的电荷，则两者的电势分别为1U 和2U （选无穷远处为电势零点）。
现用导线将两球壳连接，则它们的电势为（A ）、1U ；（B ）、2U ；（C ）、21U U ；（D ）、)(2121U U 。
[]2、两导体板A 和B 相距为d ，并分别带有等量异号电荷。
现将另一不带电的，且厚度为t （t ﹤d ）的导体板C 插入A 、B 之间（不与它们接触），则导体板A 和B 之间的电势差U AB 的变化为：（A ）、不变；（B ）、增大；（C ）、减小；（D ）、不一定。
[]3、（2018年暨南大学）将一带电量为Q 的金属小球靠近一个不带电的金属导体时，则有：（A ）金属导体因静电感应带电，总电量为-Q ；（B ）金属导体因感应带电，靠近小球的一端带-Q ，远端带+Q ；（C ）金属导体两端带等量异号电荷，且电量q<Q ；（D ）当金属小球与金属导体相接触后再分离，金属导体所带电量大于金属小球所带电量。
二、填空题1、导体在达到静电平衡时，其导体内部的场强应为______；整个导体（包括导体表面）的电势应是______；导体表面的场强方向应是______。
2、当空腔导体达到静电平衡时，若腔内无电荷，则给该空腔导体所带的电荷应分布在；若腔内有电荷，则空腔导体上的电荷应分布在。
3、如图所示，两同心导体球壳，内球壳带电量+q ，外球壳带电量-2q 。
静电平衡时，外球壳的内表面带电量为______；外表面带电量为_______。
三、计算题1、同轴传输线是由两个很长且彼此绝缘的同轴金属直圆柱体构成，如图所示。
设内圆柱体的半径为R 1，外圆柱体的内半径为R 2。
并假定内外圆柱导体分别带等量异号电荷，其线电荷密度大小为λ，求内外圆柱导体之间的电场强度分布以及它们之间的电势差。
第九章静电场中的导体和电介质讲解
备注体和电介质引言：一、导体、电介质、半导体导体：导电性能很好的材料；例如：各种金属、电解质溶液。
电介质（绝缘体）：导电性能很差的材料；例如：云母、胶木等。
半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的材料；二、本章内容简介三、本章重点和难点1. 重点（1）导体的静电平衡性质；（2）空腔导体及静电屏蔽；（3）电容、电容器；2. 难点导体静电平衡下电场强度矢量、电势和电荷分布的计算；第一节静电场中的导体一、静电感应静电平衡1. 静电感应（1）金属导体的电结构从微观角度来看，金属导体是由带正电的晶格点阵和自由电子构成，晶格不动，相当于骨架，而自由电子可自由运动，充满整个导体，是公有化的。
例如：金属铜中的自由电子密度为：()328n=m⨯8-10Cu。
当没有外电场时，导体中的正负电荷等量均匀分布，宏观上呈电中性。
（2）静电感应当导体处于外电场E0中时，电子受力后作定向运动，引起导体中电荷的重新分布。
结果在导体一侧因电子的堆积而出现负电荷，在另一侧因相对缺少负电荷而出现正电荷。
这就是静电感应现象，出现的电荷叫感应电荷。
2. 静电平衡不管导体原来是否带电和有无外电场的作用，导体内部和表面都没有电荷的宏观定向运动的状态称为导体的静电平衡状态。
备 注（a ）自由电子定向运动 （b ）静电平衡状态3. 静电平衡条件（静电平衡态下导体的电性质）（1）导体内部任何一点处的电场强度为零；导体表面处电场强度的方向，都与导体表面垂直。
（2）在静电平衡时，导体内上的电势处处相等，导体是一个等势体。
证明： 假设导体表面电场强度有切向分量，即0≠τE ，则自由电子将沿导体表面有宏观定向运动，导体未达到静电平衡状态，和命题条件矛盾。
因为00==τE E，内，所以0,0==τd dU dl dU ，即导体为等势体，导体表面为等势面。
二、静电平衡时导体上电荷的分布1. 实心导体（1）处于静电平衡态的实心导体，其内部各处净电荷为零，电荷只能分布于导体外表面。
第二章 静电场中的导体与电介质
第二章 静电场中的导体与电介质2.1 导体与电介质的区别：（1）宏观上，它们的电导率数量级相差很大（相差10多个数量级，而不同导体间电导率数量级最多就相差几个数量级）。
（2）微观上导体内部存在大量的自由电子，在外电场下会发生定向移动，产生宏观上的电流而电介质内部的电子处于束缚状态，在外场下不会发生定向移动（电介质被击穿除外）。
2.2静电场中的导体1. 导体对电场的响应：静电场中的导体，其内部的自由电子会发生定向漂移，电荷分布会发生变化，这是导体对电场的响应方式称为静电感应，导体表面会产生感应电荷，感应电荷激发的附加场会在导体内部削弱外电场直至导体内部不再有自由电子定向移动，导体内电荷宏观分布不再随时间变化，这时导体处于静电平衡状态。
2. 导体处于静电平衡状态的必要条件:0i E =（当导体处于静电平衡状态时，导体内部不再有自由电子定向移动，导体内电荷宏观分布不再随时间变化，自然其内部电场（指外场与感应电荷产生的电场相叠加的总电场）必为0。
3. 静电平衡下导体的电学性质：（1）导体内部没有净电荷，电荷（包括感应电荷和导体本身带的电荷）只分布在导体表面。
这个可以由高斯定理推得：ii sq E ds ε⋅=⎰⎰，S 是导体内“紧贴”表面的高斯面，所以0i q =。
（2）导体是等势体，导体表面是等势面。
显然()()0b a b i a V V E dl -=⋅=⎰，a,b 为导体内或导体表面的任意两点，只需将积分路径取在导体内部即可。
（3）导体表面以处附近空间的场强为：0ˆEn δε=，δ为邻近场点的导体表面面元处的电荷密度，ˆn为该面元的处法向。
简单的证明下：以导体表面面元为中截面作一穿过导体的高斯柱面，柱面的处底面过场点，下底面处于导体内部。
由高斯定理可得：12i s s dsE ds E ds δε⋅+⋅=⎰⎰⎰⎰，1s ,2s 分别为高斯柱面的上、下底面。
因为导体表面为等势面所以ˆE En=，所以1s E ds Eds ⋅=⎰⎰而i E =0所以0ds Eds δε=，即0ˆE n δε=（0δ>E 沿导体表面面元处法线方向，0δ<E 沿导体表面面元处法线指向导体内部）。
静电场中的导体和电介质(含答案,大学物理作业,考研真题)
1、一片二氧化钛晶片，其面积为 1.0cm2, 厚度为 0.10mm 。把平行板电容器的两极板紧
贴在晶片两侧。此时电容器的电容为_____________. ；当在电容器的两板上加上 12V 电压时，
极板上的电荷为_____________. ；电容器内的电场强度为_____________ .。（二氧化钛的相
[
]
3、（2018 年暨南大学）将一带电量为 Q 的金属小球靠近一个不带电的金属导体时，则有：
（A）金属导体因静电感应带电，总电量为-Q；
（B）金属导体因感应带电，靠近小球的一端带-Q，远端带+Q；
（C）金属导体两端带等量异号电荷，且电量 q<Q；
（D）当金属小球与金属导体相接触后再分离，金属导体所带电量大于金属小球所带电量。
二、 填空题
1、导体在达到静电平衡时，其导体内部的场强应为______；整个导体（包括导体表面）
的电势应是______；导体表面的场强方向应是______。
2、当空腔导体达到静电平衡时，若腔内无电荷，则给该空腔导体所带的电荷应分布
在
；若腔内有电荷，则空腔导体上的电荷应分布
在
。
3、如图所示，两同心导体球壳，内球壳带电量+q，外球壳带电量-2q。
（C）、使电容增大，但与介质板的位置无关；（D）、使电容增大，但与介质板的位置有关。
[
]
3、（2011 年太原科技大学）两个半径相同的金属球，一为空心，一为实心，把两者各自
孤立时的电容值加以比较，则:
（A）空心球电容值大；
（B）实心球电容值大；
（C）两球电容值相等；
（D）大小关系无法确定
[
]
二、 填空题
（1）若两极上分别带有电荷+Q 和—Q，求各区域的电位移 D，电场强度 E，及电势 U；
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
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第十八章
静电场中的导体和电介质
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第九章 静电场中的导体和电介质
导体中的自由电荷在外场的作用下可自由运动.
当把导体放入外场E 中，导体中的电荷要重新分 0 布，从而产生一个附加的场强 E ，空间任意一点
的场强是原有外场与附加场强之和。
E E0 E
EC dr ED dr
R3
UD
所以
r
2q ED dr 40 r
(r R3 )
2q E A 0, E B , EC 0, E D 2 2 4 0 rB 4 0 rD q q 2q UA 4 0 R1 4 0 R2 4 0 R3 q q 2q UB 4 0 rB 4 0 R2 4 0 R3 2q 2q UC , UD 4 0 R3 4 0 rD
s1
s2
D C BA
2q 2q ED , UD 2 4 0 rD 4 0 rD
oR R3 R 1 2
例2、 如图所示，在一接地导体A内有同心带电 QB 导体B，
A外有一电量为Q的点电荷，已知点电荷与球壳B的球 心距离为R，空腔A的外表面半径为a，求：（1）空腔 A的内表面电量。（2）空腔A的外表面电量。
S
在处于静电平衡的导体内， 任取高斯面，如图a，因 E内 0 故，处于静电平衡的导体内部 无净电荷（即电荷的体密度 为零)。电荷只能分布在导
图a 导体内无净电荷
体的表面上，且导体上的电荷 总是保持不变。
(导体中场强为零，净电荷密度为零， 导体为等势体。）
2导体空腔 A）腔内无带电体
Q
+
Q A QB 2 2S QB Q A 3 2S
Q A QB 1 4 2S
Q A QB 1 4 2S
QA QB 电压：
Q A QB 2 2S QB Q A 3 2S
1 2
3 4
1. 4 产生的场强抵消， 2 . 3产生的场强相加，
QB
40 a
q2
QB 1 1 Q QB QB q2 r r 4 R 4 r 4 r 4 a 40 B A 0 0 B 0 A 0
得： q2 a Q Q
R
R
or BB a rA
A
例 : 原不带电的金属球体外距圆心O点r处有一 点电荷 q(如图), 则金属球上感应电荷净电量 q ?, 这些感应电荷在O点产生的电场强度 E 0 ?, 感应电荷在p点产生的场强E ? p 感应电荷在p点产生的电势U p ?
E SE dS 上底 dS E dS E dS
下底 侧面
E
+ +
+ +
+
+
+
s + E内 0 +
+
+ +
E Hale Waihona Puke 0 E n 注意 :
E是总场, 是所有电荷 在该处产生的场强之和.
导体
可见： 曲率大处
解:
（1）据静电平衡条件和高斯定理有：
s1 s2
内球：电荷 q 均匀分布在球面； 球壳：内表面均匀分布 q ； D C B A o R1 R3 R 外表面均匀分布 2q 。
2
（2）由高斯定理，可算得：
EA 0 EC 0
r R1
EB
q 40 r
2
R1 r R2 r R3
例两块可视为无限大的导体平板A、B，平行放置， 间距为d，板面为S。分别带电QA、QB。且均为正值。 求两板各表面上的电荷面密度及两板间的电势差。 解：设四个表面电荷面 密度分别为： 1、 2、 3、 4 QA QB 作高斯面S’ 1 1
2 3
4
s1
a d a
平衡后的场 原场 附加的场
a.把一个不带电的导体放在均匀的外电场 E 0中。
b.静电感应：导体的两端带上正、负电荷。
静电平衡：导体内部的总的场强为零
c.静电平衡后，空间的场强与电势分布 电场线
E 0 等势面
E0
E
E0
E
a
b 图 静电场中的导体
c
静电平衡状态：导体上的电荷和整个空间的电场都达 到稳定的分布。 静电平衡条件：（1）导体内部场强处处为零。
0 0 rB rA
rA QB QB 1 1 E2 dr dr 2 rB rB 4 r 40 rB rA 0
rA
另一方面,设球壳A外表面电量为 q2 ,由电势叠加原理
UO
Q 40 R
40 rB
QB
40 rA
+
纵剖面
证明：
+ q ++ + - - + -- + q-- S '内 + + + - ++
q' q
Q外
Q q'Q外
Q外 Q q' Qq
在此基础上导体外壳接 地,外表面无电荷.
a b
c
图12-4 导体表面电荷密度 与表面曲率半径有关
1 一般规律 : r
对于孤立的带电体，导体表面的电荷分布规律为：
q'
++ l + R + p++ A O -
解 : q 0
r
+q
+x
E0
E p
qr
4 0 r qi
3
4 0 r l
2
分析 感应电荷在O点产生的电势U 0, 而 q在O点 产生的电势为U q 40 r ,因此O点的电势也为 q 40 r .
E内 0
（2）导体是一个等势体。 E 表面 表面,即为法线n的方向
U ab
a E dl 0
b
每一静电平衡状态下的导体，其内部的场强均为零， 尽管各自都具有不同的电势，当它们彼此接触时，又会 导致新的电荷分布与新的静电平衡状态，从而具有相同 的电势。
E内 0
导体为一等势体，P点与O点等电势 由于 q在p点产生的电势为U q U q 40 r U q U p q , 则有 40 r l
q'
++ l + R + p++ A O -
r
+q
+
q 1 1 U p r r l 40
+
1）空腔内表面没有净 电荷，电荷Q只分 布在外部表面。 思考:空腔內表面是否 可带等量异号电荷? 答案:空腔內表面 也处处没有电荷! 2）空腔内部场强E=0， 为一等势体。
+
+
+
纵剖面
+
+
Q
+ +
+
+
+ +
B）腔内有带电体（设内部电荷为q，空腔导体 原来带电Q） + + +Q 结论：静电平衡时，导体 + + + q + 内表面带电-q，外球带电 + q+Q。 + +
尖锐处,曲率大处（曲率半径小）
平缓处,曲率小处（曲率半径大）
面电荷密度大
面电荷密度小
E
+
+ +
+
+
+
+
s + E内 0 +
+
++
导体是一个等势体，导体面 是一个等势面。导体表面附 近的场强方向与面法线一致。 紧贴导体表面作一圆柱 形高斯面。
导体
E 0
S EdS ES 上底
0
则
SE dS 0
（2）由高斯定理得：
E1 0
E2 40 r QB
r rB
2
Q
R
(rB r rA )
or BB a rA
A
E3 0
a r rA
由于球壳接地有 U A 0 ，根据电势的定义, 则O点的电势为： a rB rA a U O U O U A E dr E1 dr E2 dr E3 dr
s1
R2 r R3
2q ED 40 r 2
s2
D C BA o
R3 R 2
R1
UA
R1
r
R2 E A dr EB dr
R1
s1
R3
R2
EC dr ED dr
R3
s2
D C BA o
2q 4 0 R1 4 0 R2 4 0 R3
2）无线电电路中的屏蔽罩、屏蔽线、高压 带电作业中的均压服。 3）变压器中的屏蔽层。
初级 次级 4）电缆线。
例1、带有电荷 q ，半径为 R1的实心导体球，同心地 罩上一个带电 q ，内径为 R2 ，外径为 R3 的导体
球壳。试求：（1）静电平衡时内球和球壳的电荷分 布；（2）如图所示，A、B、C、D处的场强和电势； （3）用导线把内球和球壳相连，此时的电荷分布及A、 B、C、D处的场强和电势又如何？