大学物理下册第九章：静电场2012.9.2

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1、2011-8-27,1,第九章：静电场,2011-8-27,2,物 理 学 与 技 术 革 命,第二次技术革命：是以欧美19世纪下半叶至20世 纪初兴起的电气时代。,（1）具有重大意义的几个事件：,一是意大利科学家伏打于1800年发明了电池；,二是丹麦科学家奥斯特于1820年发现了电磁效应现象；,三是英国科学家法拉第于1831年建立了电磁感应定律。,（2）发电机的产生 :,1834年法拉第用U形磁铁和铜盘创造出世界上第一台原始发 电机雏形；,1864年英国技师威尔德提出自激励磁法；,2011-8-27,3,3）电力工业技术体系的完善:,继西门子的电机之后，1876年贝尔（18471922）发明

2、了电 话，1879年爱迪生发明电灯，这三大发明照亮了人类实现电 气化的道路。,1883年法拉里斯在意大利科学院提出“利用交流电来产生电动旋 转”的经典理论。,同年南斯拉夫的特斯拉在美国发明创造了感应电动机。,1888年威斯汀豪斯（1846一1914）制成交流变压器，与已经发 明的交流发电机相接，建成交流电传输系统。,1889年，俄国工程师多利沃-多勃罗夫斯基提出采用三相制 的建议，并设计制造了第一台三相变压器和三相感应电动机完 善了电力工业技术体系。,2011-8-27,4,物 理 学 与 科 技,ESD是代表英文ElectroStatic Discharge即“静电放电” 的意思。是本世纪中

3、期以来形成的以研究静电的产生与 衰减、静电放电模型、静电放电效应如电流热（火花）效应 （如静电引起的着火与爆炸）及和电磁效应（如电磁干扰）等 的学科。近年来随着科学技术的飞速发展、微电子技术的广泛 应用及电磁环境越来越复杂，对静电放电的电磁场效应如电磁 干扰（）及电磁兼容性（）问题越来越重视。,静电放电控制:腕带的问题，导电地面/导电鞋,设备的接地, 静电屏蔽包装、静电屏蔽盒,工作台和腕带的检测器,绝对与相 对湿度,消电器。,2011-8-27,5,哪些电子工业过程会产生静电危害? 元件从生产到使用的整体过程中都会产生静电： 1.元件制造过程 在这个过程，包含制造，切割、接线、检验到交货。 2

4、.印刷电路版生产过程 收货、验收、储存、插入、焊接、品管、包装到出货。 3.设备制造过程 电路板验收、储存、装配、品管、出货。 4.设备使用过程 收货、安装、试验、使用及保养。 5.设备维修过程,2011-8-27,6,本章重点:,1、两个基本概念：电场强度和电势。,2、三个基本定律：库仑定律、高斯定律和静电场 的环路定理.,2011-8-27,7,2011-8-27,8,1.对电荷的基本认识： （1）两种:正电荷、负电荷. （2）电荷量子化 (charge quantization ),一.电荷守恒定律：,1986年的推荐值为：e =1.6021773310-19库仑(C),夸克,2011-

5、8-27,9,2、电荷守恒定律： (law of conservation of charge),3、起电的方法：摩擦起电和静电感应。,4、物体：导体、绝缘体、半导体（温度、光、杂质、压 力、 电磁场敏感）。,2011-8-27,10,二.库仑定律( Coulomb Law)：,1736-1806 France,2011-8-27,11,1 点电荷模型(理想模型),2011-8-27,12,2 库仑定律,在真空中, 两个静止点电荷之间的相互作用力大 小，与它们的电量的乘积成正比，与它们之间距离的 平方成反比；作用力的方向沿着它们的联线，同号电 荷相斥，异号电荷相吸。,2011-8-27,13,

6、：真空电容率,库仑力遵守牛顿第三定律,库仑定律,：q1指向q2的单位矢量,2011-8-27,14,1)基本实验规律： 宏观 、 微观适用 2)点电荷：理想模型 3）电力叠加原理,讨论(Discussion):,2011-8-27,15,解,例 在氢原子内,电子和质子的间距为 . 求它们之间电相互作用和万有引力,并比较它们的大小.,2011-8-27,16,1 静电场,实验证实了两静止电荷间存在相互作用的静电力， 但其相互作用是怎样实现的？,场是一种特殊形态的物质,三 电场强度,2011-8-27,17,2 电场强度,单位,电场中某点处的电场强度 等于位于该点处的单位试验电荷所受的力，其方向为

7、正电荷受力方向.,电荷 在电场中受力,（试验电荷为点电荷、且足够小,故对原电场几乎无影响）,2011-8-27,18,3 点电荷的电场强度,问,2011-8-27,19,4 电场强度的叠加原理,由力的叠加原理得 所受合力,点电荷 对 的作用力,故 处总电场强度,电场强度的叠加原理,2011-8-27,20,四、电场强度的计算：重点 (Calculation of electric field Intensity),1.点电荷的场强公式：,2、点电荷系：,2011-8-27,21,例：点电荷产生的电场的大小为,例:在一个正方形的四个顶点上，有两正两负的电荷q，摆 法不同，中心o点的场强有何不同?

8、 点场强如何?,2011-8-27,22,3 、电荷连续分布情况,电荷体密度,点 处电场强度,2011-8-27,23,电荷面密度,电荷线密度,2011-8-27,24,电偶极矩（电矩）,例1 电偶极子的电场强度,电偶极子的轴,（1）电偶极子轴线延长线上一点的电场强度,2011-8-27,25,2011-8-27,26,（2）电偶极子轴线的中垂线上一点的电场强度,根据对称性可知,2011-8-27,27,2011-8-27,28,求：如图所示 点的电场强度,解：在坐标 x 处取一个 电荷元dq,该点电荷在 p 点的场强方向如图所示 大小为, 各电荷元在 p 点的场强方向一致 场强大小直接相加,

9、2011-8-27,29,2011-8-27,30,小 结,1、库仑定律：,2、电场强度：,3、场强叠加原理 ：,4、电场强度的计算：,重点,重点,重点,重点,2011-8-27,31,（1）点电荷的场强公式：,（2）点电荷系的场强公式：,（3）任意带电体（连续带电体)电场中的场强：,重点,重点,重点,2011-8-27,32,2000年荣获诺贝尔物理学奖。,主要贡献：,美国物理学家。,Jacks S. Clair Kilby (1923- ),微电子领域的研究和微芯 片的制造。,物 理 学 史 介 绍：,2011-8-27,33,2000年荣获诺贝尔物理学奖。,主要贡献：,美国物理学家。,微

10、电子领域的研究和微芯 片的制造。,Herbert Kroemer(1928-）,2011-8-27,34,2000年荣获诺贝尔物理学奖。,主要贡献：,美国物理学家。,微电子领域的研究和微芯 片的制造。,Zhores I. Alferov(1930-),2011-8-27,35,作业：P37页,习题：第9-8题,第9-9题 。,理想化方法必须以大量的观察和实验获得的材料为基础。,预习： 9-4 高斯定理,2011-8-27,36,电场强度的计算：复习 掌握 (Calculation of electric field Intensity),接上节课：,2011-8-27,37,例3:求均匀带电细

11、棒中垂线上一点的场强设棒长为l， 带电 量q ，电荷线密度为。,解：,取带电微元：,2011-8-27,38,利用公式：,讨论: (1) 无限长均匀带电细棒的场强方向垂直与细棒,(2) yl， 相当于点电荷的场强,2011-8-27,39,由对称性有,2011-8-27,40,2011-8-27,41,（1）,（点电荷电场强度）,（2）,（3）,2011-8-27,42,解 由例,2011-8-27,43,2011-8-27,44,（点电荷电场强度）,2011-8-27,45,例题6: 一半径为 的半球壳，均匀地带有电荷，电荷面密度为 。求球心处电场强度的大小。,解：将半球壳分割为一组平行细圆

12、环，任一个圆环所带电荷元,在点 激发的电场强度为,平行细圆环在点 激发的电场强度方向相同,2011-8-27,46,9-4 高斯定理(Gauss theorem),本节重点:,1、掌握的电强线概念及描述方法。,2、掌握的电通量计算。,3、掌握高斯定理及在求解场强方面的应用。,2011-8-27,47,一 电场线 （电场的图示法）,1） 曲线上每一点切线方向为该点电场方向, 2） 通过垂直于电场方向单位面积电场线数为 该点电场强度的大小.,1、规 定,2011-8-27,48,2011-8-27,49,一对等量异号点电荷的电场线,2011-8-27,50,一对等量正点电荷的电场线,2011-8-

13、27,51,一对不等量异号点电荷的电场线,2011-8-27,52,带电平行板电容器的电场线,2011-8-27,53,2、电场线特性,1） 始于正电荷,止于负电荷(或来自无穷远,去 向无穷远). 2） 电场线不相交. 3） 静电场电场线不闭合. 由静电场的基本性质和场的单值性决定的。,2011-8-27,54,二 电场强度通量,通过电场中某一个面的电场线数叫做通过这个面的电场强度通量.,均匀电场 ， 垂直平面,均匀电场 ， 与平面夹角,2011-8-27,55,非均匀电场强度电通量,为封闭曲面,2011-8-27,56,闭合曲面的电场强度通量,例1 如图所示 ，有一 个三棱柱体放置在电场强度

14、 的匀强电 场中 . 求通过此三棱柱体的 电场强度通量 .,2011-8-27,57,解,2011-8-27,58,例:求总带电量为Q的点电荷的电通量。,2011-8-27,59,三 高斯定理,2011-8-27,60,点电荷位于球面中心,高斯定理的导出,2011-8-27,61,发出的 条电场线仍全部穿出封闭 曲面 S ，即：,点电荷在任意封闭曲面内,点电荷位于球面中心,2011-8-27,62,点电荷在封闭曲面之外,2011-8-27,63,由多个点电荷产生的电场,2011-8-27,64,2011-8-27,65,在点电荷 和 的静电场中，做如下的三个闭合面 求通过各闭合面的电通量 .,

15、2011-8-27,66,四、高斯定理在求解场强方面的应用：,常见的电量分布的对称性： 球对称 柱对称 面对称,均匀带电的,球体 球面 (点电荷),无限长 柱体 柱面 带电线,无限大 平板 平面,2011-8-27,67,用高斯定理求电场强度的步骤：,(3) 根据高斯定理求电场强度。,(1) 分析电场分布对称性；,(2) 根据对称性取高斯面；,2011-8-27,68,用高斯定理求电场强度的步骤：,分析电场 分布对称性,根据对称性 选取高斯面,根据高斯定理 求电场强度,2011-8-27,69,根据电荷分布的对称性， 选取合适的高斯面(闭合面),解:,取以球心 o 为圆心的球面,先计算高斯面的

16、电通量,例1：均匀带电球面，总电量为 Q，半 径为R，求电场强度分布。,2011-8-27,70,再根据高斯定理解方程,过场点的高斯面内电量代数和?,电场分布曲线,2011-8-27,71,:已知“无限长”均匀带电直线的电荷线密度为+,解,:电场分布具有轴对称性,例2,:距直线r 处一点P 的电场强度,求,根据高斯定理得,2011-8-27,72,电场分布曲线,2011-8-27,73,例3：已知球体半径为R，带电量为q（电荷体密度为）,R,解：,球外,r,求：均匀带电球体的电场强度分布,球内( ),2011-8-27,74,解：,电场强度分布具有面对称性,选取一个圆柱形高斯面,例4：已知“无限大”均匀带正电平