《大学物理基础中册课件教学课件 ppt 作者 刘炳胜 李海宝 郭铁梁 主编第9章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理基础中册课件教学课件 ppt 作者 刘炳胜 李海宝 郭铁梁 主编第9章（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第9章 导体电学,大学物理基础（中）,电容器和电容,9.2,范德格拉夫起电机,9.3,导体的静电平衡性质,9.1,第9章 导体电学,稳恒电流,9.4,电动势,9.5,恒定电流电路定律,9.6,1.理解静电场中导体处于静电平衡的条件和特征,能够利用静电平衡的条件和特征分析处于静电平衡状态下导体的电荷分布； 2.了解静电屏蔽和尖端放电现象在工程技术领域中的应用； 3.能够计算简单电容器的电容； 4.了解恒定电流产生的条件；理解电流密度的概念；理解电动势的概念； 5.理解基尔霍夫电路定律，能够利用基尔霍夫电路定律分析和计算电路中支路的电流和电势差； 6.理解全电路欧姆定律。,基本要求,基本要求,1.
2、重 点 （1）静电平衡的条件和特征； （1）基尔霍夫电路定律；电动势 2.难 点 （1）静电平衡状态下导体的电荷分布分析； （2）基尔霍夫电路定律,重点难点,重点难点,9.1 导体的静电平衡性质,1,2,静电平衡,导体的静电平衡性质,3,4,静电平衡下导体上的电荷分布,避雷针,5,静电屏蔽,9.1.1 静电平衡,导电性能很好的材料，例如各种金属、电解质溶液，称为导体。,图9-1 金属导体电结构,9.1.1 静电平衡,（a）自由电子定向运动 （b）静电平衡状态 图9-2均匀导体的静电平衡形成过程,9.1.2 导体的静电平衡性质,图9-3均匀导体的静电平衡以及平衡后对电场的影响,9.1.2 导体的
3、静电平衡性质,达到静电平衡时的导体将会有以下特征，或者说导体达到静电平衡必须满足以下条件： （1）导体内部任一点的场强均为零； （2）导体表面上任一点的场强均垂直于该点的表面； （3）导体是一个等势体，其表面是一个等势面。,9.1.2 导体的静电平衡性质,图9-4几种导体静电平衡时所形成的等势体,9.1.2 导体的静电平衡性质,我们可以做一个简单证明：如图9-5所示，如果导体表面电场强度有切向分量，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，和命题条件相矛盾。导体是等势体，是因为对于导体中的任何两点P、Q有,图9.5导体表面电场强度,9.1.3 静电平衡下导体上的电荷分布,9
4、.1.3 .1 实心导体 处于静电平衡时实心导体内部各处净电荷（自由电荷的代数和）处处为零，电荷只能分布在表面。,（a）实心导体 （b）带空腔导体 图9-6 静电平衡时导体上电荷的分布,9.1.3 静电平衡下导体上的电荷分布,由高斯定理可知，此曲面内电荷的代数和为零。 即由静电平衡条件Em=0， 所以由高斯定理： 得,9.1.3 静电平衡下导体上的电荷分布,9.1.3.2 空腔导体 如果在空腔中间有一电荷+q，在导体内取一高斯面，则由静电平衡时，导体内部的场强为零，可知通过此高斯面的电场强度通量为零，因而高斯面所包围的电荷的代数和为零，故可得空腔的内表面有感生电荷-q，空腔的外表面有感生电荷。
5、,9.1.3 静电平衡下导体上的电荷分布,图9-7 空腔内有电荷时电荷的分布,9.1.3 静电平衡下导体上的电荷分布,9.1.3.3面电荷密度 与该表面紧邻处电场强度E的关系 以 表示导体表面P点附近的面电荷密度，根据高斯定理则有 因此有 (9.1),图 9-8紧邻导体表面的电场强度,9.1.3 静电平衡下导体上的电荷分布,例9.1 两块平行且面积相等的导体板，其面积S比两板间距离d的平方大很多，所带电量分别为qA、qB，求静电平衡时两板各表面上的电荷面密度。 解：,图 9-9 例9.1用图,9.1.3 静电平衡下导体上的电荷分布,9.1.3.4面电荷密度 与各处表面的曲率半径的关系 由于两球
6、相距很远，可以近似的认为它们是相互孤立的导体，又由于由导线连接，所以其电势相等，则有 得 (9.3),9.1.3 静电平衡下导体上的电荷分布,（a）半径分别为R1和R2带电导体球 （b）带电金属尖端 图9-10 静电平衡状态下电荷分布,9.1.3 静电平衡下导体上的电荷分布,图9.11电风吹蜡烛,9.1.4 避雷针,雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。在任何给定时刻，世界上都有1800场雷雨正在发生，每秒大约有100次雷击。,图9.12雷电的形成,9.1.4 避雷针,在需要防护的高大建筑物上安装避雷针，是防范雷击的有效措施。,图9.13 安装在建筑物上的避雷针,9.1
7、.5 静电屏蔽,静电屏蔽的原理：一个接地的空腔导体可以隔离内、外电场的影响，实现全屏蔽。,图9-13空腔外表面接地,9.1.5 静电屏蔽,在静电平衡状态下，不论是空心导体还是实心导体；不论导体本身带电多少，或者导体是否处于外电场中，必定为等势体，其内部场强为零，这是静电屏蔽的理论基础。,图9-14 屏蔽袋中的电脑硬盘,9.1.5 静电屏蔽,例9.2 有一外半径为R1、内半径为R2的金属球壳，其内有一同心的半径为R3的金属球。球壳和金属球所带的电量均为q。求两球体的电势分布。,图9.15 例9.2用图,9.1.5 静电屏蔽,解： 球壳表面的电势为 球壳为等势体，电势为 球体表面的电势为 球体为等
8、势体，电势为,9.1.5 静电屏蔽,例9.3 如图9-16所示，一半经为R1的导体球带有电荷q，小球外有一个内外半径分别为R2、R3的同心导体球壳，壳上带有电荷Q。,图9-16 例9.3用图,9.2 电容器和电容,1,2,孤立导体的电容,电容器的电容,3,4,几种常见电容器及其电容,电容器的并联和串联,9.2.1 孤立导体的电容,一个带电量为q的孤立导体，在静电平衡时具有一定的电势U，理论和实践都已经证明当增加导体所带的电量时，其电势也随之增加，两者成正比关系，数学表达式为,9.2.1 孤立导体的电容,电容没有负值，因为以无穷远处为电势零点时，导体带正电，则电势为正；导体带负电，则电势为负。国
9、际单位制中，电容的单位是法拉，符号为F。工程技术中常用的是微法（ ）、皮法（ ），它们间的关系为,9.2.1 孤立导体的电容,例9.4 求半径为R的孤立导体球的电容。 解：设该导体球所带电量为q，则该球的电势为 根据电容的定义则有 （9.4）,9.2.2 电容器的电容,设两个导体A、B放在真空中，它们所带的电量分别为+Q、-Q，它们的电势分别为U1、U2，则定义电容器的电容为两导体中任何一个导体所带的电量与两导体间的电势差的比值，即 (9.5) 导体A、B称为电容器的电极或极板。,9.2.3 几种常见电容器及其电容,9.2.3.1 平行板电容器 如图9-17所示，令导体板A、B所带电量分别为+
10、Q、-Q，则两板间的电势差为 所以 ( 9.6),图9-17平行板电容器,9.2.3 几种常见电容器及其电容,图9.18（a）平行板可变电容器 （b）平行板可变电容器实物,9.2.3 几种常见电容器及其电容,9.2.3.2 同心球电容器,图9-19 同心球电容器,9.2.3 几种常见电容器及其电容,如图所示，有一个半径为R1的导体球A和同心的半径为R2的导体球壳B组成的导体系称作球形电容器。令A带电q，B带电量-q，则两球间的电势差为 根据前面我们对电容器电容的定义，则球形电容器的电容为 (9.7),9.2.3 几种常见电容器及其电容,9.2.3.3 同轴圆柱形电容器,图 9-20（a）同轴圆
11、柱形电容器 （b）同轴电缆,9.2.3 几种常见电容器及其电容,假设圆柱导体电荷线密度为 ，根据高斯定理可知空腔内的电场强度方向沿垂直于轴向的矢径方向，大小为 ，则两导体间的电势差为 则该电容器的电容为 (9.8),9.2.3 几种常见电容器及其电容,电缆线单位长度的电容为 (9.9) 用d表示两圆柱面之间的间距，当dr时，其中r同轴圆柱形电容器两极之间的距离 得,9.2.3 几种常见电容器及其电容,图 9-21同轴圆柱形电容器实物,9.2.4 电容器的并联和串联,在实际电路中当一个电容或耐压能力不能满足需求时，就把几个电容器联接起来使用。电容器的基本连接方式有两种：串联和并联。,（a） （b
12、） 图 9-22 电容器的并联和串联,9.2.4 电容器的并联和串联,根据电容的定义可知 (9.10a ) (9.10b),9.2.4 电容器的并联和串联,比较电容器的两种联接方式可得到以下结论： (1)并联时，总电容增大，但因每个电容器都是直接连接到电源上，电容器组的耐压能力受到耐压能力最低的那个电容器的限制。 (2)串联时，总电容比每个电容器的电容都要小，但因总电压分配到各个电容器上，电容器组的耐压能力得到了提高。,9.2.4 电容器的并联和串联,例9.5 一空气平行板电容器，电容为C，两极板间距离为d。充电后，两极板间相互作用力为F 。 求： （1）两极板间的电势差； （2）极板上的电荷
13、。 解：,9.2.4 电容器的并联和串联,例9.6 有两根半径都是R的“无限长”直导线，彼此平行放置，两者轴线的距离是d(d2R)，单位长度上分别带有电量为+和的电荷。设两带电导线之间的相互作用不影响它们的电荷分布，试求 （1）两导线间的电势差； （2）该导体组长度为 的电容。,图 9-23同轴圆柱形电容器实物,9.3 范德格拉夫起电机,1,2,范德格拉夫起电机的结构与原理,范德格拉夫起电机的应用,9.3 范德格拉夫起电机,范德格拉夫起电机（Van de Graaff generator ）是将机械能直接转换为电能的直流高电压发生器，也称带式静电发生器，又称范德格拉夫加速器。,9.3 范德格拉
14、夫起电机,图 9-24（a）范德格拉夫起电机实物图,图 9-24（b）范德格拉夫起电机的结构与原理,9.3.1 范德格拉夫起电机的结构与原理,范德格拉夫起电机结构如图9-24（b）所示，空心金属球放在绝缘圆柱体上，圆柱内为由电动机带动上下运动的丝带（绝缘传送带），金属针尖A与数万伏的直流电源相接，电源另一端C接地，由于针尖的放电作用，电荷将不断地被喷送到传送带上。另一金属针尖B与金属球的内表面相联。,9.3.2 范德格拉夫起电机的应用,由于范德格拉夫起电机球形罩上的电荷能产生超过一千万伏特的电压，因此在核物理实验中，如此高的电压可用来加速各种带电粒子，如质子、电子等。利用范德格拉夫起电机所产生高电压来加速带电粒子的装置即为德格拉夫静电加速器。,9.3.2 范德格拉夫起电机的应用,图 9-26 HI-13串列静电加速器,9.3.2 范德格拉夫起电机的应用,图 9-27 范德格拉夫起电机使
