《電磁學(xué)中的靜電場(chǎng)現(xiàn)象》課件

電磁學(xué)中的靜電場(chǎng)現(xiàn)象課程概述靜電場(chǎng)基本概念電荷、電場(chǎng)、電勢(shì)靜電場(chǎng)性質(zhì)規(guī)律庫侖定律、高斯定理靜電場(chǎng)應(yīng)用第一部分：靜電學(xué)基礎(chǔ)電荷基本性質(zhì)正負(fù)電荷、量子化、守恒庫侖定律電荷間相互作用規(guī)律電場(chǎng)概念電荷的基本性質(zhì)正電荷和負(fù)電荷同性相斥，異性相吸電荷的量子化最小單位為元電荷電荷守恒定律庫侖定律庫侖定律表述點(diǎn)電荷間作用力與電荷乘積成正比，與距離平方成反比庫侖常數(shù)k=9×10^9N·m2/C2真空介電常數(shù)ε?=8.85×10^-12F/m庫侖定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式矢量形式F=k·q?q?/r2·r其中r為單位方向向量標(biāo)量形式F=k·|q?q?|/r2同號(hào)電荷斥力，異號(hào)吸力庫侖定律的適用范圍點(diǎn)電荷尺寸遠(yuǎn)小于距離靜止電荷無相對(duì)運(yùn)動(dòng)真空或均勻介質(zhì)無其他干擾因素宏觀尺度忽略量子效應(yīng)影響電場(chǎng)的概念電場(chǎng)電荷周圍的作用空間電場(chǎng)強(qiáng)度單位電荷受力大小矢量場(chǎng)有大小和方向電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算點(diǎn)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度E=k·q/r2疊加原理E=E?+E?+…矢量疊加考慮方向電場(chǎng)線1電場(chǎng)線定義與電場(chǎng)方向相切的曲線2起止特點(diǎn)從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷3密度特性密度與場(chǎng)強(qiáng)成正比4不相交性電場(chǎng)線不會(huì)相交典型電場(chǎng)分布點(diǎn)電荷電場(chǎng)徑向發(fā)散或指向中心場(chǎng)強(qiáng)隨距離平方反比減小電偶極子電場(chǎng)從正電荷到負(fù)電荷的閉合曲線遠(yuǎn)處場(chǎng)強(qiáng)隨距離立方反比減小高斯定理電通量概念穿過面積的電場(chǎng)線數(shù)量數(shù)學(xué)表達(dá)Φ=∮E·dS高斯定理通量等于內(nèi)部電荷量除以ε?高斯定理的數(shù)學(xué)表達(dá)式積分形式∮E·dS=q/ε?微分形式?·E=ρ/ε?物理意義電荷是電場(chǎng)源利用高斯定理計(jì)算電場(chǎng)靜電場(chǎng)的環(huán)路定理保守性做功與路徑無關(guān)環(huán)路積分為零∮E·dl=0旋度為零?×E=0存在勢(shì)函數(shù)E=-?φ電勢(shì)的概念電勢(shì)定義單位電荷從無窮遠(yuǎn)移至該點(diǎn)所做功電勢(shì)差兩點(diǎn)間電場(chǎng)力做功與電荷的比值與電場(chǎng)關(guān)系E=-?φ電勢(shì)的計(jì)算點(diǎn)電荷電勢(shì)φ=k·q/r電勢(shì)疊加φ=φ?+φ?+…標(biāo)量疊加比電場(chǎng)疊加簡單等勢(shì)面等勢(shì)面定義電勢(shì)相等點(diǎn)的集合與電場(chǎng)線關(guān)系互相垂直導(dǎo)體表面特性是等勢(shì)面間距特點(diǎn)密集處場(chǎng)強(qiáng)大靜電場(chǎng)中的電勢(shì)能W電勢(shì)能W=qφWij兩點(diǎn)電荷勢(shì)能Wij=k·qiqj/rijE總勢(shì)能E=?∑∑Wij第二部分：靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體導(dǎo)體靜電平衡內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零表面電荷分布表面電場(chǎng)垂直靜電屏蔽內(nèi)部無外場(chǎng)影響導(dǎo)體的靜電平衡條件內(nèi)部電場(chǎng)為零自由電子快速移動(dòng)抵消內(nèi)部場(chǎng)E=0表面電場(chǎng)垂直表面切向分量為零E⊥=σ/ε?靜電平衡下導(dǎo)體的性質(zhì)等勢(shì)體全體同一電勢(shì)表面電荷分布電荷僅存在于表面電場(chǎng)方向垂直導(dǎo)體表面導(dǎo)體表面的電荷分布曲率影響曲率越大電荷密度越大尖端放電尖端處電場(chǎng)強(qiáng)度很大避雷針原理利用尖端放電保護(hù)建筑靜電屏蔽法拉第籠封閉金屬殼體內(nèi)無外部電場(chǎng)影響屏蔽原理導(dǎo)體表面感應(yīng)電荷抵消外場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景電子設(shè)備、實(shí)驗(yàn)儀器、避雷裝置靜電感應(yīng)1外場(chǎng)作用導(dǎo)體附近有帶電體2電荷重排導(dǎo)體內(nèi)自由電子移動(dòng)3表面感應(yīng)電荷產(chǎn)生正負(fù)感應(yīng)電荷4內(nèi)部電場(chǎng)為零達(dá)到新平衡狀態(tài)電容器電容器定義能儲(chǔ)存電荷的導(dǎo)體系統(tǒng)電容概念C=Q/U影響因素幾何形狀、介質(zhì)、極板距離平行板電容器C電容計(jì)算C=ε?S/dE內(nèi)部電場(chǎng)E=σ/ε?U極板電壓U=Ed球形電容器內(nèi)球半徑R?外球半徑R?兩球間距d電容C=4πε?R?R?/(R?-R?)圓柱形電容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同軸圓柱體電容計(jì)算C=2πε?L/ln(b/a)電場(chǎng)分布徑向方向應(yīng)用同軸電纜電容器的串聯(lián)和并聯(lián)串聯(lián)電容1/C=1/C?+1/C?+…總電容小于最小電容并聯(lián)電容C=C?+C?+…總電容等于各電容之和電容器儲(chǔ)能儲(chǔ)能公式W=?CU2=?QU能量密度w=?ε?E2能量位置儲(chǔ)存在電場(chǎng)中第三部分：靜電場(chǎng)中的介質(zhì)極化機(jī)制分子偶極矩定向2場(chǎng)量變化電位移、極化強(qiáng)度介質(zhì)分類極性、非極性、各向同性介質(zhì)的極化極化微觀機(jī)制分子內(nèi)電荷分離或偶極矩排列極化強(qiáng)度P=χ?ε?E單位體積極化偶極矩電位移矢量定義D=ε?E+P與電場(chǎng)關(guān)系D=εE=ε?ε?E介電常數(shù)ε?=ε/ε?高斯定理在介質(zhì)中的應(yīng)用有介質(zhì)存在時(shí)高斯定理∮D·dS=qf微分形式?·D=ρf物理意義自由電荷是電位移的源電介質(zhì)中的靜電場(chǎng)方程泊松方程?2φ=-ρ/ε拉普拉斯方程?2φ=0邊界條件確定具體解電介質(zhì)的極化率和電容率電介質(zhì)的分類非極性介質(zhì)分子無永久偶極矩如氫氣、氮?dú)?、甲烷極性介質(zhì)分子有永久偶極矩如水、醇類、酮類各向同性介質(zhì)和各向異性介質(zhì)各向同性介質(zhì)介電性質(zhì)與方向無關(guān)各向異性介質(zhì)介電性質(zhì)隨方向變化介電張量描述各向異性介質(zhì)電性質(zhì)鐵電體1特性自發(fā)極化2鐵電疇極化方向一致的區(qū)域3滯回效應(yīng)極化隨電場(chǎng)非線性變化4應(yīng)用電容器、傳感器、存儲(chǔ)器件壓電體正壓電效應(yīng)受壓產(chǎn)生電荷逆壓電效應(yīng)電場(chǎng)作用變形應(yīng)用傳感器、換能器典型材料石英、鋯鈦酸鉛第四部分：靜電場(chǎng)的應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用靜電復(fù)印、除塵、噴涂科學(xué)研究加速器、發(fā)電機(jī)生物醫(yī)學(xué)電泳、細(xì)胞融合電子技術(shù)靜電防護(hù)、靜電吸附靜電復(fù)印技術(shù)1充電感光鼓表面均勻充電2曝光光照使電荷局部泄漏3顯影帶電墨粉吸附于潛像4轉(zhuǎn)印墨粉轉(zhuǎn)移到紙上5定影熱壓墨粉固定靜電除塵荷電粉塵顆粒帶電收集帶電粉塵被吸附到極板清除機(jī)械振打使粉塵脫落靜電噴涂原理帶電涂料粒子被導(dǎo)體吸引優(yōu)點(diǎn)均勻覆蓋、減少浪費(fèi)應(yīng)用汽車、家具、電器涂裝靜電發(fā)電范德格拉夫發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生高達(dá)幾百萬伏電壓靜電感應(yīng)發(fā)電利用電荷感應(yīng)產(chǎn)生高壓摩擦起電不同材料接觸分離產(chǎn)生電荷靜電加速器原理利用高靜電場(chǎng)加速帶電粒子種類范德格拉夫加速器、串列加速器應(yīng)用粒子物理實(shí)驗(yàn)、材料改性、放射性同位素生產(chǎn)靜電場(chǎng)在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用靜電防護(hù)防止敏感元器件靜電損傷靜電吸附硅片加工過程中的定位離子注入利用電場(chǎng)加速離子修飾半導(dǎo)體材料靜電場(chǎng)在生物技術(shù)中的應(yīng)用靜電場(chǎng)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用靜電治療高壓靜電場(chǎng)促進(jìn)血液循環(huán)藥物遞送靜電噴霧均勻給藥診斷技術(shù)利用電場(chǎng)特性進(jìn)行疾病檢測(cè)第五部分：靜電場(chǎng)的測(cè)量與檢測(cè)精確測(cè)量實(shí)驗(yàn)室高精度設(shè)備2工業(yè)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控3安全防護(hù)防靜電預(yù)警系統(tǒng)靜電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)測(cè)量空間點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小和方向工作原理探測(cè)電荷在場(chǎng)中受力或電場(chǎng)引起的電勢(shì)差靜電電壓的測(cè)量靜電電壓表測(cè)量高電位工作原理靜電力平衡原理測(cè)量范圍可達(dá)數(shù)百萬伏電荷量的測(cè)量庫侖計(jì)測(cè)量微小電荷電容法Q=CU感應(yīng)法利用感應(yīng)電荷測(cè)量放電法電荷通過已知電阻放電靜電場(chǎng)可視化技術(shù)靜電場(chǎng)數(shù)值模擬有限元法將區(qū)域分為有限個(gè)單元求解邊界元法僅對(duì)邊界進(jìn)行離散化蒙特卡洛法利用隨機(jī)抽樣求解靜電場(chǎng)的安全防護(hù)危害識(shí)別靜電火花引燃風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施接地、增濕、導(dǎo)