《靜電場中的恒定電場》課件

靜電場中的恒定電場電場理論基礎(chǔ)課程第一部分：靜電場基礎(chǔ)電荷基本性質(zhì)與相互作用電場空間分布與強(qiáng)度計(jì)算電勢能量表示與等勢面導(dǎo)體性質(zhì)電荷的基本概念正負(fù)電荷同性相斥，異性相吸量子化特性電荷量為基本電荷的整數(shù)倍守恒定律庫侖定律數(shù)學(xué)表達(dá)式F=k·q?·q?/r2力的特點(diǎn)作用力沿連線方向力的大小電場的概念定義空間中任一點(diǎn)電荷所受電場力與電荷量之比物理意義描述電荷周圍空間的電力作用特性電場強(qiáng)度的計(jì)算1點(diǎn)電荷電場E=k·q/r22電荷系統(tǒng)電場疊加原理：E=∑E?3電偶極子電場遠(yuǎn)場近似：E∝p·cosθ/r3電場線定義切線方向與電場方向一致的曲線密度特性密度與電場強(qiáng)度成正比起止特點(diǎn)從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷相交性質(zhì)電場線不會相交高斯定理電通量概念Φ=∫E·dS高斯定理表達(dá)式Φ=Q/ε?應(yīng)用價值簡化對稱電場計(jì)算靜電場的環(huán)路定理保守性∮E·dl=0無旋特性?×E=0應(yīng)用優(yōu)勢簡化電勢計(jì)算電勢能和電勢1電勢單位電荷的電勢能2電勢能電荷在電場中的位置能3參考點(diǎn)無窮遠(yuǎn)處電勢定為零電勢差ΔV電勢差定義兩點(diǎn)間電勢的代數(shù)差-W/q物理意義單位電荷位移功的負(fù)值∫E·dl計(jì)算方法電場強(qiáng)度線積分等勢面等勢面上各點(diǎn)電勢相等電場線與等勢面垂直靜電場中的導(dǎo)體1靜電平衡條件導(dǎo)體內(nèi)部電場為零2電荷分布電荷僅分布于導(dǎo)體表面3電勢特點(diǎn)整個導(dǎo)體等勢4表面電場垂直于導(dǎo)體表面靜電屏蔽屏蔽原理導(dǎo)體殼內(nèi)部電場為零法拉第籠防雷和電磁屏蔽應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用電子設(shè)備防干擾電容器工作原理通過電場儲存電荷C=Q/V常見類型平行板電容器球形電容器柱形電容器影響因素幾何尺寸介質(zhì)性質(zhì)極板間距第二部分：恒定電場基礎(chǔ)電流基礎(chǔ)恒定電流及其密度歐姆定律電阻與電導(dǎo)性質(zhì)電場特性恒定電場的產(chǎn)生與分布電流效應(yīng)熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)與磁效應(yīng)恒定電流的概念電流定義單位時間內(nèi)通過截面的電荷量方向規(guī)定正電荷流動方向恒定特點(diǎn)大小、方向不隨時間變化電流密度定義單位面積上的電流矢量性質(zhì)大小與方向與電流關(guān)系I=∫j·dS歐姆定律微分形式j(luò)=σE積分形式I=V/R物理本質(zhì)描述電場與電流密度關(guān)系電阻和電導(dǎo)電阻電導(dǎo)電阻與電導(dǎo)互為倒數(shù)電阻單位：歐姆(Ω)；電導(dǎo)單位：西門子(S)受材料、幾何結(jié)構(gòu)、溫度影響焦耳定律熱效應(yīng)原理電流通過電阻時產(chǎn)生熱量數(shù)學(xué)表達(dá)式Q=I2Rt=UIt應(yīng)用實(shí)例電熱器、照明設(shè)備電源化學(xué)電源電池、蓄電池物理電源太陽能、熱電偶電動勢非靜電力產(chǎn)生的電勢差基爾霍夫定律電流定律(KCL)節(jié)點(diǎn)電流代數(shù)和為零∑I=0電壓定律(KVL)閉合回路電壓代數(shù)和為零∑V=0恒定電場的特點(diǎn)1場源分布電荷在導(dǎo)體內(nèi)部均勻分布2空間特性電場線不閉合3時間特性不隨時間變化恒定電場的產(chǎn)生電源作用提供持續(xù)電動勢1非靜電力將電子從低電勢移向高電勢2電荷運(yùn)動形成穩(wěn)定電流恒定電場的分布導(dǎo)體內(nèi)部方向與電流方向一致導(dǎo)體表面垂直于導(dǎo)體表面異質(zhì)結(jié)處電場線發(fā)生折射恒定電流的連續(xù)性方程物理意義電荷守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)微分形式?·j=0積分形式流入等于流出應(yīng)用電路分析與設(shè)計(jì)電流的熱效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制電子與晶格碰撞傳能影響因素電流強(qiáng)度、電阻值、時間實(shí)際應(yīng)用電爐、電烙鐵、保險絲電流的化學(xué)效應(yīng)電解現(xiàn)象電流通過電解質(zhì)溶液產(chǎn)生化學(xué)變化法拉第第一定律析出物質(zhì)量與通過電量成正比法拉第第二定律電化當(dāng)量比與化學(xué)當(dāng)量比相等電流的磁效應(yīng)奧斯特實(shí)驗(yàn)：電流產(chǎn)生磁場安培力：電流在磁場中受力第三部分：靜電場與恒定電場的關(guān)系相似性數(shù)學(xué)表達(dá)式形式相似2區(qū)別成因與分布不同轉(zhuǎn)化關(guān)系在特定條件下可相互轉(zhuǎn)化靜電場與恒定電場的相似性表達(dá)式形式均可用E表示場強(qiáng)電勢計(jì)算積分方法相似疊加原理均滿足線性疊加靜電場與恒定電場的區(qū)別特性靜電場恒定電場電荷分布表面分布體分布電場線非閉合閉合保守性保守場非保守場環(huán)路積分為零不為零靜電比擬法基本原理利用場方程形式相似1對應(yīng)關(guān)系電場強(qiáng)度對應(yīng)電流密度邊界條件確保問題等價性應(yīng)用范圍復(fù)雜電路與場分析導(dǎo)體中的電場和電流分布靜電場中導(dǎo)體電荷表面分布內(nèi)部電場為零表面電場垂直恒定電流中導(dǎo)體電流體分布內(nèi)部存在電場電流密度與電場平行邊界條件靜電場邊界E??=E??，D??-D??=σ恒定電場邊界E??=E??，j??=j??物理意義確保場和電流連續(xù)性電容與電導(dǎo)的類比C電容定義電荷量與電勢差比值G電導(dǎo)定義電流與電壓比值ε介電常數(shù)影響電容大小σ電導(dǎo)率影響電導(dǎo)大小靜電場與恒定電場的能量靜電場能量密度w=?εE2總電場能量W=∫w·dV恒定電流功率P=UI=I2R靜電場與恒定電場的疊加原理靜電場疊加E=E?+E?+...電流疊加I=I?+I?+...線性特性滿足比例和加和關(guān)系靜電力與安培力靜電力F=qE電荷間直接作用力沿連線方向安培力F=ILBsinθ電流受磁場作用力垂直于電流和磁場方向第四部分：應(yīng)用與實(shí)例工業(yè)應(yīng)用靜電除塵、靜電噴涂、電解精煉電子技術(shù)觸摸屏、半導(dǎo)體器件防護(hù)技術(shù)避雷針、靜電屏蔽能源轉(zhuǎn)換電熱設(shè)備、超導(dǎo)應(yīng)用靜電除塵器工作原理利用高壓電場使粉塵帶電收集過程帶電粉塵被吸附到集塵極板應(yīng)用領(lǐng)域火電廠、鋼鐵廠污染控制靜電噴涂帶電過程涂料微粒獲得電荷吸引作用被涂物體接地形成電場噴涂效果均勻覆蓋，減少浪費(fèi)工業(yè)應(yīng)用汽車制造、家具涂裝范德格拉夫發(fā)電機(jī)1結(jié)構(gòu)原理利用摩擦起電和電荷傳輸2電荷積累金屬球殼表面積累高電位3電壓特點(diǎn)可產(chǎn)生數(shù)百萬伏特高壓4應(yīng)用價值粒子加速器、物理教學(xué)電容觸摸屏工作原理觸摸改變局部電容值電路檢測控制器檢測電容變化與電阻屏比較更高靈敏度、多點(diǎn)觸控避雷針尖端效應(yīng)尖端處電場強(qiáng)度增大保護(hù)原理提供低阻抗放電通道保護(hù)角度形成保護(hù)錐體區(qū)域電解精煉基本原理利用電解過程提純金屬陽極過程粗金屬溶解為金屬離子陰極過程純金屬離子沉積冶金應(yīng)用銅、鋅、銀等金屬提純4電鍍技術(shù)1電鍍原理利用電解沉積金屬薄層2電解槽組成電解液、陽極、陰極3工業(yè)應(yīng)用防腐、裝飾、提高硬度電熱器具工作原理電流熱效應(yīng)轉(zhuǎn)換電能為熱能常見器具電爐、熱水器、電熨斗效率分析電轉(zhuǎn)熱接近100%效率功率控制溫控器、調(diào)功電路超導(dǎo)體中的電流超導(dǎo)現(xiàn)象零電阻，完全抗磁性臨界溫度低于臨界溫度進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)持續(xù)電流無能量損耗的恒定電流半導(dǎo)體器件1PN結(jié)特性單向?qū)щ娦?耗盡區(qū)形成內(nèi)建電場3電流特性多數(shù)載流子漂移和少數(shù)載流子擴(kuò)散第五部分：實(shí)驗(yàn)與測量場強(qiáng)測量靜電計(jì)、場強(qiáng)儀電流測量電流表、霍爾傳感器電阻與電容電橋法、振蕩法可視化技術(shù)電場線演示、熱成像靜電場的測量方法靜電計(jì)測量電荷量利用電場力偏轉(zhuǎn)高靈敏度場強(qiáng)儀直接測量場強(qiáng)感應(yīng)原理非接觸測量電流的測量電流表磁電式、電動式測量霍爾效應(yīng)傳感器利用磁場測量無接觸數(shù)字測量技術(shù)高精度A/D轉(zhuǎn)換3電阻的測量惠斯通電橋：比較測量法四線法：消除引線電阻影響電容的測量電橋法平衡橋臂測量LC振蕩法通過共振頻率計(jì)算充放電法測量時間常數(shù)靜電場與恒定電場的可視化小麥粉實(shí)驗(yàn)粒子沿電場線排列熱成像技術(shù)顯示電流分布熱效應(yīng)計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值計(jì)算場分布數(shù)值模擬方法有限元分析網(wǎng)格劃分求解場方程有限差分法離散化微分方程蒙