第3章 静电场2——电荷的分布形式
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等量电荷场强和电势的分布规律电荷是电场的源头,产生电场的物理量是电荷。
在静电学中,由于电荷静止不动,电场在空间中呈现出一定的分布规律。
等量电荷场是一种最简单、最基本的电场分布形式,它在物理学教学和实验中有非常重要的应用。
一、等量电荷场的基本概念等量电荷场是指单位面积或单位体积内电荷量相等的场。
在静电场中,分布均匀的点电荷集合就构成了等量电荷场。
在等量电荷场中,每个点电荷的电场强度大小、方向和位置是固定的,即与其他电荷无关。
可以通过计算每个点电荷产生的电场强度,来确定等量电荷场的总电场强度分布。
通常,等量电荷场的分布形式是对称的,如球形等量电荷场、圆柱等量电荷场和平面点电荷场等。
二、球形等量电荷场E = k·Q/R²k 表示库仑常量,Q 表示电荷量,R 表示电荷与点 P 的距离。
利用叠加原理,可以得到球形等量电荷场的总电场强度,它的大小和方向与 P 点的距离 R 有关。
当 P 点在球面上时,球形等量电荷场的电场强度为:当 P 点在球心时,球形等量电荷场的电场强度为:在球心处,根据电势公式,有:当电荷等量分布于一个高度为 h、半径为 R 的圆柱体表面上时,它形成了一个圆柱形等量电荷场。
由于高度相同、面积分布均匀,因此认为整个圆柱体电荷密度为λ,即电荷分布的线密度满足:λ = Q/2πRh根据库仑定律,电荷线密度为λ 的圆柱体电荷在轴线上任意一点的电场强度为:ε 表示介电常数,r 表示电荷距离轴线的距离。
由于电荷在圆柱体表面上分布均匀,因此相对于中心轴线的任意一圆周,圆周上各点产生的电场强度大小和方向均相同。
与球形等量电荷场类似,圆柱形等量电荷场的电势跟电场强度成反比,电势沿轴线的变化规律为:V = λ/2πεln(r1/r2)r1 和 r2 分别表示轴线上距圆柱形等量电荷场两端点的距离。
四、平面点电荷场平面点电荷场是指电荷等量分布在一个无限大、厚度可忽略不记的导体板上。
根据库仑定律,假设平面板上分布的电荷是 Q,任意一点 P 离电荷所在板的距离为 r,可得到点 P 产生的电场强度为:由于点电荷具有球对称的特点,因此由点产生的电场强度大小与距离 r 的平方成反比。
静电场中的电荷分布与电场强度静电场是由电荷引起的一种电场,其中电荷的分布会对电场的强度产生影响。
本文将介绍静电场中的电荷分布与电场强度之间的关系,并探讨一些相关概念和定律。
一、电荷分布在静电场中,电荷分布是指电荷在空间中的分布方式。
根据电荷的分布情况,电场的形状和强度也会发生变化。
以下是常见的电荷分布形式:1. 点电荷分布:如果所有的电荷都集中在一个点上,则称为点电荷分布。
在这种情况下,电场按照球对称分布,以电荷为中心逐渐减弱。
2. 线电荷分布:当电荷分布在一条直线上时,称为线电荷分布。
在这种情况下,沿着电荷所在直线方向的电场强度由线电荷的长度和总电荷决定。
3. 面电荷分布:当电荷分布在一个平面上时,称为面电荷分布。
在这种情况下,电场强度在面电荷平面上是均匀的。
四、电场强度电场强度是指电场对单位正电荷产生的力的大小。
在静电场中,电场强度与电荷分布之间存在一定的关系。
1. 点电荷的电场强度:对于点电荷分布,根据库仑定律,电场强度与电荷量成正比,与距离的平方成反比。
2. 线电荷的电场强度:对于线电荷分布,在与线电荷垂直的方向上,电场强度与电荷线密度成正比,与距离成反比。
3. 面电荷的电场强度:对于面电荷分布,在面内部,电场强度与面电荷密度成正比。
在面外部,电场强度与距离成反比。
总的来说,在静电场中,电场强度与电荷分布密切相关。
不同的电荷分布形式会导致电场强度的不同,因此我们可以通过观察电场强度的分布来推断电荷的分布情况。
五、其他影响因素除了电荷分布,还有其他一些因素会对电场强度产生影响,例如介质的性质和形状等。
不同的介质会对电荷产生吸引或斥力,从而改变电场强度。
而形状的改变则会导致电场强度在空间中的分布发生变化。
六、应用举例静电场中的电荷分布与电场强度的研究在许多领域有着广泛的应用。
以下是几个实际应用举例:1. 静电喷涂:静电喷涂利用电场强度的分布,将涂料粒子带电后,通过电场力使其粘附在被涂体上。
2. 静电除尘:静电除尘利用电场强度的分布,将带电气体中的微粒通过电场力吸附在电极上,从而达到除尘的目的。
静电场中的电势分布在物理学中,静电场是一种由电荷产生的场。
而电势是用来描述电场中的电荷所受力的物理量。
在静电场中,电势的分布是如何变化的呢?本文将探讨静电场中的电势分布。
一、电势的定义和性质电势(V)是用来描述单位正电荷在电场中所具有的势能的物理量。
在SI单位制中,电势的单位为伏特(V)。
电势的定义为:电场中某一点的电势等于将单位正电荷从无穷远处移动到该点所作的功与单位正电荷相等。
电势有一些重要的性质。
首先,电势是一个标量,即没有方向性。
其次,电势具有叠加性,即在电势叠加原理的作用下,多个电荷的电势可以相加。
最后,对于任何一个点,其电势等于单位正电荷在该点所受到的电场力所作的功。
二、点电荷的电势分布考虑一个位于原点的点电荷q,它在空间中产生的电势分布是如何的呢?根据库伦定律,点电荷q产生的电势满足V = k*q/r,其中k为库伦常量,r为距离原点的距离。
可以看出,点电荷的电势与距离的平方成反比。
离电荷越远,电势越小;离电荷越近,电势越大。
这与我们平时所接触到的电势分布是一致的。
三、均匀带电球壳的电势分布接下来,我们考虑一个均匀带电球壳,球半径为R,总电荷量为Q。
在球壳内、外,电势的分布是如何的呢?首先,在球壳内部,由于球壳的均匀性,球壳上的每一点对球内的其他点产生的电势相等。
可以想象,在球壳的表面上任意取一点O,然后取一个距离O点一定距离的内点P,那么由于球壳的均匀性,对于P点来说,O点与其它点产生的电势相等。
因此,球壳的内部任意一点电势都是相等的。
而在球壳的表面上,由于电势是与距离的平方成反比的关系,因此球壳表面上各点的电势也是相等的。
当我们观察到球壳外时,球壳上任意一点产生的电势与该点到球心距离的关系是不再是电势与距离的平方反比关系。
球壳外的电势分布是由球壳内和球壳表面公共界面上电荷密度分布所决定的。
四、采取其他形状的电势分布除了考虑点电荷和均匀带电球壳的情况,我们还可以讨论其他形状的电势分布。
静电场知识点一、静电的形成静电是指物体表面带有正、负电荷,通过电荷的相互作用产生的现象。
静电的形成主要有以下几个方面的原因。
1. 摩擦电荷:当两种不同材料相互摩擦时,由于电子在不同材料中的转移,会导致物体带电。
例如,我们在穿着塑料鞋时走在地毯上,会感到身体发出静电。
2. 接触电荷:当带电物体与不带电物体接触时,电荷会从带电物体转移到不带电物体上,使得两者都带电。
这也是我们经常使用的静电复印、喷墨打印机等原理。
3. 电离电荷:有些物质在受到外界引力或摩擦力的作用下会发生分解,释放出带电粒子,使周围的空气中形成电场。
例如,雷电就是因为大气中的水分经过快速蒸发产生静电。
二、电场的特性电场是描述电荷相互作用的物理量,具有以下几个特性。
1. 电场线:电场线是用来表示电场强度和方向的一种图示方法。
电场线从正电荷向负电荷方向延伸,且始终垂直于导体表面。
密集的电场线表示电场强度大,稀疏的电场线表示电场强度小。
2. 电场强度:电场强度是指单位正电荷在电场中受到的力的大小,可以用矢量表示。
单位为牛顿/库仑。
电场强度与电荷量成正比,与距离的平方成反比。
3. 均匀电场:如果电场中各点的电场强度大小和方向都相同,则称该电场为均匀电场。
均匀电场中的电场线是平行的,并且密度均匀。
三、电荷的分布与电场电荷的分布对电场的形态产生重要影响,以下是一些常见的电荷分布形式。
1. 点电荷:电荷在空间中的分布很集中,可以看作是集中在一个点上。
点电荷产生的电场线以电荷为中心,呈放射状。
2. 线电荷:电荷在空间中分布成一维线状,如细线、导线等。
线电荷所产生的电场强度与距离成反比,电场线呈径向分布。
3. 面电荷:电荷在空间中分布成二维平面,如金属板、导体平面等。
面电荷所产生的电场线是平行等间距的,且与面电荷垂直。
四、静电场的应用静电场在日常生活和工业领域有着广泛的应用。
1. 静电除尘:利用静电原理可以去除空气中的尘埃和污染物质,常用于粉尘处理和空气净化工程。
篇一:静电场知识点总结归纳高三必备一、点电荷和库仑定律1.如何理解电荷量、元电荷、点电荷和试探电荷?(1)电荷量是物体带电的多少,电荷量只能是元电荷的整数倍.-(2)元电荷不是电子,也不是质子,而是最小的电荷量,电子和质子带有最小的电荷量,即e=1.6×1019 c. (3)点电荷要求“线度远小于研究范围的空间尺度”,是一种理想化的模型,对其带电荷量无限制. (4)试探电荷要求放入电场后对原来的电场不产生影响,且要求在其占据的空间内场强“相同”,故其应为带电荷量“足够小”的点电荷.2.库仑定律的理解和应用 (1)适用条件①在空气中,两个点电荷的作用力近似等于真空中的情况,可以直接应用公式.②当两个带电体的间距远大于本身的大小时,可以把带电体看成点电荷. (2)库仑力的方向由相互作用的两个带电体决定,且同种电荷相互排斥,为斥力;异种电荷相互吸引,为引力.二、库仑力作用下的平衡问题1.分析库仑力作用下的平衡问题的思路分析带电体平衡问题的方法与力学中分析物体平衡的方法是一样的,学会把电学问题力学化.分析方法是:(1)确定研究对象.如果有几个物体相互作用时,要依据题意,适当选取“整体法”或“隔离法”,一般是先整体后隔离. (2)对研究对象进行受力分析.有些点电荷如电子、质子等可不考虑重力,而尘埃、液滴等一般需考虑重力. (3)列平衡方程(f合=0或fx=0,fy=0)或用平衡条件推论分析. 2.三个自由点电荷的平衡问题(1)条件:两个点电荷在第三个点电荷处的合场强为零,或每个点电荷受到的两个库仑力必须大小相等,方向相反. (2)规律:“三点共线”——三个点电荷分布在同一直线上;“两同夹异”——正负电荷相互间隔;“两大夹小”——中间电荷的电荷量最小;“近小远大”——中间电荷靠近电荷量较小的电荷.三、场强的三个表达式的比较及场强的叠加 12.电场的叠加原理多个电荷在电场中某点的电场强度为各个点电荷单独在该点产生的电场强度的矢量和,这种关系叫电场强度的叠加,电场强度的叠加遵循平行四边形定则.四、对电场线的进一步认识 1.点电荷的电场线的分布特点(1)离点电荷越近,电场线越密集,场强越强.(2)若以点电荷为球心作一个球面,电场线处处与球面垂直,在此球面上场强大小处处相等,方向各不相同. 2.等量异种点电荷形成的电场中电场线的分布特点(1)两点电荷连线上各点,电场线方向从正电荷指向负电荷.(2)两点电荷连线的中垂面(线)上,场强方向均相同,且总与中垂面(线)垂直.在中垂面(线)上到o点等距离处各点的场强相等(o为两点电荷连线的中点).(3)关于o点对称的两点a与a′,b与b′的场强等大、同向. 3.等量同种点电荷形成的电场中电场线的分布特点 (1)两点电荷连线中点o处场强为零.(2)中点o附近的电场线非常稀疏,但场强并不为零.(3)在中垂面(线)上从o点到无穷远,电场线先变密后变疏,即场强先变大后变小. (4)两点电荷连线中垂线上各点的场强方向和该直线平行.(5)关于o点对称的两点a与a′,b与b′的场强等大、反向. 4.匀强电场中电场线分布特点电场线是平行、等间距的直线,场强方向与电场线平行.五、电势高低及电势能大小的比较方法 1.比较电势高低的几种方法(1)沿电场线方向,电势越来越低,电场线由电势高的等势面指向电势低的等势面.(2)判断出uab的正负,再由uab=φa-φb,比较φa、φb的大小,若uab>0,则φa>φb,若uab<0,则φa<φb.(3)取无穷远处为零电势点,正电荷周围电势为正值,且离正电荷近处电势高;负电荷周围电势为负值,且离负电荷近处电势低.2.电势能大小的比较方法 (1)场源电荷判断法①离场源正电荷越近,试探正电荷的电势能越大,试探负电荷的电势能越小.②离场源负电荷越近,试探正电荷的电势能越小,试探负电荷的电势能越大. (2)电场线判断法①正电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐减小;逆着电场线的方向移动时,电势能逐渐增大.②负电荷顺着电场线的方向移动时,电势能逐渐增大;逆着电场线的方向移动时,电势能逐渐减小. (3)做功判断法电场力做正功,电荷(无论是正电荷还是负电荷)从电势能较大的地方移向电势能较小的地方.反之,如果电荷克服电场力做功,那么电荷将从电势能较小的地方移向电势能较大的地方.六、电场力做功的特点及电场力做功的计算 1.电场力做功的特点电场力做的功和路径无关,只和初、末位置的电势差有关. 2.电场力做功的计算方法(1)由公式w=flcos θ计算,此公式只适用于匀强电场,可变形为w=qele,式中le为电荷初末位置在电场方向上的距离.(2)由电势差的定义式计算,wab=quab,对任何电场都适用.当uab>0,q>0或uab<0,q<0时,w>0;否则w<0.(3)由电场力做功与电势能变化的关系计算,wab=epa-epb. (4)由动能定理计算:w电场力+w其他力=δek. 3.电场中的功能关系(1)若只有电场力做功,电势能与动能之和保持不变.(2)若只有电场力和重力做功,电势能、重力势能、动能之和保持不变. (3)除重力之外,其他各力对物体做的功等于物体机械能的变化.七、电场线、等势线与运动轨迹的综合分析1.带电粒子在电场中的运动轨迹是由带电粒子受到的合外力的情况以及初速度的情况共同决定的.运动轨迹上各点的切线方向表示粒子在该点的速度方向.电场线只能够描述电场的方向和定性地描述电场的强弱,它决定了带电粒子在电场中各点所受电场力的方向和加速度的方向.2.等势线总是和电场线垂直,已知电场线可以画出等势线.已知等势线也可以画出电场线. 3.在利用电场线、等势面和带电粒子的运动轨迹解决带电粒子的运动问题时,基本方法是:(1)根据带电粒子的运动轨迹确定带电粒子受到的电场力的方向,带电粒子所受的合力(往往只受电场力)指向运动轨迹曲线的凹侧,再结合电场线确定带电粒子的带电种类或电场线的方向;(2)根据带电粒子在不同的等势面之间移动,结合题意确定电场力做正功还是做负功,电势能的变化情况或是等势面的电势高低.八、匀强电场中电场强度与电势差的关系u1.公式e=d2.公式中d可理解为电场中两点所在等势面之间的距离,由此可得出一个结论:在匀强电场中,两长度相等且相互平行的线段的端点间的电势差相等.如图5所示,ab、cd平行且相等,则uab=ucd九、静电现象1.处于静电平衡状态的导体具有以下特点(1)导体内部的场强(e0与e′的合场强)处处为零,e内=0;(2)整个导体是等势体,导体的表面是等势面;(3)导体外部电场线与导体表面垂直;(4)静电荷只分布在导体外表面上,且与导体表面的曲率有关.2.静电屏蔽:如果用金属网罩(或金属壳)将一部分空间包围起来,这一包围空间以外的区域里,无论电场强弱如何,方向如何,空间内部电场强度均为零.因此金属网罩(或金属壳)对外电场有屏蔽作用.十、匀强电场中电场强度与电势差的关系u1.公式e=d2.公式中d可理解为电场中两点所在等势面之间的距离,由此可得出一个结论:在匀强电场中,两长度相等且相互平行的线段的端点间的电势差相等.如图所示,ab、cd平行且相等,则uab=ucd3.利用等分电势法画等势线及电场线的方法十一、平行板电容器的动态分析运用电容的定义式和决定式分析电容器相关量变化的思路 (1)确定不变量,分析是电压不变还是所带电荷量不变.电容器的两极板与电源连接时,电容器两极板间的电压保持不变;εrs电容器先充电后与电源断开,电容器的电荷量保持不变. (2)用决定式c=分析平行板电容器电容的变化. (3)用定义4πkdqu式c=分析电容器所带电荷量或两极板间电压的变化.(4)用e=分析电容器极板间场强的变化.ud十二、带电粒子在电场中的直线运动1.带电粒子在电场中的运动,综合了静电场和力学的知识,分析方法和力学的分析方法基本相同:先分析受力情况,再分析运动状态和运动过程(平衡、加速、减速;直线还是曲线),然后选用恰当的规律解题.解决这类问题的基本方法是:(1)采用运动和力的观点:牛顿第二定律和运动学知识求解.(2)用能量转化的观点:动能定理和功能关系求解.2.对带电粒子进行受力分析时应注意的问题(1)要掌握电场力的特点.电场力的大小和方向不仅跟场强的大小和方向有关,还跟带电粒子的电性和电荷量有关.在匀强电场中,同一带电粒子所受电场力处处是恒力;在非匀强电场中,同一带电粒子在不同位置所受电场力的大小和方向都可能不同.(2)是否考虑重力要依据情况而定.基本粒子:如电子、质子、α粒子、离子等除有说明或明确的暗示外,一般不考虑重力(但不能忽略质量).带电颗粒:如液滴、油滴、尘埃、小球等,除有说明或明确暗示外,一般都不能忽略重力.十三、带电粒子在电场中的偏转在图中,设带电粒子质量为m,带电荷量为q,以速度v0垂直于电场线方向射入匀强偏转电场,vatqul12qul2偏转电压为u,若粒子飞离偏转电场时的偏距为y,偏转角为θ,则tan θ=,y=ayt=vxv0mdv22mdv00带电粒子从极板的中线射入匀强电场,其出射时速度方向的反向延长线交于极板中线的中点.所以侧移距离也可表示为ly=θ,所以粒子好像从极板中央沿直线飞出去一样.若不同的带电粒子是从静止经同一加速电压u0加速后进入偏转电场212ul2yul的,则qu00,即y =,tan θ==由以上讨论可知,粒子的偏转角和偏距与粒子的q、m无关,仅决定于加速 24du0x2du0电场和偏转电场,即不同的带电粒子从静止经过同一电场加速后进入同一偏转电场,它们在电场中的偏转角度和偏转距离总是相同的.十四、用能量的观点处理带电体在电场及复合场中的运动对于受变力作用的带电体的运动,必须借助于能量的观点去处理,用能量观点处理也更简捷,具体的方法通常有两种: (1)用动能定理处理.思维顺序一般为:①明确研究对象的物理过程;②分析物体在所研究过程中的受力情况,弄清哪些力做功,做正功还是做负功;③弄清所研究过程的初、末两个状态的动能;④根据动能定理列出方程求解.(2)用包括电势能和内能在内的能量守恒定律处理.列式的方法主要有两种:①从初、末状态的能量相等列方程;②从某些能量的减少量等于另一些能量的增加量列方程.十五、带电粒子在交变电场中的运动带电粒子在交变电场中的运动,通常只讨论电压的大小不变、方向做周期性变化(如方波)且不计粒子重力的情形.在两个相互平行的金属板间加交变电压时,在两板中间便可获得交变电场.此类电场在同一时刻可看成是匀强的,即电场中各个位置处电场强度的大小、方向都相同,从时间上看是变化的,即电场强度的大小、方向都可随时间而变化.(1)当粒子与电场平行射入时:粒子做直线运动,其初速度和受力决定了粒子的运动,粒子可以做周期性的运动. (2)粒子垂直电场方向射入时:沿初速度方向为匀速直线运动,在电场力方向上的分运动具有周期性.篇二:静电场知识点总结例题分析汇总中国最负责的教育品牌私塾国际学府学科教师辅导教案篇三:2013届高三物理之静电场规律总结(一)静电场规律汇总(一)(电场力的性质、能的性质、电容器常见题型)(最让你省力的一个文档)1.起电方法:摩擦起电、接触起电、感应起电.带电实质:物体带电的实质是得失电子、电荷的重新分布.-10例题1.m和n是两个不带电的物体,它们互相摩擦后m带正电1.6×10 c,下列判断正确的有( ). a.在摩擦前m和n的内部没有任何电荷 b.摩擦的过程中电子从n转移到m-10-10c.n在摩擦后一定带负电1.6×10 c d.m在摩擦过程中失去1.6×10个电子2.库仑定律表达式:f=kq1q29222,式中k=9.0×10 n·m/c,叫静电力常量. r适用条件:真空中的点电荷.当r―→0时,库仑定律不再成立,两电荷不能视为点电荷,此时可用微元法、割补法等对带电体做等效处理.化非点电荷为点电荷,进而应用库仑定律解决问题.例题2.在真空中有甲、乙两个点电荷,其相互作用力为f.要使它们之间的相互作用力为2f,下列方法可行的是( ).1a.使甲、乙电荷量都变为原来的2倍 b1c.使甲、乙之间距离变为原来的倍 d.使甲、乙之间距离变为原来的23.电荷守恒定律处理两相同金属球(视为点电荷)接触后电量重分问题时,应注意两者带电的异同,重放后其库仑力可能有两个解.规律总结:先中和后平分例题3两个半径相同的金属小球(视为点电荷),带电荷量之比为1∶7,相距为r,两者相互接触后再放回原来的位置上,则相互作用力可能为原来的( ).43716a. b.c. d. 77973.电场强度(1)定义:放入电场中某点的电荷受到的电场力f与它的电荷量q的比值.(2)定义式:e=.单位:n/c或v/m(3)点电荷形成电场中某点的电场强度:e=k2(4)方向:规定正电荷在电场中某点所受电场力的方向为该点的电场强度方向.(5)电场强度的叠加:电场中某点的电场强度为各个点电荷单独在该点产生的电场强度的矢量和.例题4.当在电场中某点放入电荷量为q的正试探电荷时,测得该点的电场强度为e,若在同一点放入电荷fqqr量为q′=2q的负试探电荷时,测得该点的电场强度( ).a.大小为2e,方向与e相同 b.大小为2e,方向与e相反c.大小为e,方向与e相同 d.大小为e,方向与e相反规律总结:场强由电场的本身决定的,与试探电荷无关。
静电场与电荷分布静电场是指由静止电荷所产生的电场。
在自然界和日常生活中,我们常常会遇到电荷的积聚和分布现象,而了解静电场与电荷分布的关系对于我们理解电磁现象和应用电学原理都具有重要意义。
一、静电场的基本概念与性质静电场是由电荷产生的,电荷分为正电荷和负电荷。
正电荷是指带有正电荷的粒子,如质子,而负电荷是指带有负电荷的粒子,如电子。
根据静电场的特性,我们可以总结出以下几点:1. 静电场是一种无形的力场,它可以在空间中传递电磁力。
2. 静电场具有超距作用,即电荷之间相互作用的距离不受限制。
3. 静电场中的电荷相互作用力遵循库仑定律,即电荷间的力与它们的距离成反比,与它们的电量成正比。
二、电荷分布的影响与特点电荷的类型和分布对静电场的形成和性质产生很大的影响。
根据电荷的分布形式,可以将电荷分布分为以下几种情况:1. 一维电荷分布:当电荷在一条直线上均匀分布时,所产生的静电场呈现出径向对称的特点。
这种情况可以通过计算每个电荷微元所产生的电场,然后进行叠加求和的方法来计算整个系统的静电场。
2. 二维电荷分布:当电荷在一个平面上均匀分布时,所产生的静电场在平面上呈现均匀的分布特点。
我们可以利用曲面上的格点法或者求积分的方法来计算这种情况下的静电场。
3. 三维电荷分布:当电荷在空间中均匀分布时,所产生的静电场在空间中呈现出球对称的分布特点。
这种情况下,我们可以利用球坐标系或者用高斯定理来计算整个系统的静电场。
另外,电荷的非均匀分布也会对静电场产生影响。
当电荷的分布不均匀时,静电场的强度和分布都会发生变化,我们需要更加复杂的数学工具和方法来描述和计算这种情况下的静电场。
三、电荷分布的应用案例静电场与电荷分布的研究对于物理学和工程学有着广泛的应用。
以下是一些电荷分布的应用案例:1. 带电粒子束的加速器:静电场可以被用来加速带电粒子,通过适当的电荷分布和场强控制,可以实现对粒子束的加速和控制,为粒子物理研究和核能工程提供了基础。
工程电磁场基础
第3 章静电场(2)
电荷的分布形式
主讲人:陈德智
dzhchen@
/hkdq/
华中科技大学电气与电子工程学院
2013年3月
2. 电荷的分布形式
•“自由空间”的物理图像
•静电场中的导体
•静电场中的电介质——极化电荷•包含材料特性的基本方程
•媒质交界面条件
00/32
00, U φφπϕϕϕ==⎧=∇=⎪⎨=⎪⎩
电荷的实际存在形式
•电荷是物质的基本属性,不存在脱离了物质的电荷。
•电荷与电场之间相互影响,真空中的自由电荷不可能稳定地处于某个固定位置;常遇到的是物质中的电荷。
•典型的物质包括导体和电介质。
导体中有部分电荷可在导体内自由移动,称自由电荷;而介质(或电介质、绝缘体)中的电荷被约束在原子或分子内部,称为束缚电荷。
通常情况下,作为电场之源的电荷,就存在于这些物质中。
•当使用库仑定律计算电场时,必须考虑包括自由电荷与束缚电荷在内的全部电荷的贡献。
,导体是等位体,
无极分子\
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有极分子
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均匀极化时,只在表面上产生面分布的极化电荷,介质内部极化电荷为0。
因为是均匀极化,设单位体积内的分子数为n ,则。
取厚度为l 的表面薄层,设面积为A ,其体积为。
所含有的分子数。
这些
分子都有电荷移出,故电荷总量
为。
因此极化电荷面密度为
(3)均匀极化下的极化电荷
e n nq ==P p l p σV A l =⋅p /e q A nq l P
σ===N n V n A l =⋅=⋅⋅e e q q N nq Al ==更一般的形式
p n n
P σ==⋅P e
p n
P σ=p q V ΔρΔ−==−∇⋅P
p p p 22
00d d 44R R
S V S V R R σρπεπε′′′′=+∫∫e e E p p p 00d d 44S
V S V R R
σρϕπεπε′′=+∫
∫
极化电荷面密度
极化电荷体密度
极化电荷产生的电场
包含材料特性的基本方程
在形式上同真空中的基本方程完全相同,只需要把本构关系中的换成ε即可:
旋度方程保持不变,散度方程只包括自由电荷!
0εd S
q
⋅=∫D S d 0l
⋅=∫
E l ρ
=⋅∇D 0
∇×=E D =ε E
结论:引入参数ε 后,静电场基本方程中的电荷就只保留了自由电荷,而极化电荷的效应被ε 和重新定义的电位移矢量D 所包含。
这样,通过引入参数ε,回避了对复杂的极化过程微观机理的建模与处理,成功绕过了极化电荷的计算困难,大大简化了电磁场的分析。
应该指出,ε 可能不是常数,它甚至可能不是一个数。
例如对于各向异性材料,它是一个张量。
媒质交界面条件
微分方程只在场量连续的情况下才成立。
在不同媒质分解面上,场量发生突变,微分方程不在成立,需补充场量的连续性方程(衔接条件)。
媒质交界面条件
σ
=−n 1n 2D D t
1t 2E E =S
S D S D n 2n 1Δ=Δ+Δ−σ在分界面上应用
d S
q
⋅=∫
D S 在分界面上应用
d 0l
⋅=∫
E l v 11210
t t E l E l −Δ+Δ=21()σ
⋅−=n D D 21()0
×−=n E E
0 (0/
x
x x a ρ≤≤
⎧e
当1、2两点无限靠近,。
此时,如果ρ为有限值,则D 2 -D 1
= 0;如果,出现面电荷σ ,则有D 2-D 1= σ。
结论:无论是否跨过媒质分界面,衔接条件总是成立。
它
实质上是差分形式的基本方程。
散度与纵向变化率
0x Δ→ρ→∞21D D D x
ρΔ=−=Δ00 (0/2)
/2 (/2)
x x x x a a x a ρρ≤≤⎧=⎨
>⎩e D e
例8 平行板电容器,图(a)已知极板间电压U
,图(b) 已知极板上总电荷q0,试求其中的电场强度。
图(a)
交界面条件:
图(b)
21
n n
D Dσ
−=21
t t
E E
=
2211q S S =+σσεεa )
(b )
我确实理解了理论;
可我就是不会解题。
——一位不知名的人说
摘自R.K.旺斯纳斯《电磁场》,p.33陈菊华译,科学出版社,1987
4
c ρ+
边界条件11()a U
ϕ=23()0
a ϕ=12
ϕϕ=1212
ϕϕεερρ
∂∂=∂∂112ln c c ϕρ=+234
ln c c ϕρ=+通解:(当)
2a ρ=交界面条件求得积分常数14
c c ∼内导体表面电荷密度
1
1
1
1
1
1
===a =a n
ρρϕϕσεερ
∂∂−−∂∂1
2a τσπ=⋅11
1ln
cU
U a ρ
ϕε=−
3
22
ln
a cU
ϕερ
=
电位函数
11cU
ρ
ερ
=
E e 22cU
ρ
ερ=
E e 电场强度
2
0ϕ∇=σ
=−n 1n 2D D t 1t 2E E =2
1ϕϕ=1212n n ϕϕεεσ∂∂−=∂∂n D σ
=n ϕεσ∂−=∂t 0
=E const
ϕ=均匀媒质内部
通常无自由电荷
•工程实际中求解的静电场问题往往都限定在一定的空间区域中(称为场域)。
产生这个场的源既可以位于场域内,也可以位于场域外。
•因此,除了要给出电位在区域内满足的微分方程和媒质分界面条件,还必须给出电位在区域边界上满足的合适的边界条件,场域外的源即通过这些边界条件来体现。
•在给定的边界条件下确定微分方程的解,称为求解边值问题,是电磁场分析的重要内容。
作业:
习题3.4,3.5。