第13章静电场中的导体和电介质教学文案.docx

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第13章静电场中的导体和电介质教学文案

第13章静电场中的

导体和电介质

思考题

13-1尖端放电的物理实质是什么？

答：

尖端放电的物理实质，是尖端处的强电场致使附近的空气分子电离，

电离所产生的带电粒子在电场的作用下急剧运动和相互碰撞，碰撞又使更多的空气分子电离，并非尖端所带的电荷直接释放到空间去。

13-2将一个带电+q半径为Rb的大导体球B移近一个半径为Ra而不带电的小导体球A，试判断下列说法是否正确？

并说明理由。

图13-37均匀带电球体的电场能

（1）B球电势高于A球。

答：

正确。

不带电的导体球A在带电+q的导体球B的电场中，将有感应电荷分布于表面。

另外，定性画出电场线，在静电场的电力线方向上电势逐点降低，又由图看出电场线自导体球B指向导体球A，故B球电势高于A球。

（2）以无限远为电势零点，A球的电势：

Va<0

答：

不正确。

若以无穷远处为电势零点V=0,从图可知A球的电力线伸向无穷远处。

所以，Va>0。

13-3怎样能使导体净电荷为零，而其电势不为零？

答：

将不带电的绝缘导体（与地绝缘并与其它任何带电体绝缘）置于某电场中，则该导体有q0而导体的电势VM0。

13-4怎样理解静电平衡时导体内部各点的场强为零？

答：

必须注意以下两点：

（1）这里的“点”是指导体内的宏观点，即无限小体积元。

对于微观点,例如导体中某电子或某原子核附近的一个几何点，场强一般不为零；

（2）静电平衡的这一条件，只有在导体内部的电荷除静电场力以外不受其他力（如“化学力”）的情况下才能成立。

13-5怎样理解导体表面附近的场强与表面上对应点的电荷面密度成正比？

答：

不应产生这样的误解：

导体表面附近一点的场强，只是由该点的一个面电荷元S产生的。

实际上这个场强是导体表面上全部电荷所贡献的合场强。

如果场中不止一个导体，则这个场强应是所有导体表面上的全部电荷的总

13-6为什么不能使一个物体无限制地带电？

答：

所谓一个物体带电，就是指它因失去电子而有多余的净的正电荷或因获得电子而有多余的负的净电荷。

当物体带电时，在其周围空间产生电场，其电场强度随物体带电量的增加而增大。

带电体附近的大气中总是存在着少量游离的电子和离子，这些游离的电子和离子在其强电场作用下，获得足够的能量，使它们和中性分子碰撞时产生碰撞电离，从而不断产生新的电子和离子，这种电子和离子的形成过程如雪崩一样地发展下去，导致带电物体附近的大气被击穿。

在带电体带电的作用下，碰撞电离产生的、与带电体电荷异号的电荷来到带电体上，使带电体的电量减少。

所以一个物体不能无限制地带电。

如尖端放电现象。

13-7感应电荷的大小和分布怎样确定？

答：

当施感电荷Q接近于一导体时，导体上出现等量异号的感应电荷土q'。

其分布一方面与导体的表面形状有关，另一方面与施感电荷Q有关，导体靠近Q的一端，将出现与Q异号的感应电荷q'。

而一般情况下q'并不等于Q,q'的大小及其在导体上的分布情况由静电平衡条件决定，最终总是使得土q'与施感

电荷Q在导体内任一点产生的合电场强度为零，只有在一些特殊情视下，q'的大

小才会与Q相等。

13-8怎样理解导体壳外电荷对壳内的影响？

答：

圭寸闭导体壳不论接地与否，其内部的电场均不受壳外电荷的影响，对此不能产生误解，以为由于壳的存在，壳外电荷不在壳内产生电场。

实际上，壳外电荷也要在壳内激发电场，只是由于这个场与壳外表面的感应电荷在壳内激发的场的合场强为零，才造成壳内电场不受壳外电荷影响这一结果。

13-9怎样理解导体壳内电荷对壳外的影响？

答：

对一个不接地的中性导体壳，壳外无带电体，但壳外空间仍然可能有场，这个场是壳内电荷间接引起的。

例如壳内有一正电荷q，则壳内、外壁的感

应电荷将分别为-q和+q。

外壁电荷将发出电场线，所以壳外空间有场。

但是不要以为由于壳的存在，壳内电荷q不在壳外空间激发场。

实际上壳内电荷q和内壁感应电荷-q都要在壳外空间激发场，只不过其合场强为零，才使得壳外空间的场只是由外壁感应电荷+q所决定。

而且应当注意，无论壳内电荷分布如何，它和内壁感应电荷在壳外空间激发的合场强始终为零。

壳外空间的场只与壳内电荷的总电量有关，而与它们的分布无关。

13-10在静电场中的电介质、导体表现出有何不同的特征？

答：

静电场中的导体的主要特征是表面有感应电荷，内部场强处处为零，表面为等势面，导体为等势体。

而电介质的主要特征是在电场中被极化产生极化电荷，介质内部场强不为零，方向与外加电场方向一致，一般说介质表面不是等势面。

13-11电介质的极化现象与导体的静电感应现象有什么区别？

答：

导体的静电感应现象从微观上看，是金属中有大量自由电子，它们在电场的作用下可以在导体内作宏观移动，电子的移动使导体中的电荷重新分布，结果在导体表面出现感应电荷。

感应电荷产生的电场与外电场的方向相反，因此随着感应电荷的堆积，导体中的合场强逐渐减小，达到静电平衡时，感应电荷产生的电场与外加电场相互抵消，导体中的合场强为零，导体中自由电子的宏观移动也停止。

电介质的极化现象从微观上看，分子中的电子与原子核的结合相当紧密，电子处于束缚状态。

把电介质引入静电场时，电子与原子核之间，只能作一微观的相对位移，或者它们之间的连线稍微改变方向（有时两种情况都发生），结果在沿场强方向的两个表面出现极化电荷。

极化电荷所产生的电场只是部分地抵消外加电场，达到稳定时，电介质内部的电场强度不为零。

13-12怎样理解电势能与电场能

答：

电势能是带电体之间或带电体与电场之间的相互作用能，随电势能零点的选取而改变，其正负取决于相互作用性质。

由于电势能在所求点A处的值

等于将电荷从无限远（电势能零点处）移至A处外力反抗电场力作的功，外力作的功的正负与电势能正负一致。

也可由相互作用判断，如是排斥作用，则是正值，如是吸引作用，贝規负值。

电场能是电场物质所包含的固有能量，与势能零点的选取无关。

电势能是电场能的一部分，也表示电场能随位置改变的变化。

在有一些情况，如电容器中，由于电场只存在于电容器内部，电容储能

1Q211

W——-CU2-QU既是电场能，又是电势能。

2C22

13-13怎样使导体有过剩的正（或负）电荷，而其电势为零？

答：

将不带电的导体置于负电荷（或正电荷）的电场中，再将该导体接地，

然后撤除接地线。

则该导体有正电荷（或负电荷），并且电势为零。

13-14怎样使导体有过剩的负电荷，而其电势为正？

答：

将一带少量负电荷-q的导体置于另一正电荷Q（Q>>q）的电场中，由于

Q»q，带负电荷的导体并未明显改变原电场，这时该导体有过剩的负电荷，而其电势为正。

13-15电介质在外电场中极化后，两端出现等量异号电荷，若把它截成两半后分开，再撤去外电场，问这两个半截的电介质上是否带电？

为什么？

答：

不带电

因为从电介质极化的微观机制看有两类：

1非极性分子在外电场中沿电场方向产生感应电偶极矩；

2极性分子在外电场中其固有电偶极矩在该电场作用下沿着外电场方向取

向。

其在外电场中极化的宏观效果是一样的，在电介质的表面上出现的电荷是

束缚电荷，这种电荷不象导体中的自由电荷那样能用传导的方法引走。

当电介

质被裁成两段后撤去电场，极化的电介质又恢复原状，仍各保持中性。

13章习题

13-1半径分别为1.0cm与2.0cm的两个球形导体，各带电量1.0为0-8C,两

球心间相距很远，若用导线将两球相连，求：

（1）每个球所带电量；

（2）每球的电势。

解：

两球相距很远，可视为孤立导体，互不影响，球上电荷均匀分布。

设两球半径分别为r1和匕，导线连接后的带电量分别为q1和q2，而q什q2=2q，则两球电势分别是

40r2

两球相连后电势相等，V1=V2，则有

5q25q22q

r1r2r1r2r1r2

即

2屮1

r1r2

2屮2

「1D

6.6710C

13.33109C

两球电势

1—6.010V

40口

13-2A、B、C是三块平行金属板，面积均为200cm2,A、B相距4.0mm,

A、C相距2.0mm，B、

C两板都接地，如图13-38所示。

设A板带正电3.0沐0-

7C,不计边缘效应，求

B板和C板上的感应电荷，以及A板的电势。

■qv

解：

A板带正电,

图13-38

B、C两板接地，且两板在A板附近，所以A板上的正电

荷电量为q，分布在左右两表面，设B板感应电荷为-q〔，C板感应电荷为-q2，

qi+q2=q

由于AB间和AC间均可视为匀强电场

eab

EAC

所以

qiEab

q2EAC

根据题意

dAB

Eab

dAC

Eac

EAB

Eac2

由②③解得

q1=1.0X0-7C,q2=2.0X0-7C

B板上感应电荷为-q〔=-.0X0-7C

C板上感应电荷为-q2=-2.0W-7C

dAB

13-3两块无限大均匀带电导体平板相互平行放置，设四个表面的电荷面密

图13-39

度分别为1、2、3、4，如图13-39所示。

求证当静电平衡时,

证明垂直于板作柱状高斯面，如图所示，因为导体内场强为零，两板间场

强垂直于板平面，所以有

SEdS23S00

所以

又左边导体板内场强E1234/200

考虑到230于是有14

13-4如图13-40所示，一内半径为a、外半径为b的金属球壳，带有电荷

Q,在球壳空腔内距离球心r处有一点电荷q。

设无限远处为电势零点，试求:

（1）球壳内外表面上的电荷。

（2）球心O点处，由球壳内表面上电荷产生的电势。

（3）球心O点处的总电势。

图13-40习题13-4

解：

（1）由静电感应，金属球壳的内表面上有感生电荷-q，外表面上带电荷

q+Q。

⑵不论球壳内表面上的感生电荷是如何分布的，因为任一电荷元离O点的

距离都是a，所以由这些电荷在O点产生的电势为

4°a

⑶球心O点处的总电势为分布在球壳内外表面上的电荷和点电荷q在O点产

生的电势的代数和

qqQq

4or4oa4ob

q,111

（—

4orab

4ob

13-5有一"无限大"的接地导体板，在距离板面b处有一电荷为q的点电荷。

如图13-41所示，试求：

（1）导体板面上各点的感生电荷面密度分布。

⑵面上感生电荷的总电荷。

图13-41习题13-5

解：

⑴选点电荷所在点到平面的垂足O为原点，取平面上任意点P，P点距离原点为r，设P点的感生电荷面密度为.

在P点左边邻近处（导体内）场强为零，其法向分量也是零，按场强叠加原理，

qcos

4nor2b2

所以

223/2

qb/2冗rb

⑵以O点为圆心，r为半径,

dr为宽度取一小圆环面，其上电荷为

223/2

dQdSqbrdr/rb

总电荷为

qb0

rdr

13-6如图13-42所示，中性金属球A,半径为R,它离地球很远.在与球心

O相距分别为a与b的B、C两点，分别放上电荷为qA和qB的点电荷，达到静电平衡后，问：

（1）金属球A内及其表面有电荷分布吗?

（2）金属球A中的P点处电势为多大？

（选无穷远处为电势零点）

图13-42习题13-6

解：

（1）静电平衡后，金属球A内无电荷，其表面有正、负电荷分布，净带电荷为零。

（2）金属球为等势体，设金属球表面电荷面密度为.

VpVo

sa4oR

qAqB

因为

SadS0

所以

13-7半径为Ri的导体球，被一与其同心的导体球壳包围着，其内外半径分别为R2、R3，使内球带电q，球壳带电Q，试求：

（1）电势分布的表示式；

（2）用导线连接球和球壳后的电势分布；

（3）外壳接地后的电势分布。

图13-43习题13-7

解：

（1）根据静电平衡条件，导体内场强为零。

可知球壳内表面感应电荷

为-q,且均匀分布；导体球所带电量q均匀分布在导体球表面。

由电荷守恒得导体球壳外表面均匀分布电量（Q+q），所以静电平衡后空间电势分布可视为三个均匀带电球面的电势叠加。

均匀带电球面电势为

所以当r

Ri,

RirR2,

R2rR3,

4or

（r

R）

qqQ

R2R3

1q_qqQ

40rR2R3

40R3

4or

（2）导体连接后，导体球带电量q与球壳内表面感应电荷-q中和，导体壳

与导体球等势，电荷分布在导体壳外表面，电量为qQ，所以

rR3，

V1'V2'V3'qQ

40R3

rR3，

4or

（3）外壳接地后，外表面电荷q+Q被中和，则为两均匀带电球面电势叠加

rRi,

4orR

qR2

RirR2，

V2''

4orr

rR2,

V3''V4''0

13-8已知导体球半径为Ri,带电量为q。

一导体球壳与球同心，内外半径

分别为R2和R3,带电量为Q，如图13-44所示。

求：

（1）场强的分布；

（2）球和球壳的电势Vi和V2以及它们的电势差；

（3）若球壳接地，Vi和V2以及电势差；

（4）用导线连接球与球壳后Vi和V2的值。

图i3-44习题i3-8

解：

（i）先确定电荷的分布：

因内球表面带电量为q，则球壳内表面的感

应电荷为-q；又因球壳所带的电量为Q，根据电荷守恒定律，球壳外表面的带电

量一定为q+Q。

下面用两种方法求此带电系统的场强分布。

方法一：

用高斯定理求解。

因电荷分布具有球对称性，可用高斯定理求场

强。

取以半径为

r的同心球面为咼斯面。

当r

EdS0,

所以

4r2E0,即卩E0;

当Ri

■:

EdS2,

S20

所以

4rEq，即Eq2；

04or

当R2VRVR3时：

EdSqq,

S3'

所以

4r2E0,即卩E0;

当r>R3时：

■-EdS

所以

4r2EqQ,

即

E2。

4or

方法二：

利用场强叠加原理求E分布。

空间任意一点的场强都可以看为三个带电量分别为q、-q和q+Q的带电球

面在该点产生的场强的矢量和。

设三个带电球面产生的场强大小分别为Ei、E2

和E3,利用均匀带电球面的场强公式可得

rR1

rRi

4or2

rR2

40r2

rR3

4°r2

rR3

根据场强的叠加原理，空间任意一点的总场强

EE!

E2E3

所以，场强大小分布为

4or2

RrR2

R2rR3

rR3

（2）求球体和球壳的电势及它们的电势差。

方法一：

用电势定义式VpEdl计算

球的电势：

严1

q^dr

Odr

R34or2

球壳的电势:

球与球壳的电势差:

R2）

40R3

V2Edl

—Jr旦

R34or40R3

UViV2——）

4oRiR2

方法二：

用电势叠加原理计算。

空间任一点的电势都可以看作这三个带电球面在该点所产生的电势的代

数和。

利用均匀带电球面产生电势的公式

4or

同样可以得到

Vi亠丄丄），V2，

4OR1R24OR34oR3

所以

q11

UViV2（）

4oRiR2

（3）若导体球接地，球壳外表面电荷中和。

用高斯定理可求得场强分布

4or

rRi

RirR2

rR2

所以得

巳亠dr

Rl40r

0dr

1），V20,

所以

（4）用导线联结球与球壳时，球与球壳内表面电荷中和，导体球壳外表面带电量为q+Q。

这时场强的分布为

rR3

因球和球壳相联，所以它们的电势相等，即

V1V2

2dror

40R3

球与球壳的电势差为UViV20

13-9一半径为R的带电介质球体，相对介电常量为r，电荷体密度分布=k/r0（k为已知常量），试求球体内、外的电位移和场强分布

解:

取半径为r—r+dr的薄壳层，其中包含电荷

dqdVk/r4nrdr4冗krdr

应用D的高斯定理，取半径为r的球形高斯面.球内:

4nr2D1

2ukr2

4nkrdr

D1=k/2，D1D〔er

（er为径向单位矢量）

E1=D1/（0r）=k/（20r），E1E1er

球外：

4nr2*D2

2冗kR2

4nkrdr

kR2

子,D2

D2er

E2d2/

kR2

27?

，

E2E2er

13-10半径为R的介质球，相对介电常量为

r、其体电荷密度=0（1-r/

R）,式中o为常量，r是球心到球内某点的距离

试求:

（1）介质球内的电位移和场强分布。

（2）在半径r多大处场强最大?

解：

⑴取半径为r—r+dr的薄壳层，其中包含电荷

—drR

dqdV01R

应用D的高斯定理，取半径为r的球形高斯面.

4r2D

-drR

Der

则:

ED/0

4R，E

Eer,

er为径向单位矢量

⑵对E（r）求极值业

2Rr

且因0。

’所以r于处E最大.

13-11一平行板电容器，极板间距离为10cm,其间有一半充以相对介电常

量r=10的各向同性均匀电介质，其余部分为空气，如图13-45所示•当两极间

电势差为100V时，试分别求空气中和介质中的电位移矢量和电场强度矢量。

图13-45习题13-11

（真空介电常量0=8.85X10-12C2N-1m2）

解：

设空气中和介质中的电位移矢量和电场强度矢量分别为D1、D2和E1、

E2，则

U=E1d=E2d

（1）

D1=0E1

⑵

D2=0rE2

⑶

联立解得E

E2U1000V/m

D10E18.85109C/m2

D20rE28.85108C/m2

方向均相同，由正极板垂直指向负极板.

13-12一平行板空气电容器充电后，极板上的自由电荷面密度=1.77X10-6

C/m2.将极板与电源断开，并平行于极板插入一块相对介电常量为r=8的各向

同性均匀电介质板。

计算电介质中的电位移D.场强E和电极化强度P的大

小。

（真空介电常量0=8.85X10-12C2/Nm2）

解：

由D的高斯定理求得电位移的大小为

D==1.77X10-6C/m2

由D=0rE的关系式得到场强E的大小为

E—=2.5X104V/m

介质中的电极化强度P的大小为

P=0eE=0（r1）E=1.55X10-6C/m2

13-13一导体球带电荷Q=1.0C,放在相对介电常量为r=5的无限大各向

同性均匀电介质中。

求介质与导体球的分界面上的束缚电荷Q'。

解:

导体球处于静电平衡时，其电荷均匀分布在球面上.在球表面外附近，

以球半径R作一同心高斯球面.按D的高斯定理有4R2D=Q。

得到电位移的大

小为D=Q/（4R2）

该处的电场强度大小为

E=D/（0r）=Q/（40rR2）

电极化强度的大小为

P=0（r1）E

r1Q

4rR2

极化电荷面密度为

=Pcos180

rR2

分界面上的束缚电荷为

Q=4R2

Q——0.8C

极化强度P与

E。

13-14半径为R,厚度为h（vvR）的薄电介质圆盘被均匀极化,盘面平行，如图13-46所示•求极化电荷在盘中心产生的电场强度解:

建坐标如右图.

=Pcos

圆盘均匀极化，只有极化面电荷，盘边缘处极化电荷面密度为

dq=Rdh•—RhPcosd

图13-46习题13-14

木y

40R2

dEx=dEcos（+）,dEy=dEsin（+）

由极化电荷分布的对称性可知EydEy=0

EExdEx

叫cos

4oR

RhP

4oR2

ocos

4oR

13-15如图13-47所示，一各向同性均匀电介质球，半径为

R,其相对介电

r+dr

图13-47习题13-15

常量为r，球内均匀分布有自由电荷，其体密度为o•求球内的束缚电荷体密度

和球表面上的束缚电荷面密度

解：

因为介质是球对称的，且

0均匀分布，所以

'也必为球对称分

布.因而电场必为球对称分布.用

D的高斯定理可求得

0eE

sPdSPrdr4rdr2Pr4r2

V4rdr

e03e02

4rdrr4r

3r3r

4rdr

略去dr的高次项，则

0异号）

0R,与

0同号.

13-16有两个半径分别为R1和R2的同心金属球壳，其间各充满一半相对介

电常数分别为r1,r2的各向同性的均匀介质，如图13-48所示。

当内球壳带电量

为-Q，外球壳带电量为+Q时，忽略边缘效应。

试求:

（1）空间中D、E的分布;

图13-48习题13-16

解：

（1）作半径为r的同心球形高斯面，根据导体静电平衡后等势

EiE2E又

D0rE；Di0riE；D20r2E

忽略边缘效应，电荷分别在上、下半球和球壳均匀分布，根据高斯定理

dSq

Ri,q°0，

D0，

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