静电场中的导体和电介质

静电场中的导体和电介质§2.1静电场中的导体思考题:试想放在匀强外电场E0中的不带电导体单独产生的电场E′的电力线是什么样子(包括导体内和导体外的空间).如果撤去外电场E0,E′的电力线还会维持这个样子吗答:电场Eˊ的特征有:(1)静电平衡时,在导体内部,E0和Eˊ的矢量和处处为零.因此Eˊ的电力线在导体内部是与E0反向的平行直线;(2)导体上的等量异号电荷,在离导体足够远处激发的场,等效于一个电偶极子激发的场,因此其电力线也等效于电偶极子电场的电力线;(3)导体上电荷密度大的地方,电力线的数密度较大;(4)在导体表面附近,E0和Eˊ的矢量和的方向一定垂直于导体表面.因此,Eˊ的方向相对于E0一定位于表面法线的另一侧.Eˊ的电力线分布如图所示.值得注意的是,单独考虑感应电荷的场Eˊ时,导体并非等位体,表面也并非等位面,所以感应电荷激发的场的电力线在外表面上会有一些起于正电荷而止于负电荷.如果撤去外电场E0,静电平衡被破坏,,Eˊ的电力线不会维持这个样子.最后Eˊ将因导体上的正,负电荷中和而消失.无限大带电面两侧的场强,这个公式对于靠近有限大小带电面的地方也适用.这就是说,根据这个结果,导体表面元△S上的电荷在紧靠它的地方产生的场强也应是,它比导体表面处的场强小一半.为什么答:可以有两种理解:(1)为了用高斯定理求场强,需作高斯面.在两种情形下,通过此高斯面的电通量都是,但在前一种情况,由于导体内部场强为零,通过位于导体内部的底面的电通量为零,因而造成两公式不同;(2)如果两种情况面电荷密度相同,无限大带电平面的电力线对称地分布在带电面两侧,而导体表面电力线只分布在导体外侧,因此电力线的密度前者为后者的二分之一,故场强也为后者的二分之一.根据式,若一带电导体面上某点附近电荷面密度为σ,这时该点外侧附近场强为,如果将另一带电体移近,该点的场强是否改变公式是否仍成立答:场强是所有电荷共同激发的.另一带电体移近时,由于它的影响和导体上电荷分布的变化,该点的场强E要发生变化.当达到静电平衡时,因为表面附近的场强总与导体表面垂直,应用高斯定理,可以证明仍然成立,不过此时的σ是导体上的电荷重新分布后该点的电荷密度.把一个带电物体移近一个导体壳,带电体单独在导体空腔内产生的电场是否等于零静电屏蔽效应是怎样体现的答:带电体单独在导体空腔内产生的场强不为零.静电平衡的效应表现在,这个场强与导体外表面感应电荷激发的场强,在空腔内的矢量和处处为零,从而使空腔内的场不受壳外带电体电场的影响.万有引力和静电力都服从平方反比定律,都存在高斯定理.有人幻想把引力场屏蔽起来,这能否作到引力场和静电力有什么重要差别答:产生静电平衡的关键,在于导体中存在两种电荷,而且负电荷(电子)在电场力作用下能够自由移动,因此在外电场作用下,能够形成一附加电场,使得在导体壳内总场强为零.引力场与此不同,引力场的源只有一种,因此在外部引力场的作用下不可能产生一附加引力场,使得物质壳内部的引力场处处为零,所以屏蔽引力场是不可能的.两种场的重要差别在于:静电场的源有两种,相应的电荷之间的作用力也有两种,引力和斥力;引力场的源只有一种,相应的物质的引力相互作用只有一种引力.(1)将一个带正电的导体A移近一个不带电的绝缘导体B时,导体B的电位是升高还是降低为什么(2)试论证:导体B上每种符号感应电荷的数量不多于A上的电量.答:(1)A移近时,B的电位将升高.因为带电体A移近时,B上将出现感应电荷,靠近A的一边感应电荷为负,远离A的一边为正.从A上正电荷发出的电力线,一部分终止于负的感应电荷上,正的感应电荷发出的电力线延伸至无限远,由于同一电力线其起点的电位总是高于终点的电位,若选取无限远处的电位为零,则正的感应电荷所在处(导体B)的电位大于零.静电平衡时,导体B为等位体,因此整个导体B的电位大于零,而在A未移近之前,B的电位为零.可见,当A移近时,B的电位升高了.(2)从A上正电荷发出的电力线,一部分终止于B上,其余延伸至无限远处,因此B上的负电荷电量小于A上的正电荷电量,且B上感应电荷总是等量异号的,所以B导体上每种电荷的电量均少于A上的电荷.将一个带正电的导体A移近一个接地的导体B时,导体B是否维持零电位其上是否带电答:导体B与大地等电位,电位仍为零.不论B导体原来是否带电,由于A所带电荷的符号,大小和位置的影响,B将带负电.一封闭的金属壳内有一个带电量q的金属物体.试证明:要想使这金属物体的电位与金属壳的电位相等,唯一的办法是使q=0.这个结论与金属壳是否带电有没有关系答:若q≠0,金属壳的电位与带电金属物体的电位不等.应用高斯定理可证明,金属壳内表面上带负电,电量为-q,从带电的金属物体上发出的电力线终止于金属壳的内表面上,因此带电金属物体的电位高于金属壳的电位.反之,若q=0,金属壳和金属物体之间无电场,电荷从它们中的一个移向另一个的过程中,没有电场力做功,所以它们之间无电位差.由于静电屏蔽效应,金属壳带电与否,不会影响金属壳表面上所包围区域内的场强和电位差,所以,金属壳是否带电对以上证明的结论没有影响.有若干个互相绝缘的不带电导体A,B,C,…,它们的电位都是零.如果把其中任一个如A带上正电,证明:所有这些导体的电位都高于零;其他导体的电位都低于A的电位.答:(1)与6题解释相同.当选无限远处电位为零时,一个不带电的绝缘导体附近放入一个带正电的物体时,这个导体的电位将升高.因此电位不为零的带正电绝缘导体A将使B,C,…的电位高于零.(2)由A发出的电力线总有一部分终止在其他各导体的负的感应电荷上,由于电力线指向电位降低的方向,所以其他导体的电位都会低于A的电位.两导体上分别带有电量-q和2q,都放在同一个封闭的金属壳内.证明:电荷为+2q的导体的电位高于金属壳的电位.答:应用高斯定理可证明,金属壳内表面的感应电荷为-q.从电荷2q的导体表面发出的电力线将有一部分终止于金属壳内表面的负电荷上,根据电力线起点电位高于终点电位的性质,电荷为2q的导体的电位高于金属壳的电位.一封闭导体壳C内有一些带电体,所带电量分别为q1,q2,…,C外也有一些带电体,所带电量分别为Q1,Q2,….问:(1)q1,q2,…的大小对C外电场强度和电位有无影响(2)当q1,q2,…的大小不变时,它们的分布形状对C外的电场强度和电位影响如何(3)Q1,Q2,…的大小对C内的电场强度和电位有无影响(4)当Q1,Q2,…的大小不变时,它们的分布形状对C内的电场强度和电位影响如何答:(1)有影响.壳内电荷在壳的外表面产生等量同号的感应电荷,这些感应电荷将要影响壳外的电场强度和电位.(2)没有影响.腔内带电体上发出的电力线全部终止于内表面的等量异号的感应电荷上,空腔内电荷分布发生变化时,内表面上感应电荷的分布也随之发生变化,但力线不穿过导体壳,因此只要腔内带电体的总电量不变,导体壳外表面的电荷量就一定,而这些电荷的分布状态仅取决于外表面的形状.形状一定,电荷分布就一定,壳外电场和相对于壳外任意点的电位也就一定.(3)对C内的电场强度无影响,对电位有影响,但对两点之间的电位差无影响.因为外面电荷的场强与导体壳上感应电荷的场强在腔内的矢量和处处为零,因此外部电荷对腔内的电场强度没有影响,因而对C内两点之间的电位差也无影响.但是导体壳相对于壳外任意点的电位要受壳外电场,即壳外电荷大小的影响,而腔内各点的电位与导体壳的电位有关,所以腔内的电位受外部电荷大小的影响.(4)对C内的场强无影响,对电位差也没有影响,但对电位有影响.理由同上.若上题中C接地,情况如何答:当C接地时,导体壳内和导体壳外将不发生任何互相影响.(1)一个孤立导体球带电Q,其表面场强沿什么方向Q在其表面上的分布是否均匀其表面是否等电位电位有没有变化导体内任一点P的场强是多少为什么当把另一带电体移近这个导体球时,球表面场强沿什么方向其上的电荷分布是否均匀其表面是否等电位电位有没有变化导体内任一点P的场强有无变化为什么答:(1)一个孤立带电导体球,其表面场强必与表面垂直,即沿半径方向,否则不会处于静电平衡状态.场的分布具有球对称性,球面上各点的电场强度数值相同,根据,球面上各点的电荷密度也相同,即电荷分布是均匀的.既然场强总是垂直于球面,所以球面是等位面.导体内任一点P的场强为零.(2)当把另一带电体移近时,达到静电平衡后,球面的场强仍与表面垂直,否则将不会处于静电平衡状态.这时,场的分布不再具有球对称性,球面附近各点的场强数值不同,因而电荷分布不是均匀的.既然导体表面处的场强仍处处垂直于导体表面,故表面仍为等位面.导体球的电位将升高.导体内任一点P的场强仍为零.14,(1)在两个同心导体球B,C的内球上带电Q,Q在其表面上的分布是否均匀(2)当从外边把另一带电体A移近这一对同心球时,内球C上的电荷分布是否均匀为什么答:(1)具有球对称性,Q在内球的表面上分布是均匀的.(2)A的移近使外球的外表面上感应出等量异号的感应电荷,但内部的电场不受A的影响,仍具有球对称性,内球上的电荷分布仍是均匀的.15,两个同心球状导体,内球带电Q,外球不带电,试问:(1)外球内表面电量Q1=外球外表面电量Q2=(2)球外P点总场强是多少Q2在P点产生的场强是多少Q是否在P点产生场强Q1是否在P点产生场如果外面球壳接地,情况有何变化答:(1)外球内表面电量Q1=-Q;外球外表面电量Q2=Q.(2)设球外P点到球心的距离为r,则P点的总场强为.(3)Q2在P点产生的场强是.Q和Q1都要在P点激发电场,不过,其场强的矢量和为零.如果外面球壳接地,则Q2=0,仍有Q1=-Q,P点的场强为零.16,在上题中当外球接地时,从远处移来一个带负电的物体,内,外两球的电位增高还是降低两球间的电场分布有无变化答:这时,内外两球的电位即不增高也不降低,外球仍与大地等电位.由于静电屏蔽效应,两球间的电场分布没有变化.17,在上题中若外球不接地,从远处移来一个带负电的物体,内,外两球的电位增高还是降低两球间的电场分布有无变化两球间的电位差有无变化答:这时,内外两球的电位要降低.由于静电屏蔽效应,两球间的电场无变化,两球间各点相对于地的电位要变化.因为每点的电位与外壳的电位有关.但是,任意两点之间的电位差没有变化,因为两点之间的电位差只由场强分布决定,场强分布不变时,电位差不变.18,如图所示,在金属球A内有两个球形空腔.此金属球整体上不带电.在两空腔中心各放置一点电荷q1和q2.此外在金属球A之外远处放置一点电荷q(q至A的中心距离r球A的半径R).作用在A,q1,q2和q四物体上的静电力各多大答:电荷q1在其所在空腔内壁上感应出-q1的电荷,在A的外表面上感应出+q1的电荷;q2在其所在空腔内壁上感应出-q2的电荷,在A的外表面上感应出+q2的电荷;因此A的外表面上感应电荷的总电量为q1+q2.(rR,q在球面上的感应电荷不计)q1和-q1在空腔外产生的场强的矢量和为零,因此,它们对A球面上的电荷q1+q2以及电荷q,q2没有作用力.同样,q2和-q2也是如此.电荷q和A球面上的电荷q1+q2由于静电屏蔽效应,对q1和q2也没有作用力.由于q至A球中心的距离rR,电荷q和A球面上的电荷q1+q2的相互作用,可看作两个点电荷之间的相互作用,相互作用力满足库仑定律.力的大小为,方向在沿着q和A球心的连线上.q1和q2之间没有相互作用力,因为它们各自发出的电力线全部终止在自己所在的空腔内表面上.q1只受其所在腔壁上-q1作用,由于对称性,作用力相互抵消为零.同样q2所受到的作用力也为零.19,在上题中取消rR的条件,并设两空腔中心的间距为a,试写出:(1)q给q1的力;(2)q2给q的力;(3)q1给A的力;(4)q1受到的合力.答:(1)电荷之间的相互作用力与其他物质或电荷是否存在无关,所以点电荷q给点电荷q1的作用力为(2)同理q2给q的力(3)q1给A的力F=0(A所带总电量为零,等量异号电荷分布具有轴对称性)q1受到的合力为零.因为所受力包括四部分——一是空腔内表面