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楼主: wb61850
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wb61850|  楼主 | 2009-3-23 07:22 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览

我想我们大家互相帮助、互相学习,就一定能共同进步!

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wb61850|  楼主 | 2009-3-23 07:39 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质1


个人观点,请多指教

我们以上基本上都是从概念的角度上阐述和理解什么是静电场以及它的一般规律性。大家可能会觉得不太具体、形象,好像是与实际没有多大的联系。实事上也的确如此。不过,没有那些抽象的理论也就不会有实际的应用了。

下面,我们将学习比较实际的问题:静电场中的导体和电介质。

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badbird1234| | 2009-3-23 09:27 | 只看该作者

**

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wb61850|  楼主 | 2009-3-23 12:22 | 只看该作者

谢谢LS兄弟,俺会**到底的.....^_^

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wb61850|  楼主 | 2009-3-23 12:23 | 只看该作者

静电场中的导体和介质是有些学问的,请大家耐心等待.....

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wb61850|  楼主 | 2009-3-23 12:25 | 只看该作者

为了增加体力和脑力,俺买了“半只猪头”,汗.....^_^

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wb61850|  楼主 | 2009-3-23 21:49 | 只看该作者

亲们,我们继续我们的学习.....祝大家晚安!

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wb61850|  楼主 | 2009-3-23 21:56 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质2

个人见解,请批评指教

双面敷铜板就是一个典型的导体和介质相结合的物体(实际上它构成了一个平行板电容器)。我想大家都很清楚这个东东了。

需要指出的是,介质(电介质)是绝缘体。绝缘体是电阻率很大(或电导率很小)的物体。导体则是电阻率很小(或者说,电导率很大)的物体。那么半导体呢,则是介于导体和电介质之间的物体了。具体怎样界定这三者,请大家参考有关的资料,我们这里就不详细介绍了。

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wb61850|  楼主 | 2009-3-23 22:14 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质3

“以上,我们只讨论了真空中的静电场,而实际上,在电场中总有导体或电介质(绝缘体)存在。在静电场的作用下,导体将产生自由电荷,电介质将产生极化电荷。这些新的电荷分布也将要产生电场,从而改变原来的场分布。”

——以上摘自《电磁场》

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wb61850|  楼主 | 2009-3-23 22:19 | 只看该作者

声明:由于本人的实验条件简陋,所作实验仅供参考

水平、条件均有限,请大家批评指正!

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551
wb61850|  楼主 | 2009-3-23 22:33 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质4

这就是两类最常见的导体了,铜和铁。
下面发白的是一根实心的铁棒;上面发黄的是一根空心的铜棒。

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552
wb61850|  楼主 | 2009-3-23 22:52 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质5

“我们知道,金属的基本特点是内部存在大量的自由电子,金属就是由带负电的自由电子和带正电的晶体点阵构成的。当金属导体未放置在电场中,也不带电时,自由电子虽然可以在导体内象气体分子一样作无规则的热运动,但不论对整个导体还是对导体中的一小部分来说(即从宏观上看),自由电子的负电荷和晶体点阵的正电荷在总量上都是相等的,所以导体呈现电中性。”

——以上摘自《电磁场》

以下个人观点,请大家批评指正:
“电中性”这个概念重要。上面的论述中已经说明了,无论从一个导体的宏观上看,或是一个较小的局域上看“不带电”的导体是保持电中性的。我们可以这样理解:从整体上看,导体中的负电荷数量等于正电荷数量,它们的代数和等于零。从一个较小的区域上看(在可直觉的范围以内,这里没有说是微观)也是满足上述电中性条件的。
我们现在可以应用一下“高斯定律”,对整个导体作一个“闭合曲面”(高斯面),那么穿过该曲面的“电通量”应该等于零。那么我们在作一个较小的高斯面,同样穿过高斯面的电通量也等于零。因为高斯面内的电荷总量等于零(等于负电荷与正电荷之和)。或者说,穿出高斯面的电力线等于进入高斯面的电力线,我觉得也可以。

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553
wb61850|  楼主 | 2009-3-23 23:24 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质6

“当把导体放置在外电场中时,每一个自由电子都将受到电场力的作用,其方向与场强方向相反。整个导体中自由电子的运动,是在无规则的热运动上叠加了一个宏观的定向运动。这将引起导体上电荷的重新分布,使导体呈现带电现象。电荷的这种重新分布将产生新的电场,从而改变空间总的电场分布,这又会使导体上的电荷分布进一步发生变化。这种相互影响不断进行下去,经过一段极短的自发调整过程,导体上的电荷就会达到一种稳定的分布,空间(包括导体内部和外部)的电场也相应地达到一种稳定的分布。导体上的电荷和整个空间的电场都达到了稳定分布的状态称为静电平衡。只有满足一定的条件,导体才能达到静电平衡。”

——以上摘自《电磁场》


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554
wb61850|  楼主 | 2009-3-23 23:26 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质7

以下个人观点,请大家批评指教。

我们来逐条分析一下以上的论述:
“当把导体放置在外电场中时”:对于这句话我们要明确,导体是放置在由外部物体激发“静电场”中了(那么,物体怎样激发出的静电场或是什么原因激发出的静电场?可能是由于摩擦或别的什么愿因,这里我们先不管它)。那么“静电场”的基本特点是不随时间变化也不随空间变化(如果一个静电场是随空间变化的,那么其必然也是随时间变化的,那样的话它还能称为静电场吗?我想是不能的)。

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555
wb61850|  楼主 | 2009-3-23 23:37 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质8

以下个人观点,请大家批评指教。

559楼中已经对导体的“静电平衡”作了比较详细的论述了。
看来,在导体初入静电场中时导体中的自由电子运动是非同一般的(一般情况时自由电子是在作无规则的热运动。虽然在微观上电流不等于零,但在宏观上电流等于零,因为电子运动的方向是无规则的),在静电场力的作用下,导体中的自由电子会形成一个短暂的定向运动。如559楼中所述,在导体达到“静电平衡”之前,空间的静电场是不稳定的,或是说是在变化的。尽管这段变化的时间是很短暂的,但仍需指出这段“非稳态过程”。

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556
wb61850|  楼主 | 2009-3-23 23:54 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质9

以下个人观点,请大家批评指教。

那么有一个问题了:导体带电的过程中,有没有自由电子跑到导体以外去了?
我们先不讨论什么是“导体带电”。我想在一般情况下是不会发生这种事的。也就是说,在一般的情况下,自由电子是不会跑到导体以外的空间去的(当然,也有例外。大家可能都知道爱因斯坦的“光电效应”实验。在一定的条件时,电子也可以离开金属表面)。既然如此,我们就知道了,在导体带电的过程中,导体中的正、负电荷总数是相等的,它们之和仍然为零。

当然,我们所指的导体是涵盖一定的空间的。即导体的边界所涵盖的空间。因为导体总是有一定的形状的,因此它总是要占据一定的空间。

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557
wb61850|  楼主 | 2009-3-24 00:17 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质10

我们现在做一个很简单的实验,看看能说明什么问题。
实验仅供大家参考,欢迎批评指教。

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558
wb61850|  楼主 | 2009-3-24 00:26 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质11

这是一个摩擦起电的塑料笔,我们用它来获得静电场。
大家可以看到,它把纸屑吸引到其表面,从而反映出该笔是激发静电场的。

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559
wb61850|  楼主 | 2009-3-24 00:41 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质12

我们在带电的笔和纸屑之间放置一根小金属棒(铁),金属棒和纸屑之间的距离是很近的。然后在把带电的笔靠近纸屑(在金属棒以上)。结果发现,笔把纸屑吸起来了不少,而金属棒却没有吸引纸屑,尽管金属棒靠的比较近。

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560
wb61850|  楼主 | 2009-3-24 00:54 | 只看该作者

静电场中的导体和电介质13

欢迎大家批评指正。

我们知道,在上述实验中,金属棒是处于静电场之中的(由摩擦过的塑料笔激发的),那么为什么金属棒不能像塑料笔一样激发出静电场呢?(否则金属棒也会把纸屑吸引起来了)。

我们首先要明确一点:塑料笔激发静电场的原因是由于摩擦使电荷进入(或离开)塑料笔表面。使塑料笔在整体上(或某个部分)破坏了其“电中性”的性质。从而对外界激发电场。我们同样可以做一个包围该笔的“高斯面”就会发现高斯面(闭合曲面)中的净电荷(不是静电荷)不等于零。也就是说,有净的电力线穿过高斯面(进入或穿出,决定于高斯面中的电荷极性)。

而金属虽然是处于静电场中的,但并没有电荷进入(或溢出)其内,整体上仍然是保持“电中性”的。

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