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1, 导体和电介质的静电特性;
2,导体和电介质内外的电场分布图像;
3,静电场的能量.
1,按导电能力划分,大致可将物体分为两类:
导体:导电能力极强的物体
绝缘体或电介质:导电能力极弱或者不导电的物体
2,金属导体的电结构特点:具有大量的自由电子.当导体不带电,也不受外电场的作用时,导体内的大量自由电子和晶体格点阵的正电荷相互中和,导体呈电中性状态.
§9-1 静电场中的导体(Conductors in Electrostatic Field)
静电感应现象:在导体内部存在电场时,自由电子受电场力作用作定向运动,从而引起导体内部正负电荷的的重新分布,结果使导体一端带正电荷,一端带负电荷.这就是静电感应,分布在导体上的电荷便是感应电荷.
1.导体的静电平衡状态 (electrostaticequilibrium):
指导体内部和表面都没有电荷作宏观的定向运动的状态.
(E :感应电荷q 产生的电场)
2. 静电平衡条件(electrostatic equilibrium condition) :
导体内部电场强度处处为零
这也是静电平衡问题的出发点
3,导体静电平衡时的特点
场强特点:
电势特点:导体是等势体;导体表面是等势面.
电荷分布特点:电荷只分布在导体表面上,导体表面附近的场强 与该表面的电荷面密度成正比,方向垂直于表面:
对孤立导体,表面各处的面电荷密度和该处表面的曲率有关.一般而言,曲率大处,面电荷密度大.
这一结论对孤立导体和处于外电场中的任意导体均适用
§9-2 空腔导体内外的静电场
导体空腔内无带电体
不论导体空腔是自身带电还是处在外电场中,在静电平衡条件下,腔的内表面上处处没有电荷,电荷只能分布在腔的外表面上,腔内空间各点的电场强度处处为零.
空腔导体外面的空间总有电场存在,电场分布由腔外表面的电荷分布和其它带电体的分布共同决定.
P
O
总之,对导体空腔内无带电体
当导体处在外电场中时,空腔导体外的带电体,只会影响空腔导体外表面上的电荷分布,并改变空腔导体外的电场分布.
这些电荷重新分布的结果,最终是使导体内部及空腔内部的场强为零.
P
Q
O
导体空腔内有带电体
导体空腔内的空间有带电体时,设电量为q,在静电平衡条件下,腔的内,外表面上分别出现电荷量为-q和q的感应电荷.若导体空腔原来带电量为q0,则腔外表面上的带电量为q0+q.腔内空间场强值由腔内带电体和腔内表面上的电荷分布决定,与腔外表面及腔外其它带电体的电荷分布无关.
腔外空间的电场由腔内带电体和外加电场在外表面产生的感应电荷共同确定.
P
q
Q
O
§9-2 空腔导体内外的静电场
导体空腔内的电场
导体空腔内的空间无带电体时,不论腔外是否有带电体(附加电场),在静电平衡条件下,腔的内表面上处处没有电荷,电荷只能分布在腔的外表面上,腔内空间各点的电场强度处处为零.
P
Q
导体空腔内的空间有带电体时,设电量为q,在静电平衡条件下,腔的内,外表面上分别出现电荷量为-q和q的感应电荷.若导体空腔原来带电量为q0,则腔外表面上的带电量为q0+q.腔内空间场强值由腔内带电体的电荷量,位置和腔内表面的形状决定.
P
q
Q
导体空腔外的电场
当腔外无附加电场时,腔内带电体将在腔外表面感应出与带电体等量同号电荷,这些感应电荷在腔外空间激发电场.
当腔外有附加电场时,(1)腔内无电荷,受附加电场影响,腔外表面产生感应电荷,腔外附加电场会重新分布.(2)腔内有电荷,腔外表面上的电荷由腔内带电体和腔外附加电场产生的两种感应电荷共同确定,它们共同在腔外空间激发电场.
总之,只要有附加电场存在,无论腔内有无带电体,腔外表面上的感应电荷都会影响该附加电场的分布.
静电屏蔽(Electrostatic Shielding)
在静电平衡条件下:
空腔导体外面的带电体不会影响空腔内部的电场分布,即空腔导体可保护腔内空间的电场不受腔外带电体的影响;
接地空腔导体,空腔内的带电体对腔外的物体不会产生影响.即接地空腔导体可保护腔外空间的电场不受腔内带电体的影响,
以上两种现象称为静电屏蔽.
静电屏蔽的讨论
静电屏蔽的物理实质使导体在电场作用下,导体中的自由电子重新分布,使导体上出现感应电荷,而感应电荷产生的场与其他源电荷产生的场在一特定区域内合场强为零,从而使处在该区域内的物体不受电场作用.
导体的静电屏蔽作用是自然界存在两类电荷与导体中存在大量自由电子的结果.
从静电屏蔽的最后结果看,因为导体内部场强为零,电场线都终止在导体表面上,犹如电场线不能穿透金属导体,但这里的电场线代表所有电荷共同产生的电场.
§9-3 电容器(capacitor)的电容(capacity)
孤立导体的电容
孤立导体的电容定义为:导体带电量与导体电势的比:
物理意义:使导体升高单位电势所需的电荷量.
1,电容是导体的客观性质,电容反映了该导体在给定电势的条件下储存电量能力的大小,C 越大,说明在相同的电势下储存的电量越多.
2,电容仅由导体的形状,大小和周围电介质决定,与导体是否带电及带电多少无关.
国际单位:法拉(F=C/V) 1F=106 F=1012pF
电容的单位
国际单位:F法拉(1F=1C/V)
F是一个很大的单位,电容为1F的孤立导体球的半径约为9×109m.地球的半径为6.4 × 106m,把地球看作是球形导体时,电容为:
通常取微法( F ),皮法(pF)作为电容的单位
1F=106 F=1012pF
非孤立导体的电容
此时带电导体的电势不仅与自己所带的电荷有关,且与周围导体的形状,位置及其带电状况带电体都有关系.即非孤立导体的电势与其电荷量不成正比.
采用静电屏蔽的原理来消除其他导体的影响
(参见P95例题9-2)球A在球B的影响下电势发生了变化,但两球的电势差恒保持不变
因此 ,
即导体A,B之间的电势差仅与导体A的电量成正比,与导体B周围的其他带电体或导体无关.
电容器的电容
导体A和导体B之间的电势差仅与导体A的电量成正比,与导体B周围的其他带电体或导体无关,将这种由导体A和导体B构成的一对导体系称为电容器.两个导体分别称为极板,两极板上分别带等量异号的电荷.
电容器的电容定义为:
C取决于两极板的大小,形状,相对位置和极板间电介质的电容率.
电容的大小反映了当电容器两极板间存在一定电势差时,极板上贮存电量的多少.
常见的真空电容器:平行板电容器,球形电容器,圆柱形电容器.
1,平行板电容器
d
A
B
S
由两块平行放置的金属板组成,极板面积S足够大,板间距离d足够小,即:
忽略边缘效应后,两板间的场强,电势差分别为:
故平行板电容器的电容为:
2,球形电容器
由两个同心金属球壳组成.在两球壳之间,具有球心对称的电场分布,其中P点的场强为
两球壳间的电势差为:
A
B
RA
RB
P
球形电容器的电容为:
3,圆柱形电容器
由两个同轴金属圆柱筒组成.在两圆柱面之间电场具有轴对称性,其中P点的场强为
两圆柱面之间的电势差为:
圆柱形电容器的电容为:
A
B
RA
RB
L
P
计算电容的步骤
设q
E
UAB
C
电介质电容器
电容器的电容还和两极板间所充的电介质有关.实验证明,充有电介质的电容器可增大好多倍.
设真空电容为C0,充满电介质时的电容为C.对孤立导体
d
A
B
S
例如对平行板电容器
d
A
B
S
成品电容器的指标:例如
电容
耐压值
电容器的串并联
串联:各电容器极板上的电量的绝对值都相等
并联:各电容器两极板间的电压都相等
§9- 4 电介质(dielectric)及其极化(polarization)
电介质 ——绝缘介质
1.电介质内没有可以自由移动的电荷,在电场作用下,电介质中的电荷只能在原子范围内移动.
2.分子电矩Pm
等效电偶极子(模型) 在一级近似下,可以把原子或分子看作一个电偶极子,即原子或分子的正负电"中心"相对错开.并用电偶极矩(电矩)描写原子或分子的电效应,称为分子电矩 : pm = qmLm
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电阻率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。 半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50年代，锗在半导体中占主导地位，但 锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种增导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。3.无定形半导体材料 用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用 。
特性和参数 半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体，靠价带空穴导电的称P型半导体。不同类型半导体间接触（构成PN结）或半导体与金属接触时，因电子（或空穴）浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性，可以制成具有不同功能的半导体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。此外，半导体材料的导电性对外界条件（如热、光、电、磁等因素）的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。
半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度，对于非晶态半导体材料，则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别 ，更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下，其特性的量值差别。
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