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章节课题 4.1 静电与静电场 课时 2节
教 学 目 的 掌握：1.静电的基本概念和基本知识 2.导体的静电平衡条件 了解：1.静电中的空腔导体及静电屏蔽作用 2.静电中的电荷分布情况 3.了解尖端放电现象
重点难点 重点：1.静电的基本知识及其应用 2.导体的静电平衡条件 3.静电屏蔽作用和尖端放电现象 难点：静电中的空腔导体的电场分布
教学方法 课堂讲授与练习相结合，综合学生实际，适当处理教材，因材施教，讲解问题时力求清晰明了，注意引导学生对本课程的兴趣和调动学生的学习积极性，并通过练习加深对所学知识的理解与掌握，尽可能达到好的教学效果，以提高学生的理论水平。
教具及参考书 1.《电工基础》 李梅主编 机械工业出版社 2.《电工电子技术基础》 王兆义主编 高等教育出版社 3.《电工基础》 谭恩鼎主编 高等教育出版社 4.《电工基础》 薛涛主编 高等教育出版社
作业 P95 4-1-1
课 后 小 结 1.静电的概念及产生静电的原因。 2.静电场的概念。 3.电场强度的概念及其方向。 4.静电技术的应用。 5.在电场中的导体，电荷分布在导体的两端，导体内部的电场强度为零。 6.导体的静电平衡条件。 7.电工电子技术中电场屏蔽的理论基础 8. 带电导体的电荷分布情况及其规律。 9.尖端放电现象、尖端放电的利用及危害的避免。
教学内容 4.1 静电与静电场 教学目的 掌握：1.静电的基本概念和基本知识 2.导体的静电平衡条件 了解：1.静电中的空腔导体及静电屏蔽作用 2.静电中的电荷分布情况 3.了解尖端放电现象 技能要求 掌握：静电的应用与危害的防止。 教学内容 4.1.1 什么是静电 带有电荷的物体称为带电，如果物体所带电荷相对静止，称物体带有静电。 在自然界中，各种物质都是由原子组成的，原子是由原子核（原子核带正电）和核外电子（电子带负电）组成。自然界中存在两种电荷：正电荷和负电荷，且同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。正电荷用符号“+”表示；负电荷用符号“－”表示。物体带电的多少用电荷量表示，电荷量的单位为C（库仑），一个电子所带的电荷量为1.6×10-19C。 产生静电的原因一般是由于物体的相互摩擦和带电体的相互感应。在中学物理课中我们学习了摩擦起电，如用丝绸和玻璃棒摩擦可使玻璃棒中的电子转移到丝绸上，使玻璃棒带正电；在工程中使用的静电是用静电发生器产生的，它将低电压通过电子电路升压到20kV～30kV，在它的两个电极上提供静电场。 4.1.2 静电场和电场强度 1．静电场 由实验可知，两个带有电荷的物体之间有力的作用。其受力方向根据所带电荷的极性不同，为同极性相斥；异极性相吸。
教学内容 我们用手推桌子，通过手和桌子直接接触，把力作用到桌子上；马拉车时，通过绳子和车直接接触，将力作用到车上。这些都是通过直接接触进行力的传递。 两个带电物体没有直接接触，力是靠什么传递的呢？在带电体的周围存在一种看不见、摸不着的物质场，这种物质场可传递两个带电物体之间的相互作用力，我们称这种物质场为电场。电场是由电荷激发的，有电荷就有电场，电场和电荷同生同灭。电荷量大，激发的电场就强；电荷量小，激发的电场就弱。由静电荷激发的电场称为静电场。 2．电场强度 在带电体（带有电荷的物体）的周围存在着电场，电场对其它带电体有力的作用。为了衡量电场的强弱，引入了电场强度的概念，其定义为：在电场中的任一点，实验电荷所受电场力F 与电荷量Q 之比，称为该点的电场强度，用E 表示，其数学表达式为 （4-1） 式中，F 的单位是N （牛顿），Q 的单位是C （库仑），E 的单位是N/C（牛/库）。电场强度是矢量，其方向与正电荷在该点所受力的方向相同。 图4-1 是用电力线表示的电场方向，每点电力线的方向就是该点电场强度的方向。 a)正电荷电场方向 b) 负电荷电场方向 c) 匀强电场方向 图4-1 电场方向
教学内容 4.1.3静电场中的导体 当将不带电的导体（金属）放入电场中，导体中的自由电荷在电场力的作用下，要进行重新分布。当导体中的电荷形成的电场与外电场达到新的平衡时，导体中的电荷才停止移动。 1. 导体的静电平衡条件 当将不带电的（导体中的正负电荷中和，不显电性）导体放入由正电荷激发的电场E0中，如图4-2所示。导体在外电场的作用下，负电荷受引力向左移动；正电荷受斥力向右移动。由于导体的两端产生了电荷的堆积，在导体内形成一新的附加电场E /，此电场和外电场方向相反，如图中所示。导体内的总电场E=E0 —E / ，当内电场和外电场大小相等时，E0 =E / ，在导体内的总电场E = 0，导体中的电荷停止移动，即达到静电平衡。导体中的总电场E = 0称为电场中导体的静电平衡条件。 图4-2电场中的导体 由静电平衡条件可知，在电场中的导体，电荷分布在导体的两端，导体内部的电场强度为零。这里必须注意：导体内部的电场，是由一切电荷（包括外部的电荷和导体内部的电荷的总和）产生的总电场。 2.静电中的空腔导体 （1）空腔外存在电场 如果有一空腔导体处于外电场中，根据导体的静电平衡条件，空腔内的电场强度为零，即导体内不受外电场的影响。这样，导体空腔就“保护”了他所包围的区域，使之不受外表面的电荷和外电场的影响。这一原理是电工电子技术中电场屏蔽的理论基础。
教学内容 a)处于正电场中的空腔 b) 处于负电场中的空腔 图4-3电场中的空腔导体 （2）空腔内有带电体 如图4-4a所示，腔内有带电体。根据导体的静电平衡条件，在空腔的内表面和外表面上产生感应电荷，使空腔的内、外表面之间的导体部分的电场强度为零。这样，空腔外表面产生感应电荷，这将影响腔外的电场分布。 如果将空腔的外表面接地，则由腔内的带电体在腔外产生的感应电荷流入地内，使空腔外金属表面的电位为零，这样，腔内的带电体对腔外无任何影响，如图4-4b所示。 a) 外表面不接地 b) 外表面接地 图4-4腔内带电体 3．静电屏蔽 在电子、电器设备中，为了使其不受外电场的干扰或不对外产生干扰，要采取静电屏蔽措施。根据空腔屏蔽原理，将需要被屏蔽的器件、设备等放在金属壳或金属网中，可得到很好的屏蔽作用。
教教学内容 4.1.4 带电导体的电荷分布与尖端放电 1．带电导体的电荷分布 当带电导体所带的为同一种电荷时，由于同性相斥，使电荷在导体中的分布有以下规律：面电荷密度的大小与表面的曲率有关，表面曲率大的地方电荷密度大；表面曲率小的地方电荷密度小。具体地说，导体表面凸出且尖锐的地方电荷密度大；表面较平坦的地方电荷密度小；表面凹进去的地方电荷密度更小如图4-5所示。 图4-5电荷分布 2．带电导体的尖端放电 由于导体表面附近的电场强度与电荷的面密度成正比，所以在导体的尖端处电荷的面密度大，附近的电场强度也大。 导体尖端的电场特别强时，会导致一个重要的后果，就是尖端放电。尖端放电会将空气或导体的绝缘层击穿，造成事故。 3．尖端放电的利用及危害的避免 尖端放电的典型应用就是避雷针，避雷针利用尖端放电的原理将雷电引向避雷针放电，以此来防止雷电对建筑物的破坏；在高压设备中，为了防止因尖端放电而引起的危险和电能损失，往往采用表面极光滑而由较粗的导线，并把电极做成光滑的球状表面。
【案例1—静电喷涂】 案例叙述：静电喷涂是根据异性电荷相互吸引的原理，使喷枪作为电极，使喷出的油漆或粉末带电，被喷涂的工件（金属）作为另一个电极亦带电（与涂料的带电极性相反），当涂料喷出时在电场力的作用下，飞向工件。 案例效果：静电喷涂由于喷出的涂料和工件之间有力的作用，不乱飞，节省涂料，减少污染以及提高喷涂质量。图4-6是塑料喷涂机，由高压发生器、料筒和喷枪组成，工作时由喷枪喷出的塑料粉末由于通过高压发生器，形成带电离子，这些带电 粒子在电场力的作用下飞向被喷涂的工件。 图4-6 静电喷涂机 【案例2—静电屏蔽】 案例叙述：在我们今天的电子时代，电子仪器、电子设备随处可见，通讯手机、电视音响、计算机、数控机床、电动机调速用的变频器等等，这些电子设备有个共同的特点，就是易受电场干扰。我们根据静电屏蔽原理，对这些设备进行整体或部分屏蔽，对电路中的部分器件进行屏蔽，对连接导线进行屏蔽。图4-7是几种屏蔽形式。 案例效果：图4-7a是屏蔽柜，屏蔽柜由金属制作，柜体接地，整个柜子形成一个金属空腔，根据空腔接地原理，柜内的电场不能辐射到柜外，柜外电场也不能辐射到柜内，将柜内的电子电路和柜外进行有效的电场隔离。 图4-7b是接线电缆，电缆最易受外界电场干扰，为了消除干扰，在电缆的外层包上一层金属网，使导线形成金属空腔，有效的屏蔽外界电场干扰。屏蔽电缆规格有多种，在工程中用途很广。 图4-7c是一个电子器件（中频变压器），为了屏蔽电场干扰，用接地的金属外壳屏蔽，金属壳内形成金属空腔，隔断电子器件对外的干扰。
a) b) c) 图4-7 电场屏蔽 a)屏蔽柜 b) 电缆屏蔽 c）电子器件屏蔽 【案例3—尖端避雷】 案例叙述：电气设备遭受雷击，有时是毁灭性的。为了防止雷电从电源引入，根据尖端放电原理，在变电站周围安装避雷针，高压导线上端安装避雷线。将雷电引入地下，避免了雷电对电网和对电网上的电器的破坏。 案例效果：避雷针的避雷效果为由顶尖向下60o的锥角，在锥角范围内的物体可不受雷击损坏。避雷线保护的是线下的一条60o角楔形带，有效的保护了高压线不受雷击。

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