导体与电容

导体重新排列其自由电荷，使内部电场消失；电容衡量系统单位电势差存储的电荷量。

Definition

导体是一种具有可移动电荷的材料，这些电荷会重新分布，直到内部静电场为零；电容是存储电荷与维持其电荷的电势差之比，对于给定的导体配置而言，它是一种纯粹的几何特性。

Scope

本主题涵盖导体的静电行为——内部电场消失、表面电荷、表面垂直电场和等势面——以及感应电荷、静电屏蔽，以及电容器和导体系统的电容定义和计算。它包括电容器中存储的能量和电容系数法。

Core questions

• 电荷如何在固定电势的导体上分布？
• 为什么导体内部的电场会消失并起到屏蔽作用？
• 什么决定了给定导体几何形状的电容？

Key concepts

• 导体
• 表面电荷密度
• 感应电荷
• 静电屏蔽
• 法拉第笼
• 电容
• 电容器能量

Key theories

导体的静电平衡

在导体中，内部电场为零，表面是等势面，紧邻外部的电场垂直于表面，并且任何净电荷都驻留在表面上。

电容作为几何量

对于固定的导体排列，电荷与电势差之比是常数，完全由几何形状和周围介质的介电常数决定，对于多个导体则推广为电容系数矩阵。

Clinical relevance

电容和导体静电学支配着电容器和触摸屏设计、敏感仪器的静电屏蔽、除颤器能量存储以及电容式生物传感。

History

莱顿瓶由von Kleist和van Musschenbroek于1745年左右独立发明，是第一个实用的电容器。法拉第在19世纪进行的金属笼实验证明了屏蔽效应，电容单位“法拉”也以他的名字命名。

Key figures

• Michael Faraday
• Ewald Georg von Kleist
• Pieter van Musschenbroek

Seminal works

• jackson1998
• griffiths2017

Frequently asked questions

为什么法拉第笼能阻挡外部电场？

导体表面的电荷会重新排列，以抵消封闭腔内的任何外部电场，因此接地或封闭的导电壳体可以屏蔽其内部免受静态和许多时变外部电场的影响。

插入电介质会增加电容吗？

是的；电介质会极化并部分抵消电场，因此给定电荷会产生较小的电势差，从而将电容提高材料的相对介电常数倍。