1、7-5 静电场中的导体静电场中的导体静电平衡静电平衡静电屏蔽静电屏蔽静电感应静电感应现象与思考现象与思考现象与思考现象与思考 1.在高压输电线的周围存在着极强的电场，在高压输电线的周围存在着极强的电场，当人体与它接近到一定距离时，很容易发生触电当人体与它接近到一定距离时，很容易发生触电事故，甚至瞬间即可失去生命。事故，甚至瞬间即可失去生命。 2.可是，在高压输电线路和设备的维护与检可是，在高压输电线路和设备的维护与检修工作中，工作人员只要穿上由金属丝编成的工修工作中，工作人员只要穿上由金属丝编成的工作服，在不停电的情况下，就可以自由安全地操作服，在不停电的情况下，就可以自由安全地操作。作。 3
2、.通过本节的学习，可以帮助你破解其中的奥通过本节的学习，可以帮助你破解其中的奥秘。秘。一、静电平衡一、静电平衡1.导体中静电平衡原理导体中静电平衡原理 （1）金属中电子带的负电荷和原子核带的正金属中电子带的负电荷和原子核带的正电荷，通常情况下其电荷量的绝对值是相等的，电荷，通常情况下其电荷量的绝对值是相等的，因而金属导体呈电中性。因而金属导体呈电中性。 （2）在外电场在外电场 E0 的作用下，金属中的自由电的作用下，金属中的自由电子会逆电场方向做定向移动，导体两端出现等量异子会逆电场方向做定向移动，导体两端出现等量异号电荷，在导体内部产生与号电荷，在导体内部产生与 E0 方向相反的附加电方向相
3、反的附加电场场 E。 （4）当当 E=E0 时时，导体内和电场，导体内和电场 E=E0-E=0，电荷定向运动停止了，导体两端电荷，电荷定向运动停止了，导体两端电荷量不再变化。量不再变化。 （3）在最初一段时间，在最初一段时间，EE0，E 对电荷对电荷定向移动的阻力还比较小，随着导体两端的定向移动的阻力还比较小，随着导体两端的电荷不断增加，电荷不断增加，E 也在增大，也在增大，E对电荷定向对电荷定向移动的阻力越来越大。移动的阻力越来越大。2.静电平衡状态静电平衡状态 （1）定义定义 导体上没有自由电荷定向移动的状态称为静电导体上没有自由电荷定向移动的状态称为静电平衡状态。平衡状态。 （2）条件条
4、件 导体达到静电平衡时必须满足导体内部任导体达到静电平衡时必须满足导体内部任意一点的电场强度为零；导体表面各点的电场意一点的电场强度为零；导体表面各点的电场强度方向和导体表面垂直。强度方向和导体表面垂直。 （3）特点特点 在静电平衡的导体上移动电荷时电场力不做在静电平衡的导体上移动电荷时电场力不做功。功。 导体上任意两点间电势差必然为零。导导体上任意两点间电势差必然为零。导体是一个等势题，导体表面是等势面。体是一个等势题，导体表面是等势面。 （4）应用应用 地球是一个在静电平衡状态下的大导体，与地球是一个在静电平衡状态下的大导体，与地球相连的导体都是等势体。在实际工作中，常地球相连的导体都是等
5、势体。在实际工作中，常取与地球相连的导体电势为零。根据这一道理，取与地球相连的导体电势为零。根据这一道理，一些电气设备及家用电器都有接地装置，可以避一些电气设备及家用电器都有接地装置，可以避免触电事故，同时也容易测量各点的电势，及时免触电事故，同时也容易测量各点的电势，及时了解电气设备工作状态是否正常。了解电气设备工作状态是否正常。 （5）带电导体电荷的分布带电导体电荷的分布 导体表面上的电荷分布情况，不仅与导体表导体表面上的电荷分布情况，不仅与导体表面形状有关，还和它周围存在的其他带电体有关面形状有关，还和它周围存在的其他带电体有关。导体上电荷密度的大小与该处表面的曲率有关导体上电荷密度的大
6、小与该处表面的曲率有关。曲率较小，表面比较平坦部分，电荷面密度较小曲率较小，表面比较平坦部分，电荷面密度较小曲率较大，表面尖而凸出部分，电荷面密度较大曲率较大，表面尖而凸出部分，电荷面密度较大曲率为负，表面凹进去的部分，电荷面密度最小曲率为负，表面凹进去的部分，电荷面密度最小 这些部位电场极强，容易使周围空气电离，这些部位电场极强，容易使周围空气电离，在电场力作用下，带异号电荷的离子会趋向尖端在电场力作用下，带异号电荷的离子会趋向尖端导体，与其上面的电荷中和，而与导体上电荷同导体，与其上面的电荷中和，而与导体上电荷同号的离子会背离尖端导体运动。这种现象称为尖号的离子会背离尖端导体运动。这种现象
7、称为尖端放电。端放电。尖端放电的应用尖端放电的应用避雷针避雷针 雷电发生的时间只有几十微妙（雷电发生的时间只有几十微妙（1 s=10-6 s）放电电流却有几万、几十万安培。受雷击的树木、放电电流却有几万、几十万安培。受雷击的树木、建筑物会起火，受雷击的人会被烧焦。雷电大多发建筑物会起火，受雷击的人会被烧焦。雷电大多发生在高大建筑物和高出地面的山丘、地下有金属矿生在高大建筑物和高出地面的山丘、地下有金属矿床处，这些地方要通过安装避雷针加以保护。床处，这些地方要通过安装避雷针加以保护。 如图如图7.5-1所示。图中所示。图中 A 是尖端导体（接闪器），是尖端导体（接闪器），B 是较粗的金属导体（引
8、是较粗的金属导体（引下线），下线），C 是埋在地下的是埋在地下的金属板（接地体）。金属板（接地体）。A、B、C 焊成一体。在有雷焊成一体。在有雷雨接近地面时，通过避雷雨接近地面时，通过避雷针的尖端放电，把电荷引针的尖端放电，把电荷引至地下，保护了建筑物至地下，保护了建筑物。图图 7.5- 避雷针避雷针 家用燃气灶、燃气热水器的点火就是用压电家用燃气灶、燃气热水器的点火就是用压电陶瓷尖端放电完成的。陶瓷尖端放电完成的。 在另一些实际工作中要避免尖端放电现象的发在另一些实际工作中要避免尖端放电现象的发生，因此高压电器设备采用球型接头，高压输电线生，因此高压电器设备采用球型接头，高压输电线表面必须光
9、滑。表面必须光滑。 二、静电感应二、静电感应 将金属导体放入电场中时，金属的自由电子在将金属导体放入电场中时，金属的自由电子在电场力作用下，会逆着外电场的地方定向移动，导电场力作用下，会逆着外电场的地方定向移动，导体两端出现等量异号电荷，这种现象称为静电感应，体两端出现等量异号电荷，这种现象称为静电感应，如图如图 7.5-5 所示。静电感应是使物体带电的方法之所示。静电感应是使物体带电的方法之一。一。图图 7.5-5 静电感应静电感应三、静电屏蔽三、静电屏蔽 将带正电的金属球放到验电器附近，验电器的金将带正电的金属球放到验电器附近，验电器的金属箔片张开一定的角度，属箔片张开一定的角度，观看视频
10、观看视频，说明，说明带电金属球带电金属球的静电感应使金属箔片带电了的静电感应使金属箔片带电了。1.实验实验 若将验电器放入金属丝网罩（相当于金属空腔）若将验电器放入金属丝网罩（相当于金属空腔）内，再将带电金属球移近时，箔片不再张开，内，再将带电金属球移近时，箔片不再张开，观看观看视频视频，说明，说明感应电荷分布在金属网的外表面，带电感应电荷分布在金属网的外表面，带电金属球的电场对金属网内没有影响，金属球的电场对金属网内没有影响，如如视频视频7.5-2静电屏蔽原理。静电屏蔽原理。 若把带电金属球放入金属网内，其附近若把带电金属球放入金属网内，其附近验电器箔片会张开一定角度验电器箔片会张开一定角度
11、, ,如图如图7.5-6（a），），说明说明网罩内电场对外部有影响网罩内电场对外部有影响。图图 7.5-6（a)静电屏蔽原理静电屏蔽原理 将金属网罩接地，箔片再次闭合图将金属网罩接地，箔片再次闭合图7.5-6（b），），说明说明带电金属球的电场只存在于接地金属网内，对外带电金属球的电场只存在于接地金属网内，对外界无影响界无影响。图图7.5-6（b） 静电屏蔽原理静电屏蔽原理 一个接地的空腔导体可以隔离内外静电场的一个接地的空腔导体可以隔离内外静电场的影响。影响。这就是这就是静电屏蔽静电屏蔽现象。现象。 2.定义定义 3.应用应用 实际工作中，校测电子仪器的屏蔽室、通实际工作中，校测电子仪器的屏蔽室、通信电缆外面包围的一层金属网、电子仪器某些信电缆外面包围的一层金属网、电子仪器某些元件的金属罩、高压电器设备外围的金属栅网元件的金属罩、高压电器设备外围的金属栅网都是静电屏蔽的应用。都是静电屏蔽的应用。 练习练习 1.导体处于静电平衡时，其内部任何一点电场导体处于静电平衡时，其内部任何一点电场强度强度_,_,表面任何一点电场强度表面任何一点电场强度_ 。为零为零不为零不为零 2.导体中自由电子没有定向移动的状态称为导体中自由电子没有定向移动的状态称为（ ）A.静电感静电感应应B.静电平衡静电平衡 C.静电屏蔽静电屏蔽D.静电起电静电起电B
