教研分享系列42 神奇內外——建構物理模型理解靜電屏蔽

自然界存在兩種電荷，分別是正電荷、負電荷。它們本身不同於有形物體（微粒），而是依附在有形物體（微粒）之中，例如電子、質子之中。所以，關於電荷是什麼，存在一定的爭論，有人說，它和其他物質一樣，是一種實在物質；有人說，它僅僅是一種性質，如同物質的質量等性質一樣。追問電荷的本源問題當然重要，在沒有完全理解電荷本源條件下，依然可以結合現在所知構建理論來解釋眾多物理現象。

所謂的構建理論來解釋物理現象，窄化後等價於構建物理模型解釋物理現象。

基於靜電平衡的靜電屏蔽現象，是一種非常神奇的現象，演示相關實驗總是讓人感到驚奇，看年少學生那興奮的表情，好奇的眼睛就能說明這一點。感性之後就得理性，然而，師生在解釋靜電屏蔽現象，特別是具體情景下的靜電屏蔽現象時依然疑惑叢生。先看下面這道試題：

要理解參考解析，一定要建立在對靜電屏蔽現象理解得特別深透的基礎上，否則只能是霧裡看花——迷迷糊糊不知所物。有一位老師就提出了自己真實的困惑。

「各位老師好，這道題正電荷A不會影響C的電荷分布麼？比如開始沒有A電荷，C內部合場強為零，後放入電荷A，由於電荷A的作用，C的電荷就要重新分布，這樣A電荷處的合場強不就不為零了麼？A應該受力才對啊，為什麼答案認為A球不受B電荷的影響呢？」

這是一位老師在QQ教師交流群中提出的疑惑，到現在都沒有老師給予回答（沒有瀏覽到新消息）。由於時間關係，我也無法立即回答，於是下載了題目和複製粘貼了老師疑惑，留待較多充裕時間時再交流探討。

分析這位老師的困惑，最核心的疑惑正是「正電荷A是否會影響C的電荷分布？」

（1）如果否定回答「不會」，那麼回答之後都要忐忑，後背發涼，沒有底氣，事實上如此否定回答是不符合科學事實的。

（2）如果肯定回答「會」，那麼後續的一系列疑惑怎麼能化解？！

一個是否問題，既不能否定回答，又不能肯定回答，那麼應該怎樣回答呢？

對於一個既不能肯定回答又不能否定回答的是否問題，最重要的是不能急於回答，而是要分析問題本身，即為什麼會提出這樣的是否問題？

認真研究起來，提出如上問題，是源於對靜電平衡的理解較為膚淺，未能深入到微觀機制上去透徹理解。

一般地，教材是這樣分析靜電平衡現象的，即一個導體至於外電場中，導體內的自由電荷定向移動，直到不能再移動後的最終狀態稱之為靜電平衡狀態。處於靜電平衡狀態的導體，其內部的合場強等於零（推論），否則導體內的電荷還需要進一步發生定向移動，即導體還沒有達到靜電平衡狀態。

這樣分析自然沒有錯誤，而且也進入到了微觀領域進行分析，但是對導體並沒有構建清晰的微觀結構模型，更沒有立足於更全面的特徵上去綜合把握。

為了解釋靜電平衡現象，特別是更具體的靜電屏蔽現象，應該建構導體的微觀結構模型如下：

（1）導體內部存在自由移動的電荷（帶電微觀粒子，即電子）；

（2）這些電荷不喜歡群居，能分散多遠它們就要分散多遠（同種電荷相互排斥）；

（3）這些自由電荷時刻處在熱運動（無規則運動）之中，一旦出現定向移動，是建立在熱運動的基礎上的定向運動，即定向運動是瞬間完成的。這一點理解起來特別困難，可以用不恰當地比喻來理解：在操場上玩耍的男女同學均勻分布在操場上無規則奔跑中，突然命令響起，需要部分男女同學分別在操場兩端聚集列隊，那麼操場一端的男同學立即列隊，另一端女同學也立即列隊，其他同學在熱運動中立即趨於「中和」狀態，這就瞬間完成了定向運動達到靜電平衡狀態。

（4）聚集的電荷並不聽話，一直在「打架」狀態之中，因此聚焦的電荷和熱運動中自由電荷不停地交換角色，處於動態平衡之中，是一種不確定的、無規則的、瞬間變化中的一種平衡狀態。

下面基於上面所構建的物理模型解釋幾個現象：

（1）電荷分布於導體表面。

這裡所謂的電荷是指靜餘電荷（教師有必要解釋靜餘電荷概念）。這些靜餘電荷自然是同種電荷，相互排斥最終結果就是分布於導體表面。

（2）電荷極容易分布在導體尖刺之處。

這一條僅僅用相互排斥無法解釋，就要建立在所建構物理模型的後兩條特徵上。在尖刺處，熱運動中自由電荷進入尖刺中，由於受到其它地方的靜餘電荷的作用不容易出來，就變成該尖刺處的靜餘電荷，相反，在凹窪處靜餘電荷相互排斥，以至於極容易變成熱運動中自由電荷。如此微觀機理作用，導致電荷極容易分布在導體尖端。尖端放電就是例證。

（3）靜電屏蔽——空腔導體內部場強為零嗎？

在空腔導體內部有自由移動的電荷，如果它是靜餘電荷且有導通通道，那麼它就要跑到導體外部之外表面上，最終空腔內部場強為零；如果內部電荷為不能移動電荷，那麼它就要對空腔導體的自由電荷「發號司令」，最終這些電荷按號「排兵布陣」，在內部不可移動電荷的「威嚴」下保護電荷安然入睡，不受外力幹擾。注意，此時空腔導體內部場強不為零，「場強」就是內部不可移動電荷的「威嚴」表徵。如果空腔導體外部來了「外敵」（電荷），那麼空腔導體自由電荷就要重新派兵布陣，最終確保內部電荷不受外力幹擾。

多麼神奇啊！空腔導體內的自由電荷似乎有智慧，能夠區分內外，能夠辯識「主人」和「敵人」。事實上，這是所構建物理模型四個方面綜合的結果。真正關注本號的朋友，你儘可能發揮想像與推理，一定能所有頓悟。

至此，應該回答完了所有問題，題目也就得到根本性解釋。

另外，如果空腔導體接地，那麼「內外」要發生轉換，正確答案神奇地變為了C，有興趣地朋友可以自主分析了。