電學知識:靜電平衡和屏蔽

2020-12-13 高中物理知識

1.靜電感應現象

如圖所示,將一不帶電的金屬導體ABCD放到場強為E0的電場中,導體內的自由電子在電場力的作用下,逆著電場線方向定向移動,使導體的一側聚集負電荷,而導體另一側卻聚集等量的正電荷,這種現象就是靜電感應現象.

這時,正負電荷之間就會產生一個內部的電場E',這個電場恰好與外界的電場E0平衡。

2.靜電平衡狀態

導體內不再有電荷定向移動的穩定狀態

3.靜電平衡的特點:

(1).處於靜電平衡狀態的導體,內部場強處處為零。

感應電荷在導體內任何位置產生的電場都等於外電場在該處場強大小相等,方向相反。

(2).處於靜電平衡狀態的整個導體是個等勢體,導體表面是個等勢面

(3).電荷只分布在導體的外表面,與導體表面的彎曲程度有關,越彎曲,電荷分布越多。

(4).導體的表面某點,其外部的場強方向必跟該點的表面垂直。

(此時,導體內部或內表面是沒有淨電荷的。)

注意:

(1)不要認為達到靜電平衡需要很長時間,其實金屬導體建立靜電平衡狀態的時間只有幾微秒,相當快.

(2)達到靜電平衡後,自由電子沒有定向移動而不是說導體內部的電荷不動,內部的電子仍在做無規則的運動.

(3)靜電感應與感應起電的區別和聯繫,感應起電是運用靜電感應現象使物體起電的一種方法,而靜電感應則是電場中導體兩端暫時出現等量相反電荷的現象.

4.導體上的電荷分布

1).淨電荷都分布在導體的表面,導體內部沒有淨電荷.

2).感應電荷分布於導體兩端,電性相反,電量相等,遠同近異。

電場線是這樣分布的↓

淨電荷在導體表面分布不均勻,導體表面尖銳處電荷分布密集,平滑處電荷分布稀疏,凹陷處幾乎沒有電荷

注意:

(1)一個孤立的帶電體,在自身所帶電荷的電場中,處於靜電平衡狀態,具有靜電平衡的所有特點.人與大地都是導體,在人摸(觸)導體的過程中,帶電體、人、大地組成一個新導體,地球往往是新導體的遠端.

(2)淨電荷是指導體內未被中和抵消的剩餘電荷,感應電荷是指由於靜電感應而使導體兩端出現的等量異種電荷.

5.靜電屏蔽

現象:如圖所示,先使A帶電,然後移近驗電器B,由於靜電感應,B的金屬箔片張開;若把B置於金屬網罩中,發現B的金屬箔片並不張開.

定義:

具有空腔的金屬導體在靜電平衡狀態下,不僅導體內部場強為零,腔內場強也為零,因而置於腔內的物體不受外界電場的影響,這種作用叫靜電屏蔽

靜電屏蔽的兩種典型的類型:

(1)外屏蔽:如圖所示,若空腔導體內有帶電體,在靜電平衡時,它的內表面將產生等量異號的感應電荷.如果外殼不接地,則外表面會產生與內部帶電體等量而同號的感應電荷,此時感應電荷的電場將對外界產生影響,這時空腔導體只能對外電場屏蔽,卻不能屏蔽內部帶電體對外界的影響,所以叫外屏蔽.

(2)全屏蔽:如圖所示,如果外殼接地,即使內部有帶電體存在,這時內表面感應的電荷與帶電體所帶的電荷的代數和為零,而外表面產生的感應電荷通過接地線流入大地.外界對殼內無法影響,內部帶電體對外界的影響也隨之而消除,所以這種屏蔽叫做全屏蔽.

靜電屏蔽的應用

為了防止外界信號的幹擾,靜電屏蔽被廣泛地應用於科學技術工作中.許多電子儀器外面都套著金屬罩;通訊電纜外面包著一層鉛皮;高壓帶電作業人員穿金屬網衣;又如電話線從高壓線下經過,為了防止高壓線對電話線的影響,在高壓線與電話線之間裝一金屬網等,這些都是用來防止外界電場幹擾的屏蔽措施.

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靜電屏蔽的防止

靜電屏蔽也可帶來不利的影響.如通訊工具在鋼筋結構建築中接收信號較弱;宇宙飛船返回地球大氣層時,與大氣層的高速摩擦,在飛船周圍形成一層等離子體,對飛船產生靜電屏蔽作用,導致飛船和地面控制中心的通信聯絡暫時中斷.

高樓大廈基本都是鋼筋水泥結構,形成一個「金屬網罩」,會屏蔽房子外邊的信號,所以高樓密集的小區裡往往手機信號比較差,需要在小區樓頂建設信號發射塔。

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