针对那种在日常生活里,会经常碰到的静电平衡以及静电屏蔽方面的问题高中物理电场平衡试题,好多同学都觉得特别困惑,而在这篇文章之中,是打算运用最为简单的办法来进行理解,从而能够达成浅显易懂这样一种目的。
基本依据:
①库仑力
电荷之间的作用力是“同性相斥,异性相吸”
结论:“近异远同,吸到最近,斥到最远”
②势能最低原理
自由电荷于静电力作用之时就总是朝着电势能低的方向而开展定向移动,此情形犹如人会朝着高处前行,而水会朝着低处流淌一般。
正电荷往低电势方向,负电荷往高电势方向。
一:静电感应
①不接地

金属导体内存在着自由电子,在C的吸引作用之下,电子会向A端进行聚集 ,电子会从B端离开 ,B端呈现出带有正电的状态 ,A端呈现出带有负电的状态 ,存在近异远同的现象 ,(物体就会)被吸引到距离最近之处 ,有排斥作用(时物体就会)处于距离最远的地方 。
【问题】如取地球为零电势,则这个导体的电势为正还是负?
若使用导线把导线跟地球连接起来,那么导线上的正电荷(等效的那种电荷)将会朝着地球移动过去,既然如此,导体的电势要比地球的电势高,所以导体在接地之前其电势表现为正值 。
②接地
如果B端接地,如图所示,

假如B端与大地相连,如此一来那最远端便成了大地,根据这般“近异远同,吸到最近处,斥到最远处”的情况,电子会被吸入到最近端,可到了这儿就没路可去了,除非存在很强的电场,于此种状况下电子将会被吸引从而离开导体表面,另一方面电子又会被排斥流向最远端——也就是大地,并非是停留在B端,因为在B端电子还是有路径可以继续移动的,所以基于这么个情况A端会带上负电,B端不会带点,大地会带上正电(大地就犹如一个超大的电容器,对其自身而言不会产生影响),遵循近异远同的原则,电子被吸引至最近处,又被排斥到最远处。
若导体接地之后,在静电平衡的状况下,它的A端依旧带有负电荷,那么在这个时候,导体的电势究竟会有多高呢?
此时导体与地球等电势,为零。
若导体跟地球处于等电势状态了后,在其他条件都维持固定不变的情形之下,将地线去除掉,导体的电势会呈现怎样的状况呢?
去掉地线,自由电荷没有移动,电势不变仍为零。
例题:如图所示,

原本不带电的金属球壳,其内壁进行接地处理,接着将一个带有正电的小球放到里面,不过小球与球壳始终不接触,并由此产生了特定现象,这种现象导致了(ACD)。
A.球壳内壁带负电
B.球壳外壁带正电
C.球壳外壁不带电
D.若将接地线去掉再移去正电荷,球壳外壁带负电
进行了接地操作,其最远端位置处于大地之中,存在着将其吸引至最近处,排斥至最远处的情况,并且其内壁携带负电,而外壁没有带电 。
要是把接地线给去掉,然后再移走正电荷,由于没了外加强制力,球壳上的负电荷就会相互排斥,最终斥到最远的外壁上去 。
例题:如图所示,

面积具备足够大特征的、板间距离成为d的两平行金属板呈竖直状态放置,它们与直流电压是U的电源予以连接,板间放置了一个半径为R(2R<d)的绝缘金属球壳,C、D是处于球壳水平直径上的两点,那么接下来要说的是以下这些说法当中正确的是(BD)。
A.由于静电感应,球壳上C、D两点电势差为U=RU/d
B.由于静电感应,球壳中心O点场强为零
C.用手摸一下球壳,再拿去平行金属板,球壳带正电
D.用手摸一下球壳,再拿去平行金属板,球壳带负电
用手摸一下,就是接地。
二:静电平衡


感应电场E′跟外电场E₀之和的场强是零,净电荷也就是正负电荷相互抵消后剩余的电荷,仅仅分布在导体表面,导体内部不存在净电荷堆积,要是存在,净电荷附近场强便不为零,自由电荷会持续发生定向移动,那就不再是静电平衡状态了。
静电平衡时特点:
1.导体内部场强为零
2.净电荷只分布在导体外表面,空心导体和实心导体是一样的
3.导体外表面的场强(电场线)垂直导体表面
4.导体是一个等势体,表面是等势面
5.在导体表面移动电荷,静电力不做功
6.导体表面越尖锐的位置电荷密度越大,凹陷的地方几乎没有
为什么导体是个等势体?
一旦导体各个地方的电势并非都一样,那么自由电荷就会朝着电势能变少的方向行进,一直到达各个处的电势相同,这是势能最低的原理,就如同水朝着地势低的地方流淌一样。
电荷分布为什么在尖端部分较密集从而产生尖端放电?
作定性解释:静电平衡状态之下的导体表面属于一个等势面,该等势面与导体形状是相同的,如图所示。

由于在无穷远之处,任何带电体能够被视作点电荷,之时等势面是球面,故而越朝着远处,带电体等势面越发朝着球面的形态发展,凹陷区域的等差等势面之间的距离更为大些之处,尖端部分就会出现等差等势面密集的状况,此地场强相对较大,集中的电荷数量较多,而凹陷部分几乎不存在电荷。位于尖端部分的场强较大,易于将周边的空气予以电离,进而进行放电并且致使空气形成流动情况生成所谓的离子风。
我们不妨这么简单领会,那前端的部分是距离比较远的,在处于带电状态的物体内,相同种类的电荷会彼此排斥,而且是排斥到了最为远大的距离。
例题:如图所示,

正点电荷 Q 放置在金属平板的中垂线上之时,针对金属平板边缘的a点、b点、c点,就三点场强方向进行比较,说法正确的是(A) 。
A.三点场强方向都相同
B.三点场强方向不相同
C.三点中有两点场强相同
D.只有b点场强与表面垂直

把一个没有带电的金属导体放置在持续发生变化的电场里面,那么(ABC)。
A.导体中将不断存在电流
B.导体将发热
C.导体不可能处于静电平衡
D.导体内部的场强将时刻为零
例题:如图1所示,

有一带负电的点电荷Q,在其旁边放置了一大金属板,要定性画出金属板上的感应电荷在距金属板很近的一点P处产生电场强度的方向,这里P点与金属板之间的距离不能忽略不记,还要简要叙述作图的步骤以及理由。
答案:首先,画出P点的合场强,其方向是垂直于板面向右;接着,画出点电荷Q在P点所产生的场强,该场强沿PQ连线指向Q;最后,依据平行四边形定则来确定金属板上的感应电荷在P点产生的场强方向,此场强方向如图2所示。
例题:如图所示,

位于顶部开孔的一带正电的金属球壳A,存在用以连接有着共同电荷属性的两个带正电的金属小球B、C的导线,使B球放置于球壳的空腔里同A的内表面接触之后,又被提到如同所展示的位置,C球放置在A壳外部距离A较远处,等待到达静电平衡过后,以下有着正确表述的是()。
A.B、C球都不带电
B.B球不带电,C球带正电
C.让C球接地后,B球带负电
D.让C球接地后,A球壳空腔中场强为零
对于静电平衡的解析,当处于静电平衡状态时,电荷是分布在导体的外表面的,于是让 B 球放置于球壳 A 的空腔内部并与内表面接触之后,B 上面所带的电荷都跑到 A 壳的外面去了,其原理是电荷只要有路径就会相互排斥到最远的位置,此后 B 球就不再带电了,并且球壳内部不存在电场,而 C 球仍然是带电的。小球C接地之后,小球C上面的电荷悉数跑到地球远端那儿去了,与此同时,小球C之上还感应出了负电荷,在正电荷A吸引的状况下,负电荷被吸引到B上去了,于是在A的内表面感应出了等量的正电荷,以此保证球壳A的金属内部(薄片内)不存在电场,球壳的空腔之内依旧是存在电场的,由于这个时候B带电了,所以BC是正确的,AD是错误的。
例题:如图所示,


存在两个、带等量异种电荷的、绝缘导体球,在它们之间,有两个、相同的、导体ab与cd,对称地放置着,那么:
(1)将a、b用导线连接起来的时候,导线之中是不是有电流通过呢?要是有的话,方向会是怎样的呢?
(2)当使用导线把a和c连接起来之时,导线当中是否存在电流通过呢?要是有的话,电流的方向又是怎样的呢?
【解析】
把导体ab放到电场里,整个导体就成了等势体,所以连接ab的时候,导线两端不存在电势差,因而导线当中没有电流通过 。
某一时刻,导体ab、cd处于那个电场之中,这使得导体棒a、c端的电势呈现出相等的状态,而另外一方面,导体棒c、d端的电势同样是相等情形。鉴于沿着电场线所指的方向,电势会跟着降低,那么在导线把两金属棒接通的那一瞬间,电子出现了移动,其移动方向是从c到a,然而电流的方向与电子定向移动的方向是相反的,电流的方向是从a到c。
三:静电屏蔽
1.外屏蔽
不管导体外部呈现何种电场模样,也不管其如何发生变化,导体内部都绝不出现电场,这便是处于屏蔽状态 。

外电场对壳内(网内)仪器不产生影响。

2.内屏蔽

如下所示,在图(a)的情形下物业经理人,导体空腔内部所携有的电荷,会致使导体的外表面出现感应电荷,而且进一步地向外激发出电场 。
如图(b)所示,把导体与大地接通,导体外部的感应电荷全部朝着大地流动过去,电场线在空腔的内表面处停止延伸了。空腔内部的电荷以及电荷发生的变化,没办法针对外部的空间产生静电作用了,这便是内屏蔽了高中物理电场平衡试题,内部电场跟外部电场彼此之间不会产生影响, 。
内屏蔽必须接地。
例题:在如图所示的实验中,验电器的金属箔片会张开的是(B)

于开口状态的绝缘金属壳A的内部,存在着一个带正电的小球Q,球壳的外部,有用绝缘线吊起的一个带负电的小球B,情况于图中得以呈现,。

在这三种情况里头,B球受到A的作用力不?要是受到A的作用,到底是吸引力这一类,还是排斥力这一类呢?
(1)Q不跟A接触,如图甲所示。
(2)Q跟A接触,如图乙所示。
(3)Q不跟A接触,但A接地,如图丙所示。
【解析】
如图甲示意,Q 与 A 未关联接触情形,A 的内表面感应出负荷电荷,其外周表面感应出相等正电荷数量,因如此致使 B 受到一种引力作用进而朝右方出现偏移 。
(2)如图乙所示,Q与A接触之后,形成了一个全新的等势体,A的外表面呈现出带正电的状态,对B产生了引力,致使B向右偏移 。
(3)如图丙所示,Q并不跟其接触,然而A接地,此时A与大地共同构成一个等势体,A的外部场强是零,B没有受到电场力作用。
例题:如图所示,

这是,一块宽大的,接地金属板的截面,在板的右侧面附近点,P点处,有一个,固定的,带正电的,点电荷,(电荷量)为,+q,当金属板,处于静电平衡状态,的时候,那么,就有,(ABC)。
A.板的右侧面上分布有负的感应电荷,而左侧面上没有感应电荷
B.感应电荷在金属板内部任何一点的电场强度矢量都指向P点
C.感应电荷在金属板内部离P点最近的一点产生的电场强度最大
D.接地线断开后,板上各点电势将升高
接地线断开后,自由电荷没有移动,电势不变仍然为零。
