静电屏蔽1

静电屏蔽1 1．说出静电感应产生的原因． 2．说出什么是静电平衡状态． 3．理解导体处于静电平衡时，导体上的电荷分布特点． 4．利用静电平衡的特点解决有关问题． 5．理解静电屏蔽现象及其应用． 1 我们知道，物质是由分子组成的，分子又是由原子构成的，原子是由一个极小的原子核 和周围绕它运转的电子构成的，原子核带正电，电子带负电，由于原子核的正电荷数和核外 所有电子数相等，原子中正电荷量跟负电荷量相等，所以原子呈电中性． 金属原子中的最外层电子受到原子核的吸引力十分微弱，在一块金属中，某原子的最外 层电子在其余原子的作用下很容易脱离原来的原子而在整块中“游荡”，成为自由电子，剩 余的部分叫金属阳离子，这种情况在金属中普遍存在，所以，在一块金属导体中有大量的自 由电子和金属阳离子，自由电子在整块金属中做无规则的热运动，金属离子只能在自身的平 衡位置附近做无规则振动，整块金属呈电中性．如图13-4-1所示．表示金属离子，?表示电子． 2 (1)现象解释：将呈电中性状态的金属导体放入场强为 E的静电场中，导体内自由电子0便受到与场强EE方向相反的电场力作用，除了做无规则热运动，自由电子还要向电场的00 反方向做定向移动(图13-4-2甲所示)，并在导体的一个侧面集结，使该侧面出现负电荷，而 相对的另一侧出现“过剩”的等量的正电荷(图13-4-2乙)．在电场中的导体沿着电场强度方 向两端出现等量异种电荷的这种现象叫静电感应(见图13-4-2丙)． 例如：当不带电导体靠近带电体时，两端分别出现等量异号电荷，“近端”出现与带电 体(Q)异号的感应电荷，“远端”出现与带电体同号的感应电荷，如图13-4-3所示．导体两端出现的感应电荷只分布在导体的外表面上． (2)导体静电平衡条件：． E,0内 由于静电感应，在导体两侧出现等量异种电荷，在导体内部形成与场强E反向0 的场强E′，在导体内任一点的场强可表示为： ． E,E，E'0内 因附加电场E′与外电场E方向相反，叠加的结果削弱了导体内部的电场，随着导体0 两侧感应电荷继续增加，附加电场E′增强，合场强将逐渐减小，当时，自由电E,0E内内子的定向运动也就停止了．(图13-4-2丙) ?导体静电平衡后内部场强处处为零，是指电场强度E与导体两端感应电荷产0生的场强E′的合场强为零． ?金属导体建立静电平衡状态的时间是短暂的． ?静电平衡时，电荷在导体表面的分布往往是不均匀的，越是尖突的地方，电荷分布的 密度越大，外部附近的场强也越强． (3)静电平衡状态的导体的特征： ?导体表面任一点的场强方向跟该点的表面垂直． (反证法)假如表面的场强方向与该点的表面不垂直，则一定有沿切线方向的场强 分量，则在导体表面的自由电荷将受到电场力作用而发生定向移动，这与静电平衡相矛盾， 所以处于静电平衡状态的导体表面的场强方向与该点的表面垂直． ?电荷只能分布在导体的外表面上． (仍用反证法)如果还有净电荷分布在导体的内部，则在该净电荷附近就会产生场 强，这与导体静电平衡时内部场强为零不符． ?这里所说的电荷可以是静电感应所产生的电荷，也可以是一个孤立的带电体所 带的电荷． ?这里的表面为外表面，但内和外是相对的，如图13-4-4所示，当源电荷放在空心球 体外面时，感应的电荷只能分布在外侧，空心的内侧就不会感应出电荷，如图(甲)所示；当场源电荷放入空心球体的内部时，则感应电荷在两个表面(都为外表面)都有分布，如图(乙)所示． 3 由于静电感应，可使金属网罩或金属壳内的场强为零，遮挡住了外界电场对它们的影响， 这种现象叫静电屏蔽． 例如收音机放到铁桶中去，收音机就接收不到外来的电信号，收音机就不能工作了． 通信电缆外面包一层铅皮，用来防止外界电场的干扰． 金属包皮或网罩只能屏蔽外来电场，但不能挡住内部电荷向外激发的电场． 1 (1998?北京西城模拟)长为l的导体棒原来不带电，现将一带电量为＋q的点电荷放在距棒左端R处，如图13-4-5所示．当棒达到静电平衡后，棒上感应电荷在棒内中点处 产生的场强大小等于________，方向为________． 导体棒在点电荷＋q的电场中发生静电感应，左端出现负电荷，右端出现正电荷， 棒中任何一点都有两个电场，即外电场——＋q在该点形成的电场 E，附加电场——棒上0 感应电荷在该点形成的电场E′，达到静电平衡时E',E． 0 题中所求的即为E′，于是我们通过上述等式转化为求E． 0 棒的中点距离＋q为r＝R＋l/2，于是 kqE',E, 02l,,R，,,2,, E′和E方向相反，方向向左． 0 同理，我们还能求棒中其他点的附加电场的场强． Q感应电荷电量是面分布，且电量值未知，所以不能直接由来求，只能利E,k2r用静电平衡的性质来求． 2 (1998?全国高考)一金属球，原来不带电，现沿球的直径的延长线放置一均匀带 电的细杆MN，如图13-4-6所示，金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的场强大小分别为E、E、E，三者相比，则( )． abc A．E最大 B．E最大 ab C．EE,E,E最大 D． cabc 处于静电平衡的导体内部场强处处为零，故a、b、c三点的场强都为零．静电平衡的导体内部场强为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果，所以感应电荷在球内某 点产生的电场的场强与MN在这一点形成的电场的场强等大反向．比较a、b、c三点感应电场的场强，实质上是比较带电体MN在这三点的场强．由于c点离MN最近，故MN在c点的场强最大，感应电荷在c点场强也最大． C． 本题在高考中，考生错选D者达半数以上，这些考生不理解静电平衡的导体内 部的电场强度为零，空间中所有电荷在导体内任一点产生的电场强度的矢量和为零．本题要 求考生对静电平衡、电场强度的叠加等规则有较深入的理解，并能结合实际问题进行合乎逻 辑的分析和推理． 3 (2002?广东模拟)如图13-4-7所示，一个不带电的绝缘导体P正在向带负电的小球Q缓慢靠近(不接触，且未发生放电现象)，则下列说法中正确的是( )． A．B端的感应电荷越来越多 B．导体内场强越来越大 C．导体上的感应电荷在C点产生的场强始终大于在D点产生的场强 D．感应电荷在C、D两点产生的场强相等 导体P向负电荷Q靠近的过程中，导体所在处的外加电场的场强增大，导体内 的自由电荷将定向移动，使两端的电荷增加，所以选项A正确． 导体P向带电小球Q缓慢靠近的过程，可看作每个瞬间导体均处于新的静电平衡状态， 尽管外电场增强，导体两端电荷也相应增加，附加电场相应增强，合场强始终为零，所以选 项B是错误的． 由于导体处于静电平衡状态，感应电荷产生的场强与场源电荷产生的场强大小相等，方 向相反，合场强为零．由于C点离电荷Q近，D点离电荷Q远，根据点电荷电场场强分布 1规律可知，负电荷Q在C处的场强要大于在D处的场强．因此，感应电荷的电场在E,2r C、D两处的场强也具有同样的大小关系，即C处的场强更大． A、C． 审题时要特别注意某些关键词语，如“缓慢靠近”就是指每个时刻导体都处于静 电平衡状态． 4 (2001?黄冈测试)如图13-4-8所示，在孤立点电荷＋Q的电场中，金属圆盘A处于静电平衡状态．若金属圆盘平面与点电荷在同一平面内，试在圆盘内做出由盘上感应电荷 形成的附加电场的三条电场线(用实线表示，要求严格作图)． 画出感应电荷形成的附加电场在A圆盘内的三条电场线(实线)，如图13-4-9所示．导体A处于静电平衡状态，因此内部每点的合场强都为零，即导体A内的每一点，感应电荷产生的电场强度都与点电荷Q在那点的电场强度大小相等、方向相反，即感应电荷 的电场线与点电荷Q的电场线重合，且方向相反． ?在处于静电平衡状态导体的内部，要分析清楚感应电荷产生的电场、施感电荷 产生的电场(外电场)，以及叠加后的合场强． ?本小题考查了静电感应、静电平衡状态的特点，电场强度的叠加等知识点． ?图13-4-9中的虚线是为了确定A内的实线而画出的，它并不表示A外部的电场线． 1．导体处于静电平衡状态时， 的原因是感应电荷的电场与外加电场大小相等、E,0内 方向相反． 2．导体只能屏蔽外来电场． 3．仪器辨析：实验中有两个不同的验电器，如图13-4-10所示，它们的共同特点是都能检验验电器是否带电，但图中带有“法拉第圆筒”的验电器B还能说明电荷只能分布在圆筒的外壁上，圆筒的内壁无电荷分布． 1．一个带电金属球，当它带的电量增加后(稳定)，其内部场强( )． A．一定增强 B．一定减弱 C．可能增强也可能减弱 D．不变 2．一个不带电的空心金属球，在它的球心处放一个正电荷，其电场分布是图13-4-11中的( )． 3．(2002?青岛检测)如图13-4-12所示，在真空中有两个点电荷A和B，电量分别为－Q和＋2Q，它们相距l，如果在两点电荷连线的中点O有一个半径为r(2r