如何解决静电平衡问题_静电平衡论文

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在高二物理《电场》一章中,对“电场中的导体”这部分内容,许多学生反映,即使把处于静电平衡状态导体的特点及电场线、等势面的物理意义记得很清楚,但在处理具体问题时,往往仍感到无从下手。用“远近”及“内外”的观点来处理这类问题,不仅易于掌握,而且简单快捷。

对于处于静电平衡的导体大致有两种:

1.放入电场中的导体,在外电场的作用下处于静电平衡状态,此时沿电场方向导体的最近和最远的两端将感应出等量的异种电荷,感应电场方向与外电场方向相反,而导体的中间部分因感应电荷极少,可认为无感应电荷产生,对于这种情况要分清“远近”,只有最近、最远端才有感应电荷的存在。如图1示为放入点电荷电场中的导体和放入匀强电场中的导体。

附图

图1

2.孤立的带电体处于自己的所带电荷作用下处于静电平衡状态,由于净电荷的排斥作用,只能分布在导体的外表面,内部没有净电荷,所以一个带电体与原来彼此绝缘的导体接触或用导线连接时,就可把它们看作是一个大导体,这个大导体的“内外”要分清,只有外部分布净电荷,内部没有净电荷。如图2为一个孤立的带电体,净电荷分布在外部,当用一个导线和小球相连,此时相连的各个部分就是一个大的带电体,虚线部分就是外部,才有净电荷的存在。

附图

图2

例1 如图3,不带电的导体B在靠近带正电的导体A后,P端及Q端分别感应出负电荷和正电荷。此时若用导线将Q端接地,然后断开,再取走A,则导体B将带何电荷?

附图

图3

分析与解释 导体B放入带电体A的电场,静电平衡后,沿电场方向最近端P、最远端Q才有等量的异种感应电荷。若用导线将Q接地后,导体B与地球构成一个大导体,其距A最近的为P端,仍带感应负电荷;其距A最远处,不再是Q端,而是地球的另一端,将感应出正电荷;而Q端成为大导体的中间部分将不会有感应电荷。所以,接地线断开后,导体B将带负电荷,地球带正电。

另外,此题中B导体哪点接地P均为最近,地球另一端为最远,所以结论不会改变。

例2 如图4,A为空心金属球,B为金属球,将另一个带正电的小球C从A球开口处放入A球中央,不接触A球。然后用手接触一下A,再用手接触一下B,再移走C球,则分析A、B的带电情况。

附图

图4

分析与解释 A为放入C形成的电场中的导体,最近端为内表面带负电荷,A的外表面为离C最远端带正电,用手接触A后,A、人、地球构成一个大导体放入C形成的电场中,而处于静电平衡,最近端没有改变还是A的内表面,而最远端为地球的另一端,A的外表面没有电荷,即B周围没有电场,接触后也不会带电的。当移走C后,A变成了孤立的带电体,净负电荷从新分布,分布在外表面。

附图

图5

例3 如图5,空腔导体A不带电,金属球B置于A内,并通过导线和开关连接。S断开时,B带负电。若将B与A的内壁接触,则接触后B的带电情况如何?此后若把B恢复原位置再将开关S闭合,B的带电情况又如何?

分析与解释 B与A接触构成一个整体,而孤立带电导体处于静电平衡状态时,其内部不会有净电荷,故B的负电荷将全部移到A的外表面。B复位后再将开关S闭合,则B通过导线与地球构成一个大导体,且该大导体处于A电荷所产生的电场中。达到静电平衡时离4的远端处,即地球的另一端将感应负电荷,离A较近处,即B将感应正电荷,故最后B带上正电荷。

例4 如图6,一个带正电的绝缘导体A球壳,顶部开一个小孔,有两个带正电的小球B和C。将B与球壳内表面接触一下后提到球壳中心,C离A球壳很远,此时B,C是否带电?然后将C接地,再分析B,C的带电情况。

附图

图6

分析与解释 A为孤立的带电体净电荷分布在外表面,当B接触A内壁后,A,B,C成为一个大的孤立的带电体导体,B为内部没有净电荷,球壳外部和C球为大孤立带电体的外部有净电荷的分布。所以B不带电,C带正电。当C球接地后,B、C、地球又构成了一个大导体放入A这个导体所形成的电场中,B球离A最近带负电,地球最远,带正电。

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