7静电现象的应用
1.静电感应现象:把导体放入电场中,导体内部的自由电荷在_______作用下定向移动,而使导体两端出现__________电荷的现象。电场力等量异种
2.静电平衡:(1)定义:导体中(包括表面上)没有电荷_________的状态。(2)特点。①导体内部场强处处为___。②导体是个_______,表面是个_______。定向移动零等势体等势面
③导体表面上任一点的电场线方向跟该点的表面______。④导体内部_____电荷,电荷分布在导体的_______。且在导体表面,越尖锐的位置,电荷的密度_____,凹陷的位置几乎_________。垂直没有外表面越大没有电荷
3.尖端放电:(1)尖端放电:空气被电离后,那些所带电荷与导体尖端的电荷电性相反的粒子,由于被吸引而奔向尖端,与尖端上的电荷_____,相当于导体从尖端_________的现象。中和失去电荷
(2)应用和防止。①应用:避雷针是利用_________避免雷击的一种设施。②防止:高压设备中导体的表面_________会减少电能的损失。尖端放电尽量光滑
4.静电屏蔽:(1)定义:当金属外壳达到静电平衡时,内部_____电场,因而金属的外壳会对其_____起保护作用,使其_____不受外部电场影响的现象。没有内部内部
(2)应用:电学仪器外面有_______,野外高压线上方还有_________与大地相连,都是利用静电屏蔽消除外电场的影响。金属壳两条导线
主题一 静电平衡下的导体【问题探究】如图所示,将一不带电的金属导体ABCD放到场强为E0的匀强电场中。
(1)导体ABCD内部自由电子怎样移动?电子的移动最终会出现怎样的结果?
提示:①将呈电中性状态的金属导体放入场强为E0的静电场中,导体内自由电子便受到与场强E0方向相反的电场力作用,如图甲所示。②自由电子要向电场E0的反方向做定向移动,并在导体的一个侧面聚集,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,导体沿着电场强度方向两端出现等量异种电荷,如
图乙所示。③等量异种电荷在导体内部形成与场强E0反向的场强E′,在导体内任一点的场强可表示为E内=E0+E′,因附加电场E′总与外电场E0方向相反,叠加的结果削弱了导体内部的电场,随着导体两侧感应电荷的继续增加,附加电场E′增强,合场强E内将逐渐减小,当E内=0时,自由电子的定向移动也就停止了,这时就达到了静电平衡状态,如图丙所示。
(2)在问题(1)中导体上感应电荷在导体内某点产生的场强多大?提示:由于导体内场强为零,即感应电荷产生的电场与原电场的合场强为零,E=E0。
(3)处于静电平衡状态的导体,其外部表面附近任何一点的场强方向与这点的表面有什么关系?
提示:垂直。假如导体表面的电场强度方向与该点的表面不垂直,则沿表面有电场强度的切向分量,在导体表面的自由电荷将受到库仑力的作用而发生定向移动,这与静电平衡相矛盾,故外部表面附近任何一点的场强方向与这点的表面相垂直。
(4)处于静电平衡状态的导体,其电势情况是怎样的?提示:处于静电平衡状态的导体,内部场强处处为零,表面电场强度垂直于导体表面。因此,当在导体内部移动电荷时,就不受库仑力作用,没有库仑力做功,根据W=qU得U=0,即导体内任意两点间的电势差为零,即等电势。所以电场中的导体是一等势体,导体的表面是一等势面。
【探究总结】静电平衡在静电感应现象中,电荷停止移动时,称为静电平衡。分为以下两种情况:
(1)处于电场中的导体:①在导体内部任意一点处,原电场与导体上感应电荷建立的电场等大、共线、反向。
②一个处于外电场中的不带电导体,导体的自由电子分布如图所示在导体表面,导体内部场强为零,表面处的电场与表面垂直。
(2)孤立的带电导体:①净电荷分布在导体表面,导体内部(含空腔)没有净电荷。导体内部场强为零。②导体表面处电场和表面垂直,整个导体是一个等势体。导体尖端处电荷密度最大,场强最大,易出现尖端放电现象。
【典例示范】长为l的导体棒原来不带电,现将一带电荷量为+q的点电荷放在距棒左端R处,如图所示。当棒达到静电平衡后,下列关于棒上的感应电荷在棒内中点处产生的场强大小和方向判断正确的是()
A.,向左B.,向右C.,向左D.,向右
【解题指南】解答本题应把握以下两点:(1)本题中感应电荷是面分布,不是点电荷,且电荷量未知,不能直接用E=求解。(2)静电平衡状态下导体内部场强处处为零,即感应电荷产生的场强与外电场的场强等大反向。
【解析】选C。导体棒在点电荷+q的电场中发生静电感应,左端表面出现负电荷,右端表面出现正电荷。棒内任何一点都有两个电场,即外电场:+q在该点形成的电场E0;附加电场:棒上感应电荷在该点形成的电场E′。达到静电平衡时棒内场强为零,即E′=E0。题中所求的即为E′,于是我们通过上述等式转化为求E0。棒中点
距离+q为r=R+,于是E′=E0=,E′和E0方向相反,方向向左,C正确。
【规律方法】静电平衡导体电荷分布的分析方法(1)“远近观”法:处于静电平衡状态的导体,离场源电荷较近和较远的两端感应出等量的异种电荷,而导体的中间部分因感应电荷较少,可认为无感应电荷产生,如图甲所示。
(2)“整体观”法:①当两个或多个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,再用“远近观”判断它们的带电情况,如有些问题所提到的“用手触摸某导体”其实就是导体通过人体与大地构成一个大导体。
②不要认为导体内部没有电荷,用导线连接带电体内部时,小球Q就不带电。其实连接后就已成为一个整体,故小球通过导线得到了电荷,如图乙所示。
【探究训练】(多选)电力工作人员在几百万伏的高压线上进行带电作业,电工全身穿戴带电作业用的屏蔽服,屏蔽服是用导电金属材料与纺织纤维混纺交织成布后再做成的服装,下列说法正确的是()A.采用金属材料编织衣服的目的是使衣服不易拉破
B.采用金属材料编织衣服的目的是利用静电屏蔽C.电工穿上屏蔽服后,体内场强为零D.电工穿上屏蔽服后,体内电势为零
【解析】选B、C。屏蔽服的作用是使处于高压电场中的人体外表面各部位形成一个等势屏蔽面,从而防护人体免受高压电场及电磁波的危害,等势面说明电势相等而不是等于0,而电场中的导体内的电场强度为0,所以B、C正确,A、D错误。
【补偿训练】1.一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10-8C的正电荷,上端开有适当小孔,有绝缘柄的金属小球B带有2×10-8C的负电荷,使B球和A球内壁接触,如图所示,则A、B带电荷量分别为()
A.QA=10-8C,QB=10-8CB.QA=2×10-8C,QB=0C.QA=0,QB=2×10-8CD.QA=4×10-8C,QB=-2×10-8C
【解析】选B。A、B两带电小球接触中和后净电荷只分布在外表面上,故B项正确。
2.(多选)如图所示,在真空中把一导体AB向带负电的小球P缓慢地靠近(不接触,且未发生放电现象)时,下列说法中正确的是()
A.B端的感应电荷越来越多B.导体内部场强越来越大C.导体的感应电荷在M点产生的场强大于在N点产生的场强D.导体的感应电荷在M、N两点产生的场强相等
【解析】选A、C。导体靠近带负电的小球P时,导体中的自由电子受到带负电小球P产生的电场的作用,不断地向B端移动,B端的感应电荷不断增多,故选项A正确。由于导体AB缓慢移动,故导体处于静电平衡是在很短的时间内完成的。带负电小球P产生的电场和导体AB上感应电荷产生的电场叠加的结果会使导体内部各处的合
场强总等于零,故选项B错误。M点距小球P的距离比N点要近,由E=k可知,带负电小球P在M点产生的场强大于在N点产生的场强,而导体内部的合场强处处为零,那么导体上的感应电荷在M点产生的附加电场的场强就大于在N点产生的附加电场的场强,故选项C正确,选项D错误。
主题二 尖端放电 静电屏蔽【问题探究】如图甲,金属网罩不带电,罩内小球带正电,将验电器靠近金属网罩,如图乙,把金属网罩接地。
试结合上述情境,讨论下列问题:情景中,图甲验电器的箔片是否张开?图乙验电器的箔片是否张开?这些现象说明了什么?
提示:金属网罩不带电,罩内小球带正电,将验电器靠近金属网罩,验电器箔片张开。把金属网罩接地,则验电器箔片不张开。这些现象说明网罩不接地时内部带电体产生的电场能影响外界;金属网罩接地时,内部电场不影响外界。
【探究总结】1.静电屏蔽的实质:静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象,使金属壳内感应电荷的电场和外加电场矢量和为零,好像是金属壳将外电场“挡”在外面,即所谓的屏蔽作用,其实是壳内两种电场并存,矢量和为零而已。
2.静电屏蔽的两种情况:(1)导体内空腔不受外界影响,如图甲所示。(2)接地导体空腔外部不受内部电荷影响,如图乙所示。
【典例示范】一金属容器置于绝缘板上,带电小球用绝缘细线悬挂于容器中,容器内的电场线分布如图所示。容器内表面为等势面,A、B为容器内表面上的两点,下列说法正确的是()
A.A点的电场强度比B点的大B.小球表面的电势比容器内表面的低C.B点的电场强度方向与该处内表面垂直D.将检验电荷从A点沿不同路径到B点,电场力所做的功不同
【解析】选C。根据图中电场线分布,A处的电场线比B处的疏,因此A点的场强小于B点的场强,A错误;沿着电场线方向电势降低,B错误;金属容器处于静电平衡状态,为一等势体,因此B点场强与内表面垂直,C正确,D错误。
【探究训练】如图所示,为一空腔球形导体(不带电),现将一个带正电的小金属球A放入腔中,当静电平衡时,图中a、b、c三点的电场强度E和电势φ的关系是()
A.Ea>Eb>Ec,φa>φb>φcB.Ea=Eb>Ec,φa=φb>φcC.Ea=Eb=Ec,φa=φb>φcD.Ea>Ec>Eb,φa>φb>φc
【解析】选D。静电平衡导体内E=0即Eb=0,沿电场线方向电势越来越低,在球形导体外的电场分布与正点电荷的电场类似,故D选项正确。
【补偿训练】1.(多选)下面四幅图中涉及静电屏蔽现象的有()
A.烟囱上的铁针B.办公用复印机C.输电线上方的两条与大地相连的导线D.用来装硬盘的铝箔袋
【解析】选C、D。当带电云层靠近建筑物时,避雷针上产生的感应电荷会通过针尖放电,逐渐中和云中的电荷,使建筑物免遭雷击,其原理为尖端放电,故A错误。办公用复印机,是静电的应用,故B错误;高压输电线上方还有两条导线,这两条导线的作用是它们与大地相连,形成稀疏的金属“网”把高压线屏蔽起来,免遭雷击,故C
正确;用来装硬盘的铝箔袋,起到静电屏蔽的作用,故D正确。
2.(多选)如图所示,将悬在绝缘细线上带正电的小球A放在不带电的金属空心球壳B内(与内壁不接触)。外加一个水平向右的场强为E的匀强电场,对于最后的结果,下列判断正确的是()
A.B的右端带正电,A向左偏B.B的右端带正电,A不偏左也不偏右C.B的左端带正电,A向右偏D.B的左端带负电,A不偏左也不偏右
【解析】选B、D。导体空腔处于外电场中时,由于静电感应的作用,导体球壳的左端将感应出负电荷,右端将感应出正电荷,而导体空腔内部完全不受外加电场的影响。故A不会偏转,故A、C错误,B、D正确。故选B、D。
【拓展延伸】电场线与带电粒子运动轨迹重合必须满足的三个条件(1)电场线是直线。(2)带电粒子只受电场力作用,或受其他力,但其他力的方向沿电场线所在直线。
(3)带电粒子初速度为零或初速度的方向沿电场线所在的直线。
【课堂小结】
