姚桂元
【問(wèn)題來(lái)源】
靜電感應(yīng)和靜電平衡是人教版高中物理必修3第九章《靜電場(chǎng)及其應(yīng)用》中兩個(gè)重要的概念，它們和第十章《靜電場(chǎng)中的能量》中的電場(chǎng)力做功、電勢(shì)、等勢(shì)面和電場(chǎng)線(xiàn)聯(lián)系非常緊密。
【知識(shí)展示】
1.靜電感應(yīng)
圖一
如圖一所示，當(dāng)一個(gè)帶電體靠近導(dǎo)體時(shí)，由于電荷間相互吸引或排斥，使導(dǎo)體的近端帶異種電荷，遠(yuǎn)端帶同種電荷。這種現(xiàn)象叫做靜電感應(yīng)。
2.靜電平衡
圖二
如圖二所示，將不帶電的金屬導(dǎo)體放到電場(chǎng)E中，由于靜電感應(yīng)，在導(dǎo)體表面感應(yīng)出正、負(fù)電荷。感應(yīng)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)E'與E方向相反，使導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)減弱。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部的合場(chǎng)強(qiáng)E合=0時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子不再發(fā)生定向移動(dòng)。這時(shí)我們說(shuō)，導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡狀態(tài)。
靜電平衡的特點(diǎn)：
A.導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度處處為0；
B.導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有凈剩電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面；
C.導(dǎo)體外表面越尖銳的位置，電荷的密度越大，周?chē)碾妶?chǎng)強(qiáng)度越大。
D.整個(gè)導(dǎo)體電勢(shì)處處相等，導(dǎo)體是一個(gè)等勢(shì)體，表面是一個(gè)等勢(shì)面。電場(chǎng)線(xiàn)與導(dǎo)體表面處處垂直。
特別地，孤立的帶電導(dǎo)體，其表面自由電荷不再發(fā)生移動(dòng)時(shí)，我們說(shuō)它也處于靜電平衡狀態(tài)。如圖三所示。
圖三
【深度思考】
1.靜電感應(yīng)與靜電平衡都是把一個(gè)導(dǎo)體放入電場(chǎng)中，因此靜電感應(yīng)與靜電平衡本質(zhì)上是一回事。只不過(guò)，靜電感應(yīng)關(guān)注的是現(xiàn)象，而靜電平衡關(guān)注的是平衡狀態(tài)。
2.整個(gè)空間中我們認(rèn)為存在兩個(gè)場(chǎng)，一個(gè)是原電場(chǎng)，一個(gè)是感應(yīng)電場(chǎng)。在導(dǎo)體外部?jī)蓚€(gè)電場(chǎng)的合場(chǎng)強(qiáng)不為0；在導(dǎo)體內(nèi)部?jī)蓚€(gè)電場(chǎng)的合場(chǎng)強(qiáng)處處為0，即原電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度等大反向。
【等效思想】
處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為0，等效成其內(nèi)部沒(méi)有電場(chǎng)。
等效思想在尖端放電中也有應(yīng)用，如圖四所示。
圖四
帶電云層和金屬尖端之間存在一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)，使空氣中的殘留電荷發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)，并與空氣分子碰撞從而使空氣分子中的正負(fù)電荷分離變成自由電子和離子，自由電子和離子被強(qiáng)場(chǎng)加速去撞擊其他空氣分子，如此反復(fù)，空氣中產(chǎn)生了很多自由帶電粒子。根據(jù)電荷間的相互作用，空氣中的正、負(fù)電荷分別去中和云層與金屬尖端中的電荷，等效成金屬尖端上的電荷去中和了云層中的電荷，這種現(xiàn)象叫作尖端放電。
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