本节主要讨论金属导体存在时的静电学问题。
静电平衡
金属导体内有大量自由电子,自由电子时刻做着无规则热运动。自由电子在电场力作用下运动使电荷在导体上重新分布,这种现象称为导体的静电感应现象。感应电荷产生的电场称为附加电场。如图1所示,当电场中引入导体后,空间的电场分布发生变化:
\begin{equation*}
\vec{E}=\vec{E}_0+\vec{E}’
\end{equation*}
其中,\[\vec{E}_0\]为外电场,$\vec{E}’$为导体上的感应电荷产生的附加电场。
图1 导体内部的电场
当导体内部的电场$\vec{E}=0$时,导体内部没有宏观电荷移动,称导体达到了静电平衡,如图2所示
(a) 在外电场$\vec{E}_0$作用下,电子逆电场方向运动;
(b) 导体表面出现感应电荷,导体内产生附加电场$\vec{E}’$ ;
(c) 当导体内的外电场$\vec{E}_0$与附加电场$\vec{E}’$等值而反向时,电荷运动停止,导体处于静电平衡状态。
当导体处于静电平衡时,可导出如下推论:
1. 导体是个等势体,导体表面是个等势面。
2. 导体表面附近处的场强与表面垂直。
导体上电荷分布
(1) 实心导体内部无电荷
图3 实心导体
可由高斯定理证明,在实心导体内部做个任意的高斯面,$\oint_S\vec{E}\cdot\mathrm d\vec{S}=q_{内}/\varepsilon_0=0$,所以$q_{内}=0$。
(2) 空腔导体(内部无带电体)导体内和空腔内表面均无电荷
对于空心导体,如果空腔内没有带电体,则导体内表面处处无电荷分布,电荷只能分布在外表面,空腔内电势处处相等,没有电场。
图4 空腔导体(内部无带电体)
由高斯定理可以证明空腔内表面没有净电荷,还可以证明:导体空腔的内表面上也不可能有等量异号电荷。若腔内表面有等量异号电荷出现,则空腔内必有电场线存在(见图4),将试探电荷$q_0$沿该电场线由正电荷移到负电荷时,电场力的功不为零,这与静电平衡时导体是等势体的结论不符。
(3) 空腔导体(内部有带电体)
图5 空腔导体(内部有带电体)
由高斯定理,易证电荷分布在导体内、外两个表面,其中内表面的电荷是空腔内带电体的感应电荷, 与腔内带电体的电荷等量异号。
(4) 导体面电荷密度与场强
图6 导体表面做高斯面
在导体表面取很薄的柱状高斯面,如图6所示,则其侧面和导体内底面的电通量为零,则
\begin{equation*}
\oint_S\vec{E}\cdot\mathrm d\vec{S}=E\Delta S = \frac{\sigma \Delta S}{\varepsilon_0}
\end{equation*}
于是可得
\begin{equation*}
E = \frac{\sigma }{\varepsilon_0}
\end{equation*}
可见,$E\propto \frac{1}{\rho}$,导体表面曲率半径小的地方,电场强度大。针尖状导体处电场很强,可使周围的空气电离,同时产生“电风”,称为尖端放电。
(5) 静电屏蔽
图7 对腔外电场的屏蔽
空腔导体(不论是否接地)的内部空间不受腔外电荷和电场的影响;接地的空腔导体, 腔外空间不受腔内电荷和电场的影响。
图8 对腔内电场的屏蔽
参考资料
- 苏州大学基础物理网上课堂
- 贾启民《电磁学》