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第四节
静电的防止与利用
一、静电平衡
1.平衡机制
①
金属导体的自由电子在外电场的作用下向左边聚集
②
金属导体内部形成水平向左的电场，自由电子最终在内外电场的作用下处于平衡状态，此时
2.静电平衡下的导体的特点
①
处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零
②
外部表面电场强度不为，外部表面处的任意一点的场强方向跟改变表面垂直
二、导体上的电荷分布和尖端放电
1.导体上电荷的分布
①
处于静电平衡状态的导体，内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面
②
净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布约密集，如图
2.尖端放电
①
在一定条件下，导体尖端周围的场强足以使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动，并与空气中分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷分离。这个现象叫作电离。
②
尖端放电
空气被电离后所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象。
3.应用与防止
①
应用：避雷针
②
防止：高压输电线设备的表面尽量打磨光滑，避免放电
导体外部电场不影响导体内部
接地导体内部的电场不影响导体外部
图示
实现过程
因场源电荷产生的电场与导体球壳表面上感应电荷在空腔内的合场强为零，达到静电平衡状态，起到屏蔽外电场的作用
当空腔外部接地时，外表面的感应电荷因接地将传给地球，外部电场消失，起到屏蔽内电场的作用
最终结论
导体内空腔不受外界电荷影响
接地导体空腔外部不受内部电荷影响
本质
静电屏蔽是激发电场与感应电场叠加的结果，所以做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体
【典例1】（多选）关于静电感应和静电平衡，以下说法正确的是（ ）
A．静电感应是由于导体内的自由电子受静电力作用的结果
B．导体内的自由电子都不运动称为静电平衡
C．处于静电平衡状态时，导体所占空间各处电场强度均为零
D．处于静电平衡状态时，导体内部将没有多余的“净”电荷
【答案】AD
【解析】
静电平衡是由于导体内的自由电子受静电力的作用而发生定向移动，最后达到稳定的状态，选项A正确；达到静电平衡后，自由电子不再定向移动，但是仍然做无规则的热运动，选项B错误；导体处于静电平衡时，电荷只分布在导体外表面上，导体内部没有多余的“净”电荷，选项D正确；导体处于静电平衡时，导体内部的电场强度为零，但导体表面的电场强度不为零，选项C错误。
【典例2】在如图所示的实验中，验电器的金属箔片能张开吗？为什么？
【答案＆解析】
A中不会张开，金属网可以屏蔽外电场；
B中会张开，因为金属网未接地，网内的带电体可以对外界产生影响；
C中不会张开，因为金属网已接地，网内的带电体对网外无影响，网外的带电体对网内也无影响。
【练习1】如图所示，将一个不带电的金属球A放在带正电的点电荷Q的左侧，当金属球达到静电平衡时，下列判断正确的是（ ）
A．金属球将产生出正电荷
B．金属球左侧将出现负的净电荷
C．点电荷Q在A的球心处产生的电场强度为零
D．A的内部合电场强度处处为零
【答案】D
【解析】
由于静电感应，金属球左侧带正电，右侧带负电，A、B错误；点电荷在球心产生的电场强度不为零，C错误；A的内部合电场强度处处为零，D正确。
【练习2】将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属球壳C内(不和球壳内壁接触)，另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，如图所示，则（ ）
A.A往左偏离竖直方向，B往右偏离竖直方向
B.A的位置不变，B往右偏离竖直方向
C.A往左偏离竖直方向，B的位置不变
D.A和B的位置都不变
【答案】B
【解析】
不接地的空腔导体可以屏蔽外界电场，接地的空腔导体可以屏蔽内部电场，该题中带正电的小球A放在不带电的空心球壳C内，通过静电感应，空心球外壳带正电，内壁带负电。由于金属空心球壳C的外壳和带电小球B带异种电荷，所以B受C球壳的吸引往右偏离竖直方向。而由于空心球壳C能屏蔽小球B所产生的外部电场，使小球A不受外电场的作用，所以A的位置不变，故选项B正确。
【练习3】（多选）如图所示，在绝缘板上放有一个不带电的金箔验电器A和一个带正电荷的空腔导体B。下列实验方法中能使验电器箔片张开的是（ ）
A．用取电棒C(带绝缘柄的导体棒)先跟B的内壁接触一下后再跟A接触
B．用取电棒C先跟B的外壁接触一下后再跟A接触
C．用绝缘导线把验电器A跟取电棒C的导体部分相连，再把取电棒C与B的内壁接触
D．使验电器A靠近B
【答案】BCD
【解析】
A项中取电棒先和B的内壁接触后，由于B的内壁本身没有电荷，所以再接触A时验电器箔片不张开；B项中可以使C球带电，从而使A带电；C项中用绝缘导线实际上是将验电器A和B连成了一个导体，A在外面故带电；D项中是感应起电；所以B、C、D项正确。
【练习4】如图为静电除尘示意图，m、n
为金属管内两点。在
P、Q
两点加高电压时，金属管内空气电离。电离出来的电子在电场力的作用下，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电，导致煤粉被吸附到管壁上，排出的烟就清洁了。就此示意图，下列说法正确的是（ ）
A．Q
接电源的正极，且电场强度Em＝En
B．Q
接电源的正极，且电场强度
Em＞En
C．P
接电源的正极，且电场强度
Em＝En
D．P
接电源的正极，且电场强度
Em＞En
【答案】B
【解析】
管内接通静电高压时，管内存在强电场，它使空气电离而产生电子和正离子。电子在电场力的作用下，向正极移动时，碰到烟尘微粒使它带负电。所以金属管Q应接高压电源的正极，金属丝P接负极。构成类似于点电荷的辐向电场，所以越靠近金属丝，电场强度越强，故A、C、D错误，B正确。
【练习5】某研究性学习小组学习电学知识后对电工穿的高压作业服进行研究，发现高压作业服是用铜丝编织的，下列各同学的理由正确的是（ ）
A．甲认为铜丝编织的衣服不易拉破，所以用铜丝编织
B．乙认为电工被铜丝纺织的衣服包裹，使身体能够导电，对人体起保护作用
C．丙认为电工被铜丝纺织的衣服包裹，使体内场强保持为零，对人体起保护作用
D．丁认为铜丝必须达到一定的厚度，才能对人体起到保护作用
【答案】C
【解析】
电工穿的铜丝编织的高压作业量可以有效避免电工受到电击，使内部场强处处为零，对人体起到保护作用，主要应用了静电屏蔽原理，选项C正确，其他选项均错误。
【练习6】一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10－8
C的正电荷，上端开有适当小孔，有绝缘柄的金属小球B带有2×10－8
C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＝10－8
C，QB＝10－8
C
B．QA＝2×10－8
C，QB＝0
C．QA＝0，QB＝2×10－8
C
D．QA＝4×10－8
C，QB＝－2×10－8
C
【答案】B
【解析】
A、B接触中和后净电荷只分布在空心金属球A的外表面上，故B项正确。
【练习7】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，棒上的感应电荷在棒内中点P处产生的电场强度大小等于________，方向为________。
【答案】 向左
【解析】
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，棒中任意一点都受两个电场的影响，即外电场(＋q在该点形成的电场E0)和附加电场(棒上感应电荷在该点形成的电场E′)，达到静电平衡状态时E′＝－E0。题中所求的即为E′，E′＝－E0＝－＝－，负号代表E′和E0方向相反，即方向向左。
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静电的防止与利用
一、静电平衡
1.平衡机制
①
金属导体的自由电子在外电场的作用下向左边聚集
②
金属导体内部形成水平向左的电场，自由电子最终在内外电场的作用下处于平衡状态，此时
2.静电平衡下的导体的特点
①
处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零
②
外部表面电场强度不为，外部表面处的任意一点的场强方向跟改变表面垂直
二、导体上的电荷分布和尖端放电
1.导体上电荷的分布
①
处于静电平衡状态的导体，内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面
②
净电荷在导体表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布约密集，如图
2.尖端放电
①
在一定条件下，导体尖端周围的场强足以使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动，并与空气中分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷分离。这个现象叫作电离。
②
尖端放电
空气被电离后所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象。
3.应用与防止
①
应用：避雷针
②
防止：高压输电线设备的表面尽量打磨光滑，避免放电
导体外部电场不影响导体内部
接地导体内部的电场不影响导体外部
图示
实现过程
因场源电荷产生的电场与导体球壳表面上感应电荷在空腔内的合场强为零，达到静电平衡状态，起到屏蔽外电场的作用
当空腔外部接地时，外表面的感应电荷因接地将传给地球，外部电场消失，起到屏蔽内电场的作用
最终结论
导体内空腔不受外界电荷影响
接地导体空腔外部不受内部电荷影响
本质
静电屏蔽是激发电场与感应电场叠加的结果，所以做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体
【典例1】（多选）关于静电感应和静电平衡，以下说法正确的是（ ）
A．静电感应是由于导体内的自由电子受静电力作用的结果
B．导体内的自由电子都不运动称为静电平衡
C．处于静电平衡状态时，导体所占空间各处电场强度均为零
D．处于静电平衡状态时，导体内部将没有多余的“净”电荷
【典例2】在如图所示的实验中，验电器的金属箔片能张开吗？为什么？
【练习1】如图所示，将一个不带电的金属球A放在带正电的点电荷Q的左侧，当金属球达到静电平衡时，下列判断正确的是（ ）
A．金属球将产生出正电荷
B．金属球左侧将出现负的净电荷
C．点电荷Q在A的球心处产生的电场强度为零
D．A的内部合电场强度处处为零
【练习2】将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属球壳C内(不和球壳内壁接触)，另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，如图所示，则（ ）
A.A往左偏离竖直方向，B往右偏离竖直方向
B.A的位置不变，B往右偏离竖直方向
C.A往左偏离竖直方向，B的位置不变
D.A和B的位置都不变
【练习3】（多选）如图所示，在绝缘板上放有一个不带电的金箔验电器A和一个带正电荷的空腔导体B。下列实验方法中能使验电器箔片张开的是（ ）
A．用取电棒C(带绝缘柄的导体棒)先跟B的内壁接触一下后再跟A接触
B．用取电棒C先跟B的外壁接触一下后再跟A接触
C．用绝缘导线把验电器A跟取电棒C的导体部分相连，再把取电棒C与B的内壁接触
D．使验电器A靠近B
【练习4】如图为静电除尘示意图，m、n
为金属管内两点。在
P、Q
两点加高电压时，金属管内空气电离。电离出来的电子在电场力的作用下，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电，导致煤粉被吸附到管壁上，排出的烟就清洁了。就此示意图，下列说法正确的是（ ）
A．Q
接电源的正极，且电场强度Em＝En
B．Q
接电源的正极，且电场强度
Em＞En
C．P
接电源的正极，且电场强度
Em＝En
D．P
接电源的正极，且电场强度
Em＞En
【练习5】某研究性学习小组学习电学知识后对电工穿的高压作业服进行研究，发现高压作业服是用铜丝编织的，下列各同学的理由正确的是（ ）
A．甲认为铜丝编织的衣服不易拉破，所以用铜丝编织
B．乙认为电工被铜丝纺织的衣服包裹，使身体能够导电，对人体起保护作用
C．丙认为电工被铜丝纺织的衣服包裹，使体内场强保持为零，对人体起保护作用
D．丁认为铜丝必须达到一定的厚度，才能对人体起到保护作用
【练习6】一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10－8
C的正电荷，上端开有适当小孔，有绝缘柄的金属小球B带有2×10－8
C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＝10－8
C，QB＝10－8
C
B．QA＝2×10－8
C，QB＝0
C．QA＝0，QB＝2×10－8
C
D．QA＝4×10－8
C，QB＝－2×10－8
C
【练习7】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，棒上的感应电荷在棒内中点P处产生的电场强度大小等于________，方向为________。
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