1.7 静电屏蔽之详细分析

静电屏蔽是一门玄学，看似原理简单，但是相关练习的错误率很高，且永远处于似懂非懂的阶段。且看老夫施展法术。 理论储备 1、高中物理仅探究金属导体的静电屏蔽，实际情况中还有其他材料可以实现静电屏蔽，有兴趣可以自行百度。在此不展开讨论。 2、金属导体内部存在大量且等量的异种电荷，原子核带正电，电子带负电，总量守恒。在没有电场激发的时候，内部电荷杂乱无规则的运动。 3、静电屏蔽的核心理解，是用一个装置起到对电场的隔离作用。也就是说空间中存在一个或若干个电场，本来电场（A）会对C产生作用，但是由于某装置（B）的存在，使得装置内的C物体感知不到A的存在。这个是关键的逻辑关系，用一个图来解释 Ps：这个实验最先尝试的就是法拉第，当时这个金属外壳是一个金属笼子，后人称之为法拉第笼，有点大胆，因为理论转换成现实容易产生不可预知的事故，没人敢进笼子，结果法拉第自己上了。 模型分类： 一、实心金属导体 如下图 实现过程：导体内部的电荷由于受外部电场的影响，会重新分布，该过程称为静电感应现象。根据电荷在电场中的受力规律，负（正）电荷会向左（右）运动，左侧感应出负电荷，右侧感应出等量的正电荷。这个过程导致导体内部产生了一个与外界电场相反的感应电场，所以不会无限持续下去，直到内外电场等大时，内部电荷就受力平衡，不再运动。此刻的平衡状态称为静电平衡。所以对静电平衡的理解应该指电荷受力平衡。 静电平衡特点： 1、内部场强处处为零。注意另一种说法的描述：导体外部电荷不会在金属导体内部产生电场。这么说是错的。这个电场是产生了的，只不过和感应电场互相抵消了。 从视觉上看，就像外部的电场线遇到导体的时候就断了，消失了，然后从另一侧重新出现。 2、净电荷只存在于导体表面。净电荷的理解：指的是让物理显出电性的电荷。举两个例子：一个金属块不显电性，那么净电荷就是0，如果是一个带1C负电的带点小球，那么他的净电荷就是+1C。但是不意味着他的总电荷为1C。可能是10C的正和9C的负。 3、此时导体是一个等势体，表面就是等势面。疑问：左边带负点，右边带正电，为什么电势还相等？解释：反证法，假设左右表面的电势不相等，那么必然存在电势差，所以导体内的电荷会继续运动，直到电势相等为止。相当于平衡过程中左右电势不相等，但是达到平衡后左右表面电势相等，其他表面同理可得。所以在这个问题的理解上，可以认为左右表面的电势大小是由内外电场共同作用而成，不仅仅是感应电荷作用的结果。之后的模型也是一样的理解。 4、导体表面的电场方向和表面垂直 5、由于导体存在形状各异的情况，规律是：越凸的地方电荷分布越密集，场强就越大，反之，凹的地方场强就小。如果尖锐的地方电荷足够多，会把空气电离，产生电火花，该现象称为尖端放电。初中的东西用后续的理论解释就清晰多了 总结：以上理论是通过严格的数学以及物理模型建立的，这方面的主要贡献者有，法拉第，高斯，库伦，威廉斯。还是一句话，有兴趣的可以去网上了解这些人的联系，组合起来就是一部小说。在此不展开。 二、空心金属导体 如果把实心导体中间掏空，变成一个空心导体，来继续探究。（这个模型较容易出现） 再配合内部或者外部的电场以及是否接地，就会出现如下几个变形 ①、如图1所示，模型描述：空心金属导体外存在一个电场。 图1 模型分析：壳体外表面感应出等量的正负电荷，导体内表面没有净电荷分布。 Ps：这个需要一个实验来验证。该实验称为法拉第圆通实验，应该有听说过，我在这里再次进行说明。我给出一张该实验的简化图 实验准备：C是一个带小孔的金属壳，让它先带上电，正负无所谓，使验电器B的箔片张开。 实验过程：让不带电的金属小球d接触C的外表面，再与验电器A接触，如图 ... ...