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当一带电体系中的电荷静止不动,从而电场分布不随时间变化时,该带电体系就达到了静电平衡。导体的特点是其体内存在自由电荷,它们在电场作用下可移动,从而变化原有电荷分布。反过来电荷分布的变化又会影响到原有的电场分布。可见有导体存在时电荷的分布和电场的分布是互相影响、互相制约的。并不是电荷和电场的任何一种分布都是静电平衡分布。
导体的静电平衡条件
此平衡条件可论证如下:若导体内的电场E不到处为零,则在E不为零的地方,自由电荷将会移动,亦即导体没有达到静电平衡。换句话说,当导体达到静电平衡时,其内部场强必然到处为零。
体内场强到处为零
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从上述导体静电平衡条件出发,可直接得到如下几点推论:
①在达到静电平衡后来,导体是个等势体,导体表面是等势面。
因导体内任意两点P、Q之间的电势差为
若场强E到处为零,则导体内部所有各点的电势相等,从而导体表面是个等势面。
②在达到静电平衡后来,导体外的场强到处与它的表面垂直。
由于电力线到处与等势面正交,因此导体外的场强必然与它的表面垂直。
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电荷分布
可用高斯定理证明。假定导体内部某处有未被抵消的净电荷q,则可取一种完全在导体内部的闭合高斯面S,将它完全包围起来。据高斯定理,通过S的电通量为q/0是一非零值。即在S上面至少有些点的场强E不等于零。S面上场强不为零的这些地方就达不到静电平衡,电荷就会重新分布,直到场强到处为零体内电荷完全抵消为止。因此据静电平衡条件的规定,在达到静电平衡状态后,导体内部必然到处没有未被抵消的净电荷,电荷只能分布在导体的表面上。
在达到静电平衡时,导体内部到处没有未被抵消的净电荷(=0),电荷只能分布在导体的表面。
S
q
.
3
S
导体壳(壳内无其他带电体)
上面是实心导体的状况。假如是一种导体壳,当导体壳内没有其他带电体时
在静电平衡条件下,导体壳的内表面上到处没有电荷,电荷只能分布在外表面,空腔内没有电场,或者说空腔内的电势到处相等。
证明:在导体壳内、外表面之间取一闭合曲面S将空腔包围起来。由于闭合面S完全处在导体内部,据平衡条件其上场强到处为零,因此没有电通量穿过它。按照高斯定理,在S内部(即导体壳的内表面上)电荷的代数和为零。
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-
-
+
+
S
深入还需证明,在导体壳的内表面上不仅电荷的代数和为零,并且各处的面电荷密度也为零。
运用反证法,假定内表面上不到处为零,由于电荷的代数和为零,必然有些地方>0,有些地方 <0,而电力线只能从正电荷出发终止于负电荷,不能在没有电荷的地方中断。这样空腔内就有电力线从>0的地方出发终止于内表面上 <0的地方。
5
-
-
+
+
S
假如存在这样一根电力线,电场沿此电力线的积分必不为零。即这电力线的两个端点之间有电势差,但这电力线的两端都在同一导体上,静电平衡规定这两点的电势相等,因此上述结论与平衡条件相违反。
可见在达到静电平衡时,导体壳的内表面上必须到处为零,既然内表面上没有电荷,腔内就不也许有电力线,即腔内的场强为零。没有电场就没有电势差,故腔内空间各点的电势到处相等。
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导体壳(壳内有其他带电体)
导体壳空腔内有其他带电体时,在静电平衡状态下,导体壳的内表面所带电荷与腔内电荷的代数和为零。例如腔内有物体带电q,则内表面带电-q。
证明:如图,在导体壳内、外表面之间作一高斯面S,由于高斯面处在导体内部,在静电平衡时场强到处为零。因此通过S的电通量为零。据高斯定理,高斯面内∑q=0。若导体壳内有一带电体带电q,则内表面必然带电-q。
-
-
-
-
-
-
-
-q
+
+
+
+
q
+
S
7
B
A
+3
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-3
+
+
+
+
+
+
+
例如,导体球B被同心的导体球A所包围。若分别给A、B两导体以电量+5微库仑和+3微库仑,那么A球的外表面带电多少?
设想先不给A球带电,则它的内表面必然要出现-3微库仑的电量,这实际上是一种静电感应现象。由于内球B带正电而把-3微库仑的电量吸引到A球的内表面,多出的+3微库仑的电量排斥到外表面。当再给A球+5微库仑的电量时,它将分布在外表面,使外表面共获得+8微库仑的电量。
5+3=8
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面电荷密度与场强的关系 尖端放电
在静电平衡状态下,导体表面之外附近空间的场强E与该处导体表面的面电荷密度有如下关系
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导体的静电平衡条件:
体内场强到处为零
几点推论:
①导体是个等势体,导体表面是等势面。
②导体外的场强到处与它的表面垂直。
电荷分布:在达到静电平衡时,导体内部到处没有未被抵消的净电荷(=0),电荷只能分布在导体的表面。
导体壳(壳内无其他带电体)
在静电平衡条件下,导体壳的内表面上到处没有电荷,电荷只能分布在外表面,空腔内没有电场,或者说空腔内的电势到处相等。
导体壳(壳内有其他带电体)
导体壳空腔内有其他带电体时,在静电平衡状态下,导体壳的内表面所带电荷与腔内电荷的代数和为零。例如腔内有物体带电q,则内表面带电-q。
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