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9.4 静电的防止与利用
第九章 静电场及其应用
自然界到处都有静电。生产中的搅拌、挤压、切割等活动，生活中的穿衣、脱衣、运动等过程都可能产生静电。在加油站给车加油前，为什么要触摸一下静电释放器？
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实验员为什么不会受到电击的伤害？
金属导体的微观结构
电子
原子核
金属导体内部的外层电子与带正电的原子核间的相互作用比较弱，故容易脱离且在金属内部游离，称为自由电子，金属导体的整体就是由大量的在平衡位置附近做无规则热振动的正离子和无规则热振动的自由电子组成。
那么，若把金属导体放入电场中，又将会出现什么现象呢？
金属的微观结构
1
问题：把一个不带电的导体放入电场强度为E0的电场会出现怎样的现象
0
E
静电平衡
2
　　将一个不带电的金属导体放置于电场强度为 E0 的电场中。金属导体内含有大量自由电子，由于静电感应，这些自由电子向着与 E0 相反的方向运动，所以在下图的导体左侧出现负电荷，右侧出现正电荷。
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＋
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＋
静电平衡
2
　　分布在导体两侧的正电荷和负电荷在导体内部产生一个与 E0 方向相反的电场 E′，导体内部的合场强为E合＝E0－E′，当 E′ 小于E0时，E合 方向向右，受到库仑力作用，负电荷继续在导体左侧堆积，直到 E合＝0，电子不在发生定向移动。这时我们说导体达到静电平衡状态。
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＋
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＋
E′
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＋
＋
＋
＋
E＝0
静电平衡
2
2.静电平衡的特点
(1).处于静电平衡状态下的导体，内部的场强处处为零。
(2).导体内部无电场线分布，外表面处场强方向必跟该点的表面垂直。
静电平衡
2
导体上电荷的分布的特点
1.静电平衡时导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面。
2.处于静电平衡状态的导体，在导体的外表面尖端（半径小或曲率大）电荷分布密度大（即单位面积电荷量多），故尖端电场强度大，而凹陷的位置几乎没有电荷。
尖端放电
3
1、导体尖端的电荷密度很大，附近的电场很强，空气中残留的带电粒子在强电场的作用下发生剧烈的运动，把空气中的气体分子撞散，即使分子中的正负电荷分离，这个现象叫做空气的电离。
2、那些所带电荷与导体尖端的电荷相反的粒子，由于吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷，这个现象叫做尖端放电。
3、应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。
尖端放电
3
避雷针的避雷过程
导体尖端电荷密度大
尖端周围电场强
空气中残留带电粒子剧烈运动
空气电离
正负电荷奔向异种电荷
尖端失去电荷
尖端放电
将闪电导入大地
尖端放电
3
尖端放电
3
尖端放电会导致高压设备上电能的损失，所以高压设备中导体的表面应该尽量光滑。夜间高压线周围有时会出现一层绿色光晕，伴随嘶嘶声，这种现象俗称电晕，这是一种微弱的放电现象。
尖端放电
3
例1.在燃气灶和燃气热水器中，常常安装电子点火器，接通电子线路时产生高电压，通过高压放电的电火花来点燃气体。点火器的放电电极是钉尖形。这是为什么？与此相反，验电器的金属杆上端却固定一个金属球而不做成针尖状，这又是为什么？
燃气灶：
应用尖端放电
验电器：
防止尖端放电
研究空腔导体内外表面的电荷：
导体内部没有电荷,电荷分布在导体的外表面
静电屏蔽
4
空腔
内部场强处处为零

静电屏蔽
4
导体球壳内(或金属网罩)达到静电平衡后，内部场强处处为0，不受外部电场的影响，内部的仪器不会受到外电场的影响，这种现象叫做静电屏蔽。
静电屏蔽
4
　 两位英国科学家在伦敦进行一次危险的电力学表演。其中一名科学家将把另一位科学家关进一个铁笼子里，然后用数百万伏特的电流对其进行电击。鉴于表演的危险性，两名科学家事先都买好了价值1200万英镑的保险。
----触摸百万伏高压电
静电屏蔽的特技表演
静电屏蔽
4
静电屏蔽的应用
超高压带电作业的工人穿戴的工作服，是用包含金属丝的织物制成的。
静电屏蔽
4
电子仪器外套金属网罩；通讯电缆外包一层铅皮等。
静电屏蔽的应用：
静电屏蔽
4
三条输电线上方还有两根导线与大地相连，形成一个稀疏金属“网”，将高压线屏蔽起来。
静电屏蔽的应用
静电屏蔽
4
静电屏蔽的另一种形式
金属罩接地后，地上的自由电子，沿导线向上移动，把金属罩外部的正电荷中和，结果，小球的电场被控制在金属罩的内部，外部不再受影响。
静电屏蔽
4
1.屏蔽外电场
外电场
空腔导体可以屏蔽外电场, 使空腔内物体不受外电场影响。
空腔导体屏蔽外电场
静电屏蔽的两种情况及本质
静电屏蔽
4
①现象：由于静电感应，验电器箔片张开。将验电器放入导体网罩内部后验电器箔片不张开，即外部电场影响不到导体内部。
②本质：是静电感应，导体外表面感应电荷与外电场在导体内部任一点的场强的叠加结果为零。
1.屏蔽外电场
静电屏蔽的两种情况及本质
静电屏蔽
4
①导体壳没有接地时处于内部电场中，达到静电平衡，导体壳内外表面出现等量异种电荷，空间电场的电场线起于场源正电荷，终于导体壳内表面负电荷，再起于导体壳外表面正电荷，终于无穷远，壳内外表面之间场强处处为零，壳外场强不为零。
2.屏蔽腔内电场
静电屏蔽的两种情况及本质
②导体壳接地后，导体壳外的正电荷被大地负电荷中和，正电荷出现在地球的另一端无穷远处，空间电场起于场源正电荷终于导体壳内表面负电荷，导体壳内外表面之间及导体外部场强处处为零，导体外部空间不受内部电场影响。
本质：仍然是静电感应，导体内表面感应电荷与壳内电场在导体壳表面以外空间叠加结果为零。
静电屏蔽
4
静电除尘
静电喷漆
静电复印
静电吸附
5
A
A
B
静电除尘原理(俯视图)
气体电离
→粉尘电荷
→移向电极
→粉尘搜集
静电除尘
静电吸附
5
静电喷涂
静电喷漆原理：接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒带负电，在静电力作用下，这些微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆工作
静电吸附
5
静电喷漆
静电复印
例2.在一次科学晚会上，一位老师表演了一个“魔术”：如图 ，一个没有底的空塑料瓶上固定着一根铁锯条和一块易拉罐（金属）片，把它们分别跟静电起电机的两极相连。在塑料瓶里放一盘点燃的蚊香，很快就看见整个透明塑料瓶里烟雾缭绕。当把起电机一摇，顿时塑料瓶清澈透明，停止摇动，又是烟雾缭绕。起电机摇动时，塑料瓶内哪里电场强度最大？是锯条附近还是金属片附近？若锯条接电源负极，金属片接正极，这些烟尘最终到哪里去了？
金属片
锯条
瓶壁
瓶内俯视图
锯条附近的电场强度最大。因为尖端电荷更密集，所以电场强度大。
烟尘最终会到金属片上。因为空气被电离后自由电子吸附到烟尘上，使烟尘带负电，烟尘在电场力的作用下向接正极的金属片运动。
+
_
例3.一个不带电的空心金属球，在它的球心处放一个正点荷。图中的哪一个能正确表示其电场分布的情况 ( )
B
例4.把原来不带电的金属球壳B的外表面接地，将一个带正电的小球A从小孔中放入球壳内，但不与B发生接触，达到静电平衡后，则（　　　）
A. 球壳B的空腔中场强处处为零。
B. 球壳B不带电。
C. 球壳B的内，外表面电势相等。
D. 球壳B的电势为零。
CD
例5.将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的固定的金属空心球壳C内(不和球壁接触)，另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B，如图所示，于是有( )
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
B
例6.如图所示，把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正电荷形成的电场中，导体处于静电平衡时，下叙说法正确的是（ ）
A.A、B两点场强相等，且都为零
B.A、B两点的场强不相等
C.感应电荷产生的附加场强的大小为EAD.当开关S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动．
AD
例7.如图所示，在一个半径为R的均匀金属球壳左侧M点放置一个带电量为-q的点电荷，O点为球壳的球心，已知M、O、N三点在一条直线上，OM＝2R，ON＝R/2。 静电力常量为k，球壳上感应电荷在N点产生的电场强度大小为（　　）
A. B.
C. D.
A
例8.疫情以来，我们上学每天戴口罩。口罩中间层的熔喷布是一种用绝缘材料做成的带有静电的超细纤维布，它能阻隔几微米的病毒，这种静电的阻隔作用属于（　　）
A．静电屏蔽
B．尖端放电
C．静电感应和静电屏蔽
D．静电感应和静电吸附
D
例9.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
C
例10.如图所示为某静电除尘器的工作原理图，根据此图请判断以下说法正确的是（　　）
A．集尘盘负极吸附大量粉尘的原因是粉尘带上了正电
B．离子发生器的作用是在空气经过时使其中的粉尘带上负电
C．若预过滤网破裂，不影响除尘器的除尘效果
D．该除尘器能有效去除空气中的有毒气体
A

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