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4　静电的防止与利用
素养 目标定位
目标素养
1.通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论,了解静电平衡的概念,知道处于静电平衡的导体的特征
2.了解尖端放电、静电屏蔽现象,了解静电的防止原理
3.知道静电吸附原理,了解静电吸附在静电除尘等技术中的应用
4.关注生活、生产中的静电现象,体会物理学与生产和生活的紧密联系
知识概览
课前 基础认知
一、静电平衡
1.定义:放在电场强度为E0的电场中的导体,E0与导体两端的感应电荷形成的电场E'叠加,使导体内部各点的电场强度E=0,导体内的自由电子不再发生定向移动,这时我们说导体达到静电平衡。
2.静电平衡状态的导体:内部的电场强度处处为0。
3.处于静电平衡状态的导体外表面电场方向与表面垂直。
微判断(1)处于静电平衡状态的导体(包括表面)可能有电荷的定向移动。(　　)
(2)静电平衡状态的导体内部电场强度处处为零。(　　)
(3)处于静电平衡状态的导体外电场强度和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的合电场的电场强度为0。(　　)
(4)处于静电平衡状态的导体外表面电场方向与表面不垂直。
(　　)
×
√
√
×
二、尖端放电
1.电离:导体尖端的电荷密度很大,附近的电场强度很大,空气中的带电粒子剧烈运动,并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷分离的现象。
2.尖端放电:导体尖端的强电场使附近的空气电离,电离后的异种带电粒子与尖端的电荷中和,相当于导体从尖端失去电荷的现象。
3.尖端放电的应用与防止。
(1)应用:避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。
(2)防止:高压设备中导体的表面尽量光滑,减少电能的损失。
三、静电屏蔽
1.静电屏蔽:静电平衡时,导体壳内空腔里的电场处处为零,外电场对壳内不会产生影响。
2.静电屏蔽的应用。
(1)把电学仪器放在封闭的金属壳里。
(2)户外三条输电线上方架设两条导线,与大地相连,把输电线屏蔽起来。
微思考1 把一只小鸟放入一个用金属网制成的鸟笼中,再把鸟笼放入高压电场中,为什么小鸟依然会“歌唱”
提示:由于金属鸟笼的静电屏蔽作用,使金属鸟笼内部电场强度处处为零。
四、静电吸附
1.静电除尘:设法使空气中的尘埃带电,在静电力作用下,尘埃到达电极被收集起来。
2.静电喷漆: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。
3.静电复印的工作过程。
(1)充电:通过电源使有机光导体鼓带上正电。
(2)曝光:利用光学系统将原稿上字迹的像成在有机光导体鼓上,有字迹的地方保留正电荷。
(3)显影:带负电的墨粉被吸附在字迹成像处,显示出墨粉组成的字迹。
(4)转印:带正电的转印电极使白纸带上正电,带正电的白纸与有机光导体鼓表面墨粉组成的字迹接触,将带负电的墨粉吸附在白纸上。
(5)放电:使有机光导体放电,除去表面的残余电荷。
微思考2如图所示,在玻璃管中心轴上安装一根直导线,玻璃 管外绕有线圈,直导线的一端和线圈的一端分别跟感应圈的两放电柱相连。开始,感应圈未接通电源,点燃蚊香,让烟通过玻璃管冒出。当感应圈电源接通时,玻璃管中的导线和管外线圈间就会加上高电压,立即可以看到不再有烟从玻璃管中冒出来了。过一会儿还可以看到管壁吸附了一层烟尘,请你说明其原理。
提示:烟尘在高压电场作用下带上了负电, 带负电的烟尘吸附在线圈上,因此看不到有烟冒出。
课堂 重难突破
一 静电平衡状态下的导体
问题探究
如图所示,不带电的金属导体放到电场中,导体内的自由电子将发生定向移动,使导体两端出现等量异种电荷。请探究下列问题:
探究1:自由电子定向移动的原因是什么
定向移动的方向如何
探究2:自由电子能否一直定向移动 为什么
提示:探究1:自由电子受外加电场的静电力作用而定向移动,向着与电场相反的方向定向移动。
探究2:不能。感应电荷产生的电场与外加电场反向,阻碍电子的定向移动,当这两个电场大小相等时,电子的定向移动终止。
归纳总结
1.静电平衡的形成。
(1)自由电荷的移动:导体放入电场的瞬间,导体中的自由电荷受静电力F的作用,产生定向运动(如图甲),同时在导体中产生一个附加电场E'(如图乙),使自由电荷又受静电力F'的作用,F和F'方向相反。
(2)电场叠加:当E'=E时,导体内合电场强度为零(如图丙),自由电荷受合力也为零,这时导体中无电荷定向移动,即达到了静电平衡状态。
(3)结论:处于静电平衡的导体内部电场强度处处为零。
2.静电平衡时导体的特点。
(1)处于静电平衡状态的导体内部电场强度处处为零。导体内部电场强度为零指的是外部电场和附加电场的合电场强度为零,其效果相互抵消。
(2)导体表面任一点的电场强度方向与该处的表面垂直。
(3)净电荷只分布在导体的外表面上。
(4)对于一孤立的带电体,可视为导体处于自己所带电荷的电场之中,达到静电平衡时,也有两个基本特点:
①导体内部的电场强度处处为零;
②导体所带电荷只能分布在导体的外表面上。
(5)感应电荷分布于导体两端,电性相反,电荷量相等,近异远同,如图甲所示。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越密集,如图乙所示。静电平衡的导体表面电场线分布:尖端电荷集中,电荷电场线密集,电场线垂直于导体表面,如图丙所示。
甲
乙
丙
典例剖析
【例1】 如图所示,金属球壳A带有正电,其上方有一小孔a,静电计B的金属球b用导线与金属小球c相连,
以下操作所发生的现象正确的是(　　)
A.将c移近A,但不与A接触,B会张开一定角度
B.将c与A外表面接触后移开A,B不会张开一定角度
C.将c与A内表面接触时,B不会张开角度
D.将c从导线上解下,然后用绝缘细绳吊着从A中小孔置入A内,并与其内壁接触,再提出空腔,与b接触,B会张开一定角度
答案:A
解析:把c逐渐从远处向A靠近过程中,由于静电感应,静电计B的指针带上了正电荷,B的指针张开,故选项A正确。当把c与A的外表面接触,则c带正电,导致B的指针张开,故选项B错误。把c与A的内表面接触,静电平衡后,电荷只分布在外表面,但静电计处于外表面,B的指针带正电,B指针会张开,故选项C错误。c与A内壁接触时,由于静电屏蔽,使小球c不带电,故再与b接触时,B不会张开角度,故选项D错误。
静电平衡状态中的“远近观”及“整体观” (1)“远近观”是指:处于静电平衡状态的导体,离场源电荷较近和较远的两端感应出等量的异种电荷,而导体的中间部分因感应电荷较少,可认为无感应电荷产生。
(2)“整体观”是指:当两个或多个原来彼此绝缘的导体接触或用导线连接时,就可把它们看作是一个大导体,再用“远近观”判断它们的带电情况,如有些问题所提到的“用手触摸某导体”其实就是导体通过人体与大地构成一个大导体。 不要认为导体内部没有电荷,用导线连接带电体内部时,小球就不带电。其实连接后它们就已成为一个整体,故小球通过导线得到了电荷。
二 尖端放电与静电屏蔽的应用
问题探究
探究以下问题:
探究1:电梯是什么材质的,能否被看成是金属容器 小明刚搬了新家,可每次进入电梯里手机总打不通,这是为什么
探究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
提示:探究1:电梯是用不锈钢板做成的,可以看成金属容器。电梯可以看成金属容器,起到了屏蔽作用。
探究2:题图A中不会张开,金属网可以屏蔽外电场;题图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;题图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。
归纳总结
1.尖端放电。
(1)尖端放电的实质:导体尖端电荷密度大,周围的电场强度大,把周围的空气电离,带电粒子在强电场的作用下加速撞击空气中的其他分子使它们进一步电离,所带电荷与导体尖端电性相反的粒子被吸引而奔向尖端与尖端上的电荷中和。
(2)尖端放电的应用与防止。
①应用:避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。
②防止:高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失。
2.静电屏蔽。
(1)静电屏蔽的实质。
静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象,使金属壳内感应电荷的电场和外加电场的电场强度矢量和为零,好像是金属壳将外电场“挡”在外面。即所谓的屏蔽作用,其实是壳内两种电场并存,电场强度矢量和为零。
(2)静电屏蔽的两种情况。
种类 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产生的电场的合电场强度为零,球壳的空腔内达到静电平衡状态,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
种类 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
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 静电感应与静电平衡,所以做静电屏蔽的材料只能是导体,不能是绝缘体
典例剖析
【例2】 下列应用与尖端放电现象无关的是(　　)
A.家用煤气灶和燃气热水器上安装的点火装置
B.高压设备中的导体表面尽量光滑,以减少高压设备上电能的损失
C.超高压输电线上带电作业的电力工人穿着含有金属丝织物的衣服
D.在高大建筑物屋顶安装一根尖锐的金属棒,用粗导线与接地装置连接以防止建筑物被雷击
答案:C
解析:避雷针、家用煤气灶和燃气热水器上安装的点火装置及高压设备中的导体表面尽量光滑,都与尖端放电有关,选项A、B、D错误;超高压输电线上带电作业的电力工人穿着含有金属丝织物的衣服是利用了静电屏蔽,与尖端放电无关,选项C正确。
【例3】 如图所示,把原来不带电的金属壳B的外表面接地,将一带正电的小球A从小孔中放入金属壳内,但不与B接触,达到静电平衡状态后,则(　　)
A.B的空腔内电场强度为零
B.B不带电
C.B的外表面带正电
D.B的内表面带负电
答案:D
解析:因为金属壳的外表面接地,所以外表面无感应电荷,只有内表面有感应电荷分布,且由于A带正电,则B的内表面带负电,选项B、C错误,D正确。B的空腔内有带正电的小球A产生的电场和金属壳内表面感应电荷产生的电场,由电场叠加知,电场线的方向由A指向B,所以空腔内电场强度不为零,选项A错误。
静电屏蔽有两种类型,当外壳不接地时,可以屏蔽外电场对壳内的影响,但不能屏蔽壳内电荷电场对壳外的影响。当外壳接地时,能屏蔽壳内电荷电场对壳外的影响。
成果验收站
1.如图所示,把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正点电荷形成的电场中,导体处于静电平衡状态。下列说法正确的是
(　　)
A.导体内部A点的电场强度大于B点的电场强度
B.感应电荷在A、B两点产生的附加电场强度EA=EB
C.感应电荷在A、B两点产生的附加电场强度EAD.当开关S闭合时,电子从大地沿导线向导体移动
答案:D
解析:枕形导体在正点电荷附近,出现静电感应现象,导致电荷重新分布,因此在枕形导体内部出现感应电荷的电场与点电荷的电场叠加,静电平衡时,导体内部电场强度处处为零,选项A错误。导体内部的电场强度处处为零,所以感应电荷产生的附加电场强度的大小与点电荷产生的电场强度的大小相等,方向相反,故EA>EB,选项B、C错误。当开关S闭合时,由于导体处在正电荷形成的电场中,电子从大地沿导线向导体移动,D正确。
2.(多选)如图所示,P是一个带电体,N是一个不带电的金属空腔,下列选项中放在绝缘板上的小纸屑S不会被吸引的是
(　　)
答案:AC
解析:当负电荷放在金属壳外时,使金属壳上端带正电荷,下端带负电荷,两端出现电压,导致感应电场与外电场相叠加,所以内部电场强度为零。因此绝缘板上的小纸屑(图中S)不会被吸引,故选项A正确。当负电荷放在金属壳内时,使金属壳内部带正电荷,外部带负电荷,导致出现感应电场,从而使得绝缘板上的小纸屑(图中S)会被吸引,故选项B错误。当负电荷放在金属壳内时,由于接地,则使金属壳外不带电,所以外部没有电场,从而使得绝缘板上的小纸屑(图中S)不会被吸引,故选项C正确。当负电荷放在金属壳外时,使金属壳上端带正电荷,下端带负电荷,导致出现感应电场,从而使得绝缘板上的小纸屑(图中S)会被吸引,故选项D错误。
3.(多选)静电除尘示意图如图所示,在M、N两点间加高压电源时,金属管内的空气被电离,电离出的电子在静电力的作用下运动,遇到烟气中的煤粉,使煤粉带负电荷,因而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.N接电源的正极
B.M接电源的正极
C.电场强度EB>EA
D.电场强度EB答案:AC
解析:电子附着在煤粉上,使煤粉带上负电荷,煤粉若能吸附在管壁上,说明管壁带正电荷,因此可知N接电源正极,选项A正确,B错误。金属棒与金属管可看成圆柱电极与圆环电极,电场线分布情况如图所示。由图可知金属棒附近的B点处电场线较密,而靠近金属管壁的A点处电场线较疏,故B处的电场强度比A处的电场强度大,即EB>EA,选项C正确,D错误。
4.为避免雷击,现代高层建筑的顶端都安装上避雷针,避雷针用粗导线与埋在地下的金属板连接,如图甲所示。图乙是古建筑的一角,上面有各种造型的动物。你知道古建筑是如何安全引电避雷的吗
甲
乙
答案:在古建筑物的屋顶、屋角设置各种造型,避雷针以动物头上的角须形式或巨兽的舌头向上探出的形式巧妙安装,另一端引入大地,从而起到避雷效果。

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