资源简介

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，如图甲所示。然后对小球d去电，再接触C的内表面，后与A接触，如图乙所示。
实验现象：甲中A的箔片张开，乙中A的箔片不张开，
实验结论：净电荷只分布于外表面而不分布于内表面。
该实验现象的理论分析需要借助高斯定律，属于大学物理的电磁学范围，有兴趣的话，你知道怎么做，嘿嘿。
接上面的模型分析，此时内表面没有电净荷分布，就不会产生电场线，所以空心部分的场强为零，即EB=0。
那么此时导体的内部（A）呢？外表面上的电荷不会向内产生电场吗？
解释：我们可以用反证法来解释，假设外表面向内有电场，那么出发点是外表面，但是指向哪里呢？因为电场线的方向是指向无穷远处或者负电荷，所以假设不成立。结论，导体内部没有净电荷的分布。所以EA=0
模型特点总结：
1、导体的外部电荷产生的电场不会对空心部分产生影响。
2、导体内部（A）和空心处（B）没有电场线，电场强度都为零
3、导体内部以及内表面没有净电荷的分布，净电荷都分布在外表面上。
4、能屏蔽导体外部电荷产生的电场。应用：高压电工作者的屏蔽服等。

②、如图2所示
图2
模型描述：空心导体内存在一个电荷（以正电荷为例），位置任意，不一定在正中心。
模型分析：导体内表面和外表面感应出等量异种电荷，内表面带负电，外表面带正电，此时导体的空心处EB≠0，外部E1≠0
那么在导体内部（A）呢？有没有电场线或者净电荷的分布？
解释：由于净电荷不会分布在导体内部，且达到静电屏蔽的导体是一个等势体，所以内部没有电场线，即EA=0
模型特点总结：
1、当空心导体的空心处存在电荷时，空心导体无法屏蔽该电荷产生的电场。
可以认为E1是内部电荷间接产生的
2、达到静电平衡后，导体的内部（A）没有净电荷的分布，且EA=0
3、不论空心处电荷在内部的什么位置，只会影响内表面感应电荷的分布，不会影响外表面感应电荷的分布，如右图所示。外表面产生的电场在宏观上可以认为是一个点电荷产生的电场。这个结论的分析就有省略了，高斯定律


③、如图3所示

图3
模型描述：空心导体内存在一个电荷（以正电荷为例），位置任意，不一定在正中心，且外壳接地。
模型分析：外壳接地以后，外表面的感应电荷就与大地中和了，所以原本由外表面产生的电场也没了，即E1=0，而此时空心处的电场不受影响，即EB≠0，导体内部（A）仍旧没有净电荷分布，EA=0
模型特点：
1、当空心导体的空心处存在电荷且外壳接地时，能屏蔽空心处电荷产生的电场，即内部电场不会影响外部。
2、达到静电平衡后，导体的内部（A）没有净电荷的分布，且EA=0（同上）

④、如图4所示

图4
模型描述：空心导体内外都存在一个电荷（以正电荷为例），位置任意，不一定在正中心，且外壳接地。
模型分析：结合上面几个模型的分析结果可得，当空腔导体外壳接地时，内部和外部电场都不相互影响。这种屏蔽称为全屏蔽


⑤、如图5所示

图5
模型描述：空心导体内外都存在一个电荷，位置任意，不一定在正中心，且外壳不接地。
模型分析：外部负电荷产生的电场不会影响导体空心处的电场分布，但是空心处的电场会影响外部负电荷点的电场分布。这种称为内屏蔽。


以上是对几种模型的分析，下面做一个总结
1、内屏蔽：当空腔导体不接地时，外部电场对内部无法产生影响，但是内部电场会对外部产生影响。
2、全屏蔽：当空腔导体外壳接地时，内外电场均不会相互影响。
3、不论空腔导体接不接地，导体内部都不会有净电荷的分布和电场。此时导体时一个等势体，电势处处相等。
4、由于导体达到静电平衡时间很短，所以当有外壳接地时，接地线上是没有电流的，当然如果外部或者内部的电场随时间发生变化，因为他要保持时刻的平衡，那么这个电流就会持续产生，


后记：静电屏蔽的理解是个难点，原因有二。
一、对一些关键字词的理解模糊，比如导体内部，导体内部指的是组成导体的金属部分，区别于空心处。比如内外表面，法拉第圆筒实验中的内外表面就是里面和外面，但是如模型2所示，你会发现内表面不是也有电荷分布了吗？这个时候金属壳的内外表面都是外表面，因为他是一个封闭模型，空间上分内外，但是物理中的严格外表面包含了内外壳。
二、对以上模型的数理分析需要借助两样东西，高数和高斯定律。但是在高中阶段都没有接触过，所以只能结合简单的理论，然后对结论进行记忆。
所以之前我在教学过程中没有详细解释过这个知识点，因为高考中对于这一点的考察比较片面，且新高考以来对于这点的考察也比较形式主义，少有核心考点，在高中物理竞赛中倒是常客。由于以上原因再加上我懒，也就没强调过这个东西。现在空余时间比较多，就稍微整理一下，你凑活看吧。
最后，考虑到有可能我这几天给你的资料你会分享给其他同学，所以要注明一句：以上内容部分来自于网络素材，且仅代表个人意见，请酌情参考。

展开更多......

收起↑