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第9章 静电场及其应用
4　静电的防止与利用
[学习目标]
1．知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡状态下的导体特点.
2.知道导体上电荷的分布特征，了解尖端放电、静电屏蔽现象及其成因.
3.了解静电除尘、静电喷漆、静电复印的工作原理．
[基础梳理]
一、静电平衡
1．静电平衡：导体内的自由电子不再发生定向移动的状态．
2．处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0.
3．导体上电荷的分布：
(1)导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面．
(2)在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积的电荷量)越大，凹陷的位置几乎没有电荷．
二、尖端放电
1．空气的电离：导体尖端电荷密度很大，附近的电场很强，强电场作用下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：与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引，而与尖端上电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象．
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．
三、静电屏蔽
静电平衡时，空腔导体内表面没有电荷，导体壳内空腔里的电场强度为0.外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响的作用叫作静电屏蔽．
静电屏蔽的应用：电学仪器外面有金属壳、野外高压线上方还有两条导线与大地相连．
四、静电吸附
1．静电吸附：在电场中，带电粒子在静电力作用下，向着电极运动，最后被吸附在电极上的现象．
2．静电除尘：当空气中的尘埃带电时，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来的过程．
3．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，向作为正极的工件运动，并沉积在工件表面．
4．静电复印：复印机应用了静电吸附的原理，复印机的有机光导体鼓表面涂覆有机光导体(OPC)，无光照时，OPC是绝缘体，受光照时变成导体．
[能力拓展]
一、静电平衡
1．处于静电平衡状态的导体内部场强为零的本质是外电场E0和感应电荷产生的电场E′的合场强为0，即E0＝－E′.
2．孤立的带电导体处于静电平衡状态，内部场强为0的本质是分布在导体外表面的电荷在导体内部的合场强为0.
3．静电平衡时，导体上的电荷分布规律：
(1)净电荷只分布在导体外表面，内部没有净电荷．
(2)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．
(3)净电荷在导体外表面的分布不均匀，一般越是尖锐的地方电荷的分布越密集，如图乙所示．

甲　　　　　　　　　　乙
二、尖端放电　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，矢量和为零．
2．静电屏蔽的两种情况

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的合场强为零，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
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
[随堂演练]
1．以下属于静电防范的是（　　）
A．静电除尘 B．静电复印 C．良好接地 D．静电杀菌
2．如图所示，将一个带正电的小球用绝缘细线悬挂在天花板上，将一个原来不带电的枕形金属壳靠近带电小球。当系统处于平衡状态时，下列分析正确的是（　　）
A．M端带正电 B．金属壳内的电场强度大于0
C．带电小球在N端产生的电场强度为0 D．细线向左偏转
3．如图所示，一个原来不带电的空心金属球，放在绝缘支架上，右侧放一个电荷量为+Q的点电荷，达到静电平衡后，下列说法正确的是（　　）
A．空心金属球的左侧感应出负电荷，右侧感应出正电荷
B．空心金属球最左侧表面的电势等于最右侧表面的电势
C．点电荷Q在空心金属球内产生的电场强度处处为零
D．空心金属球内只有球心处电场强度为零
4．在下列各种措施中，目的是防止静电危害的是（　　）
A．避雷针 B．静电除尘 C．静电喷漆 D．静电复印
5．如图所示，左边是一个原先不带电的导体，右边C是后来靠近导体的带正电金属球，若用绝缘工具沿图示某条虚线将导体切开，分导体为A、B两部分，这两部分所带电荷量的数值分别为QA、QB，则下列结论正确的是（　　）
A．沿虚线d切开，A带负电，B带正电，且QB > QA
B．只有沿虚线b切开，才有A带正电，B带负电，并QB = QA
C．沿虚线a切开，A带正电，B带负电，且QB > QA
D．沿任意一条虚线切开，都有A带正电，B带负电，而QA、QB的值与所切的位置有关
6．有一接地的导体球壳，如图所示，球心处放一点电荷q，达到静电平衡时，则(　　)
A．q的电荷量变化时，球壳外电场随之改变
B．q在球壳外产生的电场强度为零
C．球壳内、外表面的电荷在壳外的合场强为零
D．q与球壳内表面的电荷在壳外的合场强为零
7．如图，在无穷大均匀带正电金属板和负点电荷形成的电场中，金属板接地，金属导体置于负点电荷和金属板之间且在过负点电荷垂直于金属板的直线上，A、B、C是垂线上的三个点且B、C在金属导体表面，B、C两点的电势false______false（填“大于”、“等于”或“小于”），负电荷在A点的电势能小于在B点的电势能，false______false（填“大于”、“等于”或“小于”）。
8．如图所示，一金属球A放在距一带电量为-4.5×10-10C的点电荷0.3m处，求金属球达到静电平衡后，感应电荷在A球球心处产生的场强的大小是______，方向是______。
参考答案
1．C
【详解】
静电除尘，静电复印，静电杀菌属于静电的利用。所以ABD错误；C正确；
故选C。
2．A
【详解】
A．枕形导体的M端感应出正电，N端感应出负电，A正确；
B．静电平衡时，金属壳内的电场强度等于0，B错误；
C．平衡时枕形导体内部场强为零，带电小球在N端产生的电场强度与感应电荷在N点的场强等大反向，即带电小球在N端产生的电场强度不为0，C错误；
D．由于N端带负电，则小球受吸引力，细线向右偏转，D错误。
故选A。
3．B
【详解】
A．因为带正电的点电荷放在球的右侧，则空心金属球的右侧感应出负电荷，左侧感应出正电荷，选项A错误；
B．到达静电平衡时，金属球是等势体，则空心金属球最左侧表面的电势等于最右侧表面的电势，选项B正确；
C．达到静电平衡时，点电荷Q在空心金属球内产生的电场强度与感应电荷在金属球内产生的场强的合场强为零，选项C错误；
D．达到静电平衡时，空心金属球内各点的电场强度均为零，选项D错误。
故选B。
4．A
【详解】
避雷针是防止静电的危害；静电除尘、静电喷漆和静电复印都是利用静电。
故选A。
5．D
【详解】
由题意可知，静电感应现象使得A端带正电，B端带负电。导体原来不带电，只是在C的电荷的作用下，导体中的自由电子向B部分移动，使B部分多带了电子而带负电；A部分少了电子而带正电。根据电荷守恒可知，A部分转移的电子数目和B部分多余的电子数目是相同的，但由于电荷之间的作用力与距离有关，距离越小，作用力越大，因此更多的电子容易转移到最接近C的位置，导致电子在导体上分布不均匀，从B端到A端，电子分布越来越稀疏，所以从不同位置切开时，QA、QB的值不同。
故选D。
6．D
【详解】
A．由于球壳接地，在静电平衡后，球壳与大地是等势体，所以球壳外的电场为0，不随q的变化发生变化，A错误；
B．平衡状态后，q与球壳内表面的电荷在壳外的合场强为零，q单独在球壳外产生的电场强度不为零，B错误；
C D．金属球壳外表面接地，所以球壳外表面不带电，内表面带与q相反电性的电荷，当到达静电平衡状态后，q与球壳内表面的电荷在壳外的合场强为零，故C错误，D正确。
故选D。
7．等于 等于
【详解】
金属导体放在电场中，处于静电平衡状态，整个导体是一个等势体，表面是一个等势面，所以B、C两点的电势关系为false，由电势能公式false在负电荷在B点的电势能等于在C点的电势能，即false。
8．45N/C 方向向右
【详解】
[1][2]点电荷q在A球球心处产生的场强的大小为
false
方向向左。根据静电平衡导体的特点可知，感应电荷在A球球心处产生的场强的大小是45N/C，方向是向右。

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