静电平衡中的导体

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引言

静电平衡中的导体在静电屏蔽物体方面起着重要作用。质子、电子以及其他亚原子粒子的运动会导致电荷从一个地方转移到另一个地方，从而产生通过物质流动的电流。粒子之间静电力产生的相互作用使电荷能够轻松地在材料内部移动。因此，导体是可以允许电荷以最小电阻流动的物质，即具有不与原子键合的自由电子的物质。

什么是静电平衡？

我们都知道平衡意味着稳定或没有变化。“静电平衡”是指导线上的电荷分布如此平衡以至于导线内的电场消失，或者我们可以说导体没有经历任何净电荷运动。

静电平衡中导体的特性。

当导体处于静电平衡状态时，它表现出以下特性。

• 在静电平衡状态下，导体内部没有电场。导体的内部电场始终为零，无论其形状如何。

• 孤立的导体只有在其表面上带有电荷，因为它没有与任何其他导体紧密接触。

• 带电导体的直接电场与导体表面垂直相交。电场强度是该点表面电荷密度σ与$\mathrm{ε_0}$的比率。

静电平衡状态下导体表面的电荷量是多少？

当我们讨论静电平衡中的导体时，整个电荷均匀地分布在导体的表面。

为了证明这一点，我们可以使用高斯定律。根据高斯定律，电场在一个特定表面的某一部分上为零。处于静电平衡状态的导体在其内部绘制了一个高斯面以方便分析。

高斯面是一个虚构的表面，用于保持导体的电势恒定。由于导体的内部电通量已为零，因此高斯面的内部通量也将为零，导致电荷在导体表面积聚。

静电平衡状态下导体内部的电场是多少？

当导体具有可及的电场时，它会继续对材料的自由电子施加力。然后释放的电子会加速。但是，我们正在讨论静电平衡，因此移动的电荷表示非静态情况。

此外，导体内部和周围的电场也受极化的影响。极化发生在附近存在外部电荷时。这会导致导体内部和表面的正电荷和负电荷排列。但是，极化不会导致电子或质子在没有任何传导的情况下运动，而是通过电力影响它们的稳定性和位置。

此外，另一个重要因素是极化是由于电子和质子的运动由于传导而引起的，除了外部电场之外还会产生电场。

因此，在一个任意点上，电场是由三个因素造成的：外部电荷和$\mathrm{-\sigma_a}$和$\mathrm{-\sigma_b}$感应电荷。但是，在这种情况下，导体表面上的电荷分布不均匀。

因此，如果我们计算P点的总场

$$\mathrm{\overrightarrow{E_p}=\overrightarrow{E_A}+\overrightarrow{E_B}+\overrightarrow{E_q}}$$

但我们知道高斯定律指出，位于导体体积内的高斯面内的净电荷始终为零。

因此，导体内部没有净电场。

静电平衡状态下导体表面电场的方向是什么？

在静电平衡状态下，导体表面的电场完全垂直于表面，这是该状态下导体的另一个特性。电场不能具有平行于地面的分量。如果导电物体是圆锥形的，则法向电场矢量的方向与圆的中心一致。在任意方向的物体上的任何一点，电场矢量都与在该点绘制到地面的切线正交。

导体外部任何点的电场强度为

$$\mathrm{E=\frac{\sigma}{\varepsilon_0}}$$

可以使用高斯定律观察电场垂直于导体表面的关系。因此，我们以不对称的方式考虑高斯面，使得通量平行于导体的一部分，并垂直于表面高度弯曲的一小部分。由于存在磁场，我们可以看到静电平衡将保持在表面垂直的点。

因此，如果我们从数学上检查通过该区域的通量是电场$\mathrm{\vec{E}}$和$\mathrm{\vec{dA}}$的点积。点积为零，这表明两者相互垂直。

结论

静电平衡中的导体是电荷粒子没有净运动的状态。另一方面，如果我们关注导体在静电平衡下的性质，我们会发现导体体积内的电场强度和电荷量为零。此外，电场方向始终垂直于导体表面。

常见问题

Q1. 静电平衡中的导体有哪些应用？

A1. 静电平衡中的导体具有一些独特的特性，例如它在体积内没有电荷和电场，这可以用于防止雷雨中的闪电，此外，它也是法拉第笼的重要原理。

Q2. 我们有两个平行导电板，其表面电荷密度大小为$\mathrm{5.5×10^{-5}\:C/m^2}$。此外，两板之间的距离为5毫米。板间电场强度是多少？

A2. 这里我们有两个带相反电荷的板。板上的电荷密度为$\mathrm{5.5×10^{-5}\:C/m^2}$。因此，电场可以由下式给出

$$\mathrm{\overrightarrow{E}=\frac{\sigma}{\varepsilon_0}}$$

$$\mathrm{\overrightarrow{E}=\frac{5.5×10^{-5}\: C/m^2}{8.85×10^{-12}C^2/Nm^2}= 6.21×10^{-6} N/C}$$

正电荷产生上述强度的电场，但也存在负电荷密度更高的板。结果，板之间的电场为零，因为它们在两块板上大小相等但方向相反。

Q3. 我们如何确定静电平衡的状态？

A3. 当您观察到多余的电荷开始远离以减少排斥力时。因此，导体处于静电平衡状态。

Q4. 什么是静电？

A4. 研究由静止或非常缓慢流动的电荷引起的电场的影响。