静电导体

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简介

静电学领域可以追溯到公元前 600 年。当时人们已经通过摩擦作用了解了电。但这一物理学领域的数学公式化是在 18 世纪后期随着库仑静电定律的出现而发生的。然后，静电学领域成为一个正式的研究领域。

后来，随着麦克斯韦方程式的发现，人们发现电场和磁场是同一枚硬币的两面。在本教程中，我们将深入探讨导体的基本静电特性及其背后的原因。

什么是导体？

理想导体是一种具有无限供应自由电子的材料介质。这种材料的磁化率理想情况下是无限的，这意味着在材料“主体”内部产生的电场被感应电荷完全抵消，使材料的电场为零。

但理想导体并没有无限量的自由电子。但它们确实非常接近理想假设。实际导体中的单个原子将包含一个自由电子。

对于几乎所有实际情况，这将相当于阿伏伽德罗数目的自由电子。而这个数字大到天文数字，可以认为它们是完美的导体。

导体内部的电场

Qbrodsky，导体内部的电场，CC BY-SA 4.0

库仑静电定律

库仑静电定律指出，两个带电粒子之间的静电力与电荷大小的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。对于同种电荷，力的方向背离点粒子；对于异种电荷，力的方向指向彼此。该定律的数学表达式可以写成：

$$\mathrm{F=K\frac{q_1q_2}{r^{2}}\hat{r}}$$

其中，

K 是比例常数 $\mathrm{(8.9\: \times\:10^9\:Nm^{2}\:C^{-2})}$

$\mathrm{q_1\:,q_2}$ 是点带电粒子的量级

r 是带电粒子之间的分离距离

$\mathrm{\hat{r}}$ 是指向连接点粒子的线的单位向量

此定律不适用于运动的带电粒子。当带电粒子开始运动时，由于空间收缩，它们周围的电场开始扭曲。

这是一个相对论效应。此外，还需要在力表达式中包含额外的磁场。因此，该定律仅适用于静止带电粒子。

导体的静电特性

• 放置在静电场中的导体将倾向于抵消材料主体内部的电场。这是因为导体中的电子完全不受约束，可以自由移动，从而抵消任何外部电场。如果有一些残余电场没有被抵消，则电子将四处移动，这意味着我们不再处理静电学。我们必须等到移动的电子通过完全抵消电场而稳定下来。因此，在静电学中，导体内部的电场为零。

• 体电荷密度在导体内部为零。这是高斯定律的基本结果，根据该定律，电场与体电荷密度成正比。由于导体内部没有电荷，因此体电荷密度为零。这意味着导体内部没有电场。

• 留在导体上的任何电荷都将驻留在表面上。这仅仅是因为这是唯一能够最大程度地降低电位的配置。因此，它是最有利的配置。

• 导体正外部的电场垂直于表面。这是因为，如果存在任何导致电荷加速的电场的切向分量，那么它将不再是静电学。因此，分布在导体表面的电荷将自身排列，使得所有切向分量都被消除。

静电屏蔽

导体内部电场为零这一事实可以用来将空间区域与外部电场隔离开。将空间区域与任何外部静电场隔离开的过程称为静电屏蔽。这是因为施加到导体的外部电场将在表面上感应出等量的带电粒子，这些带电粒子将在导体内部产生自己的电场，从而完全抵消外部电场。

执行此属性的导体称为法拉第笼。现实生活中的例子是汽车。在雷雨天坐在汽车里是安全的，因为击中汽车的闪电会由于静电屏蔽而穿过汽车的车身。另一个例子是同轴电缆的设计。同轴电缆有一根沿着其轴向中心运行的导体，周围环绕着绝缘体，绝缘体进一步被另一根导体包围，该导体将在静电上屏蔽内部主导体。

结论

导体是我们大多数人都熟悉的一类材料。然而，理解它们在应用中的作用需要许多基本的静电概念。导体不仅在静电学领域具有上述应用。即使避雷针也是由导体制成的。它们的原理很简单。假设云带有一些电荷。当将一根与地面连接的尖锐导体放置在建筑物的顶部时，与云相反的电荷将在导体上积聚，并且它将开始释放相反的电荷并使云电离并使其中和。因此，导体的应用是无限的。但是，通过对静电学的基本了解，人们可以轻松理解它们的行为。

常见问题解答

Q1. 当导体与材料摩擦时，它会获得一些电荷吗？

答：不会。这是因为导体中的电荷是自由电子。因此，只要摩擦材料与导体接触，自由电子就会中和产生的任何静电荷。

Q2. 如果导体有自由电子，为什么它会提供电阻？

答：在导体中载流的电子与晶格中的原子以及其他电子发生随机碰撞。这是在导体的电阻随温度升高而增加的事实下进行的。这是由于较高温度下原子热振动的增加，这使得电子的机动性变得更加困难。

Q3. 定义导体的载流量。

答：导体的载流量是指导体在不熔化的情况下可以导通的电流量。这取决于导体的几何形状和制造导体的材料的性质。

Q4. 定义各向同性和各向异性导体。

答：当外部电场施加到导体时，自由电子将通过在导体中产生电流来响应。当响应施加的电场而感应的电流方向与施加的外部电场方向相同，则该导体称为各向同性导体。如果响应施加的电场而感应的电流方向与施加的外部电场方向不同，则该导体称为各向异性导体。

Q5. 什么是超导性？

答：超导性是一种临界现象，其中连接器的电阻在极低的温度下会突然降至零。这种电阻降至零将导致材料的无限电流传导性。这种现象称为超导性，表现出这种特性的导体称为超导体。