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第七节 静电现象的应用【教学三维目标】1知道静电感应产生的原因，理解什么是静电平衡状态2理解静电平衡时，净电荷只分布在导体表面且内部场强处处为零3知道静电屏蔽及其应用【重点难点】静电平衡状态 电场中导体的特点【教学方法】 推理归纳法、问题解决法、实验法【教具准备】验电器、法拉第圆筒、有绝缘柄的金属球一个、金属网罩、收音机、感应起电机、导线若干【教学过程】(一)复习提问1、什么是静电感应现象？2、静电感应现象的实质是什么？3、在静电感应时用手摸一下导体，再移走源电荷，则导体带什么电？+ 若将导体接地则情况如何？左端接地呢？(二)新课教学 一、电场中的导体1、金属导体的特征： 由做热振动的正离子和做无规则热运动的自由电子组成2、 静电感应现象+问题：在源电荷的电场中引入金属导体后会对空间各点的场强有影响吗？ 是什么作用使金属内的电子定向移动的？此移动一直进行吗？ 金属导体内部有电场吗？答：使空间电场重新分布 源电荷的电场使导体内部自由电子定向移动静电平衡状态3、 静电平衡：（1）定义：发生静电感应时，导体内的自由电子受到电场力作用而定向移动，使导体中的正负电荷重新分布，这时感应的正负电荷产生的附加电场的场强大小等于外电场，方向相反，使得导体中的合场强为零。导体内的自由电荷不再定向移动的状态，叫做静电平衡状态。注意：应当注意的是外电场既可以是匀强电场也可以是点电荷的电场。如果是点电荷的电场，要注意不同点的场强往往不同，所以感应电场的不同点也就往往不同。金属导体建立静电平衡状态的时间是短暂的。（2）条件： =0。(3)特点：内部的电场处处为零。即 =0。导体表面任何一点的场强方向都跟表面垂直，即电场线与导体表面垂直；带电导体的静电荷只能分布在外导体表面上，且表面的电荷分布与表面弯曲半径有关，尖端部分电荷密度大，该处的场强也大；理论证明：中性导体带电后，由于同种电荷相互排斥，净电荷只能分布在表面反证法：若内部有自由电荷，则内部场强不为0，导体就不是处于静电平衡状态+导体是一个等势体，表面是一个等势面二、静电屏蔽1、定义：静电感应可使金属网罩或金属内的场强为零，遮挡住了外界电场对它们的影响，这种现象叫静电屏蔽。2、静电屏蔽包括两种情况（1）壳内空间的场壳内空间无带电体的情况：不论壳外带电体情况如何，壳内空间各点场强必然为零。壳内空间有带电体的情况：这时壳内空间将因壳内带电体的存在而出现电场。壳的内壁也会出现电荷分布，但是可以证明：这一电场只由壳内带电体及壳的内壁形状决定而与壳外情况无关。也就是说，壳外电荷对壳内电场仍无影响。（2）壳外空间的场壳外空间无带电体的情况：直观解释：壳外壁的感生电荷全部沿接地线流入大地（负），因此它们在壳外激发的场强不复存在。壳外空间有带电体的情况：综上述：封闭导体壳（不论接地与否）内部电场不受壳外电荷的影响，接地封闭导体壳外部分电场不受壳内电荷的影响。记忆方法：1、（网）外不影响（网）内；2、（网）接地，（网）内不影响（网）外。注意：静电屏蔽不是金属网罩把电场挡住，而是金属网罩感应电荷的电场与原电场叠加，合场强为零。三、尖端放电导体尖端的电荷特别密集，尖端附近的电场特别强，就会发生尖端放电 强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象称为尖端放电,他属于一种电晕放电。他的原理是物体尖锐处曲率大，电力线密集，因而电势梯度大，致使其附近部分气体被击穿而发生放电。如果物体尖端在暗处或放电特别强烈，这时往往可以看到它周围有浅蓝色的光晕 . 通常情况下，空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了，空气电离后产生的负电荷就是负离子，失去原子的电荷带正电，叫做正离子。 （对孤立导体）导体表面有电荷堆积时，电荷密度与导体表面的形状有关。在凹的部位电荷密度接近零，在平缓的部位小，在尖的部位最大。当电荷密度达到一定的量值后，电荷产生的电场会很大，以至于把空气击穿（电离），空气中的与导体带电相反的离子会与导体的电荷中和，出现放电火花，并能听到放电声。 如高压线有轮廓的地方，就会出现尖端放电。由于接到电源上，它一边放电，一边不停的提供放电需要的电荷，这种放电会持续下去。 避雷针是另外一个好的例子。高大建筑物上安装避雷针，当带电云层靠近建筑物时，建筑物会感应上与云层相反的电荷，这些电荷会聚集到避雷针的尖端，达到一定的值后便开始放电，这样不停的将建筑物上的电荷中和掉，永远达不到会使建筑物遭到损坏的强烈放电所需要的电荷。雷电的实质是2个带电体间的强烈的放电，在放电的过程中有巨大的能量放出。建筑物的另外一端与大地相连，与云层相同的电荷就流入大地。显然，要是避雷针起作用，必须保证尖端的尖锐和接地通路的良好，一个接地通路损坏的避雷针将使建筑物遭受更大的损失。科学原理在强电场作用下，物体表面曲率大的地方(如尖锐、细小物的顶端)，等电位面密，电场强度剧增，致使它附近的空气被电离而产生气体放电，此现象称电晕放电。尖端放电为电晕放电的一种，专指尖端附近空气电离而产生气体放电的现象。故要观察尖端放电的现象，除了要有足够高的电压外，还必须有适当的形状配合，才容易做到。 尖端效应的产生特点1.在导体的带电量及其周围环境相同情况下,导体尖端越尖,尖端效应越明显。这是因为尖端越尖,曲率越小,面电荷密度越高,其附近场强也就越强。在同一导体上，与曲率小的部位相比，曲率大的部位就是尖端。因此,设备的边.棱.角相对于平滑表面,管道的喷嘴相对于管线，细导线相对于粗导线,人的手指相对于背部等等,前者都可认为是尖端,都容易产生尖端效应。而且,即使带电体没有尖端，而与之相邻近的接地导体具有尖端，它们之间也会产生尖端效应。此时,由于静电感应,在接地体的尖端处会感应出异性电荷,并容易与带电体之间发生放电。 2.尖端放电的形式主要有电晕放电和火花放电两种。在导体带电量较小而尖端又较尖时,尖端放电多为电晕型放电。这种放电只在尖端附近局部区域内进行,使这部分区域的空气电离,并伴有微弱的荧光和嘶嘶声。因放电能量较小,这种放电一般不会成为易燃易爆物品的引火源,但可引起其它危害。在导体带电量较大电位较高时,尖端放电多为火花型放电。这种放电伴有强烈的发光和破坏声响,其电离区域由尖端扩展至接地体(或放电体),在两者之间形成放电通道。由于这种放电的能量较大,所以其引燃引爆及引起人体电击的危险性较大。 3.火花型尖端放电随两极间距的减小而更易发生。这可由击穿电压随极间距离的减小而下降来说明。 4.尖端放电的发生还与周围环境情况有关。环境温度越高越容易放电。因为温度越高，电子和离子的动能越大,就更容易发生电离。另外,环境湿度越低越容易放电。围为湿度高时空气中水分子增多,电子与水分子碰撞机会增多,碰后形成活动能力很差的负离子,使碰撞能量减弱。再者，气压越低越容易放电。因为气压越低气体分子间距越大,电子或离子的平均自由程越大,加速时间越长,动能越大,更容易发生碰撞电离。 尖端效应的危害1.引起火灾爆炸。如上所述,由于火花型尖端放电的放电能量较大,因此很容易引起易燃易爆混合物的燃烧和爆炸,造成重大人身伤亡和财产损失。2.妨碍生产,损坏设备。火花型及电晕型尖端放电都会对生产过程造成不同程度的妨碍，乃至损坏设备。3.静电尖端放电也可造成人体电击。 尖端放电的应用一般的电子打火装置，避雷针，还有工业烟囱除尘的装置都是运用了尖端放电的原理。高大建筑物上都会安装避雷针，当带电云层靠近建筑物时，建筑物会感应上与云层相反的电荷，这些电荷会聚集到避雷针的尖端，达到一定的值后便开始放电，这样不停的将建筑物上的电荷中和掉，永远达不到会使建筑物遭到损坏的强烈放电所需要的电荷。雷电的实质是2个带电体间的强烈的放电，在放电的过程中有巨大的能量放出。建筑物的另外一端与大地相连，与云层相同的电荷就流入大地。显然，要是避雷针起作用，必须保证尖端的尖锐和接地通路的良好，一个接地通路损坏的避雷针将使建筑物遭受更大的损失。 四、静电应用1、静电除尘器：静电除尘是利用静电场的作用, 使气体中悬浮的尘粒带电而被吸附，并将尘粒从烟气中分离出来而将其去除。2、静电分离机(提纯工业原料)3、静电感应卸料器4、静电复印、印刷技术：利用光电导敏感材料在曝光时按影像发生电荷转移而存留静电潜影，经一定的干法显影、影像转印和定影而得到复制件。5、静电喷涂：利用静电吸附作用将聚合物涂料微粒涂敷在接地金属物体上，然后将其送入烘炉以形成厚度均匀的涂层。6、静电纺纱：在纺纱过程中利用静电场对纤维的作用力，使纤维得到伸直、排列和凝聚，并在自由端须条加拈时起到平衡的作用，使纺纱能连续进行。 7、静电植绒：利用静电场作用力使绒毛极化并沿电场方向排列，同时被吸着在涂有粘合剂的基底上成为绒毛制品。8、静电在高技术领域也得到一些应用，主要有：静电火箭发动机属电火箭发动机的一种，与化学火箭发动机不同，所用的能源与工质分开。静电火箭发动机的特点是比冲高、寿命长（可起动上万次，累计工作上万小时），但推力很小，适用于航天器的姿态控制、位置保持和星际航行等。静电火箭发动机的工质（如汞、铯、氢等）从贮存箱经过电离室电离成离子，在引出电极的静电场力作用下加速形成射束。离子射束与中和器发射的电子耦合形成中性的高速束流，喷射而产生推力。推力通常在（0.525）10-5牛之间，比冲达 850020000秒。静电轴承利用电场力使轴悬浮的滑动轴承。用电场力和磁场力共同悬浮的是组合式轴承。因静电轴承需要很高的电场强度，其应用受到限制，只在少数特殊仪表中使用。静电陀螺仪又称电浮陀螺。是陀螺传感器的一种。在金属球形空心转子的周围装有均匀分布的高压电极,对转子形成静电场,用静电力支承高速旋转的转子。这种方式属于球形支承，转子不仅能绕自转轴旋转，同时也能绕垂直于自转轴的任何方向转动，故属自由转子陀螺仪类型。静电场仅有吸力，转子离电极越近吸力就越大，这就使转子处于不稳定状态。用一套支承电路改变转子所受的力，可使转子保持在中心位置。静电陀螺仪采用非接触支承，不存在摩擦，所以精度很高,其漂移率低达10-310-5度/时，是高精度惯性导航系统的重要元件。但它不能承受较大的冲击和振动。其另一缺点是结构和制造工艺复杂，成本较高。静电透镜是电子透镜中的一种。在旋转对称型的若干个导体电极上分别加上一定的直流电压所形成的旋转对称静电场。例如，由等半径或不等半径的双圆筒电极构成的浸没透镜;由等半径或不等半径的3个圆筒或3个光阑构成的单电位透镜,以及由阴极、调制极和阳极构成的阴极透镜。五、例题解析例1、如图所示，一个不带电的金属棒放在一个电量为+Q的点电荷附近，点电荷到金属棒O点的距离为R ，金属棒长为2r则以下错误的是（ B ）R+QOA、点电荷在球心产生的场强仍为B、点电荷在球心产生的场强变为C、金属棒上感应电荷在O点产生的场强大小为，方向由O点指向点电荷D、金属棒上感应电荷在棒内各点产生的场强各不相同例2、如图所示，在两个固定电荷+q和-q之间放入两个原来不带电的导体，1、2、3、4为导体上的四个点，在达到静电平衡后，各点的电势分别是1、2、3、4,则 （ ） A.43,21 B.4=32=1C.4321 D.4=32=1例3、如图所示，将悬在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内（不和球壁接触）另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近，于是（ ）A.A往左偏离竖直方向，B往右偏离竖直方向B.A的位置不变，B往右偏离竖直方向C.A往左偏离竖直方向，B的位置不变D.A和B的位置都不变例4、某一静电实验装置如图所示，验电器A不带电，验电器B的上面安一个几乎封闭的金属圆筒C，并且B内的金属箔片是张开的，现手持一个带绝缘柄的金属小球D，使D接触C的内壁，再移出与A的金属小球接触，无论操作多少次，都不能使A带电，这个实验说明了（ ）A. C是一个等势体（电势处处相等） B. C的内部是不带电的 C. C的内部电势为零 D. C的内部场强为零
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