静电屏蔽作用是不是“只对内而不对外”?

我们先来考虑一个有趣的问题。设有一球心为O的导体球壳,空间可分为导体本身、球壳外及球壳内三个区域。现在来分析两种情况下发生的问题: (1) 若在球壳外任意B点放一点电荷q,则球壳内任意A点的电场強度是否为零? (2) 若在球壳内任意的A点放一点电荷q,则球壳外任意的B点的电场強度是否为零?答     

“电磁学”教学问题两则

1.不接地导体壳内的电荷改变位置不影响壳外电场分布的问题。 在电磁学讨论静电屏蔽时,常出现这样的问题:如图1所示,点电荷q在导体壳内移动位置时,壳外的电场分布是否改变见了这问题采用唯一性定理是易于解决的.但在普通物理范围内,如何解决呢;我们以球形导体壳为例加以说明.如图2所示,设导体壳为球形壳,在球心放置一点电荷q,此时球壳上的电势为当q从球心移到a点(离球心为r)时,设球壳上的电势为U’.由于导体是等势体以及球对称性,q在以r为半径的球面上任一处,导体壳上的电势均为U’。设 电荷Q均匀地分布在半径为r的球面上,则带电为Q 的球…     

空腔导体内、外两个点电荷之间的相互作用力为零吗?

有如图所示的闭合金属壳(即空腔导体)。q1和q2是位于该金属壳内、外的两个点电荷,有人根据空腔导体有屏蔽作用这一性质,认为q1和q2之间的相互作用力为零.这当然是错误的.实际上我们可以证明q2和壳外表面(即S2面)上的所有电荷在空腔内所产生的合场强为零,因而q1所受的这合场强的作用力为零.但这并不是单独一个q2对q1的作用力为零.至于q1对q2的作用力同样也不为零,只是可以证明q1和壳内表面(即S1面)上所有电行在壳外任一点的合场强为零.单独的q1在q2所在处激发的电场场强并不为零,对q2的作用力也不为零.一般所说的静电屏蔽作用,是指壳外电行q…     

结合高斯定理的应用,提高学生分析问题的能力

在讲解高斯定理的应用时,我认为引进下面的习题作为例题进行详细分析,或用来作为作业课供学生讨论用的练习题,对于提高学生分析具体问题的能力、加深对高斯定理内容的理解,并应用于求解D与E是很有益的. 习题:如图-1所示,一带电行Q的金属球壳沉浸在无限大的真空(ε0)与介电常数为ε的介质中,球的上半部为空气,下半部为介质,求: (1)球壳外各区域中任意点之D; (2)球壳外各区域中任意点之E; (3)球壳外各区域中任意点之电位V; (4)球面上各区域的自由面电荷密度的分布; (5)用拉普拉斯方程求解V,以验证(3)的结果.首先作如下的具体分析: (1)这里…     

有关导体球带电问题的探究

新课标《物理3-1》"静电现象的应用"这节,课后有一道有关导体球带电问题的习题.教师在讲解这道题时常常会提出与此类题相类似的问题,假设有半径为R的金属球与地相连接,在与球心相距d＝2R处放一个带正电的点电荷q(q＞0),则球上感应电荷带何种电荷?带电荷量多少?前一个问题用电场中导体的特点及电场线的知识可以得出结论,球带负电且电荷量小于q.那么球带多少电荷量,下面用电磁学知识和数学知识探讨一下这个问题.     

关于用电象法求解角域内静电场的讨论

用电象法解某些特殊边界条件下的静电场问题,可使问题大大简化,其优越性是人所共知的。 设在图一所示的二导体平面Ⅰ、Ⅱ所围成的角域内某处有一点电荷q0,导体上电位U为零。那么角域内的静电场能否用电象法求解呢?这就要解决如下两个问题: (1)在什么条件下,点电荷q0与导体平面所决定的角域内部的场可由q0及其有限个电象的场来代替? (2)在可以用有限个电象代替时,电象的位置及个数如何? 为此,我们查阅了一些有关的书籍和文献,但没有找到严格、完整的解答。因此我们将对此加以进一步的讨论。 首先分析一下求解这类问题的一般步骤:见图一,先对…     

电学—题解

电学—题解解因金属球带电量为Ｑ，由高斯定理及电荷守恒定律可知导体球壳的内表面带电量为－Ｑ，球壳的外表面带电量为＋Ｑ．Ｂ部分受的总力等于Ｂ部分内外二表面所受库仑力的矢量和．在Ｂ部分半径为ａ的球面上任取小面元ｄＳ，如图所示．小面元面积用球坐标表为，则ｄＳ...     

等效思想在静电学中的一个应用

本文利用均匀极化的电介质球周围的电场与自由的余弦型球面电荷周围的电场完全等效这一思想,证明了带有余弦型球面电荷分布的电介质球壳发生均匀形变时,其内部的电场始终保持为方向恒定的均匀场,并进一步求出了带电球壳内电场强度和形变之间的关系.     

对2012年全国高考理综21题的讨论

2012年全国高考理综全国卷有两道题背景相同,一道是新课标卷21题,试题如下.【题目1】假设地球是一半径为R,质量分布均匀的球体.一矿井深度为d.已知质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零.矿井底部和地面处的重力加速度大小之比为     

2012年高考统一考试理综卷第25题评析

题目:(2012高考大纲版第25题)一单摆在地面处的摆动周期与在某矿井底部摆动周期的比值为k.设地球的半径为R.假定地球的密度均匀.已知质量均匀分布的球壳对壳内物体的引力为零,求矿井的深度d.分析:(1)乍一看:此题很简单,由单摆周期公式     

带电细圆环与导体球壳系统的场分布

先依电象法,推导均匀带电圆环在金属导体球壳内的"象电荷";再在球坐标系下,根据电场强度的计算公式与Tay-lor展开式,计算出均匀带电细圆环在全空间的电场分布的级数形式解;进而结合唯一性定理和电场的叠加原理,获得带电细圆环与导体球壳系统的空间场分布.     

导体表面的电荷层有多厚

众所周知,如果导体带电,由于各个电荷互相排斥,所有电荷就会分布在导体表面.这些电荷在整个导体表面上分布成很薄很薄的一层. 自然提出这样的问题:这一电荷层在原则上是无限薄,还是有一定的厚度呢?如果有一定厚度,其数量级多大呢? 为回答这一问题,我们考虑一个带正电的实心球,其半径为a,同时为避免由于原子结构的影响而使问题复杂化,这里暂且假定这个球是一块密实的导体。 假定表面电荷层有一定厚度.那么其分布应是球对称的.考虑距离球心为r的某点P,r相似文献   

等效求解电介质球内退极化场的前提的证明

求解均匀极化的电介质球内的退极化场时,由于球面上极化面电荷分布不均匀,一般都用两等大、原本重叠、带均匀等量异号电荷的球体错开微小位移的模型来等效地求解;但这种模型为何与原情景等效,是令初学者困惑的地方.对此,文章给出了一个简单的证明.     

正确地运用电象法关于电象与原电荷之间的互作用能问题

电像法求解问题的实质,是在求解区域之外寻找一个虚电荷,来等效地代替实际导体面或介质分界面上的感应电荷[1].值得注意的是,(1)必须在求解区域以外找.(2)这个象电荷是个虚假的电荷,不是一个与原电荷无关的独立真实电荷.(3)真实电荷是导体面或介质分界面上的感应电荷,感应电荷的总量并不一定总是等于象电荷.但是在实际应用中,往往忽视后二点,把象电荷视作为与原电荷无关的独立的真实电荷,而把等效替代视作为完全代替,这是不妥当的.下面以一常见的习题例说明之.并由此引出,电象与原电荷之间的互作用能仅仅是把电象换成与它 相同的真实电荷…     

两个带电导体球问题的近似解法

美国大学研究生考题中常有关于带电导体球问题,如:求半径为a相距d的两个带电导体球间电容、相互作用能或作用力;或带电导体球与接地导体平板间电容或作用力;求二球形电极间电阻等。这类问题可以有很多变化,但解法相同。 例1:两半径为a相距d的带等量异号电荷的导体小球,d>>a,求其电容、相互作用能和作用力(准确到　的一次幂)。 分析:由于要准确到　的一次幂,两球间距不能视为无限大。如图1,设球A带正电,球B带负电,由于d>>a,作为零级近似,忽略两球间的静电感应。球外电位可简单地用位于A球球心点电荷q和位于B球球心的点电荷-q激发的电位迭加…     

问题解答

问1:怎样向高三学生解释在绝缘导体上的电荷只分布在它的表面上? 答:为了加深同学的感性认識,我們认为首先作一直观的演示实驗,是恰当的。一个简而易行的演示,可以采用如下的方法实現: A是一个带电的球形金属壳,B是一个驗电球,C是一个金箔驗电器。利用驗电球与金属壳內,外壁各接触一次,然后分别拿到驗电器上去检驗。     

每期一题(工科大学物理试题选登)

一球形电容器的内外金属球壳间充满介电常数为ε的电介质.设该电容器外球壳的半径b 和使用时的最大工作电压 U_0已给定.请设计内球壳的半径使得内外球壳间加上电压 U_0时,内球壳表面附近的电场强度为最小,并计算这时该电容器贮存的电场能量. 每期一题本期解答解法一:设电容器内球壳的半径为 R,内外球壳间加上电压 U_0。时内球壳带有电量Q.根据高斯定理可得内外球壳间任一点处的场强大小为露:一旦一 (R。这表明,内球壳的半径R:÷时,内球壳表面附近处的场强西。最小。这时该电容器的电容为4疆s知c。;ib。4sreb贮存的电场能为-矽。=÷CUp 2srebU;解法二;设电容器内球壳的半径为也内外球壳间加上电压Un时,内外球壳分别带有电量g和一Q.根据球形电容器电容公式得 : ·9:CUo=百4JrebRUo内球壳表面附近处的场强大小为。9En=≥警=丽U丽ob￡ 8 K‘拶一K,欲使童。为最小,令舞=。,解得。,R:旦2并在R=乓一处有—dZE—n>oZ dRz这表明,内球壳的半径R=.冬时,内球壳表面附近处的场强En最小.这时该电容器的电容为4vreb三’’c=—b_!b。4:ceb‘ 2贮存的电场能为 ,形。=妻CU:=2~ebU:     

无限远与大地等电势的条件

要确定静电场中某一点的电势大小,必须首先选定一个电势参考点(电势零点).在一个问题中,一般只选一个参考点.然而,在处理包含接地导体带电系统的问题中,往往同时使用无限远与大地两个参考点,不加证明地将无限远与大地看作等电势.典型的例子是图(一)所表示的两个同心放置的导体球A和B.A球半径为R1,B球壳的内、外半径分别为R2和R3.B球带电为Q,A球接地,求B球的电势. 本题常见的作法是把无限远的电势作为零,同时又承认接地导体的电势也为零,得出内球带电量然而,认为无限远和大地的电势同时为零的理由并不是显而易见的,有必要加以说明. 图(…     

任意形状带电导体表面的场强

 一、导体表面的实际场强静电平衡状态下任意形状带电导体的电荷一定分布在导体表面,实际的电荷层厚度不可能为零。带电导体表面的场强,是对电荷层外表面而言的。用高斯定理求解导体表面的场强时,要么承认电荷层有厚度,考察点可以贴着导体表面,也可以在导体外并无限接近表面;要么把电荷层当作厚度为零的面电荷,则考察点必须在导体外并无限接近导体表面。这两种思维方式都是为了过考察点做平行于表面的高斯面时,把考察点附近区域的电荷置于高斯面内,二者对求解导体表面的实际场强是等价的。当考察点处电荷面密度为σ,可得该处表面场强大小E=σε0,方向垂直于该处的表面(σ电性为正时向外,为负时向内)。     

等势条件下两带电导体球的电荷分布

本文通过多重镜像法求解了等势条件下两个带电导体球的电荷分布问题,主要关注两球的电荷量以及平均面电荷密度随两球半径和两球间距的关系.通过选择合适的坐标,给出两导体球接触时,n级镜像电荷电量和位置的通式,及总电量的解析表达式.研究发现,当两导体球直接接触时,两球所带的电荷量可以严格求解,并给出了两球的电荷量之比表达式.随着两等势导体球间距的增大,两球所带的电荷量之比趋于半径之比.本文还讨论了一个导体球的半径趋于0的极限情况,小球与大球的电荷量之比趋于0,平均面电荷密度之比在两球不直接接触时趋于无穷大,而在两球直接接触时趋于π²/6.