第4节 静电的防止与利用

第4节 静电的防止与利用

[学习目标] 1.知道什么是静电平衡状态，理解处于静电平衡状态的导体的特性。2.知道什么是静电屏蔽及其有关应用。3.了解静电吸附原理及其应用。

知识点一 静电平衡 尖端放电

如图所示，不带电的金属导体放到电场中，导体内的自由电子将发生定向移动，使导体两端出现等量异种电荷。请思考下列问题：

(1)自由电子定向移动的原因是什么？定向移动的方向如何？

(2)自由电子能否一直定向移动？为什么？

提示 (1)自由电子受外加电场的静电力作用而定向移动，向着与电场相反的方向定向移动。

(2)不能。感应电荷产生的电场与外加电场反向，阻碍电子的定向移动，当这两个电场大小相等时，电子的定向移动终止。

❶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静电平衡时，导体内部没有净剩电荷，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。

❷尖端放电

(1)空气的电离：在一定条件下，导体尖端周围的强电场使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动，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：所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引，而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷。

(3)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应该尽量光滑，减少电能的损失。

1.对静电平衡的三点理解

(1)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果，达到静电平衡时，自由电荷不再发生定向移动。

(2)金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。

(3)导体达到静电平衡后内部电场强度处处为零是指外电场E与导体两端的感应电荷产生的附加电场E′的合电场强度为零，E′＝－E。

2.处于静电平衡时的导体上的电荷分布特点

(1)净电荷只分布在导体表面，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)净电荷在导体表面分布不均匀，导体表面尖锐处电荷分布密集，平滑处电荷分布稀疏，凹陷处几乎没有电荷，如图乙所示。

3.处于静电平衡的导体周围的电场分布情况

电场线与导体表面垂直。静电平衡的导体尖端电荷集中，电荷电场线密集。 4.感应电荷电场强度的求解思路

(1)先求解外电场在该处电场强度的大小和方向。

(2)再利用导体内部合电场强度处处为零和电场的叠加原理，求解感应电荷在该处的电场强度，此电场强度与外电场的电场强度大小相等，方向相反。

对静电平衡的理解

【例1】 如图所示，把一个架在绝缘支架上的枕形导体放在正点电荷形成的电场中，导体处于静电平衡状态。下列说法正确的是 ( )

A.导体内部A点的电场强度大于B点的电场强度

B.感应电荷在A、B两点产生的附加电场强度EA＝EB

C.感应电荷在A、B两点产生的附加电场强度EA

D.当开关S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动

答案 D

解析 枕形导体在正点电荷附近，出现静电感应现象，导致电荷重新分布，因此在枕形导体内部出现感应电荷的电场与点电荷的电场叠加，静电平衡时，导体内部电场强度处处为零，A错误；导体内部的电场强度处处为零，所以感应电荷产生的附加电场强度的大小与点电荷产生的电场强度的大小相等，方向相反，故EA>EB，B、C错误；当开关S闭合时，电子从大地沿导线向导体移动，D正确。

处于静电平衡的导体的电荷分布

【例2】 一个带绝缘底座的空心金属球A带有4×10－8 C的正电荷，上端开有适当小孔，绝缘柄的金属小球B带有2×10－8 C的负电荷，使B球和A球内壁接触，如图所示，则A、B带电荷量分别为( ) A.QA＝1×10－8 C QB＝1×10－8 C

B.QA＝2×10－8 C QB＝0

C.QA＝0 QB＝2×10－8 C

D.QA＝4×10－8 C QB＝－2×10－8 C

答案 B

解析 B球与A球内壁接触后成为一个新的导体，处于静电平衡状态，内部的电荷量为零，带电导体的电荷只能分布于导体的外表面，故QB＝0，QA＝4×

10－8 C－2×10－8 C＝2×10－8 C，B正确。

【训练1】 (2022·河北衡水中学月考)矩形金属导体处于正点电荷Q产生的电场中，静电平衡时感应电荷产生的电场在导体内的电场线分布情况正确的是( )

答案 A

解析 导体处于静电平衡状态时，导体内部电场强度处处为0，感应电荷在导体内部某处产生的电场与场源电荷Q在此处产生的电场电场强度大小相等，方向相反，故A正确，B、C、D错误。

知识点二 静电屏蔽

在如图所示的实验中，验电器的金属箔片能张开吗？为什么？

提示 A中不会张开，金属网可以屏蔽外电场；

B中会张开，因为金属网未接地，网内的带电体可以对外界产生影响；

C中不会张开，因为金属网已接地，网内的带电体对网外无影响，网外的带电体对网内也无影响。

❶静电屏蔽

静电平衡时，空腔导体内表面没有电荷，导体壳壁内的电场强度为0。外电场对壳内的仪器不会产生影响，金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。

❷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。

【思考】

超高压带电作业的工人穿戴的工作服(图)，为什么要用包含金属丝的织物制成？

提示 通过静电屏蔽保证工人带电作业时的安全。

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 类别 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电场强度为零，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导入大地，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

【例3】 如图所示，放在绝缘台上的金属网罩B内放有一个不带电的验电器C，若把一带有正电荷的绝缘体A移近金属罩B，则( )

A.金属罩B的内表面带正电荷

B.金属罩B的右侧外表面带正电荷

C.验电器C的金属箔片将张开

D.金属罩B左、右两侧电荷电性相同

答案 B

解析 金属罩B处于静电平衡状态，电荷分布在其外表面上，A错误；由于静电感应，使金属罩B在左侧外表面感应出负电荷，所以金属罩B的右侧外表面感应出正电荷，B正确，D错误；由于静电屏蔽，金属网罩内电场强度为零，故验电器C上无感应电荷，验电器C的金属箔片不会张开，C错误。

【训练2】 将悬挂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，如图所示，下列说法正确的有( )

A.A往左偏离竖直方向，B向右偏离竖直方向

B.A的位置不变，B往右偏离竖直方向

C.A向左偏离竖直方向，B的位置不变

D.A和B的位置都不变

答案 B

解析 带正电的小球A放在不带电的空心球C内，通过静电感应，空心球外壳带正电，内壁带负电，因此，金属空心球C的外表面和带电小球B带异种电荷，所以B受C球的吸引往右偏离竖直方向，而由于空心球C能屏蔽小球B所产生的外部电场，因此A球不受B球电场的影响，而保持竖直位置不变，选项B正确。

知识点三 静电吸附

油罐车尾部都装有导电拖地带，你知道这是为什么吗？

提示 油罐车在运输过程中，油与桶壁的摩擦、车身与空气的摩擦都会产生静电，导电拖地带的作用是及时地把静电导走，防止产生电火花而发生爆发。

❶静电吸附

在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后被吸附在电极上的现象。

❷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。

❸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。

❹静电复印

复印机应用了静电吸附，复印机的有机光导体鼓表面涂覆有机光导体(OPC)，没有光照时，OPC是绝缘体，受到光照时变成导体。

1.静电的应用

利用静电的性质 应用举例

利用静电能吸引较小物体 静电复印、静电喷漆、静电喷雾、激光打印、静电除尘

利用高压产生的电场 静电保鲜、静电灭菌、农作物种子处理

利用放电产生物 臭氧防止紫外线、氮合成氨

2.静电的防止

防止静电危害的基本办法是尽快把产生的静电导走，避免越积越多。

防止静电的途径主要有：

(1)避免产生静电，例如，在可能情况下选用不易产生静电的材料。

(2)避免静电的积累，产生的静电要设法导走，例如，增加空气湿度、接地等。

【例4】 (多选)如图所示为静电除尘示意图，在M、N两点间加高压电源时，金属管内的空气被电离，电离出的电子在静电力的作用下运动，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电荷，因而煤粉被吸附到管壁上，排出的烟就清洁了。就此示意图，下列说法正确的是( )

A.N接电源的正极 B.M接电源的正极

C.电场强度EB>EA D.电场强度EB

答案 AC

解析 电子附着在煤粉上，使煤粉带上负电荷，煤粉若能吸附在管壁上，说明管壁带正电荷，因此可知N接电源正极，A正确，B错误；金属棒与金属管可看成圆柱电极与圆环电极，电场线分布情况如图所示。由图可知金属棒附近的B点处电场线较密，而靠近金属管壁的A点处电场线较疏，故B处的电场强度比A处的电场强度大，即EB>EA，C正确，D错误。

【训练3】 (多选)如图是某款家用空气净化器及其原理示意图，污浊空气通过过滤网后尘埃带电。图中充电极b、d接电源负极，集尘极a、c、e接电源正极(接地)。下列说法正确的是( )

A.通过过滤网后空气中的尘埃带负电