6.1.1 静电感应静电平衡
导体就是具有大量能够自由运动的带电粒子、在外电场作用下能够较好地传导电流的物质。本章只讨论金属导体。
从微观角度来看,如图6.1所示,金属导体是由带正电的晶格和带负电的自由电子构成的,晶格不动,相当于骨架,而自由电子可自由运动,充满整个导体。从宏观上看,当没有外电场时,导体中的正负电荷等量均匀分布,无论是整个导体还是其中一部分,都呈电中性。自由电子只做微观的热运动,没有宏观的定向运动。
图6.1 金属导体
如图6.2所示,若把金属导体放在外电场中,例如,把一块金属板放在电场强度为E 0的匀强电场中,导体中的自由电子在做无规则热运动的同时,还将在电场力作用下做宏观定向运动,自由电子逆着电场方向移动,从而使导体中的电荷重新分布。电荷重新分布的结果使得金属板两侧会出现等量异号的电荷。这种在外电场作用下,引起导体中电荷重新分布而呈现出的带电现象,叫作静电感应现象,对应的电荷称为感应电荷。
图6.2 静电感应
感应电荷在金属板的内部建立起一个附加电场,其电场强度E′和外在的电场强度E 0的方向相反,这样金属板内部的电场强度E就是E 0和E′的叠加。开始时E′＜E 0,金属板内部的电场强度不为零,自由电子会不断地向左移动,从而使E′增大。这个过程一直延续到金属板内部的电场强度等于零,即E=E 0+E′=0时为止。这时,导体上没有电荷做定向运动,导体处于静电平衡状态(图6.3)。
图6.3 静电平衡
不管导体原来是否带电和有无外电场的作用,导体内部和表面都没有电荷宏观定向运动的状态称为导体的静电平衡状态。因此,当导体处于静电平衡状态时,就必须满足以下条件(从场强角度表述):
①导体内任一点,场强E=0(否则导体内部有电荷运动);
②导体表面上任一点E与表面垂直(否则导体表面有电荷运动)。
导体的静电平衡条件也可以从电势角度表述:
①导体内各点电势相等;
②导体表面为等势面。
用一句话概括说:静电平衡时导体为等势体。