靜電平衡下的導體

　　靜電現象是指放在電場中的導體達到靜電平衡的現象，其特點有導體內部場強處處為零，導體為等勢體，導體表面為等勢面；導體表面的場強與導體表面垂直；導體內部沒有凈電荷。筆者從以下兩方面來說明靜電平衡的現象，希望對學生的理解有所啟發。
　　 一、要緊緊抓住電場強度的概念，弄清靜電平衡的基本原理
　　 金屬原子的最外層電子受到原子核的吸引力便十分微弱，在一塊金屬中，某原子的最外層電子在其余原子的作用下，會很容易脫離原來的原子，而在整塊金屬中游蕩，成為自由電子。剩余部分叫金屬陽離子，它只能在自身的平衡位置附近做無規則的振動。整塊金屬呈電中性。
　　 當把呈電中性的金屬導體放入電場強度為E0的靜電場中時，導體中的自由電子受到與電場E0方向相反的電場力F=eE0的作用，除了做無規則的熱運動外，還要向電場E0的反方向做定向移動。如圖1中的甲圖所示，
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　自由電子在導體的AB面集結，使AB面出現負電荷，而相對的CD面出現“過剩”的等量正電荷，如圖1中的乙圖所示。此時兩側面出現的正、負電荷在導體內部產生的電場E′（圖中E′用黑虛線箭頭表示）與E0反向，此時自由電子又受到電場力F′=eE′的作用，F與F′方向相反，當E′=E0時，導體內合場強E=0，自由電子受到的合力也為零，這時導體中無電荷定向移動，如圖1中丙圖所示，從而得到處于靜電平衡狀態的導體內部電場強度處處為零的結論，在導體內部移動電荷不做功，此時導體也是等勢體。
　　 二、通過適當練習，提高分析問題的能力
　　 要通過適當的變式練習，使學生從多個側面加深對導體中的電場處處為零的理解，并能舉一反三地解決問題。為此，筆者設計了如下程序題組，來加深學生對靜電平衡下導體的理解。
　　
　　
　　
　　 例1．如圖2所示，在孤立點電荷+Q的電場中，金屬圓盤A處于靜電平衡狀態，若金屬圓盤平面與點電荷在同一平面內，試在圓盤作出由盤上感應電荷形成的附加電場的三條電場線（用實線表示，要求嚴格作圖）。
　　
　　
　　
　　 解析：導體A處于靜電平衡狀態，因此內部每點的合場強都為零，即導體A內的每一點，感應電荷產生的電場強度都與點電荷+Q在那點的電場強度大小相等、方向相反，即感應電荷的電場線與點電荷Q的電場線重合，且方向相反。三條電場線如圖3中實線所示。
　　
　　
　　
　　
　　
　　 例2．如圖4所示，一個不帶電的絕緣導體P正在向帶負電的小球Q緩慢靠近（不接觸，且未發生放電現象），則下列說法正確的是（ ）
　　 A．B端的感應電荷越來越多
　　 B．導體內場強越來越大
　　 C．導體上的感應電荷在C點產生的場強始終大于在D點產生的場強
　　 D．感應電荷在C、D兩點產生的場強相等
　　 解析：導體P向負電荷Q靠近的過程中，導體所處的外加電場的場強增大，導體內的自由電荷將定向移動，使兩端的電荷增加，所以選項A是正確的。
　　 由于導體處于靜電平衡狀態，感應電荷產生的場強與場源電荷產生的場強大小相等、方向相反，合場強為零。由于C點離電荷Q近，D點離電荷Q遠，根據點電荷電場場強分布規