关于《静电的防止与利用》重难点的理解

>>>王 璐

《静电的防止与利用》是人教版（2019年）高中物理必修三第九章第4节的内容，内容要求为：了解生产生活中关于静电的利用与防护。分析讨论静电在激光打印、静电喷雾和静电除尘等技术中的应用。知道在有可燃气体、粉尘的环境中如何防止静电事故。对于本节重难点的理解和应用，我们可以从以下三个方面逐一突破。

一、对静电平衡概念的理解

掌握静电平衡的概念、理解处于静电平衡状态下导体的特征是本节的重点。

我们要理解什么是静电感应现象：把不带电的金属导体放入电场中，导体内自由电荷在电场力的作用下定向移动，而使导体两端出现等量异种电荷的现象，被称为静电感应现象。放入电场中的金属导体内部最终会达到一个由感应电荷形成的电场，且与原电场叠加达到合场强为零的状态，这种状态下导体内部自由电荷由于不受电场力的作用，将不再发生定向移动，但做无规则运动。

静电平衡的概念为：当导体内部（包括表面），自由电子不再发生定向移动，我们就认为导体达到了静电平衡状态。对于“包括表面”可以这样理解：如果表面的电荷再发生定向移动，导体内部形成的感应电场将重新分布影响合场强，合场强不再为零，电荷将继续重新分布，直到合场强为零，因此，处于静电平衡状态下，导体外表面的电荷不会再发生定向移动。根据静电平衡的概念，我们还能发现除放入电场中的金属导体外，孤立的带电体，如带正电小球，也处于静电平衡状态，因为其内部同样无电荷发生定向移动。

当导体达到静电平衡状态后，内部场强处处为零，这是指电场的电场强度与导体表面感应电荷产生的电场强度的矢量和为零，而不是导体表面的感应电荷在内部产生的电场强度为零，外电场在导体内部某点产生的电场强度，与没有导体时在该点产生的电场强度相同。

二、对于静电平衡状态下导体特征的理解

第一，我们要熟知静电平衡状态下导体的特征：①处于静电平衡状态的导体内部电场处处为零；②处于静电平衡状态的整个导体是一个等势体，它的表面是一个等势面；③导体表面的电场强度不为零，表面的电场强度方向跟导体表面垂直。

其中，关于导体内部电场处处为零，我们可以用反证的方法进行理解—若内部场强不为零，则自由电荷将继续发生定向移动，直到形成的合场强为零，不再发生定向移动为止。

“整个导体是一个等势体，它的表面是一个等势面”—由于静电平衡状态下的导体内部合场强处处为零，在其内部移动电荷，电场力为零，不做功，则电势能不变，由此可推断出各处电势相等，整个导体是一个等势体。

第二，同学们要能根据静电平衡状态导体的特征推出导体上电荷的分布特点：①处于静电平衡状态的导体内部没有净电荷，电荷只分布在外表面；②在导体表面越尖锐的位置单位面积上的电荷量（电荷密度）越大，而凹陷的位置几乎没有电荷。

“净电荷”—我们可以理解为正负电荷中和后的剩余电荷。对于静电平衡状态下的导体我们主要研究两种情况：

（1）放入电场中的金属导体。由于本身呈电中性，在导体两端分别聚集等量异种电荷后，内部正负电荷中和，故无净电荷。

（2）孤立的带电导体。例如：带正电金属小球，由于同种电荷相互排斥，所有带正电的净电荷都被相互排斥到远端（表面），内部无净电荷。同样我们也可以假设一个带正电、形状为五角星的薄金属板，由于正电荷相互排斥到最远，最后正电荷将大量分布在五个尖端位置，而凹陷处，几乎没有净电荷。对此现象我们可以用“法拉第圆筒”“尖形布电器”等实验仪器进行验证。

三、关于静电防止与利用的理解

在课本第22页练习与应用中提到印刷厂中，纸张之间摩擦带电，会使纸张吸附在一起，给印刷带来麻烦；印染厂里染织物上带静电，会吸附空气中的尘埃，使印染质量下降；制药生产中，由于静电吸引尘埃，使药品达不到预定纯度。

当电荷积累到一定程度，就会产生火花放电，静电会带来更严重的危害。比如：医院手术台上，静电火花有可能引起麻醉剂爆炸；装载汽油或柴油等液体燃料的卡车，在灌油和运输过程中，燃料与油罐摩擦带电，静电积累到一定程度会产生电火花引发爆炸；矿井中的火花放电会引起可燃气体爆炸，造成重大事故；天空中的飞机与空气摩擦而带的静电如果在着陆过程中没有释放，当地面上的人接近机身时，人与飞机之间可能会产生火花放电，严重时能将人击倒。

关于静电的防止，我们可以从“防”和“放”两方面入手。“防”指控制静电的产生；“放”指把产生的电荷尽快导走。我们应该尽量选用不容易摩擦起电的物品，并且增加环境湿度，使局部的静电容易释放，防止静电的积累。

以上现象都是静电给我们的生产和生活带来的不便，此部分内容做简单了解即可。

关于静电的利用，课本主要分为三种：尖端放电、静电屏蔽、静电吸附，这部分内容要做重点理解。由于此部分内容与实际生活联系较多，建议同学们在学习的过程中多观察，积极搜集一些身边常见的应用相关原理的案例，并动手制作一些简易实验，以加深对于此部分内容的理解。

（一）尖端放电

尖端放电的原理是物体尖锐处曲率大、电场线密集，致使其附近部分气体被击穿而发生放电。我们知道通常情况下，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，就有可能被“撕”开，这个现象叫作空气的电离。由于电离后的空气中有自由移动的电荷，空气就可以导电了，进而形成尖端放电。

对于尖端放电的应用，如一般的电子打火装置、避雷针工业烟囱除尘装置，都是应用尖端放电的原理；关于尖端放电的防止，如高压设备中，导体的表面尽量光滑，可以减少电能的损失。同学们比较感兴趣的避雷针的工作原理为：当带电的雷雨云接近建筑物时，避雷针由于静电感应出现与云层相反的电荷，通过尖端放电，这些电荷不断向大气进行释放以中和空气中的异种电荷，达到避免雷击的目的。

（二）静电屏蔽

静电屏蔽的定义指，当金属壳达到静电平衡状态时内部没有电场，因而金属壳会对其内部起保护作用，使内部不受外部电场的影响。静电屏蔽的实质是金属壳内感应电荷的场强和外加电场的场强矢量和为零，好像金属壳将外电场挡在外面。

关于静电屏蔽可以分为外屏蔽和内屏蔽两种，外屏蔽是指导体内部不受外电场影响，其原理如图1和图2所示。内屏蔽是指封闭导体壳内部电场对外部空间没有影响，其原理如图3和图4所示。

图1

图2

图3

图4

静电屏蔽的应用主要有：电学仪器和电子设备外面都会有金属罩，通讯电缆外面有一层铅皮，这些都可以防止电场的干扰；电工高压带电作业时，穿戴金属丝网制成的衣、帽、手套、鞋子，与孕妇服的防辐射效果一样，可以对人体起到静电屏蔽的作用；同样，飞机在云层之间飞行或者起飞、着陆时都有可能遭遇雷击，但由于飞机外壳是金属的，可以实现静电屏蔽的目的：当飞机遭遇雷击时，电流从雷电云达到飞机头部，纵向流过机身外壳，最后从机尾凌空打到地上；或从其中一个机翼打到另一个机翼，电流横向流过机身，但不管怎样闪电都只会沿着飞机外壳流过，而不会进入机内对乘客造成危害。

（三）静电吸附的应用

1.静电喷涂

汽车、机械、家用电器等行业要在产品表面进行雾化喷漆，但是雾化的油漆利用率非常低。所以人们发明了静电喷漆，即在高压静电场的作用下，使从喷枪喷出来的漆雾带上电荷，这种带电的漆雾，向带异种电荷的工件表面吸附，沉积成均匀的涂膜。静电喷涂的优点是涂层质量高、涂粒利用率高、对使用者的操作技巧要求低等。

2.静电除尘

静电除尘的结构如图5，将高压电源的正极接在金属圆筒A上，负极接到悬挂在管心的金属线B上。静电除尘的原理是设法让烟气中的煤粉带负电，利用静电场的作用，使气体中悬浮的尘粒带电而被吸附在烟囱壁的正极上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中，将尘粒从烟气中分离出来进而去除，此方法可用于各种工厂的烟气除尘。

关于静电的防止与利用，同学们可以尝试按课本第22页图9.4-10的原理进行静电除尘小实验，加强对原理的理解，再想一想如果正负极交换，除尘效果又将如何？

图5

3.静电复印、静电植绒

静电复印利用正、负电荷的吸引力进行油墨转移，核心部件是一个有机光导体鼓的金属圆柱，其表面被涂上有机光导体(OPC)，没有光照射时，OPC是绝缘体，受到光照时变成导体。

静电植绒工作原理：利用电荷之间同性相斥、异性相吸的性质，通过使绒毛带上负电荷，令绒毛被吸引到带正电的被植体表面上。

总体来说，静电感应现象的具体应用，主要涉及静电平衡状态下导体的特点及静电在生产生活中的应用与防护，是前面所学内容的综合及拓展，涉及静电平衡、静电屏蔽、尖端放电等，内容抽象，在学习过程中需要加强抽象思维的训练。这部分内容与生产生活、科技进步、社会发展密切相关，希望同学们能多观察，增强解决简单实际问题的能力。