關(guān)于《靜電的防止與利用》重難點的理解

>>>王 璐

《靜電的防止與利用》是人教版（2019年）高中物理必修三第九章第4節(jié)的內(nèi)容，內(nèi)容要求為：了解生產(chǎn)生活中關(guān)于靜電的利用與防護。分析討論靜電在激光打印、靜電噴霧和靜電除塵等技術(shù)中的應(yīng)用。知道在有可燃氣體、粉塵的環(huán)境中如何防止靜電事故。對于本節(jié)重難點的理解和應(yīng)用，我們可以從以下三個方面逐一突破。

一、對靜電平衡概念的理解

掌握靜電平衡的概念、理解處于靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特征是本節(jié)的重點。

我們要理解什么是靜電感應(yīng)現(xiàn)象：把不帶電的金屬導(dǎo)體放入電場中，導(dǎo)體內(nèi)自由電荷在電場力的作用下定向移動，而使導(dǎo)體兩端出現(xiàn)等量異種電荷的現(xiàn)象，被稱為靜電感應(yīng)現(xiàn)象。放入電場中的金屬導(dǎo)體內(nèi)部最終會達到一個由感應(yīng)電荷形成的電場，且與原電場疊加達到合場強為零的狀態(tài)，這種狀態(tài)下導(dǎo)體內(nèi)部自由電荷由于不受電場力的作用，將不再發(fā)生定向移動，但做無規(guī)則運動。

靜電平衡的概念為：當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部（包括表面），自由電子不再發(fā)生定向移動，我們就認為導(dǎo)體達到了靜電平衡狀態(tài)。對于“包括表面”可以這樣理解：如果表面的電荷再發(fā)生定向移動，導(dǎo)體內(nèi)部形成的感應(yīng)電場將重新分布影響合場強，合場強不再為零，電荷將繼續(xù)重新分布，直到合場強為零，因此，處于靜電平衡狀態(tài)下，導(dǎo)體外表面的電荷不會再發(fā)生定向移動。根據(jù)靜電平衡的概念，我們還能發(fā)現(xiàn)除放入電場中的金屬導(dǎo)體外，孤立的帶電體，如帶正電小球，也處于靜電平衡狀態(tài)，因為其內(nèi)部同樣無電荷發(fā)生定向移動。

當(dāng)導(dǎo)體達到靜電平衡狀態(tài)后，內(nèi)部場強處處為零，這是指電場的電場強度與導(dǎo)體表面感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場強度的矢量和為零，而不是導(dǎo)體表面的感應(yīng)電荷在內(nèi)部產(chǎn)生的電場強度為零，外電場在導(dǎo)體內(nèi)部某點產(chǎn)生的電場強度，與沒有導(dǎo)體時在該點產(chǎn)生的電場強度相同。

二、對于靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體特征的理解

第一，我們要熟知靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特征：①處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為零；②處于靜電平衡狀態(tài)的整個導(dǎo)體是一個等勢體，它的表面是一個等勢面；③導(dǎo)體表面的電場強度不為零，表面的電場強度方向跟導(dǎo)體表面垂直。

其中，關(guān)于導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為零，我們可以用反證的方法進行理解—若內(nèi)部場強不為零，則自由電荷將繼續(xù)發(fā)生定向移動，直到形成的合場強為零，不再發(fā)生定向移動為止。

“整個導(dǎo)體是一個等勢體，它的表面是一個等勢面”—由于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部合場強處處為零，在其內(nèi)部移動電荷，電場力為零，不做功，則電勢能不變，由此可推斷出各處電勢相等，整個導(dǎo)體是一個等勢體。

第二，同學(xué)們要能根據(jù)靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體的特征推出導(dǎo)體上電荷的分布特點：①處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷，電荷只分布在外表面；②在導(dǎo)體表面越尖銳的位置單位面積上的電荷量（電荷密度）越大，而凹陷的位置幾乎沒有電荷。

“凈電荷”—我們可以理解為正負電荷中和后的剩余電荷。對于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體我們主要研究兩種情況：

（1）放入電場中的金屬導(dǎo)體。由于本身呈電中性，在導(dǎo)體兩端分別聚集等量異種電荷后，內(nèi)部正負電荷中和，故無凈電荷。

（2）孤立的帶電導(dǎo)體。例如：帶正電金屬小球，由于同種電荷相互排斥，所有帶正電的凈電荷都被相互排斥到遠端（表面），內(nèi)部無凈電荷。同樣我們也可以假設(shè)一個帶正電、形狀為五角星的薄金屬板，由于正電荷相互排斥到最遠，最后正電荷將大量分布在五個尖端位置，而凹陷處，幾乎沒有凈電荷。對此現(xiàn)象我們可以用“法拉第圓筒”“尖形布電器”等實驗儀器進行驗證。

三、關(guān)于靜電防止與利用的理解

在課本第22頁練習(xí)與應(yīng)用中提到印刷廠中，紙張之間摩擦帶電，會使紙張吸附在一起，給印刷帶來麻煩；印染廠里染織物上帶靜電，會吸附空氣中的塵埃，使印染質(zhì)量下降；制藥生產(chǎn)中，由于靜電吸引塵埃，使藥品達不到預(yù)定純度。

當(dāng)電荷積累到一定程度，就會產(chǎn)生火花放電，靜電會帶來更嚴重的危害。比如：醫(yī)院手術(shù)臺上，靜電火花有可能引起麻醉劑爆炸；裝載汽油或柴油等液體燃料的卡車，在灌油和運輸過程中，燃料與油罐摩擦帶電，靜電積累到一定程度會產(chǎn)生電火花引發(fā)爆炸；礦井中的火花放電會引起可燃氣體爆炸，造成重大事故；天空中的飛機與空氣摩擦而帶的靜電如果在著陸過程中沒有釋放，當(dāng)?shù)孛嫔系娜私咏鼨C身時，人與飛機之間可能會產(chǎn)生火花放電，嚴重時能將人擊倒。

關(guān)于靜電的防止，我們可以從“防”和“放”兩方面入手?！胺馈敝缚刂旗o電的產(chǎn)生；“放”指把產(chǎn)生的電荷盡快導(dǎo)走。我們應(yīng)該盡量選用不容易摩擦起電的物品，并且增加環(huán)境濕度，使局部的靜電容易釋放，防止靜電的積累。

以上現(xiàn)象都是靜電給我們的生產(chǎn)和生活帶來的不便，此部分內(nèi)容做簡單了解即可。

關(guān)于靜電的利用，課本主要分為三種：尖端放電、靜電屏蔽、靜電吸附，這部分內(nèi)容要做重點理解。由于此部分內(nèi)容與實際生活聯(lián)系較多，建議同學(xué)們在學(xué)習(xí)的過程中多觀察，積極搜集一些身邊常見的應(yīng)用相關(guān)原理的案例，并動手制作一些簡易實驗，以加深對于此部分內(nèi)容的理解。

（一）尖端放電

尖端放電的原理是物體尖銳處曲率大、電場線密集，致使其附近部分氣體被擊穿而發(fā)生放電。我們知道通常情況下，空氣是不導(dǎo)電的，但是如果電場特別強，空氣分子中的正負電荷受到方向相反的強電場力，就有可能被“撕”開，這個現(xiàn)象叫作空氣的電離。由于電離后的空氣中有自由移動的電荷，空氣就可以導(dǎo)電了，進而形成尖端放電。

對于尖端放電的應(yīng)用，如一般的電子打火裝置、避雷針工業(yè)煙囪除塵裝置，都是應(yīng)用尖端放電的原理；關(guān)于尖端放電的防止，如高壓設(shè)備中，導(dǎo)體的表面盡量光滑，可以減少電能的損失。同學(xué)們比較感興趣的避雷針的工作原理為：當(dāng)帶電的雷雨云接近建筑物時，避雷針由于靜電感應(yīng)出現(xiàn)與云層相反的電荷，通過尖端放電，這些電荷不斷向大氣進行釋放以中和空氣中的異種電荷，達到避免雷擊的目的。

（二）靜電屏蔽

靜電屏蔽的定義指，當(dāng)金屬殼達到靜電平衡狀態(tài)時內(nèi)部沒有電場，因而金屬殼會對其內(nèi)部起保護作用，使內(nèi)部不受外部電場的影響。靜電屏蔽的實質(zhì)是金屬殼內(nèi)感應(yīng)電荷的場強和外加電場的場強矢量和為零，好像金屬殼將外電場擋在外面。

關(guān)于靜電屏蔽可以分為外屏蔽和內(nèi)屏蔽兩種，外屏蔽是指導(dǎo)體內(nèi)部不受外電場影響，其原理如圖1和圖2所示。內(nèi)屏蔽是指封閉導(dǎo)體殼內(nèi)部電場對外部空間沒有影響，其原理如圖3和圖4所示。

圖1

圖2

圖3

圖4

靜電屏蔽的應(yīng)用主要有：電學(xué)儀器和電子設(shè)備外面都會有金屬罩，通訊電纜外面有一層鉛皮，這些都可以防止電場的干擾；電工高壓帶電作業(yè)時，穿戴金屬絲網(wǎng)制成的衣、帽、手套、鞋子，與孕婦服的防輻射效果一樣，可以對人體起到靜電屏蔽的作用；同樣，飛機在云層之間飛行或者起飛、著陸時都有可能遭遇雷擊，但由于飛機外殼是金屬的，可以實現(xiàn)靜電屏蔽的目的：當(dāng)飛機遭遇雷擊時，電流從雷電云達到飛機頭部，縱向流過機身外殼，最后從機尾凌空打到地上；或從其中一個機翼打到另一個機翼，電流橫向流過機身，但不管怎樣閃電都只會沿著飛機外殼流過，而不會進入機內(nèi)對乘客造成危害。

（三）靜電吸附的應(yīng)用

1.靜電噴涂

汽車、機械、家用電器等行業(yè)要在產(chǎn)品表面進行霧化噴漆，但是霧化的油漆利用率非常低。所以人們發(fā)明了靜電噴漆，即在高壓靜電場的作用下，使從噴槍噴出來的漆霧帶上電荷，這種帶電的漆霧，向帶異種電荷的工件表面吸附，沉積成均勻的涂膜。靜電噴涂的優(yōu)點是涂層質(zhì)量高、涂粒利用率高、對使用者的操作技巧要求低等。

2.靜電除塵

靜電除塵的結(jié)構(gòu)如圖5，將高壓電源的正極接在金屬圓筒A上，負極接到懸掛在管心的金屬線B上。靜電除塵的原理是設(shè)法讓煙氣中的煤粉帶負電，利用靜電場的作用，使氣體中懸浮的塵粒帶電而被吸附在煙囪壁的正極上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中，將塵粒從煙氣中分離出來進而去除，此方法可用于各種工廠的煙氣除塵。

關(guān)于靜電的防止與利用，同學(xué)們可以嘗試按課本第22頁圖9.4-10的原理進行靜電除塵小實驗，加強對原理的理解，再想一想如果正負極交換，除塵效果又將如何？

圖5

3.靜電復(fù)印、靜電植絨

靜電復(fù)印利用正、負電荷的吸引力進行油墨轉(zhuǎn)移，核心部件是一個有機光導(dǎo)體鼓的金屬圓柱，其表面被涂上有機光導(dǎo)體(OPC)，沒有光照射時，OPC是絕緣體，受到光照時變成導(dǎo)體。

靜電植絨工作原理：利用電荷之間同性相斥、異性相吸的性質(zhì)，通過使絨毛帶上負電荷，令絨毛被吸引到帶正電的被植體表面上。

總體來說，靜電感應(yīng)現(xiàn)象的具體應(yīng)用，主要涉及靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特點及靜電在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用與防護，是前面所學(xué)內(nèi)容的綜合及拓展，涉及靜電平衡、靜電屏蔽、尖端放電等，內(nèi)容抽象，在學(xué)習(xí)過程中需要加強抽象思維的訓(xùn)練。這部分內(nèi)容與生產(chǎn)生活、科技進步、社會發(fā)展密切相關(guān)，希望同學(xué)們能多觀察，增強解決簡單實際問題的能力。