静电感应是指**金属导体接地,会使其附近的带电物体产生静电感应现象**。当带电体靠近接地导体时,导体的电势因感应而降低,带电体上部分电荷经接触面流入接地导体,并经大地流散掉,使得导体上电荷不再均匀分布,靠近带电体的部分电荷较多,远端(接地部分)电荷较少的现象。
静电感应例题或考题
题目:
一个导体球接地,其表面分布着电荷。求导体内部电势与外表面的电势差。
解答:
首先,我们需要理解静电感应的基本原理。当一个导体与带电的物体接触时,电荷将从高电势处移动到低电势处,直到达到静电平衡状态。在这个状态下,导体内部电荷分布会受到带电体的影响,使得导体内部出现电场。
对于这个问题,我们可以使用高斯定理来求解导体内部的电势与外表面的电势差。首先,我们需要知道导体球接地后表面电荷分布的情况。由于导体球接地,其表面电荷将分布均匀,且总电荷量为零。
接下来,我们可以选择一个高斯面,其半径为r,方向向外。根据高斯定理,我们可以得到这个高斯面内的电荷总量为零,即:
∮E·dS=0
其中E为高斯面内的电场强度,S为高斯面面积。由于导体球内部的电荷分布不受外界影响,我们可以假设内部的电荷分布是均匀的。因此,我们可以将这个高斯面内取一个半径为r的球形区域,其内部电荷总量为:
Q=4πr²e/ε
其中ε为介电常数,e为表面电荷密度。
接下来,我们需要求解这个高斯面外的电场强度E和高斯面内的电势差Δφ。由于导体球接地,其表面的电势为零,因此高斯面外的电场强度E应该为零。根据高斯定理中的电场强度公式:E=ρ/εr²,我们可以得到表面电荷密度ρ和介电常数εr的关系:
εr=√(ε-ρ/r²)
其中r为高斯面半径。代入数值后,我们可以得到表面电荷密度ρ和介电常数ε的关系式:
ρ=4πeεr²
接下来,我们需要求解高斯面内的电势差Δφ。根据电势的定义,电势差Δφ等于高斯面外的电势减去内部的电势。由于导体内部的电势不受外界影响,我们可以假设内部的电势为零。因此,我们只需要求解高斯面外的电势即可。根据电场强度和电势的关系:E=Δφ/S,我们可以得到高斯面外的电势Δφ的表达式:
Δφ=εrE·dS=εrQ/r²
其中dS为高斯面面积微元。代入数值后,可以得到Δφ的近似值:Δφ≈4πeεr²/r²。
结论:
导体内部电势与外表面的电势差约为kq²/εr³r³。这个差值反映了导体球接地后表面电荷分布对其内部电场的影响。