資源簡介

靜電屏蔽是一門玄學，看似原理簡單，但是相關練習的錯誤率很高，且永遠處于似懂非懂的階段。且看老夫施展法術。
理論儲備
1、高中物理僅探究金屬導體的靜電屏蔽，實際情況中還有其他材料可以實現靜電屏蔽，有興趣可以自行百度。在此不展開討論。
2、金屬導體內部存在大量且等量的異種電荷，原子核帶正電，電子帶負電，總量守恒。在沒有電場激發的時候，內部電荷雜亂無規則的運動。
3、靜電屏蔽的核心理解，是用一個裝置起到對電場的隔離作用。也就是說空間中存在一個或若干個電場，本來電場（A）會對C產生作用，但是由于某裝置（B）的存在，使得裝置內的C物體感知不到A的存在。這個是關鍵的邏輯關系，用一個圖來解釋
Ps：這個實驗最先嘗試的就是法拉第，當時這個金屬外殼是一個金屬籠子，后人稱之為法拉第籠，有點大膽，因為理論轉換成現實容易產生不可預知的事故，沒人敢進籠子，結果法拉第自己上了。

模型分類：
一、實心金屬導體
如下圖

實現過程：導體內部的電荷由于受外部電場的影響，會重新分布，該過程稱為靜電感應現象。根據電荷在電場中的受力規律，負（正）電荷會向左（右）運動，左側感應出負電荷，右側感應出等量的正電荷。這個過程導致導體內部產生了一個與外界電場相反的感應電場，所以不會無限持續下去，直到內外電場等大時，內部電荷就受力平衡，不再運動。此刻的平衡狀態稱為靜電平衡。所以對靜電平衡的理解應該指電荷受力平衡。
靜電平衡特點：
1、內部場強處處為零。注意另一種說法的描述：導體外部電荷不會在金屬導體內部產生電場。這么說是錯的。這個電場是產生了的，只不過和感應電場互相抵消了。
從視覺上看，就像外部的電場線遇到導體的時候就斷了，消失了，然后從另一側重新出現。
2、凈電荷只存在于導體表面。凈電荷的理解：指的是讓物理顯出電性的電荷。舉兩個例子：一個金屬塊不顯電性，那么凈電荷就是0，如果是一個帶1C負電的帶點小球，那么他的凈電荷就是+1C。但是不意味著他的總電荷為1C。可能是10C的正和9C的負。
3、此時導體是一個等勢體，表面就是等勢面。疑問：左邊帶負點，右邊帶正電，為什么電勢還相等？解釋：反證法，假設左右表面的電勢不相等，那么必然存在電勢差，所以導體內的電荷會繼續運動，直到電勢相等為止。相當于平衡過程中左右電勢不相等，但是達到平衡后左右表面電勢相等，其他表面同理可得。所以在這個問題的理解上，可以認為左右表面的電勢大小是由內外電場共同作用而成，不僅僅是感應電荷作用的結果。之后的模型也是一樣的理解。
4、導體表面的電場方向和表面垂直
5、由于導體存在形狀各異的情況，規律是：越凸的地方電荷分布越密集，場強就越大，反之，凹的地方場強就小。如果尖銳的地方電荷足夠多，會把空氣電離，產生電火花，該現象稱為尖端放電。初中的東西用后續的理論解釋就清晰多了
總結：以上理論是通過嚴格的數學以及物理模型建立的，這方面的主要貢獻者有，法拉第，高斯，庫倫，威廉斯。還是一句話，有興趣的可以去網上了解這些人的聯系，組合起來就是一部小說。在此不展開。
二、空心金屬導體
如果把實心導體中間掏空，變成一個空心導體，來繼續探究。（這個模型較容易出現）
再配合內部或者外部的電場以及是否接地，就會出現如下幾個變形
①、如圖1所示，模型描述：空心金屬導體外存在一個電場。
圖1
模型分析：殼體外表面感應出等量的正負電荷，導體內表面沒有凈電荷分布。
Ps：這個需要一個實驗來驗證。該實驗稱為法拉第圓通實驗，應該有聽說過，我在這里再次進行說明。我給出一張該實驗的簡化圖
實驗準備：C是一個帶小孔的金屬殼，讓它先帶上電，正負無所謂，使驗電器B的箔片張開。
實驗過程：讓不帶電的金屬小球d接觸C的外表面，再與驗電器A接觸，如圖甲所示。然后對小球d去電，再接觸C的內表面，后與A接觸，如圖乙所示。
實驗現象：甲中A的箔片張開，乙中A的箔片不張開，
實驗結論：凈電荷只分布于外表面而不分布于內表面。
該實驗現象的理論分析需要借助高斯定律，屬于大學物理的電磁學范圍，有興趣的話，你知道怎么做，嘿嘿。
接上面的模型分析，此時內表面沒有電凈荷分布，就不會產生電場線，所以空心部分的場強為零，即EB=0。
那么此時導體的內部（A）呢？外表面上的電荷不會向內產生電場嗎？
解釋：我們可以用反證法來解釋，假設外表面向內有電場，那么出發點是外表面，但是指向哪里呢？因為電場線的方向是指向無窮遠處或者負電荷，所以假設不成立。結論，導體內部沒有凈電荷的分布。所以EA=0
模型特點總結：
1、導體的外部電荷產生的電場不會對空心部分產生影響。
2、導體內部（A）和空心處（B）沒有電場線，電場強度都為零
3、導體內部以及內表面沒有凈電荷的分布，凈電荷都分布在外表面上。
4、能屏蔽導體外部電荷產生的電場。應用：高壓電工作者的屏蔽服等。

②、如圖2所示
圖2
模型描述：空心導體內存在一個電荷（以正電荷為例），位置任意，不一定在正中心。
模型分析：導體內表面和外表面感應出等量異種電荷，內表面帶負電，外表面帶正電，此時導體的空心處EB≠0，外部E1≠0
那么在導體內部（A）呢？有沒有電場線或者凈電荷的分布？
解釋：由于凈電荷不會分布在導體內部，且達到靜電屏蔽的導體是一個等勢體，所以內部沒有電場線，即EA=0
模型特點總結：
1、當空心導體的空心處存在電荷時，空心導體無法屏蔽該電荷產生的電場。
可以認為E1是內部電荷間接產生的
2、達到靜電平衡后，導體的內部（A）沒有凈電荷的分布，且EA=0
3、不論空心處電荷在內部的什么位置，只會影響內表面感應電荷的分布，不會影響外表面感應電荷的分布，如右圖所示。外表面產生的電場在宏觀上可以認為是一個點電荷產生的電場。這個結論的分析就有省略了，高斯定律


③、如圖3所示

圖3
模型描述：空心導體內存在一個電荷（以正電荷為例），位置任意，不一定在正中心，且外殼接地。
模型分析：外殼接地以后，外表面的感應電荷就與大地中和了，所以原本由外表面產生的電場也沒了，即E1=0，而此時空心處的電場不受影響，即EB≠0，導體內部（A）仍舊沒有凈電荷分布，EA=0
模型特點：
1、當空心導體的空心處存在電荷且外殼接地時，能屏蔽空心處電荷產生的電場，即內部電場不會影響外部。
2、達到靜電平衡后，導體的內部（A）沒有凈電荷的分布，且EA=0（同上）

④、如圖4所示

圖4
模型描述：空心導體內外都存在一個電荷（以正電荷為例），位置任意，不一定在正中心，且外殼接地。
模型分析：結合上面幾個模型的分析結果可得，當空腔導體外殼接地時，內部和外部電場都不相互影響。這種屏蔽稱為全屏蔽


⑤、如圖5所示

圖5
模型描述：空心導體內外都存在一個電荷，位置任意，不一定在正中心，且外殼不接地。
模型分析：外部負電荷產生的電場不會影響導體空心處的電場分布，但是空心處的電場會影響外部負電荷點的電場分布。這種稱為內屏蔽。


以上是對幾種模型的分析，下面做一個總結
1、內屏蔽：當空腔導體不接地時，外部電場對內部無法產生影響，但是內部電場會對外部產生影響。
2、全屏蔽：當空腔導體外殼接地時，內外電場均不會相互影響。
3、不論空腔導體接不接地，導體內部都不會有凈電荷的分布和電場。此時導體時一個等勢體，電勢處處相等。
4、由于導體達到靜電平衡時間很短，所以當有外殼接地時，接地線上是沒有電流的，當然如果外部或者內部的電場隨時間發生變化，因為他要保持時刻的平衡，那么這個電流就會持續產生，


后記：靜電屏蔽的理解是個難點，原因有二。
一、對一些關鍵字詞的理解模糊，比如導體內部，導體內部指的是組成導體的金屬部分，區別于空心處。比如內外表面，法拉第圓筒實驗中的內外表面就是里面和外面，但是如模型2所示，你會發現內表面不是也有電荷分布了嗎？這個時候金屬殼的內外表面都是外表面，因為他是一個封閉模型，空間上分內外，但是物理中的嚴格外表面包含了內外殼。
二、對以上模型的數理分析需要借助兩樣東西，高數和高斯定律。但是在高中階段都沒有接觸過，所以只能結合簡單的理論，然后對結論進行記憶。
所以之前我在教學過程中沒有詳細解釋過這個知識點，因為高考中對于這一點的考察比較片面，且新高考以來對于這點的考察也比較形式主義，少有核心考點，在高中物理競賽中倒是常客。由于以上原因再加上我懶，也就沒強調過這個東西。現在空余時間比較多，就稍微整理一下，你湊活看吧。
最后，考慮到有可能我這幾天給你的資料你會分享給其他同學，所以要注明一句：以上內容部分來自于網絡素材，且僅代表個人意見，請酌情參考。

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