第 第 4 4 节
静电的防止与利用
核心素养
物理观念 科学思维 科学探究 1.知道什么是静电平衡状态，能说出静电平衡状态下的导体特点。
2.知道导体上电荷的分布特征，了解尖端放电、静电屏蔽现象及其成因。
会根据静电平衡条件求解感应电荷产生的场强。
1.观察演示实验并对实验现象分析，体会运用所学知识进行分析推理的方法。
2.查阅并搜集资料，了解静电屏蔽和静电吸附在技术和生活中的应用。
知识点一 静电平衡状态、导体上电荷的分布 『观图助学』 (1)
(2)如图所示，当一个带电体靠近不带电导体时，由于导体内的自由电子受到静电力的作用，将向着与电场相反的方向定向移动，从而使导体两端出现等量异种电荷，这就是前面学习的静电感应现象。
①这种定向移动是无休止的吗？ ②电荷的移动对导体内部的电场有影响吗？ 1.静电感应现象：把导体放入电场中，导体内部的自由电荷在静电力作用下定向移动，而使导体两端出现等量异种电荷的现象。
2.静电平衡状态 导体中(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。
3.静电平衡状态下导体的特点 (1)处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零。
(2)表面处的电场强度不为零，方向跟导体表面垂直。
4.导体上电荷的分布 (1)处于静电平衡状态的导体，内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面。
(2)在导体表面，越尖锐的位置，电荷的密度(单位面积上的电荷量)越大，凹陷的位置几乎没有电荷。
『思考判断』 (1)处于静电平衡状态的导体，表面处的电场强度不为零，方向跟导体表面可能垂直，可能平行，也可能成任意夹角。(×) (2)因为外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的合电场强度为 0，所以处于静电平衡的导体内部电场强度处处为 0。(√) 知识点二 尖端放电、静电屏蔽和静电吸附 『观图助学』 (1)避雷针的作用是什么(如图甲所示)? (2)飞机在云层与云层之间飞行或起飞、着陆时都有可能遭遇雷击(如图乙所示)。但是当飞机遭遇雷击时，电流可以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机翼打过另一机翼，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伤害，你知道这是为什么吗？
甲
乙 1.空气的电离：导体尖端电荷密度很大，附近的电场很强，强电场作用下的带电粒子剧烈运动，使分子中的正负电荷分离的现象。
2.尖端放电：与导体尖端异号的粒子，由于被吸引，而与尖端上电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷的现象。
尖端放电的应用与防止：
(1)应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。
(2)防止：高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失。
3.静电屏蔽：金属壳(网)内电场强度保持为 0，外电场对壳(网)内的仪器不会产生影响的作用叫作静电屏蔽。
静电屏蔽的应用：电学仪器外面有金属壳、野外高压线上方还有两条导线与大地相连。
4.静电吸附：静电虽然会有危害，但也可以利用。在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上。这一原理在生产技术上被广泛应用。应用实例：静电除尘、静电喷漆、静电复印、静电植绒等。
『思考判断』 (1)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地。(×) (2)用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，则验电器箔片能张开。(×) (3)飞机轮上装有拖地线，油罐车后面拖条铁链都是把静电导入大地。(√)
静电感应的因果关系
当小球通过导线分别与带电空腔连接时，如图所示，不管怎样连接，连接后小球和带电空腔都会成为一个整体，小球成了这个整体的外部，故小球都会带电。
一般的电子打火装置、避雷针、工业烟囱除尘的装置利用的都是尖端放电的原理。
静电屏蔽的实质是利用了静电感应现象，使金属壳内感应电荷的电场和外加电场矢量和为零，好像是金属壳将外电场“挡”在外面，即所谓的屏蔽作用，其实是壳内两种电场并存，矢量和为零。
核心要点
对静电平衡的理解 『观察探究』 如图所示，不带电的金属导体放到电场中，导体内的自由电子将发生定向移动，使导体两端出现等量异号电荷。请思考下列问题：
(1)自由电子定向移动的原因是什么？定向移动的方向如何？ (2)自由电子能否一直定向移动？为什么？ 『答案』
(1)自由电子受外加电场的静电力作用而移动，向着与电场相反的方向定向移动。
(2)不能。感应电荷产生的电场与外加电场反向，阻碍电子的定向移动，当这两个电场大小相等时，电子的定向移动终止。
『探究归纳』 1.静电平衡实质 (1)在达到静电平衡的过程中，外电场引起导体内自由电荷的定向移动使导体两侧出现感应电荷，感应电荷的电场和外电场方向相反，使合场强减小，随着感应电荷的继续增加，合场强逐渐减小，直至合场强为零，自由电荷的定向移动停止。
(2)静电平衡的条件：导体内部的合场强为零，即 E 合 ＝0。
2.静电平衡状态的特点
(1)处于静电平衡状态下的导体的特点 ①导体内部某处感应电荷产生的场强 E′与周围原电场场强 E 大小相等，方向相反，两者相互抵消，导体内部处处合场强 E 合 为零，但导体表面的电场强度不为零。
②电场线与导体表面垂直。
(2)静电平衡状态下的导体的电荷分布特点 ①净电荷都分布在导体的外表面，导体内部没有净电荷。
②感应电荷分布于导体两端，电性相反，电荷量相等，远同近异，如图甲所示。
③净电荷在导体表面分布不均匀，导体表面尖锐处电荷分布密集，平滑处电荷分布稀疏，凹陷处几乎没有电荷，如图乙所示。
『试题案例』 『例 1』 长为 l 的导体棒原来不带电，现将一带电荷量为＋q 的点电荷放在距棒左端 R 处，如图所示。当棒达到静电平衡后，棒上的感应电荷在棒内中点 P 处产生的电场强度大小等于________，方向为________。
『解析』
导体棒在点电荷＋q 的电场中发生静电感应，左端出现负电荷，右端出现正电荷，棒中任意一点都受两个电场的影响，即外电场(＋q 在该点形成的电场 E 0 )和附加电场(棒上感应电荷在该点形成的电场 E′)，达到静电平衡状态时 E′＝－E 0 。题中所求的即为 E′，E′＝－E 0 ＝－kq（R＋ l2 ）2 ＝－4kq（2R＋l）
2 ，负号代表E′和 E 0 方向相反，即方向向左。
『答案』
4kq（2R＋l）
2
向左 方法凝炼 求处于静电平衡状态的导体的感应电荷产生的场强的方法 (1)先求出外电场场强 E 外 的大小和方向。
(2)由于导体处于静电平衡状态，则满足静电平衡条件 E 合 ＝0。
(3)由 E 外 ＋E 感 ＝0，求出感应电场 E 感 的大小和方向。
『针对训练 1』 在真空中有两个点电荷 A 和 B，电荷量分别为－Q 和＋2Q，相距为 2l，如果在两个点电荷连线的中点 O 有一个半径为 r(r≪l)的空心金属球，且球心位于 O 点，如图所示，则球壳上的感应电荷在 O 处的场强的大小为多少？方向如何？ 『解析』
根据电场的叠加和静电平衡，球心 O 处的合场强为 0，即感应电荷的电场强度与 A、B 两点电荷在 O 处所产生的合场强等大、反向，即 E 感 ＝E A ＋E B＝k Ql 2 ＋k2Ql 2＝ 3kQl 2，A、B 在 O 处产生的场强方向向左，所以 E 感 向右。
『答案』
3kQl 2 方向向右 核心要点
静电屏蔽 『观察探究』 1.(1)电梯是什么材质的，能否被看成是金属容器？ (2)王明刚搬了新家，可每次进入电梯里手机总打不通，这是为什么？
『答案』
(1)电梯是用不锈钢板做成的，可以看成金属容器。
(2)电梯可以看成金属容器，起到了屏蔽作用。
2.在如图所示的实验中，验电器的金属箔片能张开吗？为什么？
『答案』
A 中不会张开，金属网可以屏蔽外电场； B 中会张开，因为金属网未接地，网内的带电体可以对外界产生影响； C 中不会张开，因为金属网已接地，网内的带电体对网外无影响，网外的带电体对网内也无影响。
『探究归纳』 静电屏蔽的两种情况 类别 导体外部电场不影响导体内部 接地导体内部的电场不影响导体外部 图示
实现过程 因场源电荷产生的电场与导体球壳表面上感应电荷在空腔内的合场强为零，达到静电平衡状态，起到屏蔽外电场的作用 当空腔外部接地时，外表面的感应电荷因接地将传给地球，外部电场消失，起到屏蔽内电场的作用 最终结论 导体内空腔不受外界电荷影响 接地导体空腔外部不受内部电荷影响 本质 静电感应与静电平衡，所以做静电屏蔽的材料只能是导体，不能是绝缘体 『试题案例』 『例 2』 将悬挂在细线上的带正电的小球 A 放在不带电的金属球壳 C 内(不和球壳内壁接触)，另有一个悬挂在细线上的带负电的小球 B 向 C 靠近，如图所示，则(
)
A.A 往左偏离竖直方向，B 往右偏离竖直方向 B.A 的位置不变，B 往右偏离竖直方向 C.A 往左偏离竖直方向，B 的位置不变 D.A 和 B 的位置都不变 『解析』
不接地的空腔导体可以屏蔽外界电场，接地的空腔导体可以屏蔽内部电场，该题中带正电的小球 A 放在不带电的空心球壳 C 内，通过静电感应，空心球外壳带正电，内壁带负电。由于金属空心球壳 C 的外壳和带电小球 B 带异
种电荷，所以 B 受 C 球壳的吸引往右偏离竖直方向。而由于空心球壳 C 能屏蔽小球 B 所产生的外部电场，使小球 A 不受外电场的作用，所以 A 的位置不变，故选项 B 正确。
『答案』
B 『针对训练 2』 如图所示，A 为空心金属球，B 为金属球，A、B原来不带电，将另一带正电荷的小球 C 从 A 球开口处放入 A 球中央，不接触 A 球，然后用手接触一下 A 球，再用手接触一下 B 球，再移走 C 球，则(
) A.A 球带负电荷，B 球带正电荷 B.A 球带负电荷，B 球不带电 C.A、B 两球都带负电荷 D.A、B 两球都带正电荷 『解析』
首先带正电荷的小球 C 从 A 球开口处放入 A 球中央。根据静电感应现象可知，A 球内表面带负电荷，外表面带正电荷。用手接触 A 相当于把 A 接地，由大地传导过来的电子与 A 球外表面正电荷中和，使 A 球外表面不带电，此时A 球对外起静电屏蔽作用，A 球内的电场不影响外部。用手接触 B 时，无电荷移动，B 球不带电。当带正电荷的 C 球从 A 球内移走后，A 球内表面所带的负电荷移至外表面，所以此时 A 球带负电荷。由上述可知，选项 B 正确。
『答案』
B 核心要点
静电的应用与静电危害的防止 『观察探究』 如图所示，在工厂里，靠近传送带的工人经常受到电击。经研究发现，这是由于传送带在传送过程中带上了电。
(1)解释为什么靠近传送带的物体会带电？ (2)你可以用什么方法来解决这个问题？ 『答案』
(1)传送带因为与被传送的物体间发生摩擦而带电，靠近传送带的物体
因为静电感应也带上电。
(2)要避免这种电击，可以把导体材料如金属丝等掺到传送带材料中，让传送带变成导体，或者用导体制造传送带，再用适当的方法把传送带接地，静电便不会积累，工人也不会再遭电击。
『探究归纳』 1.静电的应用 在生产和生活中，静电的应用十分广泛，如激光打印、静电喷漆、静电除尘、静电处理种子、静电处理水、静电放电产生臭氧、静电植绒、静电复印、喷墨打印、静电净化空气、静电提高喷洒农药的效果、静电选矿等。
2.静电的危害 静电是一种常见现象，它会给人们带来麻烦，甚至造成危害。如在印刷厂里，纸张之间摩擦带电，会使纸张粘在一起，难以分开；在印染厂里，棉纱、毛绒、人造纤维上的静电会吸引空气中的尘埃，使印染质量下降。静电对现代高精密度、高灵敏度电子设备影响很大，大量的静电不但会妨碍电子设备的正常运行，甚至会因火花放电而击穿电子仪器的某些器件。
3.防止静电危害的主要方法与途径 (1)尽量减少静电的产生，常用的方法是增大空气的湿度。
(2)尽快把静电导走，防止静电积累，常用的最简单办法是接地。
实例
地毯中植入金属丝，就是为了将摩擦产生的电荷及时导走。
『试题案例』 『例 3』 (多选)下列四幅图中涉及静电屏蔽现象的有(
)
『解析』
当带电云层靠近建筑物时，避雷针上产生的感应电荷会通过针尖放电，逐渐中和云中的电荷，使建筑物免遭雷击，其原理为尖端放电，故选项 A 错误；办公用复印机，是静电的应用，故选项 B 错误；高压输电线上方还有两条导线，这两条导线的作用是它们与大地相连，形成稀疏的金属“网”把高压线屏蔽起来，免遭雷击，故选项 C 正确；用来装硬盘的铝箔袋，起到静电屏蔽的作用，故选项D 正确。
『答案』
CD 方法总结 防止静电危害的对策和措施 (1)要尽快导走多余电荷，避免静电积累，可用导线把设备接地。
(2)调节空气的湿度。
(3)在易燃易爆气体和粉尘聚集的场所保持良好的通风，消除静电火花的引爆条件。
『针对训练 3』 静电喷涂利用了电荷之间的相互作用，其喷涂原理如图所示，则下列说法正确的是(
)
A.涂料微粒一定带正电 B.涂料微粒一定带负电 C.涂料微粒可能带正电，也可能带负电 D.喷嘴与工件之间的电场为匀强电场 『解析』
根据电荷间的相互作用特点结合题目中原理图分析。静电喷涂的原理
就是让带电的涂料微粒在强电场的作用下被吸附到工件上，而达到喷涂的目的，喷嘴与工件之间的电场是非匀强电场，选项 D 错误；由题图知，待喷涂工件带负电，所以涂料微料应带正电，选项 A 正确，B、C 错误。
『答案』
A
1.(静电平衡)处于静电平衡中的导体，内部电场强度处处为零的原因是(
) A.导体内部无任何电场 B.外电场不能进入导体内部 C.所有感应电荷在导体内部产生的合电场强度为零 D.外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零 『解析』
导体内部电场强度处处为零是感应电荷的电场与外电场叠加的结果，故 D 正确。
『答案』
D 2.(尖端放电现象的应用与防止)下列应用与防护与尖端放电现象无关的是(
) A.一般高压设备中...