导体上电荷的分布剖析

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  人民教育出版社出版的高中物理选修3—1,第一章 静电场的第七节静电现象的应用,即P25页“导体上电荷的分布”这样叙述:
  ……,静电平衡时导体上的电荷分布有以下两个特点:
  (1)导体内部没有电荷,电荷只分布在导体的外表面。
  (2)在导体外表面,越尖锐的位置,电荷的密度(单位面积的电荷量)越大,凹陷的位置幾乎没有电荷。
  我认为上面两点“(1)导体内部没有电荷,电荷只分布在导体的外表面。”这一说法欠妥,值得商榷。其理由如下:
  一、静电平衡状态
  将一个不带电的金属导体ABCD放到场强为EO的电场中,导体内的自由电子在电场力的作用下逆着电场线定向移动,使导体的一侧聚集负电荷,而导体另一侧却出现等量的正电荷,导体两侧出现的正负电荷在导体内部产生与EO方向相反的电场E1,E1与EO叠加的结果使原场强逐渐减弱,直至导体内部各点的合场强等于零为止,于是导体内的自由电子不再发生定向移动。这种状态,我们就说导体达到静电平衡状态。
  二、静电平衡状态下导体的电场特征
  1、处于静电平衡状态的导体,导体内部的场强处处为零。
  2、处于静电平衡状态的导体,其表面上任意一点场强方向跟表面垂直。
  3、处于静电平衡的导体是一个等势体,其表面是一个等势面。
  三、静电平衡状态下导体的电荷分布特征
  1、导体内部不存在宏观定向移动的自由电荷,但存在做无规则热运动的自由电子。
  从静电平衡状态的定义我们知道:因导体处于外加电场中,在导体两端感应出等量异种电荷,从而产生一个感应场强与原电场叠加,在二者大小不等时,外电场强强于感应场强,电子所受合力方向与原场强方向相反,继续有自由电子定向移动,直至感应场强与原场强大小相等,此时,导体内合场强处处为零,导体内部自由电子不受电场力的作用,或者说所受电场力的合力为零。这样,导体内部跟没有施加电场时的情景一样,故没有移至导体表面的自由电荷又开始做杂乱无章的热运动。可见,处于静电平衡状态下的导体、导体内部仍有自由电子,只是这些自由电子不再做出宏观的定向移动而已。
  2、导体内部有电荷,既有正电荷也有负电荷
  从物质微观结构我们知道,任何物质本身就是由带电粒子组成的,一般情况下,物体对外显电性而呈电中性,是因为物体内正负电荷相等。而金属导体容易导电的原因是在金属导体中存在大量自由电子,要知道,在导体发生静电感应的过程中,定向移动的仅是自由电荷,物体内部的正粒子并没有也随之移动到导体的外表面。由此可知,处于静电平衡状态下的导体内部存在正电荷也存在负电荷。
  3、净电荷只分布在导体的外表面
  所谓净电荷,是指导体内自由电子和阳离子的总量达到“电中和”以后多余的电荷。
  带电导体可视为处在它自己所带电荷的电场中(只有电荷周围才有电场),当导体达到静电平衡时,内部的场强处处为零。假若还有净电荷在导体内部的某点,这个电荷周围必产生电场,使得导体内部各点场强不可能处处为零,这与静电平衡状态的性质相矛盾。因此,导体内部没有净电荷,净电荷只分布在导体的外表面。
  综合以上观点,我认为教科书中处于静电平衡时,导体上的电荷分布特点(1)这样表述:导体内部没有定向移动的电荷,净电荷只分布在导体的外表面。是否更为恰当些?这只是我个人的浅见,还望专家和同仁们给予批评指正为谢!
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