四、导体静电平衡性质的应用

1.        静电屏蔽

根据导体空腔的性质大家可以得到这样的结论,在一个导体空腔内部

图 10-25

若不存在其他带电体,则无论导体外部电场如何分布,也不管导体空腔自身带电情况如何,只要处于静电平衡,腔内必定不存在电场。另外,如果空腔内部存在电量为+q的带电体,则在空腔内、外表面必将分别产生-q和+q的电荷,外表面的电荷+q将会在空腔外部空间产生电场,如图10-25(a)所示。若将导体接地,则由外表面电荷产生的电场将随之消失,于是腔外空间将不再受腔内电荷的影响了,如图10-25(b)所示。

    利用导体静电平衡的性质,使导体空腔内部空间不受腔外电荷和电场的影响,或者将导体空腔接地,使腔外空间免受腔内电荷和电场影响,这类操作都称为静电屏蔽。

    静电屏蔽在电磁测量和无线电技术中有广泛应用。例如,常把测量仪器或整个实验室用金属壳或金属网罩起来,使测量免受外部电场的影响。

    2. 场致发射显微镜

图 10-26
           

    图10-26是场致发射显微镜的原理图。在抽成真空后充以少量氦气的玻璃泡的中心放置被测试的金属针(尖端的直径约为100 nm),在玻璃泡的内壁涂敷一层很薄的荧光导电膜。若在金属针与荧光导电膜之间加上很大的电势差,则会在泡内上部空间产生辐射状的电场(如图中箭头所示),金属尖端处的电场强度会高达4´10V×m-1。当氦分子与尖端相碰时,就被电离成氦离子,氦离子被电场加速并沿辐射状电场线射向荧光导电膜。于是就在膜上产生一个荧光点,这个荧光点就是该氦离子与金属尖端相碰的那个金属原子的“像”。所以玻璃泡荧光膜上的光点将描绘出金属针尖端表面的原子分布图像。

2.        范德格拉夫静电高压起电机

    这种起电机是利用导体空腔所带电荷总是分布在外表面的原理做成的。图10-27是范德格拉夫静电高压起电机的示意图。与直流电源的正极相连的金属尖端E,由于尖端放电而向用橡胶或丝织物制成的传送带B喷射电荷,携带电荷的传送带由滑轮D带动进入空心导体球A的腔内。金属尖端F与导体球A的内表面相连,当携带正电荷的传送带从尖端F附近经过时,由于静电感应而使F带负电荷,导体球A则带正电荷。由于尖端放电,F上的负电荷与传送带上的正电荷相中和,球A所带的正电荷则分布在外表面。传送带这样周而复始地运行,球A所带的正电荷就越来越多,其电势也随之增高。图中C是支撑球A的绝缘支架,放置在尖端E对面的接地金属板起着加强电荷喷射的作用,球A的电势可达2´106 V。这种装置是静电加速器的关键部件,主要用于加速带电粒子以进行核反应实验,也用于离子注入技术以制备半导体器件。

图 10-27

    4.  库仑平方反比律的精确证明

    由于库仑定律是电磁理论的基本规律之一,另外,库仑定律是否为严格的平方反比律,即在下式

                         

d是否严格等于零,是与一系列重大物理问题相联系的,所以,人们不会满足于扭称实验的精度,而必须寻找更精确的实验验证。在证明高斯定理时大家已经看到,高斯定理的成立是由于库仑定律满足平方反比律,即d  = 0;而处于静电平衡的金属导体内部不存在净电荷的结论,是高斯定理的直接结果。试设想,库仑平方反比律不严格成立,高斯定理就不存在,处于静电平衡的金属导体内部就可能存在净电荷。所以,用实验方法测量导体内部不存在净电荷,可以精确地验证库仑平方反比律。在库仑定律发表以前,英国物理学家卡文迪许就已经利用这种方法得到d £ 0.02。以后许多科学家也是利用这种方法,获得了精度更高的结果。1971年威廉斯(E.R.Williams)等人得到的结果是d £ (2.7 ± 3.1) ´ 10-16

         避雷针是大家都熟悉的尖端放电现象的另一种应用。

       
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