對大學物理教材中導體靜電平衡解釋的補充

陳 逍

(北京工商大學輕工科學技術學院 北京 100088)

1 問題的提出

大學物理課本中對靜電場中導體靜電平衡現(xiàn)象有這樣的描述：當把一個不帶電的導體放入靜電場，會產生靜電感應現(xiàn)象.靜電感應改變了導體內的電荷分布，并削弱導體內的電場強度，最終使導體內的電場強度都等于零.當導體內任一點的電場強度減為零時，導體中任意一個自由電子所受到的靜電力也為零，電子就不可能繼續(xù)其宏觀運動，電荷重新分布的過程也隨之結束.我們把導體中沒有電荷做任何宏觀定向運動的狀態(tài)，稱為靜電平衡狀態(tài).因此，導體靜電平衡的必要條件，就是導體內任一點的電場強度都等于零[1].見圖1.然而這個描述中忽略了一種可能性：當外部電場很大時，導體內部所能產生的最大感應電場強度也無法抵消外電場時，導體內任一點場強都大于零，而導體中卻沒有電荷作任何宏觀運動，這種可能出現(xiàn)的情況與書中的描述出現(xiàn)了矛盾，引起讀者的困惑，因此需要通過計算對這種矛盾進行解釋，并為教材的修訂提供一種參考.

圖1 導體的靜電感應過程

2 問題的解決

要解決這個問題，我們就要知道一個導體內部所能產生的最大感應電場強度的理論值，并分析我們能否創(chuàng)造出大于這個電場強度的外電場.由于導體的材質、大小、形狀多種多樣，為了方便計算，我們只要選擇一種日常生活中常見的材質、比較規(guī)則的形狀和常規(guī)的尺寸即可.在這里，我們不妨以邊長為1 cm的正方體鐵塊為例，見圖2.現(xiàn)在我們用8個步驟來求這個鐵塊所能產生的最大感應電場強度.(每步計算均保留3位有效數(shù)字)

圖2 邊長為1 cm的正方體鐵塊

(1)求鐵塊的體積V

V=L3=1.00 cm3

(2)求鐵塊的質量m(已知ρ=7.87 g/cm3)

m=ρ鐵V=7.87 g

(3)求鐵塊的物質的量n(已知M鐵=55.8 g/mol)

(4)試求鐵塊中的鐵原子個數(shù)N(已知NA=6.02×1023mol-1)

N=nNA=0.141 mol×6.02×1023mol-1=

8.49×1022

因為圍繞原子核高速運轉的依照一定規(guī)律排布的若干層電子受到質子施加的庫侖力的束縛作用，所以只有距離原子核較遠的價電子(最外層或最外層加上次外層的部分電子，對于鐵原子來說價電子數(shù)為16)才可能逆著外電場方向移動到導體的左表面.因此，導體內部形成感應電場的負感應電荷最多為全部價電子.同樣的，導體右表面附近最多出現(xiàn)等量的過剩正電荷.

(5)假設鐵原子最外面兩層16個價電子全部移到正方體鐵塊左表面，靜電平衡后求右表面上過剩的正電荷數(shù)N質

N質=16N=16×8.49×1022=1.36×1024

(6)求一個表面上的最大帶電荷量Q(取正值，已知e=1.60×10-19C)

Q=eN質=1.60×10-19C×1.36×1024=

2.18×105C

(7)求一個面的最大電荷面密度σ

2.18×109C/m2

(8)據導體靜電平衡后表面附近的場強公式，可求得鐵塊能夠產生的最大感應電場強度Emax，已知ε0=8.85×10-12C2/(N?m2)，則

2.46×1020V/m

將單位N/C換為V/m，更具物理意義.

3 結論

通過計算，我們得到如果要讓一個邊長為1 cm的正方體鐵塊內部存在電場，則外電場強度至少要大于2.46×1020V/m.這樣強的電場，無論是人為還是自然界中都是幾乎無法達到的.所以這種情況只有理論上的可能，在現(xiàn)實中不會出現(xiàn).因此，當我們將導體置于靜電場中，導體終會達到靜電平衡，導體內部的場強也一定為零.這就與課本中的描述完全相同.