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如何运用电磁学知识,来解释静电屏蔽现象?

我们分两个部分来分别解释静电屏蔽现象:一是中学阶段的解释;二是电动力学证明。

静电屏蔽的中学阶段解释

在静电平衡状态下,不论是空心导体还是实心导体;不论导体本身带电多少,或者导体是否处于外电场中,必定为等势体,其内部场强为零,这是静电屏蔽的理论基础。

在很多的精密电子仪器设备外面的金属罩,通讯电缆外面包的铅皮等等,都是用来防止外界电场干扰的屏蔽措施。为了防止一些带电体不对周围环境产生影响,可以把电器放入到接地的金属罩内,比如某些高压电器就需要这种屏蔽。

为什么封闭的导体壳能把腔体内外“隔离”称为完全独立的两个静电系统?要想解释这个问题我们需要引入电动力学中的唯一性定理。这就不是中学阶段能理解的了。

由电动力学唯一性定理解释静电屏蔽现象

一、唯一性定理

当空间中某个区域内的电荷分布已知。要完全确定该区域内的电场还需要一组边界条件,这个边界条件就是包围这个区域的曲面,也就是这个导体的壳。讨论壳外区域电场时这个区域就是去除导体壳以外的所有空间,这时的边界就是导体的外表面和无限远处。边界条件就是边界面上的电学状态。

由唯一性定理可知:

1)给定各个导体的电势为 U1,U2,……Un;

2)给定各个导体的电荷为Q1,Q2,……Qn;

3)给定一部分导体的电荷为Q1,Q2,……Qk;另一部分导体的电势Uk+1,Uk+2,……Up;

在区域中的电荷分布确定的条件下,若以上两个条件之一给定,区域中的静电场的场强、电势就只有唯一一种分布。

二、电场强度E只有唯一性证明

假定对应于边界条件U1,U2,……Un有两种电势分布U(x,y,z)和U'(x,y,z),由叠加原理,当边界条件为U1'=U2'=……Un'=0时,有空间电势分布ΔU(x,y,z)=U'(x,y,z)-U'(x,y,z)

又,当各导体的电势都为0时,即U1=U2=……Un=0,整个电场空间的电势处处为零,即U(x,y,z)≡0

所以,U'(x,y,z)≡U(x,y,z)

因此,电场空间有唯一的电势分布。

又E=-∂U/∂n 即电场强度E也就确定了。

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