如何正确认识带电导体接地问题

如何正确认识带电导体接地问题

作者：赵坚 昆明第十四中

（原载《物理教学探讨》2001年第2期）

1 问题提出

由于现行统编教材《物理》第二册（必修）第15页中讲到：“防止静电危害的基本办法，是尽快把产生的静电导走，避免越积越多.具体措施则多种多样。油罐车是靠一条拖在地上的铁链把静电导走.飞机机轮上通常都装有搭地线，也有用导电橡胶做机轮轮胎的，着陆时它们可将机身的静电导入地下.”使得许多学生在高三选修课中学习静电感应部分的知识时，一看见带电导体接地就认为导体不带电荷，这种错误是对“接地”的概念缺乏深入的理解所致，因此，有必要对此作出探讨.

2 错误认识的根源分析

在对“接地”问题作出正确说明前，探讨一下造成错误认识的根源问题显得很有必要.笔者认为，原因大体可归为两方面.其一：由于课本中前述那段文字产生的负迁影响.其二：教学中有的教师对如下问题的原因的不确切解释.

[例1] 有一带电荷为Q 的导体A ，与大地相接后不带电。原因解释：由于其上电荷被大地中来的异号电荷中和.

[例2] 如图1所示，导体A 附近有一带电体B ，由于静电感应在导体A 的左右两侧出现感应电荷q +和q -.如果将导体A 接地，则其

上只带净电荷q -.原因解释：由于q +电荷被大地中来的等量负电荷中和. 带电导体接地后电荷是否真的就完全消失了呢？看来弄清楚此问题是帮助我们解决

问题的关键所在.

实验证明，通常情况下，大气相对于地球表面来说是带正电的，地球是一个带负电的导体，大地电场的方向是由空中指向地面，此电场并非线性分布.由实验测得在接近地表附近的地方其场强m /V 130E =.根据带电导体表面附近的场强计算式εδ=E .可算出地表的电荷面密度 29120m C 1015.11301085.8E --⨯-=⨯⨯-=ε-=δ。

因地壳是导体，静电平衡时电荷分布在地球的表面上。现取地球半径m 104.6R 6

⨯=，可计算出地球带电量 C 1092.5)104.6(14.341015.1R 4Q 52692⨯-=⨯⨯⨯⨯⨯-=π⋅δ=-.

我们知道，在静电实验中，导体所带的电量与地球带电量相比是很小的.因此，导体接地后和地球达到静电平衡时，可近似认为地球的电荷面密度并未受到影响.由于接地的导体和地球离得较近，自然不能将接地后的导体视为孤立导体。同时，由于接地导体和地球线度相比很微小，所以可将接地导体视为地球的一部分，这样，导体接地后其上的电荷面密度29'm C 1015.1-⨯-=δ.假设接地导体是一个半径m 05.0r =的球形导体,则接地后所带电量C 1061.3)05.0(14.341015.1R 4Q 11292--⨯-=⨯⨯⨯⨯-=π⋅δ=.此数量级的电荷要

图1

想用实验仪器测出来是很难的，从这个角度讲，可近似认为导体接地后导体上的电荷“消失”了.那种将带电导体接地后电荷认为完全消失的错误观点，主要是把接地后的带电导体错误视为是孤立导体.应当如何正确认识带电导体接地问题呢？

3 对“接地”概念的正确认识

既然接地后的带电导体不能视为孤立导体，因此，从电荷中和的角度对接地问题进行解释显然是不确切的.对前述例1、例2的合理解释应该是：

[例1]解释：由于带电导体A 与大地连接，则A 与地球构成等势体，根据处于静电平衡的导体净电荷只分布于等势体外表面的特征，对表面有许多高山和高大而尖锐的建筑物的地球，电荷Q 几乎大部分分布于这些物体上，导体A 上几乎不再有电荷.

[例2]解释：如图2所示，导体A 与地球连接后构成一等势体，在带体B 的电场作用下，导体A 右侧（近端）出现感应电荷q -，而在地球

和导体构成的等势体左侧（远端）出现感应电荷q +.

综上，所谓带电导体－“接地”并非指导体就不带电荷了，导体“接地”仅仅意味着其电势为零，与大地构成一等势体.

参考文献

[1] B ．J ．梅森著 云物理学（中译本），科学出版社，1970年

[2] 金仲辉 地球和大气的静电状态，物理通报，1984年第4期

[3] 庞友舜 带电导体接地后电荷消失的原因，物理通报，1986年第11期

图2