靜電導體

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簡介

靜電學領域可以追溯到公元前 600 年。當時人們已經透過摩擦作用瞭解了電。但這一物理學領域的數學公式化是在 18 世紀後期隨著庫侖靜電定律的出現而發生的。然後，靜電學領域成為一個正式的研究領域。

後來，隨著麥克斯韋方程式的發現，人們發現電場和磁場是同一枚硬幣的兩面。在本教程中，我們將深入探討導體的基本靜電特性及其背後的原因。

什麼是導體？

理想導體是一種具有無限供應自由電子的材料介質。這種材料的磁化率理想情況下是無限的，這意味著在材料“主體”內部產生的電場被感應電荷完全抵消，使材料的電場為零。

但理想導體並沒有無限量的自由電子。但它們確實非常接近理想假設。實際導體中的單個原子將包含一個自由電子。

對於幾乎所有實際情況，這將相當於阿伏伽德羅數目的自由電子。而這個數字大到天文數字，可以認為它們是完美的導體。

導體內部的電場

Qbrodsky，導體內部的電場，CC BY-SA 4.0

庫侖靜電定律

庫侖靜電定律指出，兩個帶電粒子之間的靜電力與電荷大小的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。對於同種電荷，力的方向背離點粒子；對於異種電荷，力的方向指向彼此。該定律的數學表示式可以寫成：

$$\mathrm{F=K\frac{q_1q_2}{r^{2}}\hat{r}}$$

其中，

K 是比例常數 $\mathrm{(8.9\: \times\:10^9\:Nm^{2}\:C^{-2})}$

$\mathrm{q_1\:,q_2}$ 是點帶電粒子的量級

r 是帶電粒子之間的分離距離

$\mathrm{\hat{r}}$ 是指向連線點粒子的線的單位向量

此定律不適用於運動的帶電粒子。當帶電粒子開始運動時，由於空間收縮，它們周圍的電場開始扭曲。

這是一個相對論效應。此外，還需要在力表示式中包含額外的磁場。因此，該定律僅適用於靜止帶電粒子。

導體的靜電特性

• 放置在靜電場中的導體將傾向於抵消材料主體內部的電場。這是因為導體中的電子完全不受約束，可以自由移動，從而抵消任何外部電場。如果有一些殘餘電場沒有被抵消，則電子將四處移動，這意味著我們不再處理靜電學。我們必須等到移動的電子透過完全抵消電場而穩定下來。因此，在靜電學中，導體內部的電場為零。

• 體電荷密度在導體內部為零。這是高斯定律的基本結果，根據該定律，電場與體電荷密度成正比。由於導體內部沒有電荷，因此體電荷密度為零。這意味著導體內部沒有電場。

• 留在導體上的任何電荷都將駐留在表面上。這僅僅是因為這是唯一能夠最大程度地降低電位的配置。因此，它是最有利的配置。

• 導體正外部的電場垂直於表面。這是因為，如果存在任何導致電荷加速的電場的切向分量，那麼它將不再是靜電學。因此，分佈在導體表面的電荷將自身排列，使得所有切向分量都被消除。

靜電遮蔽

導體內部電場為零這一事實可以用來將空間區域與外部電場隔離開。將空間區域與任何外部靜電場隔離開的過程稱為靜電遮蔽。這是因為施加到導體的外部電場將在表面上感應出等量的帶電粒子，這些帶電粒子將在導體內部產生自己的電場，從而完全抵消外部電場。

執行此屬性的導體稱為法拉第籠。現實生活中的例子是汽車。在雷雨天坐在汽車裡是安全的，因為擊中汽車的閃電會由於靜電遮蔽而穿過汽車的車身。另一個例子是同軸電纜的設計。同軸電纜有一根沿著其軸向中心執行的導體，周圍環繞著絕緣體，絕緣體進一步被另一根導體包圍，該導體將在靜電上遮蔽內部主導體。

結論

導體是我們大多數人都熟悉的一類材料。然而，理解它們在應用中的作用需要許多基本的靜電概念。導體不僅在靜電學領域具有上述應用。即使避雷針也是由導體制成的。它們的原理很簡單。假設雲帶有一些電荷。當將一根與地面連線的尖銳導體放置在建築物的頂部時，與雲相反的電荷將在導體上積聚，並且它將開始釋放相反的電荷並使雲電離並使其中和。因此，導體的應用是無限的。但是，透過對靜電學的基本瞭解，人們可以輕鬆理解它們的行為。

常見問題解答

Q1. 當導體與材料摩擦時，它會獲得一些電荷嗎？

答：不會。這是因為導體中的電荷是自由電子。因此，只要摩擦材料與導體接觸，自由電子就會中和產生的任何靜電荷。

Q2. 如果導體有自由電子，為什麼它會提供電阻？

答：在導體中載流的電子與晶格中的原子以及其他電子發生隨機碰撞。這是在導體的電阻隨溫度升高而增加的事實下進行的。這是由於較高溫度下原子熱振動的增加，這使得電子的機動性變得更加困難。

Q3. 定義導體的載流量。

答：導體的載流量是指導體在不熔化的情況下可以導通的電流量。這取決於導體的幾何形狀和製造導體的材料的性質。

Q4. 定義各向同性和各向異性導體。

答：當外部電場施加到導體時，自由電子將透過在導體中產生電流來響應。當響應施加的電場而感應的電流方向與施加的外部電場方向相同，則該導體稱為各向同性導體。如果響應施加的電場而感應的電流方向與施加的外部電場方向不同，則該導體稱為各向異性導體。

Q5. 什麼是超導性？

答：超導性是一種臨界現象，其中聯結器的電阻在極低的溫度下會突然降至零。這種電阻降至零將導致材料的無限電流傳導性。這種現象稱為超導性，表現出這種特性的導體稱為超導體。