關於接地問題的思考

2021-03-03 23:03:55 字數 2463 閱讀 6789

楊述傑教學中發現,很多學生在關於導體接地後會產生什麼影響感到非常困惑,對一些實際接地後出現的現象無法理解。在此,我主要是想通過一些例項談談有關接地的問題。

1、電容器充電後,其中一極板接地會影響其電荷量嗎?

例1:如圖一所示電路中,將開關k閉合後,電容器c被充電,上下兩極

板帶等量異號電荷,電容器所帶的電荷量為q。此後k斷開,而將電容器

的下極板接地(如圖二所示),其電荷量會發生變化嗎?

在做題過程中,很多同學認為:下極板帶負電,大地呈中性,它們

之間由於電荷的不平衡而形成電場,從而導致一部分負電荷流走,最後在

上極板所帶正電荷的電場作用下從新達到靜電平衡。對於下極板而言,所

帶-q』電荷量的絕對值必然減少,即應該為多少呢?學生們一臉的茫然……

分析:該想法乍一看好象天衣無縫,但認真分析後,這裡忽略了

一些重要的東西:

首先,我們所使用的平行板電容器的兩極板是有一定厚度的,充電後

兩極板所帶的電荷只能分布(看成均勻分布)在正對的內表面上,板內和

兩外表面無電荷(如圖三所示)。斷開開關後,上、下兩極板(面積較大,

相距很近)各自所帶的電荷分別在其表面附近形成大小相等的勻強電場e1、

e2。如圖四所示,在兩極板正對面之間的o點,e1、e2方向相同,疊加後

得到更強的勻強電場,而在兩正對面以外導體中的p、r兩點,e1、e2的

方向相反,疊加後電場強度為為零,整個極板是乙個等勢體。下極板接地後,

只是使下極板的電勢變為零,不會有電荷的移動,則不會引起電容器的電

荷量發生改變,也不會引起電容器之間的電場的改變。

2、關於靜電平衡的導體一部分接地後其帶電荷量的變化

例2:如圖

五、圖六所示:在地面上用一絕緣支架支援一不帶電的金屬導體,

當用一帶+q的帶電體接近該導體時,由於靜電感應,導體的a、b兩端分

別等量異種電荷+q、-q。

(1)、將導體遠離+q的a端接地時,導體所帶電荷將如何變化?

(2)、將導體靠近+q的b端接地時,導體所帶電荷將如何變化?

解答:無論a、b端接地,大地的自由電子都沿導線達到a端與正電

荷中和,從新達到靜電平衡後a端不帶電,而b端仍帶負電。導體是電勢

為零的等勢體。

a端接地時,大地的自由電子沿導線被吸引到導體的a端與正電荷中

和,對這學生容易理解。但當b端接地時,大地的自由電子也沿導線被吸引

上去而與a端正電荷中和,這就讓很多學生無法理解,b端的負電荷對電子

也有排斥力,大地的自由電子為什麼可以上去呢?

分析與解釋:當帶電體+q靠近金屬導體時,金屬導體在+q的電場中

發生靜電感應,靜電平衡時,金屬導體的a、b兩端分別帶等量異號+q、-q,

此時導體是乙個等勢體,導體內部電場強度處處為零。若將a端接地,由於

大地呈中性,a端帶正電,則大地的自由電子可以沿導線到達導體的a端與

正電荷中和,從而引起導體中自由電子的移動。但重新達到靜電平衡後,a端不帶電而b端必須帶負電,否則導體內部的電場不能為零,這樣導體內的自由電子會在電場力的作用下繼續移動,直到導體場強處處為零止。導體的電勢與大地相同也變為零。

而改作b端接地時,由於正電荷+q的電場線起始於正電荷,

終止於無窮遠處,無窮遠處的電勢為零。處在該電場中的金屬導體

處於靜電平衡時,整個導體是個等勢體,其電勢高於零電勢。而大

地的電勢為零,在電場力作用下,大地中的自由電子會在電場力的

作用下從電勢低的大地向電勢高的導體移動,最後和a端的正電

荷中和。重新達到靜電平衡時,a端呈中性,而b端仍帶負電荷,

整個導體的電勢為零。接地只是將導體與大地相連部位多餘靜電

帶走。3、乾電池的一極接地時會有電荷移動嗎?

例3:如圖七所示,有一節新乾電池,由於化學能轉化為電能,正電荷在正極

積聚,負電荷在負極積聚。若將正極接地,導線中會有電流嗎?

現象:在導線中接入一靈敏電流計,不會看到其指標偏轉,即電池中的電

能不會通過導線流到大地。為什麼大地中自由電子不會被正極的正電荷吸引上

來和和正電荷中和呢?

解釋:電池正極接地,只是以電源的正極的電勢為零,雖然開始由

於電場作用,大地有微量自由電子被吸引上來和正極的正電荷中和,但

重新達到靜電平衡時,仍然是負極帶負電,正極帶正電,正極只有微量

正電荷被中和,基本可以忽略不計,以確保正極的電勢與大地同為零,

此後不再有電流流動。

帶電導體的一部分接地後,只要能保證接地部位的電勢為零後不

再引起其它變化。如圖

八、圖九:電源的正、負極接地後,只是以其接

地部位的電勢為零,對整個電路不再引起其它任何變化。

實際生活或電路中有關接地目的無非以下兩種:

一、將導體多餘的靜電帶走。

二、讓接地部位的電勢變為零。

知道接地的基本原理後,任何接地問題都會迎韌而解,更有利於學

生利用所學的知識處理日常生活中一些實際電路的接地問題,以達到安全

用電的目的。

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