導(dǎo)體上電荷的分布剖析

人民教育出版社出版的高中物理選修3—1，第一章 靜電場的第七節(jié)靜電現(xiàn)象的應(yīng)用，即P25頁“導(dǎo)體上電荷的分布”這樣敘述：

……，靜電平衡時(shí)導(dǎo)體上的電荷分布有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

（1）導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面。

（2）在導(dǎo)體外表面，越尖銳的位置，電荷的密度（單位面積的電荷量）越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷。

我認(rèn)為上面兩點(diǎn)“（1）導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面?！边@一說法欠妥，值得商榷。其理由如下：

一、靜電平衡狀態(tài)

將一個(gè)不帶電的金屬導(dǎo)體ABCD放到場強(qiáng)為EO的電場中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在電場力的作用下逆著電場線定向移動，使導(dǎo)體的一側(cè)聚集負(fù)電荷，而導(dǎo)體另一側(cè)卻出現(xiàn)等量的正電荷，導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)的正負(fù)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生與EO方向相反的電場E1，E1與EO疊加的結(jié)果使原場強(qiáng)逐漸減弱，直至導(dǎo)體內(nèi)部各點(diǎn)的合場強(qiáng)等于零為止，于是導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再發(fā)生定向移動。這種狀態(tài)，我們就說導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡狀態(tài)。

二、靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的電場特征

1、處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，導(dǎo)體內(nèi)部的場強(qiáng)處處為零。

2、處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，其表面上任意一點(diǎn)場強(qiáng)方向跟表面垂直。

3、處于靜電平衡的導(dǎo)體是一個(gè)等勢體，其表面是一個(gè)等勢面。

三、靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的電荷分布特征

1、導(dǎo)體內(nèi)部不存在宏觀定向移動的自由電荷，但存在做無規(guī)則熱運(yùn)動的自由電子。

從靜電平衡狀態(tài)的定義我們知道：因?qū)w處于外加電場中，在導(dǎo)體兩端感應(yīng)出等量異種電荷，從而產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)場強(qiáng)與原電場疊加，在二者大小不等時(shí)，外電場強(qiáng)強(qiáng)于感應(yīng)場強(qiáng)，電子所受合力方向與原場強(qiáng)方向相反，繼續(xù)有自由電子定向移動，直至感應(yīng)場強(qiáng)與原場強(qiáng)大小相等，此時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)合場強(qiáng)處處為零，導(dǎo)體內(nèi)部自由電子不受電場力的作用，或者說所受電場力的合力為零。這樣，導(dǎo)體內(nèi)部跟沒有施加電場時(shí)的情景一樣，故沒有移至導(dǎo)體表面的自由電荷又開始做雜亂無章的熱運(yùn)動?？梢?，處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體、導(dǎo)體內(nèi)部仍有自由電子，只是這些自由電子不再做出宏觀的定向移動而已。

2、導(dǎo)體內(nèi)部有電荷，既有正電荷也有負(fù)電荷

從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)我們知道，任何物質(zhì)本身就是由帶電粒子組成的，一般情況下，物體對外顯電性而呈電中性，是因?yàn)槲矬w內(nèi)正負(fù)電荷相等。而金屬導(dǎo)體容易導(dǎo)電的原因是在金屬導(dǎo)體中存在大量自由電子，要知道，在導(dǎo)體發(fā)生靜電感應(yīng)的過程中，定向移動的僅是自由電荷，物體內(nèi)部的正粒子并沒有也隨之移動到導(dǎo)體的外表面。由此可知，處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部存在正電荷也存在負(fù)電荷。

3、凈電荷只分布在導(dǎo)體的外表面

所謂凈電荷，是指導(dǎo)體內(nèi)自由電子和陽離子的總量達(dá)到“電中和”以后多余的電荷。

帶電導(dǎo)體可視為處在它自己所帶電荷的電場中（只有電荷周圍才有電場），當(dāng)導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡時(shí)，內(nèi)部的場強(qiáng)處處為零。假若還有凈電荷在導(dǎo)體內(nèi)部的某點(diǎn)，這個(gè)電荷周圍必產(chǎn)生電場，使得導(dǎo)體內(nèi)部各點(diǎn)場強(qiáng)不可能處處為零，這與靜電平衡狀態(tài)的性質(zhì)相矛盾。因此，導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷，凈電荷只分布在導(dǎo)體的外表面。

綜合以上觀點(diǎn)，我認(rèn)為教科書中處于靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體上的電荷分布特點(diǎn)（1）這樣表述：導(dǎo)體內(nèi)部沒有定向移動的電荷，凈電荷只分布在導(dǎo)體的外表面。是否更為恰當(dāng)些？這只是我個(gè)人的淺見，還望專家和同仁們給予批評指正為謝！