大学物理静电平衡教学的理论挖掘与工程实践

郭铁梁[]，姜洪喜，张文祥

大学物理静电平衡教学的理论挖掘与工程实践

郭铁梁[1]，姜洪喜2，张文祥1

（1. 梧州学院 电子与信息工程学院，广西 梧州 543002；2. 黑龙江科技大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

大学物理课程对于静电平衡这一知识点的教学，通常是介绍基本原理之后，简单列举几个实例，而没有对静电平衡理论进行深层次的理论挖掘．另外，在举例过程中，也未能对静电平衡理论在工程实践中的具体应用细节进行讲解．针对这些问题，通过理论分析与史料分析相结合，详细论述了静电平衡理论与库仑定律的关系及静电屏蔽有效性问题，再通过避雷针这一具体实例，结合国家标准，对静电平衡理论在工程实践中的应用细节进行了阐述．实践表明，这种理论挖掘与工程实践的结合，更有助于学生对静电平衡理论的深层次理解及对工程实践应用方面更具体的认知．

大学物理；静电平衡；库仑定律；工程实践

大学物理课程对于静电平衡这一内容的讲授，更多地侧重于理论本身的讲解，而对于静电平衡理论与其他理论的深层次联系，一般很少做阐述．另外，在对静电平衡理论进行应用举例时，也是泛泛停留在简单的书本知识上，而不能对其在工程实践领域的具体应用细节进行详细介绍．为了能使学生对物理学理论进行全面而深层次的联系和理解，而不是简单地知道某个孤立的理论，本文首先介绍静电平衡基础理论及其应用——静电屏蔽和尖端放电，然后将静电平衡理论进行了深层次的理论挖掘，结合有关物理学史料和高斯定理，将静电屏蔽实验与库仑定律进行联系，再从理论上对静电屏蔽的有效性进行了探讨，从而使学生对静电平衡和库仑定律有了新的认知，进而激发学生对于科学研究特别是基础理论研究的兴趣．在静电平衡理论的工程实践应用方面，本文以避雷针应用为例，结合国家标准，介绍了避雷针发展历史、组成、设计及具体应用，以滚球法为具体范例，使学生了解如何将理论知识具体应用到工程实践中，目的是增强学生的实践意识，使学生意识到从理论到实践还需要一个复杂的过程，而不是简单地套用书本知识．

1 静电平衡的基础理论

导体在外电场的作用下，首先发生静电感应现象，当导体内部及表面不再有电荷作定向移动时，导体达到静电平衡状态．处于静电平衡的导体应从4个方面描述其特点和状态：（1）电场强度．这时导体内部的电场强度处处为零，导体表面处的电场线与该处表面垂直．（2）电势的特点．处于静电平衡的导体内部是等势体，导体表面是一个与导体内部电势相等的等势面．（3）导体上的电荷分布问题．这里的电荷分为2类，一类是导体上携带的外来净电荷，另一类是构成导体自身的电荷由于静电感应而重新分布的电荷，通常称这2类电荷都是净电荷（这种说法有待商榷）．总之，当导体处于静电平衡状态时，2类电荷应该分布在导体的表面．（4）静电平衡．导体表面处的场强大小，与该表面处的电荷面密度成正比，而此处的电荷面密度又与该处表面的曲率成正比．

1.1 静电屏蔽

根据静电平衡导体内部场强为零的特点，可以通过一个导体空腔营造一个不受外界电场影响的空间，从而起到屏蔽外界电场的作用（见图1a）；另外，根据静电平衡导体净电荷分布于导体表面的规律，可以通过将导体外表面接地，从而使导体及其空腔内的电荷不对外界产生影响，从而起到屏蔽内部电场的作用（见图1b）．综上，对静电屏蔽可解释为：导体壳内部电场不受壳外电荷的影响，接地导体壳使得外部电场不受壳内电荷的影响，内部电荷对外界也不影响[1]．

图1 静电屏蔽

另外，除了图1理论上常见的空腔导体屏蔽以外，对于导体静电屏蔽问题还应有一个更广义的理解．对于2个（或多个）足够大的导体，将导体外空间分隔成几个区域，当达到静电平衡时，这时分隔空间的导体对各区域空间能够起到屏蔽作用，导体内部空间的零电场对各区域进行了分隔屏蔽，如无限长电缆就是这种情况的典型应用[2]．

1.2 尖端放电

根据静电平衡导体表面电荷的分布规律，导体表面曲率越大处电荷面密度越大，从而电场强度越大，可能导致此处附近空气被强电场电离而产生放电现象，这就是所谓的尖端放电．一方面尖端放电有其危害性，但另一方面在工程实践中也得到了广泛的应用，如避雷针就是一个典型的尖端放电应用范例（详细内容在后文中介绍）．另外，对于尖端放电知识的理解不应局限在大学物理课程范围内，因为尖端放电问题无论在理论上还是应用上，都有着极其广泛的研究与应用空间．例如：在高电压与绝缘技术领域存在的局部放电现象就是一种典型的尖端放电，该现象是由电气设备的导体部分存在突出物缺陷所引起的[3]．由于局部放电理论涉及电介质物理与固体物理等专业理论知识，大学物理课程知识已经难以对其进行详细解释．但对于尖端放电知识进行理论与应用层面的引导，有助于学生对于该问题的思考和进一步探究，从而对学生专业素质的提高起到潜移默化的作用．

2 静电平衡对库仑定律的验证

2.1 有关库仑定律的实验验证

表1 库仑定律指数偏差的实验验证数据

2.2 库仑定律与高斯定理的理论关系

随着电磁学理论体系的完善，对库仑定律正确性的验证不仅停留在实验验证上，高斯定理的出现，对于证明库仑定律的理论正确性提供了有力的理论支持．纵观整个电磁学的理论体系，高斯定理与库仑定律的理论独立性在伯仲之间，有些学者认为高斯定理的独立性地位甚至高于库仑定律[6]．通过高斯定理可以推导出库仑定律（严格的平方反比关系），也就是说高斯定理与库仑定律的正确性至少具有等价性．说得更清楚一些，就是能够验证高斯定理正确性的实验，也能够间接证明库仑定律的正确性．

2.3 静电屏蔽实验对于库仑定律的间接验证

根据高斯定理，结合导体静电平衡电荷分布特点，可以从理论上计算出处于静电平衡的导体内部场强为零，这与利用静电平衡理论通过静电屏蔽实验得到的结论相同．也就是说，用仪器对屏蔽壳内带电与否进行检测，根据测量结果进行分析就可验证高斯定理的正确性．

综上，如果静电平衡乃至静电屏蔽的物理事实有力地验证了高斯定理的正确性，也就间接地验证了库仑定律的正确性．而这里所指的正确性说的是电力平方反比定律的正确性，虽然这是一种间接的验证方式，但与表1中所列的验证方式最重要的一点不同是，静电屏蔽实验对库仑定律的间接验证结果是平方指数偏差为零．

2.4 静电屏蔽有效性的理论探讨

探讨了静电屏蔽的基本原理，由此可知静电屏蔽有效性的前提是导体必须达到静电平衡．导体若想达到静电平衡，其内部大量自由电子需重新分布，建立感应电场以完全抵消外电场．如果存在一种极端情况，即由于导体的体积空间限制，当导体某一维度的空间尺寸较小时，由于导体不能提供足够的自由电子，导体内自由电子所产生的感应电场不能完全抵消外电场，则导体不能达到静电平衡，从而静电屏蔽作用无法实现，这就是静电屏蔽的有效性问题．文献[7-8]利用电磁学的专业知识对这些问题进行了学术探讨，本文将根据大学物理课程知识，从经典物理学的角度来讨论这一问题，通过理论上的引入和深入挖掘，有助于学生对于静电平衡知识的拓展和思考．

图2 导体静电平衡及屏蔽示意图

3 静电平衡理论在避雷针上的工程应用

3.1 雷电的破坏作用

简单来说，雷电是由于空气流动摩擦起电引起的，无风时主要是静电，大风时就会表现出放电现象，一方面是由不同云团相互碰撞产生的，另一原因是地面上的电荷和空气中的电荷产生放电引起的．雷电的破坏作用主要分为冲击波、电动力效应、雷电流热效应以及雷电的静电感应和电磁感应．中国的雷击灾害较为严重，因此做好对雷电的躲避防御工作，将雷击所造成的损失降低，尤为重要．

3.2 避雷针的发展历史

中国是应用避雷针较早的国家，法国旅行家Cabrio-don DE magran在1688年所著的《中国新事》一书中就记有中国屋脊两头龙头铁丝直通地下的应用[13]．而现代避雷针的发明应该归功于美国科学家B. Franklin，他在1752年通过实验设计了避雷针并进行了应用[14]．避雷针的应用技术由此从美洲传至欧洲，再由欧洲传至亚洲及至全世界．

3.3 避雷针国家标准中的相关内容

顾名思义，避雷针有躲避雷电之意，但在中国国家标准GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》中，已经用接闪器的名字取而代之[15]．将避雷针改名为接闪器，是因为以前的名称不能科学反映避雷针躲避雷电的基本原理．避雷针在中国使用的早期，人们之所以称其为避雷针，是因为它可以避免房屋等高大建筑物遭受雷击．但当时的人们并不了解避雷针的工作原理，从理论上讲，避雷针对于建筑物的保护，并不是躲避雷电，而是引雷上身，使雷电在避雷针的尖端集中得到释放，再通过接地线将强大的雷电流引入地下，从而使建筑物得到保护．

图3 滚球法的设计原理

这里对滚球法的简单介绍，只是起到抛砖引玉的作用，目的是让学生具有工程实践意识和标准意识，让学生知道要想把书本知识应用到实际中，还需要进一步的学习和实践，要想成为一名合格的工程技术人员，不但要读万卷书，更重要的是要行万里路．

4 教学效果的实践分析

本文具体探讨了静电平衡知识在大学物理教学中的相关问题，对于整个大学物理课程教学来说，将理论挖掘与工程实践以及行业标准的教学理念融入到教学实践中，对于普通地方应用型本科院校的高素质人才培养来说，具有重要意义．大学物理作为一门基础通识教育课程，其中所涉及的理论知识博而不渊，而其所涉及到应用知识粗而不精．针对这些问题，将理论挖掘与工程实践相结合的教学理念与方法应用在大学物理课堂教学中，并取得了良好的教学效果．多年来通过对学生学习行为的观察与书本知识成绩评价可知，理论挖掘与精准工程实践对于学生素质培养起到了良好的促进作用．首先对于物理知识的深入探讨，使学生理论知识不再局限于书本上，进而激发了学生进行研究性学习的动力，有很多学生因此对于基础科学的研究产生兴趣．另外，对于工程应用与行业标准的引入，让学生对于工程实践有了新的认识与感悟，有些学生针对自己所学专业进行了行业标准相关资料的查阅与学习．除了学生在素质方面得到提高以外，最为明显的是学生的大学物理课程学习成绩也有了明显的改观，通过对学生的学习成绩数据作对比分析，可以明显感受到对物理学理论的深入理解与对工程应用的切身体会，非常有助于学生书本知识学习成绩的提高．

5 结语

通过对大学物理静电平衡知识点的理论挖掘，其中主要包括库仑定律、高斯定理及静电屏蔽（有效性）在理论上与静电平衡的渊源，再通过避雷针（接闪器）的工程应用范例介绍，可以得出结论：在大学物理课程相关知识教学过程中，大多情况下要涉及到理论联系实际的问题，单纯的书本知识讲解及简单的理论层面的应用，远远不能满足当今研究型或应用型人才培养的需求．物理学不仅是理论体系严密完整的学科，而且更是与工程实践紧密联系的学科．因此，在教学中努力使学生在学习书本理论知识的同时，能对整个物理学的理论框架和理论根源有所了解，在学习应用知识的同时能够树立工程实践意识，在理论联系实践的过程中能够真正做到学以致用，真正明白物理与工程的关系，增加学生的实践意识，提高创新能力．

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Theoretical exploration and engineering practice in electrostatic equilibrium teaching of college physics

GUO Tieliang1，JIANG Hongxi2，ZHANG Wenxiang1

（1. School of Electronics and Information，Wuzhou University，Wuzhou 543002，China；2. School of Science，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，China）

The teaching about electrostatic balance in college physics courses is usually followed by the introduction of basic principles and a few simple examples，instead of the theoretical exploration in depth．In addition，the detailed application of the theory in engineering practice cannot be explained in the process．In view of the above problems， the relationship between electrostatic balance theory and Coulomb's law and the effectiveness of electrostatic shielding were discussed by combining theoretical analysis and historical data analysis in detail．Again through the specific example of lightning rod，combined with the national standards，the detailed application of electrostatic equilibrium theory in engineering practice was introduced． Practice has proved that the theory mining combined with the engineering practice，can more help student to understand the electrostatic equilibrium theory deeply and to perceive the practical engineering application specifically．

college physics；electrostatic equilibrium；Coulomb′ s law；engineering practice

1007-9831（2022）08-0105-06

O441.1∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.08.021

2022-03-15

教育部第二批“新工科”研究与实践项目（E-DZYQ20201426）；广西高等教育本科教学改革工程重点项目（2021JGZ159）；黑龙江省教育厅高等教育教学改革研究项目（SJGY20170352）；梧州学院教育教学改革工程项目（wyjg2021A005，wyjg2019A035，wyjg2022A037）

郭铁梁（1971-），男，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，从事大学物理、通信与信息系统研究．E-mail：1270791971@qq.com