郭鐵梁[]，姜洪喜，張文祥

大學(xué)物理靜電平衡教學(xué)的理論挖掘與工程實(shí)踐

郭鐵梁[1]，姜洪喜2，張文祥1

（1. 梧州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣西 梧州 543002；2. 黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

大學(xué)物理課程對(duì)于靜電平衡這一知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，通常是介紹基本原理之后，簡(jiǎn)單列舉幾個(gè)實(shí)例，而沒(méi)有對(duì)靜電平衡理論進(jìn)行深層次的理論挖掘．另外，在舉例過(guò)程中，也未能對(duì)靜電平衡理論在工程實(shí)踐中的具體應(yīng)用細(xì)節(jié)進(jìn)行講解．針對(duì)這些問(wèn)題，通過(guò)理論分析與史料分析相結(jié)合，詳細(xì)論述了靜電平衡理論與庫(kù)侖定律的關(guān)系及靜電屏蔽有效性問(wèn)題，再通過(guò)避雷針這一具體實(shí)例，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)靜電平衡理論在工程實(shí)踐中的應(yīng)用細(xì)節(jié)進(jìn)行了闡述．實(shí)踐表明，這種理論挖掘與工程實(shí)踐的結(jié)合，更有助于學(xué)生對(duì)靜電平衡理論的深層次理解及對(duì)工程實(shí)踐應(yīng)用方面更具體的認(rèn)知．

大學(xué)物理；靜電平衡；庫(kù)侖定律；工程實(shí)踐

大學(xué)物理課程對(duì)于靜電平衡這一內(nèi)容的講授，更多地側(cè)重于理論本身的講解，而對(duì)于靜電平衡理論與其他理論的深層次聯(lián)系，一般很少做闡述．另外，在對(duì)靜電平衡理論進(jìn)行應(yīng)用舉例時(shí)，也是泛泛停留在簡(jiǎn)單的書(shū)本知識(shí)上，而不能對(duì)其在工程實(shí)踐領(lǐng)域的具體應(yīng)用細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹．為了能使學(xué)生對(duì)物理學(xué)理論進(jìn)行全面而深層次的聯(lián)系和理解，而不是簡(jiǎn)單地知道某個(gè)孤立的理論，本文首先介紹靜電平衡基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用——靜電屏蔽和尖端放電，然后將靜電平衡理論進(jìn)行了深層次的理論挖掘，結(jié)合有關(guān)物理學(xué)史料和高斯定理，將靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)與庫(kù)侖定律進(jìn)行聯(lián)系，再?gòu)睦碚撋蠈?duì)靜電屏蔽的有效性進(jìn)行了探討，從而使學(xué)生對(duì)靜電平衡和庫(kù)侖定律有了新的認(rèn)知，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對(duì)于科學(xué)研究特別是基礎(chǔ)理論研究的興趣．在靜電平衡理論的工程實(shí)踐應(yīng)用方面，本文以避雷針應(yīng)用為例，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，介紹了避雷針發(fā)展歷史、組成、設(shè)計(jì)及具體應(yīng)用，以滾球法為具體范例，使學(xué)生了解如何將理論知識(shí)具體應(yīng)用到工程實(shí)踐中，目的是增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)，使學(xué)生意識(shí)到從理論到實(shí)踐還需要一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，而不是簡(jiǎn)單地套用書(shū)本知識(shí)．

1 靜電平衡的基礎(chǔ)理論

導(dǎo)體在外電場(chǎng)的作用下，首先發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部及表面不再有電荷作定向移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡狀態(tài)．處于靜電平衡的導(dǎo)體應(yīng)從4個(gè)方面描述其特點(diǎn)和狀態(tài)：（1）電場(chǎng)強(qiáng)度．這時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零，導(dǎo)體表面處的電場(chǎng)線與該處表面垂直．（2）電勢(shì)的特點(diǎn)．處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部是等勢(shì)體，導(dǎo)體表面是一個(gè)與導(dǎo)體內(nèi)部電勢(shì)相等的等勢(shì)面．（3）導(dǎo)體上的電荷分布問(wèn)題．這里的電荷分為2類，一類是導(dǎo)體上攜帶的外來(lái)凈電荷，另一類是構(gòu)成導(dǎo)體自身的電荷由于靜電感應(yīng)而重新分布的電荷，通常稱這2類電荷都是凈電荷（這種說(shuō)法有待商榷）．總之，當(dāng)導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)時(shí)，2類電荷應(yīng)該分布在導(dǎo)體的表面．（4）靜電平衡．導(dǎo)體表面處的場(chǎng)強(qiáng)大小，與該表面處的電荷面密度成正比，而此處的電荷面密度又與該處表面的曲率成正比．

1.1 靜電屏蔽

根據(jù)靜電平衡導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零的特點(diǎn)，可以通過(guò)一個(gè)導(dǎo)體空腔營(yíng)造一個(gè)不受外界電場(chǎng)影響的空間，從而起到屏蔽外界電場(chǎng)的作用（見(jiàn)圖1a）；另外，根據(jù)靜電平衡導(dǎo)體凈電荷分布于導(dǎo)體表面的規(guī)律，可以通過(guò)將導(dǎo)體外表面接地，從而使導(dǎo)體及其空腔內(nèi)的電荷不對(duì)外界產(chǎn)生影響，從而起到屏蔽內(nèi)部電場(chǎng)的作用（見(jiàn)圖1b）．綜上，對(duì)靜電屏蔽可解釋為：導(dǎo)體殼內(nèi)部電場(chǎng)不受殼外電荷的影響，接地導(dǎo)體殼使得外部電場(chǎng)不受殼內(nèi)電荷的影響，內(nèi)部電荷對(duì)外界也不影響[1]．

圖1 靜電屏蔽

另外，除了圖1理論上常見(jiàn)的空腔導(dǎo)體屏蔽以外，對(duì)于導(dǎo)體靜電屏蔽問(wèn)題還應(yīng)有一個(gè)更廣義的理解．對(duì)于2個(gè)（或多個(gè)）足夠大的導(dǎo)體，將導(dǎo)體外空間分隔成幾個(gè)區(qū)域，當(dāng)達(dá)到靜電平衡時(shí)，這時(shí)分隔空間的導(dǎo)體對(duì)各區(qū)域空間能夠起到屏蔽作用，導(dǎo)體內(nèi)部空間的零電場(chǎng)對(duì)各區(qū)域進(jìn)行了分隔屏蔽，如無(wú)限長(zhǎng)電纜就是這種情況的典型應(yīng)用[2]．

1.2 尖端放電

根據(jù)靜電平衡導(dǎo)體表面電荷的分布規(guī)律，導(dǎo)體表面曲率越大處電荷面密度越大，從而電場(chǎng)強(qiáng)度越大，可能導(dǎo)致此處附近空氣被強(qiáng)電場(chǎng)電離而產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這就是所謂的尖端放電．一方面尖端放電有其危害性，但另一方面在工程實(shí)踐中也得到了廣泛的應(yīng)用，如避雷針就是一個(gè)典型的尖端放電應(yīng)用范例（詳細(xì)內(nèi)容在后文中介紹）．另外，對(duì)于尖端放電知識(shí)的理解不應(yīng)局限在大學(xué)物理課程范圍內(nèi)，因?yàn)榧舛朔烹妴?wèn)題無(wú)論在理論上還是應(yīng)用上，都有著極其廣泛的研究與應(yīng)用空間．例如：在高電壓與絕緣技術(shù)領(lǐng)域存在的局部放電現(xiàn)象就是一種典型的尖端放電，該現(xiàn)象是由電氣設(shè)備的導(dǎo)體部分存在突出物缺陷所引起的[3]．由于局部放電理論涉及電介質(zhì)物理與固體物理等專業(yè)理論知識(shí)，大學(xué)物理課程知識(shí)已經(jīng)難以對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)解釋．但對(duì)于尖端放電知識(shí)進(jìn)行理論與應(yīng)用層面的引導(dǎo)，有助于學(xué)生對(duì)于該問(wèn)題的思考和進(jìn)一步探究，從而對(duì)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的提高起到潛移默化的作用．

2 靜電平衡對(duì)庫(kù)侖定律的驗(yàn)證

2.1 有關(guān)庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

表1 庫(kù)侖定律指數(shù)偏差的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

2.2 庫(kù)侖定律與高斯定理的理論關(guān)系

隨著電磁學(xué)理論體系的完善，對(duì)庫(kù)侖定律正確性的驗(yàn)證不僅停留在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上，高斯定理的出現(xiàn)，對(duì)于證明庫(kù)侖定律的理論正確性提供了有力的理論支持．縱觀整個(gè)電磁學(xué)的理論體系，高斯定理與庫(kù)侖定律的理論獨(dú)立性在伯仲之間，有些學(xué)者認(rèn)為高斯定理的獨(dú)立性地位甚至高于庫(kù)侖定律[6]．通過(guò)高斯定理可以推導(dǎo)出庫(kù)侖定律（嚴(yán)格的平方反比關(guān)系），也就是說(shuō)高斯定理與庫(kù)侖定律的正確性至少具有等價(jià)性．說(shuō)得更清楚一些，就是能夠驗(yàn)證高斯定理正確性的實(shí)驗(yàn)，也能夠間接證明庫(kù)侖定律的正確性．

2.3 靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)對(duì)于庫(kù)侖定律的間接驗(yàn)證

根據(jù)高斯定理，結(jié)合導(dǎo)體靜電平衡電荷分布特點(diǎn)，可以從理論上計(jì)算出處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零，這與利用靜電平衡理論通過(guò)靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論相同．也就是說(shuō)，用儀器對(duì)屏蔽殼內(nèi)帶電與否進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析就可驗(yàn)證高斯定理的正確性．

綜上，如果靜電平衡乃至靜電屏蔽的物理事實(shí)有力地驗(yàn)證了高斯定理的正確性，也就間接地驗(yàn)證了庫(kù)侖定律的正確性．而這里所指的正確性說(shuō)的是電力平方反比定律的正確性，雖然這是一種間接的驗(yàn)證方式，但與表1中所列的驗(yàn)證方式最重要的一點(diǎn)不同是，靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)對(duì)庫(kù)侖定律的間接驗(yàn)證結(jié)果是平方指數(shù)偏差為零．

2.4 靜電屏蔽有效性的理論探討

探討了靜電屏蔽的基本原理，由此可知靜電屏蔽有效性的前提是導(dǎo)體必須達(dá)到靜電平衡．導(dǎo)體若想達(dá)到靜電平衡，其內(nèi)部大量自由電子需重新分布，建立感應(yīng)電場(chǎng)以完全抵消外電場(chǎng)．如果存在一種極端情況，即由于導(dǎo)體的體積空間限制，當(dāng)導(dǎo)體某一維度的空間尺寸較小時(shí)，由于導(dǎo)體不能提供足夠的自由電子，導(dǎo)體內(nèi)自由電子所產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)不能完全抵消外電場(chǎng)，則導(dǎo)體不能達(dá)到靜電平衡，從而靜電屏蔽作用無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這就是靜電屏蔽的有效性問(wèn)題．文獻(xiàn)[7-8]利用電磁學(xué)的專業(yè)知識(shí)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了學(xué)術(shù)探討，本文將根據(jù)大學(xué)物理課程知識(shí)，從經(jīng)典物理學(xué)的角度來(lái)討論這一問(wèn)題，通過(guò)理論上的引入和深入挖掘，有助于學(xué)生對(duì)于靜電平衡知識(shí)的拓展和思考．

圖2 導(dǎo)體靜電平衡及屏蔽示意圖

3 靜電平衡理論在避雷針上的工程應(yīng)用

3.1 雷電的破壞作用

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，雷電是由于空氣流動(dòng)摩擦起電引起的，無(wú)風(fēng)時(shí)主要是靜電，大風(fēng)時(shí)就會(huì)表現(xiàn)出放電現(xiàn)象，一方面是由不同云團(tuán)相互碰撞產(chǎn)生的，另一原因是地面上的電荷和空氣中的電荷產(chǎn)生放電引起的．雷電的破壞作用主要分為沖擊波、電動(dòng)力效應(yīng)、雷電流熱效應(yīng)以及雷電的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)．中國(guó)的雷擊災(zāi)害較為嚴(yán)重，因此做好對(duì)雷電的躲避防御工作，將雷擊所造成的損失降低，尤為重要．

3.2 避雷針的發(fā)展歷史

中國(guó)是應(yīng)用避雷針較早的國(guó)家，法國(guó)旅行家Cabrio-don DE magran在1688年所著的《中國(guó)新事》一書(shū)中就記有中國(guó)屋脊兩頭龍頭鐵絲直通地下的應(yīng)用[13]．而現(xiàn)代避雷針的發(fā)明應(yīng)該歸功于美國(guó)科學(xué)家B. Franklin，他在1752年通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了避雷針并進(jìn)行了應(yīng)用[14]．避雷針的應(yīng)用技術(shù)由此從美洲傳至歐洲，再由歐洲傳至亞洲及至全世界．

3.3 避雷針國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)內(nèi)容

顧名思義，避雷針有躲避雷電之意，但在中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中，已經(jīng)用接閃器的名字取而代之[15]．將避雷針改名為接閃器，是因?yàn)橐郧暗拿Q不能科學(xué)反映避雷針躲避雷電的基本原理．避雷針在中國(guó)使用的早期，人們之所以稱其為避雷針，是因?yàn)樗梢员苊夥课莸雀叽蠼ㄖ镌馐芾讚簦?dāng)時(shí)的人們并不了解避雷針的工作原理，從理論上講，避雷針對(duì)于建筑物的保護(hù)，并不是躲避雷電，而是引雷上身，使雷電在避雷針的尖端集中得到釋放，再通過(guò)接地線將強(qiáng)大的雷電流引入地下，從而使建筑物得到保護(hù)．

圖3 滾球法的設(shè)計(jì)原理

這里對(duì)滾球法的簡(jiǎn)單介紹，只是起到拋磚引玉的作用，目的是讓學(xué)生具有工程實(shí)踐意識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)意識(shí)，讓學(xué)生知道要想把書(shū)本知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中，還需要進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，要想成為一名合格的工程技術(shù)人員，不但要讀萬(wàn)卷書(shū)，更重要的是要行萬(wàn)里路．

4 教學(xué)效果的實(shí)踐分析

本文具體探討了靜電平衡知識(shí)在大學(xué)物理教學(xué)中的相關(guān)問(wèn)題，對(duì)于整個(gè)大學(xué)物理課程教學(xué)來(lái)說(shuō)，將理論挖掘與工程實(shí)踐以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)理念融入到教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)于普通地方應(yīng)用型本科院校的高素質(zhì)人才培養(yǎng)來(lái)說(shuō)，具有重要意義．大學(xué)物理作為一門基礎(chǔ)通識(shí)教育課程，其中所涉及的理論知識(shí)博而不淵，而其所涉及到應(yīng)用知識(shí)粗而不精．針對(duì)這些問(wèn)題，將理論挖掘與工程實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)理念與方法應(yīng)用在大學(xué)物理課堂教學(xué)中，并取得了良好的教學(xué)效果．多年來(lái)通過(guò)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為的觀察與書(shū)本知識(shí)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)可知，理論挖掘與精準(zhǔn)工程實(shí)踐對(duì)于學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)起到了良好的促進(jìn)作用．首先對(duì)于物理知識(shí)的深入探討，使學(xué)生理論知識(shí)不再局限于書(shū)本上，進(jìn)而激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的動(dòng)力，有很多學(xué)生因此對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)的研究產(chǎn)生興趣．另外，對(duì)于工程應(yīng)用與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引入，讓學(xué)生對(duì)于工程實(shí)踐有了新的認(rèn)識(shí)與感悟，有些學(xué)生針對(duì)自己所學(xué)專業(yè)進(jìn)行了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)資料的查閱與學(xué)習(xí)．除了學(xué)生在素質(zhì)方面得到提高以外，最為明顯的是學(xué)生的大學(xué)物理課程學(xué)習(xí)成績(jī)也有了明顯的改觀，通過(guò)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)數(shù)據(jù)作對(duì)比分析，可以明顯感受到對(duì)物理學(xué)理論的深入理解與對(duì)工程應(yīng)用的切身體會(huì)，非常有助于學(xué)生書(shū)本知識(shí)學(xué)習(xí)成績(jī)的提高．

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大學(xué)物理靜電平衡知識(shí)點(diǎn)的理論挖掘，其中主要包括庫(kù)侖定律、高斯定理及靜電屏蔽（有效性）在理論上與靜電平衡的淵源，再通過(guò)避雷針（接閃器）的工程應(yīng)用范例介紹，可以得出結(jié)論：在大學(xué)物理課程相關(guān)知識(shí)教學(xué)過(guò)程中，大多情況下要涉及到理論聯(lián)系實(shí)際的問(wèn)題，單純的書(shū)本知識(shí)講解及簡(jiǎn)單的理論層面的應(yīng)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今研究型或應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求．物理學(xué)不僅是理論體系嚴(yán)密完整的學(xué)科，而且更是與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系的學(xué)科．因此，在教學(xué)中努力使學(xué)生在學(xué)習(xí)書(shū)本理論知識(shí)的同時(shí)，能對(duì)整個(gè)物理學(xué)的理論框架和理論根源有所了解，在學(xué)習(xí)應(yīng)用知識(shí)的同時(shí)能夠樹(shù)立工程實(shí)踐意識(shí)，在理論聯(lián)系實(shí)踐的過(guò)程中能夠真正做到學(xué)以致用，真正明白物理與工程的關(guān)系，增加學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)，提高創(chuàng)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”研究與實(shí)踐項(xiàng)目（E-DZYQ20201426）；廣西高等教育本科教學(xué)改革工程重點(diǎn)項(xiàng)目（2021JGZ159）；黑龍江省教育廳高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（SJGY20170352）；梧州學(xué)院教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（wyjg2021A005，wyjg2019A035，wyjg2022A037）

郭鐵梁（1971-），男，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，從事大學(xué)物理、通信與信息系統(tǒng)研究．E-mail：1270791971@qq.com