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净电荷

在金属导体中有大量的自由电子,它们带有负电荷,还有很多失去外层电子的正离子,它们带有正电荷。净电荷指物体或其一部分所带的未被抵消的电荷。带有净电荷的孤立导体,由于同号电荷的相互排斥,当导体达到静电平衡时,导体内部处处没有净电荷,净电荷只分布在导体的表面。 [1]

所谓“净电荷”并不是指“静电荷”。我们知道金属导体中有大量的自由电子,它们带有负电荷,还有很多失去外层电子的正离子,它们带有正电荷。这些都可以叫“净电荷”。

但是当导体不带电时,导体的正负电荷的电荷量是相等的,我们说导体不带有“净电荷”。当我们用某种方式使导体的正负电荷的电荷量不相等,比如使自由电子数减少,这时导体就具有了多余的正电荷,我们就说导体带有正的“净电荷”,反之就说导体带有负的“净电荷”。可见所谓“净电荷”是指整个导体或导体的某部分(静电感应时)的正负电荷之差。净电荷只能分布在金属的外表面。

有时我们把物体或物体局部存在不能被抵消的正电荷或负电荷称为净电荷。

给一个电容器加上电压,在电容器的极板上就存在净电荷。将电介质置于电场中,介质表面(甚至内部)就出现净电荷(束缚电荷)。

净电荷只能分布在导体的表面上,但并不是均匀地分布在表面上的。实验和理论都告诉我们,导体表面的电荷密度与表面的曲率有关系,曲率大的地方面密度大,曲率小的地方面密度也小。 [2]

导体系中的电荷分布与电场分布处于不随时间而变化的状态,即导体处于电荷没有宏观运动的状态。静电平衡的必要条件是导体内部各点场强为零。处于静电平衡下的导体有如下几个性质:

(1)导体是等势体,导体表面是等势面;

(2)导体内部没有净电荷,电荷只能分布在导体表面上(当导体壳内部空间存在电荷时,电荷可分布在导体内表面上);

(3)紧靠导体表面外的各点场强方向与导体表面垂直。若导体表面一点面密度为σ,则紧靠表面外一点的场张值E=σ/ε0。这几条性质都可由高斯定理和静电场的环路定理证明。这两个定理的出发点是库仑定律,因此,也可以说它们是库仑定律应用于静电平衡的必然结果。

值得注意的是,这里讲的导体内部各点场强为零,导体内部无净电荷的静电平衡条件,实际上是对均匀(包括物理均匀和化学均匀)导体而言的。例如导体处于温度不均匀,一端维持在T1,另一端维持在T2,同时又处于没有电荷宏观运动的状态静电平衡,这时就要求有不为零的内部电场力,以平衡温差起源的非静电力(温差引起的电子气的扩散力)。当两种不同的金属接触时,尽管没有电荷的宏观运动,但交界面处有电荷存在,两导体之间存在电势差。在一般情况下,静电平衡的必要条件应改为导体内部可移动的电荷所受的一切合力为零。 [2]


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