第一章 第7节.docx
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第一章第7节
第7节 静电的应用及危害
学习目标
核心提炼
1.了解静电的应用和危害。
3个静电知识——危害、防止、应用
2个概念——静电平衡、静电屏蔽
2.知道如何防止静电的危害。
一、静电的应用
1.静电喷涂:
利用静电在物体上喷涂液体或固体涂料。
2.静电喷涂的原理:
设法使精细的油漆飞离喷嘴时带上同种电荷,彼此排斥,并在电场力作用下飞向作为电极的工件,这样就能比较均匀地沉积于工件表面。
3.其他应用:
静电屏蔽、静电除尘、静电复印、激光打印等。
4.激光打印机是利用正、负电荷相互吸引的原理制成的。
二、静电的危害
1.雷雨云的雷鸣闪电给人类造成巨大损失。
2.静电火花点燃易燃物质引起爆炸和火灾。
3.静电放电引起电子设备的故障,造成电磁干扰。
4.静电放电击穿集成电路和精密的电子元件,或促使元件老化,降低生产成品率。
5.静电在工业中如电子工业、胶片和塑料工业、造纸印刷工业、纺织工业中都会产生危害。
三、静电危害的防止
1.尽快导走多余电荷,避免静电积累。
2.调节空气的湿度。
3.在易燃、易爆气体和粉尘聚集的场所保持良好的通风。
思考判断
1.油罐车后有一条拖在地上的铁链条,是利用了静电。
(×)
2.在印染厂中保持适当的湿度,是为了防止静电的危害。
(√)
3.在地毯上夹杂0.05~0.07mm的不锈钢丝导电纤维,是为了防止静电的危害。
(√)
4.避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地。
(×)
5.用金属网把验电器罩起来,再使带电金属球靠近验电器,则验电器箔片能张开。
(×)
静电的应用与静电危害的防止
[要点归纳]
1.静电危害产生的主要原因
静电危害起因于电场力和静电火花,静电危害中最严重的静电放电引起可燃物的起火和爆炸。
2.防止静电危害的主要方法与途径
(1)尽量减少静电的产生,常用的方法是增大空气的湿度。
(2)尽快把静电导走,防止静电积累,常用的最简单办法是接地。
3.静电现象的应用
(1)应用静电现象的基本原理一般是让带电和物质微粒在电场力作用下奔向并吸附到异性电极或带电体上,理解这一原理是解决这类问题的关键。
(2)强电场电离空气后,电子在电场力作用下向高电势运动,从而使微粒吸附电子而带负电。
[精典示例]
[例1](多选)静电喷涂机原理如图1所示。
静电喷涂机接高压电源,工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动,微粒最后被吸到工件表面。
关于静电喷涂机的涂料微粒,下列表述正确的是( )
图1
A.微粒带正电B.微粒带负电
C.微粒受电场力作用D.微粒受重力作用
解析 静电喷涂机接高压电源的负极,所以喷出的涂料微粒带负电,故A错误,B正确;由于静电感应工件的表面将会带上正电,对周围的带负电的涂料微粒产生吸引力,带负电的涂料微粒在库仑力的作用下向工件运动,故C正确,D错误。
答案 BC
[例2](多选)如图2为静电除尘器除尘机理的示意图。
尘埃在电场中通过某种机制带电,在电场力的作用下向集尘极迁移并沉积,以达到除尘的目的,下列表述正确的是( )
图2
A.到达集尘极的尘埃带正电荷
B.电场方向由集尘极指向放电极
C.带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相同
D.同一位置带电荷量越多的尘埃所受电场力越大
解析 由于集尘极与电源的正极连接,电场方向由集尘极指向放电极,B正确;而尘埃在电场力作用下向集尘极迁移并沉积,说明尘埃带负电,A错误;负电荷在电场中受电场力的方向与电场力方向相反,C错误;根据F=Eq可得,D正确。
答案 BD
对静电平衡的理解
[要点归纳]
1.静电平衡的实质:
金属导体放到场强为E0的电场中,金属中的自由电荷在静电力作用下定向移动导致导体一侧聚集负电荷,而另一侧聚集正电荷,感应电荷在导体内部产生与原电场方向相反的电场,导致合场强减小。
当感应电荷继续增加,合场强逐渐减小,合场强为零时,自由电荷的定向移动停止。
2.对静电平衡的三点理解
(1)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果,达到静电平衡时,自由电荷不再发生定向移动。
(2)金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。
(3)导体达到静电平衡后内部场强处处为零,是指外电场E与导体两端的感应电荷产生的附加电场E′的合场强为零,E′=-E。
[精典示例]
[例3]如图3所示,一个不带电的表面绝缘的导体P正在向带正电的小球Q缓慢靠近,但不接触,也没有发生放电现象,则下列说法中正确的是( )
图3
A.B端的感应电荷为负电荷
B.导体P内部场强越来越大
C.C点的电势高于B点电势
D.导体上的感应电荷在C点产生的场强始终大于在B点产生的场强
解析 导体P处在正电荷的电场中,由于静电感应现象,导体的右端B带正电荷,导体的左端C带负电荷,故选项A错误;处于静电平衡的导体内部场强为零,故选项B错误;导体P缓慢靠近Q,时刻处于静电平衡状态,由其特性知,B、C电势相等,故选项C错误;在C点和B点的电场由导体上的感应电荷产生的电场和带正电的小球Q产生的电场共同作用的结果,并且为0,带正电的小球Q在C点的场强大于B点的场强,所以导体上的感应电荷在C点产生的场强始终大于在B点产生的场强,故选项D正确。
答案 D
(1)静电平衡时,外电场E0和感应电荷产生的附加电场E′,大小相等、方向相反,导体内各位置的合场强为零,自由电荷所受合力为零。
(2)静电平衡是自由电荷发生定向移动的结果,达到静电平衡时,自由电荷不再发生定向移动。
(3)金属导体建立静电平衡的时间是非常短暂的。
[针对训练1]一金属球,原来不带电。
现沿球的直径的延长线放置一均匀带电的细杆MN,如图4所示。
金属球上感应电荷产生的电场在球内直径上a、b、c三点的场强大小分别为Ea、Eb、Ec,三者相比( )
图4
A.Ea最大B.Eb最大
C.Ec最大D.Ea=Eb=Ec
解析 处于静电平衡的导体内部场强处处为零,故a、b、c三点的合场强都为零。
静电平衡的导体内部场强为零是感应电荷产生的电场与外电场叠加的结果,所以感应电荷在球内某点产生的电场的场强与MN在这一点形成的电场的场强等大反向,比较a、b、c三点感应电场的场强,实质上是比较带电体MN的电场在这三点的场强,由于c点离MN最近,故MN的电场在c点的场强最大,感应电荷产生的电场在c点的场强也最大,故选项C正确。
答案 C
静电屏蔽的理解及应用
[要点归纳]
1.静电屏蔽的实质:
静电屏蔽的实质是静电感应,使金属壳内感应电荷的电场和外加电场矢量和为零,好像是金属壳将外电场“挡”在外面,即所谓的屏蔽作用,其实是壳内两种电场并存,矢量和为零而已。
2.静电屏蔽的两种情况
屏蔽外电场
屏蔽内电场
图示
实现
过程
因场源电荷产生的电场与导体球壳表面上感应电荷在空腔内的合场强为零,达到静电平衡状态,起到屏蔽外电场的作用
当空腔外部接地时,外表面的感应电荷因接地将传给地球,外部电场消失,起到屏蔽内电场的作用
最终
结论
导体内空腔不受外界电荷影响
接地导体空腔外部不受内部电荷影响
本质
静电感应与静电平衡
3.应用:
为了防止外界信号的干扰,静电屏蔽被广泛地应用到科学技术工作中。
例如,电子仪器设备外面的金属罩,通讯电缆外面包的铅皮等,都是用来防止外界电场干扰的屏蔽措施。
[精典示例]
[例4]如图5所示,把原来不带电的金属壳B的外表面接地,将一带正电的小球A从小孔中放入球壳内,但不与B发生接触,达到静电平衡后,则( )
图5
A.B的空腔内电场强度为零
B.B不带电
C.B的外表面带正电
D.B的内表面带负电
解析 因为金属壳的外表面接地,所以外表面没有感应电荷,只有内表面有感应电荷分布,且由于A带正电,B的内表面带负电,D正确,B、C错误;B的空腔内有带正电的小球A产生的电场和金属壳内表面感应电荷产生的电场,所以空腔内电场强度不为零,A错误。
答案 D
(1)接地的空腔导体,腔外电场对腔内空间不产生影响,腔内电场对腔外空间也不产生影响,即内外互不影响。
(2)空腔导体不接地,腔外电场对腔内空间不产生影响,腔内电场对腔外空间产生影响。
[针对训练2]在如图所示的实验中,验电器的金属箔片会张开的是________。
解析 A中不会张开,金属网可以屏蔽外电场;B中会张开,因为金属网未接地,网内的带电体可以对外界产生影响;C中不会张开,因为金属网已接地,网内的带电体对网外无影响,网外的带电体对网内也无影响。
答案 B
1.(静电平衡状态下导体的电场)如图6所示,一个带负电的金属球放在绝缘的支架上,处于静电平衡状态,金属球内部的场强大小为E1,若减少金属球的带电荷量,再次处于静电平衡状态后,金属球内部的场强大小为E2,则( )
图6
A.E2<E1B.E2>E1
C.E2=E1D.无法确定
解析 处于静电平衡状态的导体内部的场强处处为零,选项C正确。
答案 C
2.(静电平衡的理解)(2019·烟台高二检测)如图7所示为一空腔球形导体(不带电),现在将一个带正电的小金属球A放入空腔中,当静电平衡时,图中a、b、c三点的场强E和电势φ的关系是( )
图7
A.Ea>Eb>Ec,φa>φb>φc B.Ea=Eb>Ec,φa=φb>φc
C.Ea=Eb=Ec,φa=φb=φc D.Ea>Ec>Eb,φa>φb>φc
解析 空腔球形导体在正电荷A的电场中感应的结果如图所示,从电场线的疏密可确定a点场强大于c点场强,而b点场强为零,故Ea>Ec>Eb,而沿着电场线电势降低,故φa>φb>φc,选项D正确。
答案 D
3.(静电防护和静电屏蔽的应用)电工穿的高压作业服是用铜丝编织的,下列说法正确的是( )
A.铜丝编织的衣服不易拉破
B.电工被铜丝衣服所包裹,使体内电势为零
C.电工被铜丝衣服所包裹,使体内电场强度为零
D.铜线电阻小,能对人体起到保护作用
解析 高压线路的检修人员在进行高压作业时,要穿上用金属丝网制成的高压作业服,相当于把人体用金属网罩起来。
这样,外部电场就不会影响到人体,从而避免了感应电场对人体的伤害。
故选项C正确。
答案 C
4.(静电的危害与防止)最近,一则“女子自助加油静电起火点燃油枪”的视频被微信疯转!
有关加油时静电起火,下列说法正确的是( )
A.加油时可以通过整理衣服导走静电
B.通过加油机接地的金属面板进行操作,不会导走身上的静电
C.加油前可以先通过洗手以消除静电
D.衣服上的静电产生方式属于接触起电
解析 加油时整理衣服,衣物与空气产生摩擦,不仅不会导走静电,还会产生更多的静电,故A错误;通过加油机接地的金属面板进行操作,会导走身上的静电,故B错误;加油前可以先通过洗手消除静电,同时手比较湿润,也不会产生静电,故C正确;衣服上的静电产生方式属于摩擦起电,故D错误。
答案 C
基础过关
1.下列与静电屏蔽无关的是( )
A.避雷针的顶端做得很尖细
B.用几万伏的高压电电击关在金属笼里的鸟,而鸟安然无恙
C.超高压带电作业的工作人员穿戴的工作服用包含金属丝的织物制成
D.电视闭路线芯外常包有一层金属网
解析 避雷针是应用尖端放电的原理,其余三项均是利用了金属对内部的静电屏蔽作用。
答案 A
2.(多选)静电学知识在生活中有着广泛的应用,下列应用说法正确的是( )
A.高压输电线上方有两根导线与大地相连可免遭雷击
B.小鸟停在单根高压输电线上会被电死
C.燃气灶的电子点火器的放电电极做成钉尖形比球形好
D.打雷时,待在汽车里比待在木屋里要安全
解析 高压输电线上方有两根导线与大地相连,把高压线屏蔽起来,可免遭雷击,A正确;小鸟的两只脚之间的距离很小,所以小鸟的两只脚之间的电压很小,不会对小鸟造成伤害,B错误;燃气灶的电子点火器运用了尖端放电的原理,属于尖端放电现象,C正确;一辆金属车身的汽车是一个比较好的“避雷所”,D正确。
答案 ACD
3.下列措施利用了静电的是( )
A.油罐车的油罐有条铁链搭到地上
B.飞机喷洒的农药雾滴带正电
C.家用电器如洗衣机接有地线
D.手机一般都装有天线
解析 油罐车的油罐有条铁链搭到地上,目的是把油罐车产生的静电导到地下,保证油罐车的安全,家用电器也一样,A、C错误;飞机喷洒的农药雾滴带正电,而叶子上都带有负电,农药不会被风吹走,B正确;手机装有天线的目的是为了更好的接收信号,D错误。
答案 B
4.在医疗手术中,为防止麻醉剂乙醚爆炸,地砖要用导电材料制成,医生和护士要穿由导电材料制成的鞋子和外套,一切设备要良好接地,甚至病人身体也要良好接地,这样做是为了( )
A.除菌消毒B.消除静电
C.利用静电D.防止漏电
答案 B
5.如图1是静电除尘装置图,烟尘在力的作用下向筒壁运动的原因是( )
图1
A.烟尘受到重力的作用
B.烟尘受到电场力的作用
C.烟尘受到浮力的作用
D.烟尘受到气流的作用
解析 当管内接通高电压时,管内存在强电场,它使空气电离而产生正离子和负离子。
负离子在电场力的作用下,向正极移动时,碰到烟尘微粒使它带负电。
因此,带电烟尘微粒在电场力的作用下,向管壁移动,并附在管壁上,这样,消除了烟尘中的尘粒,故B正确。
答案 B
6.(多选)下列说法正确的是( )
A.静电除尘的原理是让灰尘带上电荷,然后在电场力的作用下,奔向并吸附到异性电极上
B.静电复印的原理是让墨粉带上电荷,然后在电场力的作用下,奔向并吸附到带异性电荷的白纸上
C.静电喷墨的原理是让油滴带上电荷,然后在电场力的作用下,奔向并吸附到吸引油滴的工件上
D.静电复印中的硒鼓上字迹的像,实际是曝光的地方
解析 A、B、C项均是利用静电,先让微粒带电,然后在电场力作用下奔向并吸附在异性电极上,因此A、B、C都是正确的;静电复印中的字迹是光照射不到的地方,D项错误。
答案 ABC
7.由于人们行走时鞋子和地板摩擦产生静电,带电的离子会在地板表面对空气中的灰尘产生吸引,对于电脑机房,电子厂房等单位会造成一定的影响。
防静电地板又叫做耗散静电地板(如图2所示),当它接地或连接到任何较低电势点时,使电荷能够耗散,地板在施工中,地板下面要铺设铝箔,铝箔要连接到地下预埋导体。
下列关于防静电地板说法正确的是( )
图2
A.地板下面要铺设铝箔的作用是防潮
B.地板必须是绝缘体材料
C.地板必须是导电的,如地板中含有导电纤维
D.只要地板下面铺设铝箔,地板材料无所谓绝缘体或导电
解析 在该情景中,地板在施工中,地板下面要铺设铝箔,铝箔要连接到地下预埋导体就是要将地板上的静电导走,所以防静电地板必须是导电的,如地板中含有导电纤维,这样才能将静电被铺设的铝箔导走,故选项C正确,A、B、D错误。
答案 C
能力提升
8.如图3所示,接地金属球A的半径为R,球外点电荷的电荷量为Q,到球心的距离为r,则该金属球上感应电荷在球心O处产生的场强等于( )
图3
A.k
-k
B.k
+k
C.零D.k
解析 本题很易错选C,错在机械地记住“静电平衡的导体内部场强为零”的结论,而未理解其等于零的原因,应该明确,静电平衡导体内部E内=0是指外加电场E和感应电荷场强E′叠加的结果,即金属球上感应电荷在某点产生的场强与点电荷Q在该点的场强大小相等,即E感=k
,方向相反,合场强为0。
答案 D
9.将悬挂在细线上的带正电的小球A放在不带电的金属空心球C内(不和球壁接触),另有一个悬挂在细线上的带负电的小球B向C靠近。
如图4所示,下列说法正确的有( )
图4
A.A往左偏离竖直方向,B向右偏离竖直方向
B.A的位置不变,B往右偏离竖直方向
C.A向左偏离竖直方向,B的位置不变
D.A和B的位置都不变
解析 带正电的小球A放在不带电的空心球C内,通过静电感应,空心球外壳带正电,内壁带负电,因此,金属空心球C的外表面和带电小球B带异种电荷,所以B受C球的吸引往右偏离竖直方向,而由于空心球C能屏蔽小球B所产生的外部电场,因此A球不受B球电场的影响,而保持竖直位置不变,选项B正确。
答案 B
10.(多选)(2019·长春高二检测)如图5所示,接地的金属板右侧有固定的点电荷+Q,a、b点是金属板右侧表面的两点,其中a到+Q的距离较小。
下列说法正确的是( )
图5
A.由于静电感应,金属板右侧表面带负电,左侧表面带正电
B.由于静电感应,金属板右侧表面带负电,左侧表面不带电
C.整个导体,包括表面上的a、b点,是一个等势体,且电势等于零
D.a、b两点的电场强度不为零,且a、b两点场强方向相同,但a点的场强比b点的场强要强(大)一些
解析 金属板若不接地,右侧表面将有感应的负电荷,左侧表面将有感应的等量正电荷;现金属板接地,静电平衡时左侧表面不带电,整个金属板的电势都为零,所以选项A错误,选项B、C正确;金属板接地时,右侧表面上仍有感应负电荷,而且a点附近的电荷面密度(单位表面积的电荷量)比b点附近的电荷面密度要大些,场强要强(大)些,电场线也密一些,整个金属板是等势体,右侧表面是等势面,电场线与等势面垂直,可见a、b两点的场强方向都垂直指向右侧面,方向相同,所以选项D正确。
答案 BCD
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