育才一中物理创新实验室

静电的利用与防范 · 课堂模拟
教师端章节
孤立 · 无外部场源

净电荷在表面

已达静电平衡
观察

球面各处的净电荷密度相同。点击空白处,比较球内与球外。

三维物体的对称截面 · 相对量

这些电荷怎样算出来?

净电荷不是随机撒上去的。每个静电场景都满足相应的导体边界条件。

等势平衡导体整个表面的电势相同,金属内部合电场为零。
守恒孤立导体固定总净电荷;接地导体固定电势,可以与大地交换电子。
关联先求电势V,再由E = −∇V得到电场。表面外侧的法向场决定净电荷密度。

本页采用的模型

带电导体、形变、外源感应
三维轴对称模型,以包含对称轴的截面显示。表面等势和总电荷约束共同求解电荷分布;以球的解析解检查数值误差。C只沿对称轴移动,AB采用两端圆钝、中段平直的枕形。
静电屏蔽
同心球形金属壳的镜像法解析解。空腔、金属层和壳外分别计算;孤立与接地采用不同的电荷/电势约束。
等高尖圆端与云下感应
两端同时放在两板之间的二维截面近似,求解放电前的静电势。云下感应将云底近似为负电势边界,两导体及地面接地;共同求解二维场。不提供真实击穿电压。
电荷重排与雷电
形变以缓慢改变形状、每一步近似静电平衡计算;场线和等势线连续更新。屏蔽形成按旧、新表面电荷产生的场与势共同插值,持续显示当前合场;负电荷迁移、原处留下正电荷表示电子不足。这是教学慢放,不是真实材料的瞬态计算。空气电离、电子雪崩、尖端放电与雷击入地是放大慢放示意,不预测真实放电或雷击位置。

怎样读图

青色线表示当前选定的电场;有箭头,从正电荷出发、终止于负电荷。表面保留少量带圈正负号,表示净电荷的正负与相对分布;精确总量见侧栏。同面积端部放大图用于比较局部密度。符号不代表一颗真实电子。小圆P是不扰动电场的理想探针。

重排慢放可以暂停、单步和重播。形变与屏蔽的迁移阶段不显示未求解的瞬态电场;结束后显示静电场。慢放时间不表示材料真实响应时间。

来源与设计参考

依据用户提供的人教版教材图9.1-2、9.4-1、9.4-4、教参六问及补充图。交互借鉴 PhET Charges and Fields 的直接操作和分层显示;本页独立实现。

MIT:导体的等势边界 · OpenStax:导体静电平衡 · NWS:负地闪过程 · NWS:避雷系统

当前模型的计算检查

静电章节

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