带电导体表面的电场分布规律-《通识物理》精华

带电物体的周围存在电场，但这个电场是如何分布的呢？为什么闪电总是击中摩天高楼、塔尖或者大树，导体表面的形状与电场的分布之间是否存在什么特殊的关系？

其实，带电导体表面的场强分布和电荷密度通常与导体表面的凹凸程度有关。一般而言，带电导体表面越是向外凸起，电荷分布密度和电场强度将会越大；相反，导体表面越是向内凹陷，电荷分布密度和场强就会越小。如果用通俗的语言，还可以简单地表述为：“越尖的地方电场越强”，这就是“带电导体表面的电场分布规律”，这个规律常常会在生活中引发一些有趣的电现象。比如，当我们站在绝缘体上触摸带电物体时，静电荷就会聚集在身体最尖、最凸起的发梢上，并由于电荷间的同性相斥作用，而出现头发炸开的现象。其实，不仅人体的头发，有时爱乱窜的长毛小狗如果在窗帘里打几个滚，它的长毛很可能会分散立起来，呈现出萌萌哒的爆炸形状。这时，估计长毛小狗也会为自己滑稽的形象大吃一惊吧。

由于导体凸起处具有极大的电荷密度和场强，所以人们逐渐发现：当两个尖状带电导体的距离足够近时，其间本来是绝缘体的空气将很可能在高压条件下被击穿、电离，并由于电流现象而持续发出刺亮、跳跃的电弧，这就是“尖端放电”现象。其实，早在18世纪，就已经有人发现了尖端放电现象，并在书籍中描绘了带静电的王子通过手指的接触，用“爱的火花”唤醒了沉睡的美丽公主的故事（如图10.8 所示）。不仅在故事中，就在现实生活中，我们也可以很轻松地模拟尖端放电现象。比如著名的“雅各布天梯”（请参见本书的配套慕课视频），这个特殊装置中有两根长电极，电极间下方的距离较近，上方的距离较远，从而呈现出“倒梯形”的形状。当我们为两根长电极分别接通高电压时，两根电极的底部由于具有最短的距离，其间的空气被首先击穿，形成大量等离子体，并产生电弧放电。与此同时，由于电离后热空气的向上对流再加上电动力的驱使，电弧会逐级激荡而起，快速地向上爬升，犹如古希腊神话中神秘的“雅各布天梯”。

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图10.8　王子通过“尖端放电”唤醒沉睡的公主

闪电也是自然界中一种十分常见的尖端放电现象，空中厚重的积雨云通过剧烈的碰撞产生大量的正电荷，并聚集在云层向下凸起的部位；由于静电感应，地面向上凸起的部位也将聚集大量的负电荷。当电荷密度增加到一定程度，同时云层又靠近地表时，中间的空气将在高压作用下被电离而变成导体，地面的凸起部位将向云层释放出大量负电荷（等效于正电荷向下传输）。在电离的空气路径上，则由于电流效应而产生猛烈的发光放热的现象，这就是闪电发生的基本原理。对于闪电现象，“尖端放电”原理很好地解释了为什么地面上越是凸起的地方，比如高楼、塔尖和大树，其越容易被闪电击中的原因。因此，在雷雨天，我们要尽量远离高楼、高塔、树木、电杆等凸起物体，以免因尖端放电现象造成伤害；如果附近连续被闪电击中，我们则应该尽量俯下身体，快速小步离开；当然，在这种情况下，一个身材苗条的女性可能会比胖子面临更大的理论危险。不仅在地面，天上的飞机也要远离积雨云，以避免被闪电击中而造成空难事故。以上提到的都是闪电给人类生活所带来的负面影响，不过有时闪电也能为我们营造出特殊的艺术效果，比如一些舞蹈艺术家用尖锐导体或手指就可以控制放电，并带来震撼的闪电舞效果（请参见本书的配套慕课视频）。利用尖端放电原理，人们还可以制作出通过手指接触就能发出炫丽电弧的装饰工艺品，比如在很多科技馆比较常见的“辉光球”。当我们用手指接触辉光球的球体表面时，可以看到：一道电弧将球体中的电极和我们的手指连在一起。当我们将多根手指同时放到球体上时，在尖端放电效应的作用下，电弧就会像是中了神秘的魔法一般热情跳动，而我们也似乎变成了充满神奇力量的魔法师（请参见本书配套慕课视频）。