对导体接地问题的讨论
如何正确认识带电导体接地问题
作者：赵坚 昆明第十四中
（原载《物理教学探讨》2001年第2
期）
1 问题提出
由于现行统编教材《物理》第二册（必修）第15页中讲到：“防止静电危害的基本办法，是尽快把产生的静电导走，避免越积越多. 具体措施则多种多样。油罐车是靠一条拖在地上的铁链把静电导走. 飞机机轮上通常都装有搭地线，也有用导电橡胶做机轮轮胎的，着陆时它们可将机身的静电导入地下. ”使得许多学生在高三选修课中学习静电感应部分的知识时，一看见带电导体接地就认为导体不带电荷，这种错误是对“接地”的概念缺乏深入的理解所致，因此，有必要对此作出探讨.
2 错误认识的根源分析
在对“接地”问题作出正确说明前，探讨一下造成错误认识的根源问题显得很有必要. 笔者认为，原因大体可归为两方面. 其一：由于课本中前述那段文字产生的负迁影响. 其二：教学中有的教师对如下问题的原因的不确切解释.
[例1] 有一带电荷为Q 的导体A ，与大地相接后不带电。原因解释：由于其上电荷被大地中来的异号电荷中和.
[例2] 如图1所示，导体
图1
A 附近有一带电体B ，由于静电感应在导体A 的左右两侧出现感应电荷+q 和-q . 如果将导体A 接地，则其上只带净电荷-q . 原因解释：由于+q 电荷被大地中来的等量负电荷中和.
带电导体接地后电荷是否真的就完全消失了呢？看来弄清楚此问题是帮助我们解决问题的关键所在.
实验证明，通常情况下，大气相对于地球表面来说是带正电的，地球是一个带负电的导体，大地电场的方向是由空中指向地面，此电场并非线性分布. 由实验测得在接近地表附近的地方其场强E =130V /m . 根据带电导体表面附近的场强计算式E =δε. 可算出地表的电荷面密度 δ=-ε0E =-8. 85⨯10-12⨯130=-1. 15⨯10-9m 2。
因地壳是导体，静电平衡时电荷分布在地球的表面上。现取地球半径R =6. 4⨯106m ，可计算出地球带电量
Q =δ⋅4πR 2=-1. 15⨯10-9⨯4⨯3. 14⨯(6. 4⨯106) 2=-5. 92⨯105C .
我们知道，在静电实验中，导体所带的电量与地球带电量相比是很小的. 因此，导体接地后和地球达到静电平衡时，可近似认为地球的电荷面密度并未受到影响. 由于接地的导体和地球离得较近，自然不能将接地后的导体视为孤立导体。同时，由于接地导体和地球线度相比很微小，所以可将接地导体视为地球的一部分，这样，导体接地后其上的电荷面密度δ' =-1. 15⨯10-9m 2. 假设接地导体是一个半径r =0. 05m 的球形导体, 则接地后所带电量
Q =δ⋅4πR 2=-1. 15⨯10-9⨯4⨯3. 14⨯(0. 05) 2=-3. 61⨯10-11C . 此数量级的电荷要想用实验仪器测出来是很难的，从这个角度讲，可近似认为导体接地后导体上的电荷“消失”了. 那种将带电导体接地后电荷认为完全消失的错误观点，主要是把接地后的带电导体错误视为是孤立导体. 应当如何正确认识带电导体接地问题呢？
3 对“接地”概念的正确认识
既然接地后的带电导体不能视为孤立导体，因此，从电荷中和的角度对接地问题进行解释显然是不确切的. 对前述例1、例2的合理解释应该是：
[例1]解释：由于带电导体A 与大地连接，则A 与地球构成等势体，根据处于静电平衡的
导体净电荷只分布于等势体外
表面的特征，对表面有许多高山
和高大而尖锐的建筑物的地球，
电荷Q 几乎大部分分布于这些物体上，导体A 上几乎不再有电荷.
[例2]解释：如图2所示，导体A 与地球连接后构成一等势体，在带体B 的电场作用下，导体A 右侧（近端）出现感应电荷-q ，而在地球和导体构成的等势体左侧（远端）出现感应电荷+q .
综上，所谓带电导体－“接地”并非指导体就不带电荷
图2
了，导体“接地”仅仅意味着其电势为零，与大地构成一等势体.
参考文献
[1] B．J ．梅森著 云物理学（中译本），科学出版社，1970年
[2] 金仲辉 地球和大气的静电状态，物理通报，1984年第4期
[3] 庞友舜 带电导体接地后电荷消失的原因，物理通报，1986年第11期