導(dǎo)體接地后電荷變化

以地球作為電勢(shì)參考點(diǎn)且取U地=0非常方便，帶電導(dǎo)體接地，提供了導(dǎo)體與“地”交換電荷的可能性，因此導(dǎo)體接地在生產(chǎn)、生活中是必不可少的。

導(dǎo)體接地在生產(chǎn)、生活中應(yīng)用非常廣泛，在研究靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)，也經(jīng)常遇到導(dǎo)體接地問題。在電子技術(shù)中，“地”是一個(gè)非常重要的概念，但電子技術(shù)中的“地”往往與大地毫無關(guān)系，它只是電路中的一個(gè)公共等電位系統(tǒng)，例如：收音機(jī)、電視機(jī)中的“地”只是接收線路里的一個(gè)電位基準(zhǔn)點(diǎn)。因此，許多初學(xué)者對(duì)導(dǎo)體接地中的諸多問題，甚至在對(duì)接地概念的認(rèn)識(shí)都存在許多誤解。據(jù)此，本文對(duì)導(dǎo)體接地的內(nèi)涵、種類及作用進(jìn)行歸納和概述，對(duì)人們?nèi)菀桌Щ蟆⒄`解的問題作簡(jiǎn)要討論和分析。

導(dǎo)體接地的內(nèi)涵

導(dǎo)體與地球間的電荷交換

當(dāng)帶電導(dǎo)體接地時(shí)，通常認(rèn)為只提供了導(dǎo)體與大地交換電荷的可能性，而二者間是否交換電荷，不能一概而論，必須具體問題具體分析。

例如：一帶正電導(dǎo)體，其電勢(shì)高于大地，若將導(dǎo)體接地，則導(dǎo)體上的正電荷在電場(chǎng)力作用下就會(huì)“流入”大地，或者說，大地的負(fù)電荷“流入”導(dǎo)體，與正電荷中和。此時(shí)導(dǎo)體與大地交換了電荷，但這種交換不是任意的，受靜電平衡規(guī)律的支配。

圖一、二

如圖1所示，空間有三塊平行放置的金屬平板A，B，C，三塊板的長(zhǎng)寬分別相等，且都比板間距大得多，板外無帶電體和導(dǎo)體。

令A(yù)、B兩板各帶電Aq和Bq，根據(jù)靜電平衡條件和電荷守衡定律，可求出各個(gè)板面上的電荷密度：

若讓圖1中的B板接地(如圖2所示)，則接地提供了B板與大地交換電荷的通道。由于B板必須和大地等電位，B板上的電荷必須向大地“移動(dòng)”，使60??，同時(shí)A、C兩板的面電荷密度重新分布，根據(jù)靜電平衡條件和電荷守衡定律，其電荷分布為：

再拆去B板接地線而將A板接地(如圖3所示)。由于拆去B板接地線后，B板上的電荷分布不變，所以當(dāng)A板接地后使10??，可推出A、C兩板的面電荷密度分布與B板接地的結(jié)果相同。這說明電荷分布不因改換A板接地而改變，導(dǎo)體板的電荷也沒有通過A板接地線和大地進(jìn)行交換。事實(shí)上B板接地時(shí)ABUUU??地，拆去B板接地線后，電荷分布不變，電位關(guān)系也不變。

從以上的例子可以看出，接地不一定交換電荷，接地僅為帶電導(dǎo)體與大地在等電位的條件下提供了交換電荷的“通道”。

接地過程中地球的地位與作用

電場(chǎng)中各點(diǎn)的電勢(shì)與電勢(shì)零點(diǎn)的選擇有關(guān)，但兩點(diǎn)間的電勢(shì)差與電勢(shì)零點(diǎn)的選擇無關(guān)。在具體工作中，有意義的正是兩點(diǎn)間的電勢(shì)差。因此在工程技術(shù)中，對(duì)電勢(shì)零點(diǎn)的選擇既要依據(jù)一定原則，又要考慮處理問題的方便。在理論上計(jì)算一個(gè)有限大小的帶電體所產(chǎn)生的電場(chǎng)中各點(diǎn)的電勢(shì)時(shí)，通常選取無限遠(yuǎn)出作為電勢(shì)的零點(diǎn)，但在實(shí)際問題中，如電器設(shè)備、儀器等，則往往選取地球作為電勢(shì)的零點(diǎn)，即0U?地，凡是接地的導(dǎo)體電勢(shì)皆為零。地球物理研究表明，通常情況下，大氣相對(duì)與地球表面來說是帶正電的，而地球可視為一個(gè)帶負(fù)電的導(dǎo)體球，且對(duì)通常的帶電體來說是無限大的。一般帶電體與地球接通，可能流入或流出電荷量q?，引起地球電勢(shì)的變化0/(4)UqR?????地地，因?yàn)閝?很小，R地極大，所以U?地可忽略不計(jì)。

另外，導(dǎo)體所帶電量與地球的帶電量相比是很小的，因此地面附近的帶電體由于靜電感應(yīng)而引起的地球電荷分布的變化也是極小的，同樣可以忽略不計(jì)。所以地球是一個(gè)電勢(shì)穩(wěn)定的大導(dǎo)體，以地球作為電勢(shì)的參考，并規(guī)定地球的電勢(shì)為零是很方便的。嚴(yán)格地說，地球相對(duì)于無窮遠(yuǎn)的電勢(shì)并不等于零。但靜電實(shí)驗(yàn)可以證明，取0U?地與取0U??是等效的。因?yàn)榈厍蛏系囊磺袑?shí)驗(yàn)都是在實(shí)驗(yàn)室或廠房里進(jìn)行的，其尺寸遠(yuǎn)小于地球，實(shí)驗(yàn)中的帶電體激發(fā)的電場(chǎng)所充滿的空間，只是地面的一個(gè)局部小區(qū)域，此區(qū)域的邊緣對(duì)實(shí)驗(yàn)室來說就是物理上的無限遠(yuǎn)。對(duì)實(shí)際的帶電體來說，無限遠(yuǎn)只是地面上的部分地區(qū)，該地區(qū)由地面上的各種建筑物構(gòu)成，它們與大地是等電勢(shì)的。因此，對(duì)通常的實(shí)驗(yàn)，取無限遠(yuǎn)處電勢(shì)為零，與取大地的電勢(shì)為零是等效的。

導(dǎo)體接地的種類和作用

保護(hù)型接地

保護(hù)型接地是為了防止絕緣損壞設(shè)備帶電而危及人身安全而設(shè)置的保護(hù)裝置，它有接地與接零兩種方式。接地時(shí)電器外殼與地球具有相同的電勢(shì)，若由于某種原因(如漏電)而使電器外殼帶電時(shí)，外殼、人、地球?yàn)橥坏葎?shì)體，不會(huì)有電流流過人體。按電力規(guī)定，凡采用三相四線供電的系統(tǒng)，由于是中性線接地，應(yīng)采用接零方式，把設(shè)備的金屬外殼通過導(dǎo)體接至零線上，而不允許將設(shè)備外殼直接接地。采用三相五線制的最好在家庭中安置漏電保護(hù)器。以生活和工作角度來分，保護(hù)型接地有可分為生活保護(hù)接地和工作保護(hù)接地。例如：洗衣機(jī)、電冰箱等家用電器的機(jī)殼后有接地線，大功率電器三角插頭的中心插片都屬于生活保護(hù)接地，而靜電除塵器外殼接地，三相交流電星型接法中的中性線接地，電流電壓互感器的外殼和副線圈接地，配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地等則屬于工作接地。

放電型接地

放電型接地亦稱過壓保護(hù)接地，是為了防止雷擊時(shí)損壞建筑物、電器設(shè)備、通訊輸電器材等而進(jìn)行的接地。利用尖端放電的原理把雷擊時(shí)的強(qiáng)大電流瀉到地下，以削弱雷電的威力，達(dá)到安全保護(hù)的目的。防雷裝置最廣泛使用的是避雷針和避雷器。避雷針通過鐵塔或建筑物的鋼筋入地，避雷器則通過專用地線入地。此外，油罐車用一條拖在地上的鐵鏈把靜電導(dǎo)入地下;飛機(jī)輪上的搭地線，可將機(jī)身的靜電在著陸時(shí)導(dǎo)入地下。其目的是為了使產(chǎn)生的靜電荷盡快導(dǎo)走，以避免火花放電等危害事故的發(fā)生。

通路型接地

通路型接地亦稱屏蔽地，它是利用大地作為電路回路的接地，例如無線電技術(shù)中將地線作為一個(gè)高頻電路的回路。農(nóng)村家庭中的直線廣播，為了盡可能地節(jié)約資金，同時(shí)又不嚴(yán)重影響收聽效果，也利用大地作為回線，即在擴(kuò)音機(jī)輸出端將接地旋鈕直接接地，同時(shí)將喇叭的一個(gè)接線柱接地。

示零型接地

示零型接地往往出現(xiàn)在電路的理論分析和計(jì)算中，如圖4所示的電路。該種電路中的接地線中并無電流通過，電荷只在電源兩端電壓的作用下沿導(dǎo)體回路移動(dòng)。

導(dǎo)體接地問題的某些誤解

理論接地與設(shè)備接地問題

“接地”分為理論應(yīng)用上的接地概念和實(shí)際應(yīng)用中的接地概念，實(shí)際應(yīng)用中的接地概念又分為用電系統(tǒng)接地、高頻通信系統(tǒng)接地等。理論應(yīng)用中的接地是指把導(dǎo)體和遙遠(yuǎn)的電荷源接起來。不能把“地” 理解為我們生活居住的這個(gè)實(shí)實(shí)在在的地球，更不能把“地”理解為地面或墻面。

從靜電理論可知：帶正電荷的孤立體系的電場(chǎng)院線終止于無窮遠(yuǎn)處，帶負(fù)電荷的孤立體系的電場(chǎng)線來自于無窮遠(yuǎn)處。由此可知：所謂遙遠(yuǎn)的電荷源是存在的，它帶無限多的正電荷，又帶無限多的負(fù)電荷，即電場(chǎng)線發(fā)出或終止的帶電體。在具體問題研究中只要某個(gè)帶電體相對(duì)于所研究的帶電體帶非常多的電荷，且離被研究的帶電體非常遠(yuǎn)，則該帶電體即可視為“地”。用導(dǎo)線把該帶電體與被研究的帶電體連接起來的過程就稱為“接地”。例如，在安置避雷針時(shí)用一塊較大的金屬塊接地體埋在較深的地下，在金屬塊周圍加上食鹽、碎鐵屑，再加上水。其目的是使這塊區(qū)域可視為“地”。

綜上所述，理論研究中的“地”是指很遙遠(yuǎn)的電荷源，這個(gè)電荷源帶很多正負(fù)電荷。一個(gè)物體是否可視為“地”處理要看它是否近似滿足可視為很遙遠(yuǎn)的電荷源這一條件。實(shí)際用電中三眼插座及三插片插頭的“接地”是一種安全保護(hù)措施。接地線接到哪里能起到用電安全保護(hù)作用哪里就可視為“地”。把接地中的“地”理解為我們生活居住的這個(gè)實(shí)實(shí)在在的地球是不對(duì)的。

無限大接地導(dǎo)體平板模型探析

許多教材在討論鏡象法時(shí)，都用到“無限大接地導(dǎo)體平板”這一模型。仔細(xì)推敲， “接地”二字是多余的。去掉這兩個(gè)字，對(duì)解決該問題的物理?xiàng)l件并無實(shí)質(zhì)性影響。

鏡象法最簡(jiǎn)單的應(yīng)用，就是對(duì)解如圖5的帶電體系的空間電場(chǎng)分布，其條件為：

假若不接地，圖5體系是否具備上述邊界條件是問題之關(guān)鍵。

關(guān)于

的討論：取無窮遠(yuǎn)為零電勢(shì)的先決條件是電荷分布在有限區(qū)域中。對(duì)于圖5體系，點(diǎn)電荷q與導(dǎo)體板上感應(yīng)的異號(hào)電荷顯然是在有限區(qū)域中，而與q同號(hào)的感應(yīng)電荷相當(dāng)于是“均分”在無限大導(dǎo)體面上，其面電荷密度為：，因此，自然可取，而與導(dǎo)體平板是否接地?zé)o關(guān)。

關(guān)于

的討論：因?yàn)闊o窮遠(yuǎn)處為零電勢(shì)，導(dǎo)體板本身又無限大，相當(dāng)于與無窮遠(yuǎn)處相連通，所以板上電勢(shì)自然為零，與其是否接地?zé)o關(guān)。當(dāng)然，這里還有導(dǎo)體板另外帶電的問題：假設(shè)板上原來帶有凈電量Q，且Q為有限值，則必然均分到無窮大面積上，電效應(yīng)等于零，與不帶電幾乎無異。若Q為無限值，則可根據(jù)疊加原理將其與“純”鏡象法問題分開解決，然后再疊加起來。在這種情況下，“接地”同樣是沒有用處的。因?yàn)闊o限大導(dǎo)體平板在理論上比地球還大，靠“接地”既不能使板上電荷消失，也不能使其從無限變?yōu)橛邢蕖?

無限大導(dǎo)體板只是一種理想物理模型。實(shí)際存在的導(dǎo)體板不可能無限大，在處理實(shí)際問題時(shí)，如果點(diǎn)電荷到導(dǎo)體板的距離遠(yuǎn)小于導(dǎo)體板的線度，則可近似地將后者視為無限大，這種無限大只是相對(duì)而言的，比起地球來仍小得多，為確保其電勢(shì)穩(wěn)定，才必須接“地”。在此種情況下，雖然接地是必要的，但無限大并非真實(shí)。所以“無限大接地導(dǎo)體平板”改為“無限大導(dǎo)體平板”或“接地大導(dǎo)體平板”可以避免一些不必要的困惑。

導(dǎo)體接地的總結(jié)

在日常生產(chǎn)和生活中，隨處可見導(dǎo)體接地問題。接地在電力和電子技術(shù)中既簡(jiǎn)單又復(fù)雜，而且還必不可少。同時(shí)在物理教學(xué)中，也要碰到導(dǎo)體接地問題。在各種刊物上和網(wǎng)絡(luò)中有不少關(guān)于導(dǎo)體接地問題的文章，這些文章大多只是就其中的某個(gè)問題進(jìn)行了討論，而且個(gè)別問題還討論得不完備。本文就是在對(duì)大量文獻(xiàn)資料進(jìn)行綜合的基礎(chǔ)上，以《電磁學(xué)》、《電工學(xué)》、《電動(dòng)力學(xué)》作為根本理論依據(jù)，對(duì)相關(guān)重點(diǎn)、難點(diǎn)問題進(jìn)行歸納和分類整理，對(duì)部分文獻(xiàn)中討論得不夠完善、不夠妥當(dāng)?shù)膯栴}加以完善，力圖對(duì)導(dǎo)體接地問題有一個(gè)相對(duì)全面的闡述，給初學(xué)者或非物理專業(yè)的人帶來閱讀和查閱上的方便。