电学实验 / ELECTROSTATICS

导体与静电感应

孤立中性导体03 / 三维实验
实验条件匀强电场 · 金属球体

01外加电场

02金属导体

半径 R = 1.12 m

03场源参数

0120 V/m
0°360°
不接地 · 初始净电荷为零
匀强电场 / 金属球体施加外场
三维静电感应模型需要 WebGL 2。实验的物理读数仍在下方提供。
正在构建电场…
E₀ = 60 V/m球体解析模型
自由电子 e⁻电子缺失 +合电场线中性背景
MODEL NOTES

从电荷迁移,到静电平衡

移动的是自由电子

金属中的自由电子受到与合电场方向相反的电场力;晶格正离子不作整体迁移。蓝点仅代表参与感应的部分电子,灰点代表仍含自由电子及正离子的中性背景。热运动没有显示,金属内部不会失去全部电子。

表面带电,内部场相消

导体初始中性、孤立且不接地,因此净电荷始终为零。电子富集处显示蓝色,电子缺失处显示红色;达到静电平衡后,净感应电荷分布在表面,金属内部合场为零,整个导体为等势体。颜色按当前最大表面电荷密度归一化,跨参数比较请以读数为准。

球壳的空腔与金属层不同

模型为完整封闭、空腔无内置电荷的金属球壳。平衡时金属层及空腔内电场均为零,内表面不带净电荷;外部电场与同外半径金属球相同。电子路径沿金属层运动,不穿过空腔。剖视仅改变画面,不是在球壳上真正开孔。

解析解与数值边界

球体与球壳采用匀强场的感应偶极子解析解,以及外部点电荷的镜像法叠加,并满足孤立导体零净电荷条件。长方体采用 216 个边界点的等效电荷求解,以 ml-matrix 进行线性代数计算;外部场及表面密度为粗离散近似,棱角处不用于精确比较。金属内部的平衡场按理想导体条件取零。

演示进度不是物理计时

电子路径、表面电荷建立过程和过渡场采用缓和插值,并非真实电子动力学或时变 Maxwell 方程的解。图中场线不是电子轨迹,线条数量不定量代表场强。内部场读数是六个金属内取样点的均方根值;曲线的横轴是归一化演示进度,而非秒。