當電場足夠強時,導體是否可能無法靜電平衡?

靜電平衡過程中,由導體內部電荷移動形成的內建電場逐步與外電場抵消,最終達到靜電平衡狀態。是否有這樣的可能,外部電場實在太強,以至於導體內部所有電荷的作用都無法抵消外部電場?


確實是有可能的. 不過這在半導體里更加常見.

對於金屬, 這幾乎是不可能的. 以銅為例, 銅的晶格常數 3.6 ?, 晶體結構是面心立方, 單層的銅原子面密度 1.54	imes 10 ^{15} ,mathrm{cm}^{-2} . 按照每個銅原子貢獻一個價電子計算, 產生的電場強度是 2.8	imes 10^6 ,mathrm{kV/cm}, 這個電場比通常電路中的較強電場強了四五個數量級, 這個數值正比於層數, 一般銅板的厚度包含的層數又可以使它增加幾個量級. 另外, 銅的逸出功 4.7eV, 而這個電場強度下單層銅原子兩側的電壓差達到了 50V, 這意味著這一電場已經顯著大於銅原子晶格對價電子的束縛電場了, 換言之銅的晶體結構在這個電場下已經不穩定了.

這個計算非常粗略, 但不同金屬在數量級上大體沒太大的差異.

但是對於摻雜半導體, 由於載流子數量很小, 這是完全可以做到的. 而且電場作用下所有的載流子都無法平衡電場而產生局部幾乎沒有載流子的現象, 被利用於製造許多電子器件. 現代電子技術用的晶體管, 就是用這種方法來控制局部電路通斷的.


那要看電擊穿和電荷用盡哪一種情況先發生了

一般說來電擊穿會先發生


導體和電介質是固體在靜電場中所表現出的兩種不同響應的代表。也就是說在給定電場強度下,導體和電介質是兩種相對的模型:在此電場強度下,附加電場能抵消外電場的是導體,極化電場只能削弱而不能抵消外電場的是電介質。之所以有這樣的斷言,是因為這裡的導體都有宏觀的尺寸。良導體自由電子(受電場力可移動的電子)的數密度通常在 10^{22}/
m{cm}^3 量級,儘管這是一個常數,但是可以參與靜電平衡的電子總數還與導體的體積有關。作為模型,靜電平衡下的導體一定有足夠大的尺寸。

按照電阻率大小的劃分,半導體處於兩種極端的中間。但解釋半導體在電場中的行為通常需要能帶理論,因而不在普通物理中討論。


是有可能的。

所以有的老師上電磁學/電動力學的時候會特彆強調,例題里的薄球殼一定是有厚度的。


複習大物的時候我也想到了這個問題。

我在想外電場足夠大以至於無法靜電平衡時會不會導致導體放電。


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