راهنمایی کوتاه: یک سوال تشریحی دربارهٔ رسانا در حالت تعادل الکتروستاتیکی طراحی شده است؛ با استدلال فیزیکی پاسخ بده.
گام‌به‌گام:
۱) فرض کن بارهای الکتریکی روی رسانا ساکن هستند و تعادل الکتروستاتیکی برقرار است.
۲) اگر درون رسانا میدان الکتریکی ناصفر باشد، الکترون‌های آزاد حرکت می‌کنند و دیگر تعادل نداریم.
۳) نتیجه بگیر که در تعادل، میدان الکتریکی درون جسم رسانا صفر است.
۴) توضیح بده چرا بار اضافی به سطح خارجی رسانا می‌رود.
۵) برای یک محفظهٔ رسانای بسته که داخلش بار الکتریکی نیست، وضعیت میدان درون حفره را بیان کن.
پاسخ نهایی:
سوال: «در یک کرهٔ رسانای توخالی باردار، با استدلال فیزیکی توضیح دهید چرا در حالت تعادل الکتروستاتیکی میدان الکتریکی درون جسم رسانا صفر است و بار اضافی روی سطح خارجی قرار می‌گیرد. سپس نتیجه بگیرید میدان الکتریکی درون حفرهٔ بدون بارِ این رسانا چگونه است.»
پاسخ نمونه: در تعادل الکتروستاتیکی، بارهای الکتریکی ساکن‌اند. اگر درون رسانا میدان الکتریکی ناصفر بود، الکترون‌های آزاد جابه‌جا می‌شدند و تعادل برهم می‌خورد؛ پس باید درون جسم رسانا میدان صفر باشد: . بار اضافی نیز طوری توزیع میشود که میدان درون رسانا صفر بماند، بنابراین روی سطح خارجی قرار می‌گیرد. اگر حفرهٔ داخل رسانا بار الکتریکی نداشته باشد، میدان الکتریکی درون حفره هم صفر است؛ این همان پدیدهٔ محافظت الکتروستاتیکی یا قفس فارادی است.
مثال مشابه:
توضیح دهید چرا برای محافظت از یک وسیلهٔ الکترونیکی حساس در برابر میدان الکتریکی بیرونی، می‌توان آن را داخل یک محفظهٔ فلزی بسته قرار داد.
اگر می‌خواهی بیشتر یاد بگیری:
دربارهٔ «قفس فارادی» و کاربردهای آن در زندگی روزمره فکر کن و ببین چه مثال‌هایی از محافظت الکتروستاتیکی می‌شناسی.
