第1章 第 1 节 静电的产生及其微观解释

将梳过头发的塑料梳立刻靠近细小纸屑，纸屑会被吸起（图 1 – 1）。雷雨天，你能看到撕裂长空的闪电，听到震耳欲聋的雷声。这些都是静电现象。那么，静电是怎样产生的？为什么会产生？本节将学习产生静电的常见方式，并从微观角度对静电现象进行分析。

1．静电的产生

摩擦起电是常见的使物体带电的方式之一。例如，梳头发时起电，在地毯上行走时起电，脱毛衣时起电……这类静电现象都是由摩擦引起的。

我们知道，摩擦后的物体所带电荷有两种：用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷规定为正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷规定为负电荷。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。电荷的多少称为电荷量（electric quantity）。在国际单位制中，电荷量的单位是库仑（coulomb），简称库，符号为 C。

接触起电是使物体带电的又一种方式。例如，将一根用毛皮摩擦而带电的橡胶棒跟验电器的金属球接触（图 1 – 2），会发现验电器原来闭合的金属箔片张开了，表明接触后的验电器带电了。验电器是检验物体是否带电和估测物体带电多少的仪器。当带电的橡胶棒与验电器的金属球接触时，有一部分电荷转移到验电器上，与金属球相连的金属箔片带上同种电荷，因相互排斥而张开。金属箔片张开角度越大，物体所带电荷越多。

还有一种使物体带电的方式——感应起电。什么是感应起电呢？下面让我们先看一个实验。

实验与探究

感应起电

将一根用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近（不接触）验电器的金属球（图 1 – 3），会观察到什么现象？为什么会出现这种现象？

保持橡胶棒的位置不动，用手接触验电器的金属球（图 1 – 4），会观察到什么现象？这又是为什么？

接着先把手移开，再把橡胶棒移开，又会观察到什么现象？

由上面的实验可知，一个带电物体靠近导体时，也可使导体带电。受附近带电体影响而使导体上的电荷重新分布的现象称为静电感应（electrostatic induction）。利用静电感应使金属导体带电的方式称为感应起电。

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认识静电的历史

人类对电的研究始于对静电现象的观察，静电的奇妙现象引发人们不断对其进行探索。公元前 600 年左右，古希腊的泰勒斯（Thales，约公元前 624 — 前 547）发现，摩擦过的琥珀可吸引轻小物体，“electricity”（电）这个词就起源于希腊文的“琥珀”。成书于西汉末年的《春秋纬·考异邮》载有“玳瑁吸 ”，意思是经过摩擦的玳瑁（一种海龟科海洋动物）背甲能吸引草屑等轻小物体。16 世纪，英国的吉尔伯特（W.Gilbert，1544 — 1603）发现能带电的不仅有琥珀，还有钻石、水晶等。

1660 年，德国的格里克（O.Guericke，1602—1686）发明了摩擦起电机，推动了人们对静电现象的进一步探索。1882年，英国的维姆胡斯发明了圆盘式静电感应起电机，其两个同轴玻璃圆板可反向高速转动，感应起电的效率很高，能连续产生并积累较多正、负电荷。现在，我们在电学实验中经常用到感应起电机（图 1 – 5）。

2．产生静电的微观解释

下面我们从物质的微观结构来认识静电现象的本质。

物质由分子、原子等微粒组成。原子由带正电的原子核和带负电的电子组成（图 1 – 6）。原子核由呈电中性的中子和带正电的质子组成。一个电子的电荷量与一个质子的电荷量数值相同，约为 1.60×10⁻¹⁹ C，原子的电子数与质子数相等，因此物体不显电性。但当物体受到外界影响，电子发生转移时，物体就会显电性。

图 1 – 6 原子模型示意图

大量事实证明，电荷既不能被创造，也不能被消灭，只能从物体的一部分转移到另一部分，或者从一个物体转移到另一个物体。在转移的过程中，电荷的总量不变。这个规律称为电荷守恒定律（law of conservation of charge）。

摩擦为什么能使物体带电？这是因为，两个由不同物质组成的物体相互摩擦时，由于摩擦力做功，一个物体中某些原子的电子获得了能量，挣脱了原子核的束缚，转移到另一个物体上。根据电荷守恒定律，从整体上看，一个物体失去了电子带正电，另一个物体就得到了电子带负电。例如，用丝绸摩擦玻璃棒时，玻璃棒失去了电子带正电，丝绸获得了电子而带等量负电（图 1 – 7）。

感应起电的原因是什么呢？原来，带电体靠近导体时，导体内的自由电子会受到带电体上电荷的作用，向靠近或远离带电体的方向移动。在本节“实验与探究”中，当带负电的橡胶棒靠近验电器的金属球时，验电器的金属箔片张开，这是因为金属球上的自由电子受到负电荷作用，会向远离橡胶棒的方向移动，最终使靠近橡胶棒的金属球带正电，远离橡胶棒的两金属箔片带负电而相互排斥。保持橡胶棒的位置不动，用手接触验电器的金属球，金属箔片闭合，这是因为金属箔片上的电子通过人体从验电器移到了大地，而金属球上的正电荷继续保留。接着把手移开，使金属球与地面断开，再把橡胶棒移开，金属球和两金属箔片带正电，金属箔片相互排斥又会张开。因此，感应起电的实质是在带电体所带电荷的作用下，自由电荷从导体的一部分转移到了另一部分。

拓展一步

梳子为何能吸引纸片

梳过头发的塑料梳子为何能吸引轻小纸片呢？如图 1-8 所示，当摩擦后带电的梳子靠近纸片时，纸片在梳子所带电荷的影响下，会出现如图所示的正、负电荷分布（这是电介质的极化现象，其表面出现的是极化电荷，图中仅近似画出纸片两端的极化电荷）。因为靠近梳子端的极化电荷与梳子所带电荷是异种电荷，它们之间相互吸引，所以轻小纸片便被梳子吸引过去了。

节练习

1．在比较干燥的环境中，将一段塑料绳分成许多细条，用一只手提起这些塑料细条，另一只手快速重复捋塑料细条，看能否观察到如图所示的现象，并解释原因。

参考解答：会；干燥的手捋塑料细丝时，会出现摩擦起电现象，使塑料细丝因带同种电荷相互排斥而分开。

2．如图所示，在桌上间隔一定距离放两本书，将一块洁净的玻璃板放置于两书之上，使玻璃板离开桌面 2～3 cm。用宽 0.5 cm 的纸条剪出各种姿态的人形小纸片，放在玻璃板下面，然后用一块硬泡沫塑料在玻璃上摩擦，可见小纸人翩翩起舞。

（1）小纸人为什么会翩翩起舞？

（2）如果实验前把“舞区”烤一烤，实验效果会更好。这是为什么？

参考解答：（1）因为泡沫塑料摩擦玻璃板，会使玻璃板带电，小纸人会被吸引。玻璃板上的电荷量不断变化，小纸人受力也会变化，因此小纸人会翩翩起舞。

（2）用火烤一烤跳舞区，使跳舞区水分减少，与其他地方的绝缘效果加强，电荷不易导走，所以实验效果更好。

3．某同学在探究静电感应时，进行了如图所示实验：将绝缘细线上端固定，下端悬挂一轻质小球A， A 的表面镀有铝膜，在 A 的近旁有一绝缘金属球 B，开始时 A、B 球都不带电。若使 B 带电，该同学会观察到什么现象？为什么？

参考解答：A 球先靠向 B，与 B 接触后又分开。

当绝缘金属球 B 带上电荷后，由于静电感应，会使小球 A 靠近 B 的一侧带上与 B 电性相反的电荷，而远离 B 的一侧带上与 B 的电性相同的电荷。虽然 A 两侧所带的电荷量相同，但由于它们离球 B 的距离不同，因此 A、B 两球表现为相互吸引，从而使小球 A 靠向B。当两球接触后，整个 A 球带上了与 B 球的电性相同的电荷，两球因相互排斥而分开。

4．某同学在研究静电感应时，用带电的金属球靠近不带电的验电器，验电器的金属箔片张开。验电器上感应电荷的分布情况正确的是

参考解答：B

5．现有三个相同的金属球，其中两个带正电，电荷量为 q，一个不带电。请设计使其中某一金属球带电荷量为 \(\frac{3}{4}\)q 的方案，并说明设计思路。

参考解答：先用不带电小球与一个带电小球接触，接触后两个小球的带电量分别为 + \(\frac{q}{2}\)，再用其中一个小球与带电量为 + q 的小球接触，接触后两个小球的带电量分别为 + \(\frac{3}{4}\)q。

设计思路：相同金属球接触，其电荷量会平均分配。

发布时间：2022/4/4 21:35:49  阅读次数：2560