第八章 电场参考资料

1．静电学发展简史

（1）我国古代和古希腊对静电现象的研究

我国是世界文明古国之一，在古代书籍中有许多电磁现象的记载。例如西汉末年（公元前20年左右）的《春秋纬•考异邮》中就有“碡（玳）瑁吸楮”（引自《太平御览》卷807）的话。意思是说经过摩擦的玳瑁（一种跟龟相似的海生爬行动物的甲壳）能够吸引微小的物体（楮音若）。东汉时期王充在《论衡》中进一步记载了这种现象：“顿牟（即玳瑁）撮芥，磁石引针”。西晋张华在他写的《博物志》中写有“今人梳头、脱着衣时，有随梳、解结有光者，也有咤声”，记载了梳子与头发摩擦而起电，外衣与不同质料的内衣摩擦起电的现象。

古希腊是西方电磁学的发源地。在古希腊的文献中记载了一些电磁现象。柏拉图（公元前427－公元前347）曾提到“关于琥珀和磁石的吸引是观察到的奇事”。表明公元前300多年古希腊人就发现了琥珀吸引小物体的现象。琥珀是松柏类植物的树脂流入地下后而成的化石，多为具有黄色光泽的透明固体，古希腊人习惯把琥珀当作高贵的装饰品，经常戴在身上，这样就容易发现它有吸引轻小物体的现象。我国古代和古希腊关于电的知识，都是由经验得出的，比较零散，而且在1000多年的时间里很少进展。

（2）吉尔伯特最早系统地研究电磁现象

吉尔伯特（1544－1603）是一位医生，曾任英国女王伊丽莎白一世的御医。他在从事医学工作之余，潜心研究磁现象和摩擦起电现象。他是第一批通过实验对电现象和磁现象进行系统研究的人，有许多重要发现。他首先确定琥珀的吸引和磁石的吸引是两种不同的现象。磁石本身就具有吸引物体的能力，而琥珀则要经过摩擦；磁石只能吸引有磁性的物体，而摩擦过的琥珀则能吸引任何小物体。吉尔伯特利用各种物质做了许多摩擦起电的实验。他发现除琥珀外，金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、硫磺、硬树脂、云母、岩盐等，经摩擦后也能吸引小物体。吉尔伯特把经过摩擦后能吸引小物体的物体叫做“electric”，意思是“琥珀体”，这就是西文中“电”的词根的来源。为了确定一种物质是不是带电体，他发明了第一个可供实验用的验电器——用一根极细的金属棒，中心平衡在一个尖端上，可以自由转动。由于棒很轻，当摩擦后带电的物体靠近棒时，棒被吸引而转动。

（3）奥托•格里克发明摩擦起电机

奥托．格里克（1602－1686）是一个多才多艺的工程师，担任过35年德国马德堡市市长。1654年他利用自己发明的抽气机做过著名的马德堡半球实验。1660年又发明了第一台可产生大量电荷的摩擦起电机，为进一步研究电创造了条件。格里克的摩擦起电机是把一个足球那样大小的硫磺球沿直径穿孔，插入铁轴，水平安装在座架上，使球能绕铁轴转动。转动时，把干手掌放在球上，手与球发生摩擦，从而产生电。格里克用这个摩擦起电机做了许多有趣的实验。通过实验观察到物体放电时的电火花。后来牛顿对摩擦起电机作了改进，用玻璃球代替硫磺球，制成摩擦起电机。以后又有人不断改进摩擦起电机，利用它做各种实验，可产生新奇的电现象，特别是产生强大的火花，而且可从人身上产生火花，引起世人惊奇。这些新奇的实验发现，使得18世纪40年代的德国整个社会都对电现象感兴趣，许多人出于好奇心，购买摩擦起电机做实验，作为娱乐，也大大地普及了电学知识。

（4）格雷发现电的传导

斯蒂芬．格雷（1666－1736）生于英国一个手工艺家庭，精于工艺。晚年对电学实验很感兴趣，连续进行了三年研究，最重要的贡献是发现了电的传导现象，确定了有的物体是导电体，有的物体是非导电体。格雷为了研究电究竟能传多远，用木棍、麻线、钓鱼竿等做过多次实验，最长的达650英尺（约198m）。实验中为了把用来传电的麻绳悬吊起来，他曾用丝线和铜丝悬挂麻绳，结果发现用铜丝时，电就不能沿麻绳传导了。他猜想，可能是电通过铜丝和铁钉跑掉了。进一步实验后他发现，金属比丝绸更容易传导电，因此，把电容易通过的物体（如金属）叫做导电体，而把电难以通过的物体（如丝线）叫非导电体。格雷还做过一个有趣的实验：把一个小孩用几根粗丝绳水平吊起来，用摩擦过的带电玻璃管接触小孩的胳膊，孩子的手和身体便能吸引羽毛和铜屑。这表明，人体也是导电体。

（5）杜菲发现电有两种

法国科学家杜菲（1698－1739）在巴黎科学院从事化学研究，因受到格雷研究成就的鼓舞，从1732年开始也进行电学研究，结果发现了电有两种。从古代直到吉尔伯特研究电磁现象时，人们只知道电的吸引现象。1629年意大利学者卡比奥（1586－1650）发现，摩擦带电的琥珀吸引小物体到它上面后，又把小物体排斥开去。后来许多学者研究这一现象，并提出各种假说解释它。100多年后，杜菲先研究摩擦起电和电的传导，做了许多实验，得出结论：除金属和软材料外的所有物体都能摩擦起电；导体必须用绝缘体架起来才能带电；物体的带电与颜色没有关系。

杜菲研究电的排斥现象时，用摩擦带电的玻璃管吸引金箔，发现金箔接触玻璃管后被排斥开。他认为这是两者接触时玻璃管把电传给了金箔，然后就排斥它。杜菲用羊毛摩擦过的树脂棒靠近被带电玻璃棒排斥的金箔，使他大为惊奇的是，金箔不被树脂棒排斥，而是被吸引。经过大量实验，杜菲终于确定电有两种，其中一种他称之为玻璃电（就是现在所说的正电），另一种称之为树脂电（即现在所说的负电）。这两种电的特点是，它们自己互相排斥，彼此互相吸引。

（6）莱顿瓶的出现及其影响

荷兰莱顿大学的物理学家穆欣布罗克（1692－1761）在从事电学实验时，看到好不容易使带电体所带的电很快在空气中消失，便想找出一种保存电的办法。有一次，他用丝线吊起一支枪管来接收从摩擦起电机玻璃球传来的电；在枪管的一端吊一根黄铜线，铜线的下端放入一只盛有水的玻璃瓶中。穆欣布罗克让助手一只手拿着玻璃瓶，同时自己使劲转动发电机。助手不慎将另一只手碰到枪管上，感到一次强烈的电击，大喊起来。穆欣布罗克与助手互换位置，让助手摇动起电机，自己一手拿瓶，另一手去碰枪管，也遭到电击。这个实验表明，把带电体放在玻璃瓶中可以把电保存起来。后来人们把这个蓄电的瓶子叫做“莱顿瓶”。莱顿瓶几经改进后，瓶内外表面都贴上金属箔，瓶盖上插一金属杆，杆上端装一金属小球，下端用金属链子与瓶内表面接触，瓶内盛水，增大了瓶的蓄电能力，可以产生更强的电击，放电时产生的电火花可以点燃火药、氢气等。莱顿瓶的出现为进一步研究电现象提供了有力的手段。莱顿瓶能使人受到电击的现象，引起人们的好奇。当时人们用莱顿瓶做电击示范表演成了一种娱乐游戏。最出色的一次表演是法国电学家诺莱特在巴黎圣母院前进行的。他请700个修道士手拉手排列起来，让排头者手拿莱顿瓶，排尾者手握莱顿瓶的引线，当他让莱顿瓶通过他们放电时，整个队伍突然同时跳了起来。在场观众被惊得目瞪口呆。这一表演显示了电的巨大威力。

2．对摩擦起电的解释

摩擦起电是一种比较复杂的现象，摩擦过程中伴随着物质间的接触和分离、温度升高、热分解、压电和热电效应等，它们都对起电产生影响。即使同种物质，以不同的方向摩擦时，也会出现带电现象。现在对摩擦起电还存在着一些认识不清楚的问题。

固体的带电机理可用偶电层和接触电势差来说明。两种物质接触时，由于不同物质原子得失电子的能力不同，外层电子的能级不同，会发生电子转移。当两种物质紧密接触（其间距离小于0.25×10^-10m）时，界面两侧会出现大小相等、符号相反的两层电荷，称作偶电层。偶电层间的电势差叫做接触电势差。当偶电层间的接触电势差达到一定值后，电子的转移达到平衡。接触电势差与物质性质和表面状况有很大关系，固体的接触电势差为10^-3～10^-1V，最大1V左右。金属与金属、金属与绝缘物（电介质）、绝缘物与绝缘物的界面上都会出现偶电层。由于存在偶电层，两个紧密接触的物体分开时，就可能带电。摩擦可使物体间紧密接触，增大接触面积，从而增加带电荷量；摩擦还使温度升高，促进电子的转移。

影响固体带电的因素很多。两种物质摩擦时，哪个带正电，哪个带负电，首先决定于物质的性质。科学家们用不同的物质做实验，列出了物质的带电序列表，表中两种物质摩擦时，前面的物质带正电，后面的物质带负电。前后两种物质在带电序列表中相隔越远，越容易起电。摩擦起电还受周隔环境条件的影响，周围温度、湿度、气压都影响带电荷量，有时还影响带电的符号，物体间的力学因素，例如摩擦的速度、摩擦的长度、压力的大小也对带电荷量有影响。

3．静电的电压和能量

人在地毯上行走或从椅子上起立时，人体静电电压可高达1万多伏；脱衣服时产生的静电电压可高达数万伏；液体静电和粉体静电电压均可高达数万伏；而橡胶和塑料薄膜行业的静电电压可高达10多万伏。产生这样高压的静电，消耗的能量却极为有限。微小的能量为什么能产生这样高的电压呢？原来，两导体之间有电容、电压与其上电荷量之间保持U＝Q/C 的关系，以平板电容器为例，电容大小为C＝εS/d 。如果介电常数ε，极板面积S保持不变，则电容C与极间距离d成反比。两物体紧密接触时，其间距离为25×10^-10m，其接触电位差很小；当两物体迅速离开至0.1×10^-1m时，由于距离增大为原来的40万倍，电容则减小为原来的40万分之一。如果分离前后物体上的电荷量保持不变，电压将升高为原来的40万倍。即使接触电势差只有0.01V，分离至0.1×10^-1m时的电压也可达4kV。因此，数万伏静电电压是不足为奇的。正因为静电电压在很大程度上取决于电容，以致同一带电体的电压随着位置的变化而变化。例如，传动皮带的静电产生于它与皮带轮的接触-分离处，但在刚离开皮带轮时，电压并不高；而运转到两皮带轮中间时，由于距离拉大，电容大大减小，电压则大大升高。静电安全装置的设计和安装、静电的测量等工作中，都不可忽视电容对静电的影响。

静电的高压特征主要来自电容，而不是来自电荷量。测量表明，在局部范围内，生产工艺过程中产生的静电电荷量一般都是微库级的。工艺过程中所产生的静电能量一般不超过数毫焦，少数能达到数十毫焦。静电电击是冲击性电击。0.5～1mJ的静电会使人有针刺和刺痛的感觉，5～6mJ的静电则使人有麻木的感觉或给人强烈的打击。电击使人致命的最小能量可以认为是27J。雷电和电容器残留电荷虽然也属于静电，但因其电压极高或电容很大，放电能量足以使人毙命。微小的静电放电能量能引燃很多易爆性混合物。大部分烃类燃料蒸气混合物的最小引燃能量只有0.2mJ左右。有些混合物的最小引燃能量更小，如氢和乙炔的混合物只有0.019mJ。粉体最小引燃能量有1mJ以下的，有数毫焦的，也有数十毫焦的。例如，层状镁粉只有0.24mJ，层状铝粉、硫粉只有1.2mJ，云状酚醛树脂粉为10mJ。人体静电往往可以引燃某些易爆性混合物。

4．静电泄漏

易于产生和积累静电的材料大多是高分子材料。这些材料的电阻率都很高，例如，天然橡胶的电阻率为10¹³～10¹⁴Ω•m，无氨酚醛塑料的为10¹¹～10¹³Ω•m ，聚苯乙烯的为10¹⁴～10¹⁷Ω•m，甲基硅油的大于10¹²Ω•m等。由于这些材料的电阻率大都很高，因此静电泄漏往往很慢。由此可见，产生静电的工艺过程停止相当长一段时间之后，其上仍然有可能带有危险的静电，有可能会造成严重事故。由于绝缘体上静电泄漏很慢，同一绝缘体的不同部位可能在较长时间内保持不同的电势，因此，对于一个绝缘体，可能出现从这边接近没有危险，而从那边接近即发生放电的“怪”现象。绝缘体受潮后，其表面电阻降低，静电将变得容易泄漏。事实证明，电阻率在10⁷Ω•m以下的固体，电阻率在10⁸Ω•m以下的液体由于静电泄漏均不容易积累静电；而电阻率在10⁹Ω•m以上的固体。电阻率在10¹⁰～10¹²Ω•m的液体均容易积累危险静电；但电阻率在10¹³Ω•m以上的液体由于分子极性很弱反而不容易产生静电。

基于上述情况，静电导体一般系指电阻率在10⁶Ω•m以下的物体；静电绝缘体一般系指电阻率在10¹⁰Ω•m以上的物体；而电阻率在10⁶～10¹⁰Ω•m之间的物体虽然在直（交）流电范围属于绝缘体，在静电范围却只能是可以泄漏静电的亚导体。

5．静电实验中的绝缘问题

静电仪器产品的绝缘支架，以有机玻璃制的为好，其他吸水性小的塑料也可以，否则在空气湿度大时，支架表面附着的水分子会使绝缘性能变坏。绝缘性能变坏的支架，轻者可在日光下干燥，重者需在通风条件下用热源烘烤，但绝缘物表面温度不宜超过50℃，以免加速材料的老化而使绝缘性能发生不可恢复的减退。玻璃在温度过高时绝缘性能反而更不好。石蜡（制蜡烛的材料）的绝缘性能相当好，价廉易得，在自制和修理仪器时可以采用。绝缘物表面的尘土、污垢会影响绝缘性能，可用棉布沾少许酒精擦净，擦拭时不要使绝缘物因摩擦而起电。石蜡表面的污物可用刀刮除。聚丙烯塑料薄膜制成的商品包扎绳，绝缘性能良好，可代替丝线来悬挂电摆小球，但须注意不要使聚丙烯绳本身因摩擦而带电。电摆小球本身的绝缘性能却不应太好；如果用硬发泡塑料制成，要用水把它表面弄湿或者涂一层石墨粉（用4B铅笔涂），这样，它和带电体接触时才容易带电且电荷均匀地分布在表面上。同理，验电羽也应当用绝缘性能较差的薄纸制成。

6．静电测量的主要参数

（1）电荷量

静电的实质是存在剩余电荷。电荷量是关系静电现象本质的物理量。电位、电场、电流等有关的量都是由于电荷的存在或电荷的移动而产生的物理量。在科研院所、高等院校、检测站和工矿企业等部门经常需要测量物体的电荷量或电荷密度。表示静电电荷量的多少用电荷量Q表示，其单位是库（C），由于库的单位太大通常用μC或nC，1C＝10⁶μC，1μC＝10³nC。

在测量粉体带电及其比荷，测量防静电服的性能时都要测量其带电电荷量。测量物体的带电电荷量从原理上说可用法拉第筒和静电计及静电电容测量，但这种方法测量繁琐，误差较大，而且对于非静电技术人员使用时更加困难。现有一种准确迅速测量物体电荷量的专用仪器——数字电荷仪和数字电荷量表。使用极为方便，受到广大科研单位和厂矿企业的好评。

（2）静电电压

由于在很多场合测量静电电压较容易，另一个常用的静电参数是静电电压，其单位为伏（V），但由于静电电压通常很高，因此常用一个较大的单位——千伏（kV），1kV＝1000V。

测量静电电压的仪表通常分为接触式和非接触式，对于测量有源带电体如静电发生器（高压电源）等的静电电压常用接触式，测量这类静电可用Q-V系列静电表。但由于接触式仪器在与被测物体接触时会使带电物体的静电放电，而使而电荷量减少或使带电物体的电容增加，这两个因素都将使物体的静电电压降低，因而测出的结果与物体真实带电情况相差较大，所以在测量静电电压时更常用的方法是用非接触式静电电压表。这种仪表在测量时不与被测物体发生任何接触，因而对被测量物体的静电影响很小，常用的仪表有防爆静电电压表。这种仪表不但在一般场所能准确迅速测量出物体的静电电压，而且可在对防爆要求很高的场所使用，其重量轻、体积小，价格也很低，因而在国内得到广泛应用。

7．电蚊拍

市场上盛行的电子高压灭蚊手拍（简称电蚊拍），以其实用、灭蚊效果好、无化学污染、安全卫生等优点，受到人们的欢迎。其实这种电灭蚊拍线路简单，具有一定电子制作能力的学生，在课余条件下就能够制作出来。

在蚊子猖狂的夏天，可让同学们在放暑假的空余时间里自己动手制做一把电蚊拍。

（1）工作原理

电蚊拍的电路如图1所示，它主要由高频振荡电路、三倍压整流电路和高压电击网DW三部分组成。

当按下电源开关SB时，由三极管VT和变压器T构成的高频振荡器通电工作，把3V直流电变成18kHz左右的高频交流电，经T升压到约500V（L₃端实测），再经二极管VD₂～VD₄、电容器C₁～C₃三倍压整流升高到1500V左右，加到蚊拍的金属网DW上。当蚊蝇触及金属网丝时，虫体造成电网短路，即会被电流、电弧杀灼或击晕、击毙。

电路中，发光二极管VD₁和限流电阻器R₁构成指示灯电路，用来指示电路通断状态及显示电池电能的耗损情况。

（2）元器件选择

晶体管VT选用2N5609型硅NPN中功率三极管，亦可用8050、9013型等常用三极管代替。VD₁用直径3mm红色发光二极管，VD₂～VD₄用1N4007型硅整流二极管。 R₁～R₃均用RTL-1/8W型碳膜电阻器。C₁～C₃一律用CL11-630V型涤纶电容器，SB用6mm×6mm立式微型轻触开关。G用5号干电池两节串联（配塑料电池架）而成，电压3V。

高频变压器T需自制：选用2E19型铁氧体磁芯及配套塑料骨架，L₁用直径0.22mm漆包线绕22匝，L₂用同号线绕8匝，L₃用直径0.08mm漆包线绕1400匝左右。注意图中黑点为同名端，头尾顺序绕，绕组间垫一两层薄绝缘纸。

（3）制作与使用

图2所示为该电蚊拍的印制电路板焊接图。印制电路板最好采用环氧基质单面铜箔板制作，实际尺寸约为56mm×28mm。

整个电蚊拍可用旧的非金属羽毛球拍作骨架组装。拆掉羽毛球拍上原有的网线和手柄，按图3所示用直径1mm左右镀锌铁丝在球拍上平行布线，间距不大于4mm。两组网线可有意布在不同平面上，这样可避免因人手误碰网线而发生的电击现象，但对电击蚊蝇效果无影响。另用180mm×35mm×20mm塑料盒或直径35mm×180mm硬塑料管加工制成手柄，将电路板、电池架装入，并在合适位置处开孔固定按钮开关SB和发光二极管VD₁。最后用热熔胶固定网拍，把网拍两电极引线焊在电路板上R₃两端即成。只要焊装正确无误，无需任何调试便可投入使用。

使用时，手握网拍把柄，按下按钮开关，像使用普通蚊蝇拍一样挥拍，让网面触及飞动的蚊子（或苍蝇、飞蛾），即可迅速将其击毙。该电蚊拍耗电省，工作电流实测约120mA左右，每换一次新电池可使用数月。由于其输出功率有限（瞬间短路电流实测≤1.5mA），故对人及宠物绝对安全。当人体不慎触及网面时，仅会发生局部短暂麻刺。但注意不要在严禁烟火的场所或水中使用。当网面上粘有残余虫骸时，可用毛刷清除或直接抖落，勿用湿布或水擦洗，必要时可用棉花浸酒精清擦。

8．压电打火机

较高档的打火机内部不装火石。它们的点火装置大同小异，大多数是靠压电陶瓷通过尖端放电点火的。其原理是有些固体电介质由于晶格点阵的特殊结构，会产生一种特殊现象，即当晶体发生机械形变（如压缩、拉伸）时会产生极化，而在相对的表面上产生异种束缚电荷，这种现象叫压电现象。除一些压电晶体外，有一种陶瓷经外加电场作用一定时间后，其内部的小晶粒电矩会转到电场方向上，把电场去掉后，电矩仍基本保持沿电场方向排列，因此使陶瓷表面出现极化电荷，从而具有压电效应，这种陶瓷叫压电陶瓷，如图4（a）所示。由于陶瓷与周围的空气接触，这些电荷被降落在晶体表面的空气中的正负离子中和，如图4（b）所示，因此它不显出电效应。陶瓷一旦被压缩，电矩取向将发生变化，其极化电荷减少，与表面的正、负离子中和程度降低，使聚集在陶瓷表面的正负电荷增多．这些电荷可通过尖端产生放电火花，打火机正是靠这种火花将燃气点燃的。

9．静电实验干燥箱

静电实验需要在干燥环境下才能取得理想效果，上海地区阴雨天比较多，按教学进度需做静电实验时常因教室内湿度过大而不能取得良好效果，甚至根本无法完成实验。为了能不受环境影响而能取得理想的实验效果，专门设计了这个静电实验干燥箱。

静电实验干燥箱（图5）是用透明有机玻璃制成的一只烘箱（45cm×40cm×35cm），里面装了“220V 60W”的普通灯泡一只，利用灯泡发出的热量使烘箱中的空气迅速变干燥。另外，还安装了一只湿度计，为静电实验创设一个封闭式、干燥的小环境。

【操作方法】

1．观察湿度计，当空气相对湿度达60％以上时，必须使用该干燥箱。

2．接通电源，使白炽灯发光，观察湿度计示数：通电5min，湿度计示数可从60降至50；再通电50min，可降至42左右；延长通电时问，湿度计示数不断下降，直至20左右才接近稳定。而一般静电实验在湿度计示数降至45时就可取得良好的效果。

3．将要做的静电实验装置安置在箱体内，当湿度计示数降至50，即可做各类静电实验。如示数降至40或40以下，效果会更好。

（上海市嘉定区第二中学供稿）

英语角译文

静电

和电流不一样，静电不会流动。当电中性物质失去或得到电子（带负电），就会使其带上正电荷或负电荷。你可以用气球摩擦你的衣服来产生静电，电子会从衣服移动到气球上，使气球带上负电荷，而衣服带上正电荷，两种物体由此得到的静电会吸引轻小物体（如纸屑）。

范德格拉夫起电机

这个装置产生高压静电荷。电荷由一根移动的皮带在空心金属圆顶内传送。

发布时间：2010/9/8 上午7:23:48  阅读次数：7061