第1节 静电# 1. 摩擦起电几个世纪前就发现, 某些类型的材料在相互摩擦后会神秘地相互吸引。例如, 在一块玻璃上摩擦一块丝绸后, 丝绸和玻璃往往会粘在一起:
玻璃和丝绸并不是唯一已知具有这种行为的材料。碰过气球的人也发现它会粘到身上。另一种被早期实验者认为在摩擦后会表现出吸引力的材料是石蜡和羊毛布：
相同的材料用布摩擦后, 总是相互排斥, 这种现象变得更加有趣:
当一块用丝绸摩擦过的玻璃与一块用羊毛摩擦过的蜡接触时, 这两种材料会相互吸引:
此外, 人们发现任何在摩擦后表现出吸引或排斥特性的材料可以分为两个不同的类别:
观察摩擦过的布料，发现用两块丝绸摩擦两块玻璃后, 不仅玻璃片相互排斥, 而且丝绸也相互排斥。用于擦蜡的羊毛布也存在同样的现象:
这一切真的很奇怪？这些物体都没有被摩擦明显改变, 但它们的行为肯定与摩擦前不同。让这些材料相互吸引或排斥的行为都是看不见的。 # 2. 电荷一些实验者推测, 在摩擦过程中, 看不见的“流体”从一个物体转移到另一个物体, 这些“流体”能够在一定距离内产生力。查尔斯·杜菲 (Charles Dufay) 是早期的实验者之一, 他证明了通过将某些成对的物体摩擦会产生两种不同类型的行为: 吸引力和排斥力。假设的'流体'被称为电荷。 本杰明·富兰克林做了开创性的研究，得出这样的结论: 摩擦物体之间只有一种流体交换，而这两种不同的“电荷”只不过是一种流体的过剩或不足。在对蜡和羊毛进行实验后，富兰克林认为羊毛去除了光滑蜡中的一些看不见的液体，导致羊毛上的液体过多，蜡上的液体不足。由此产生的羊毛和蜡之间的液体含量差异产生一种吸引力，因为液体试图恢复两种材料之间以前的平衡。 假设存在这种单一的“液体”，通过摩擦得到或失去它，很好的解释了所观察到的行为: 这些材料在摩擦时规律的分为了两类，最重要的是，两种活性材料不变的吸引力可以证明相互摩擦总是分为相反的类别，换句话说，两种材料相互摩擦后，不存在都变成了只有吸引力或只有排斥力的一种类型。 # 3. 库伦18世纪80年代, 法国物理学家查尔斯·库伦（Charles Coulomb）使用称为扭转天平的装置对两个带电物体之间产生的力进行了精确测量。库仑的工作成果最终形成了以他的名字命名的电荷单位'库仑'. 如果两个“点”物体（没有明显表面积的假设物体）以 1 库仑的大小等量充电, 并且相距 1 米（约 1 码）, 它们将产生约 90 亿牛顿（约 20 亿磅）, 吸引或排斥取决于所涉及的电荷类型。'库仑'作为电荷的单位(根据点电荷之间产生的力)的实际定义是等于大约6,250,000,000,000,000,000个电子的过剩或不足。或者反过来说, 一个电子的电荷约为 0.00000000000000000016 库仑。由于一个电子是已知的最小的电荷载体, 因此电子的最后一个电荷数被定义为基本电荷。 # 4. 原子的组成此后的实验表明, 所有物体都由称为原子的极小“构件”组成, 而这些原子又由称为粒子的较小组件组成。构成大多数原子的三种基本粒子称为质子、中子和电子。虽然大多数原子具有质子、中子和电子的组合, 但并非所有原子都有中子。一个例子是氢（Hydrogen-1）的氕同位素（1H1）, 它是氢的最轻和最常见的形式, 只有一个质子和一个电子。原子太小而无法看到, 但如果我们能看到一个, 它可能看起来这样:
尽管一块材料中的每个原子都倾向于作为一个单元结合在一起, 但在电子与位于中间的质子和中子簇之间实际上有很多空白空间。 这个粗略的模型是元素碳的模型, 有六个质子、六个中子和六个电子。在任何原子中, 质子和中子都非常紧密地结合在一起, 这是一个重要的特性。原子中心的质子和中子紧密结合的团块称为原子核, 原子核中的质子数量决定了它的元素身份: 改变原子核中的质子数量, 就改变了原子核的类型。事实上, 如果你能从一个铅原子的原子核中去除三个质子, 你就实现了古代炼金术士制造金子的梦想！原子核中质子的紧密结合是化学元素稳定的原因, 也是炼金术士无法实现梦想的原因。 与质子相比, 中子对原子的化学性质和特性的影响要小得多, 尽管它们紧密结合在一起，很难添加到原子核中或从原子核中移除。如果增加或获得中子，原子仍然保持相同的化学特性，但其质量将略有变化，并可能获得奇怪的核属性，如放射性。 然而, 与质子或中子相比, 电子在原子中移动的空间要大得多。事实上, 它们可以从各自的位置上被击出，甚至完全离开原子！所需要的能量远低于驱逐原子核中的粒子所需的能量。如果发生这种情况, 原子仍然保留其化学特性, 但会出现不平衡的重要特性。电子和质子的独特之处在于它们在一定距离内相互吸引。正是这种距离上的吸引力导致了被摩擦物体之间的吸引力, 电子从它们原来的原子中脱离, 停留在另一个物体的原子周围。 电子倾向于在一定距离内排斥其他电子, 质子与其他质子也是如此。质子在原子核中结合在一起的原因是存在一种被称为强核力的更强大的力, 它仅在非常短的距离下有效。由于单个粒子之间的这种吸引/排斥行为, 电子和质子被认为具有相反的电荷。也就是说, 每个电子都带负电荷, 每个质子带正电荷。在一个原子内, 它们以相等的数量相互抵消, 因此原子内的净电荷为零。这就是为什么碳原子的图片有六个电子: 用来平衡原子核中六个质子的电荷。如果电子离开或额外的电子到达, 原子的净电荷将不平衡, 使原子作为一个整体“带电”, 导致它与附近的带电粒子和其他带电原子相互作用。中子既不被电子、质子吸引也不排斥,也不被其他中子所吸引和排斥，所以中子被归类为完全不带电荷。 电子到达或离开的过程正是当某些材料组合被摩擦时发生的: 来自一种材料的原子的电子被摩擦迫使离开它们各自的原子并转移到另一种材料的原子上。换句话说, 电子构成了本杰明富兰克林所假设的“流体”。 # 5. 什么是静电？物体之间的这种“流体”（电子）不平衡的结果称为静电。之所以称为“静态”, 是因为移位的电子在从一种绝缘材料移动到另一种绝缘材料后往往保持静止。在蜡和羊毛的情况下, 通过进一步的实验确定, 羊毛中的电子实际上转移到了蜡中的原子上, 这与富兰克林的猜想完全相反！但为了纪念富兰克林，指定蜡的电荷为“负”而羊毛的电荷为“正”。这是与常识有冲突的(我们一般认为多了点东西为正,但蜡多了电子带负电)。因此, 原子接收到多余电子的物体被称为带负电, 而原子缺少电子的物体被称为带正电。发现电“流体”的真正本质时, 富兰克林的电荷命名法已经非常成熟, 无法轻易更改, 因此一直沿用到今天。 迈克尔·法拉第 (Michael Faraday) 在1832年证明静电与电池或发电机产生的电相同。在大多数情况下, 静电是一种麻烦。因静电可能发生火灾或者损坏静电敏感的半导体电路。虽然可以生产由静电的高电压和低电流特性驱动的电机, 但这并不经济。静电的少数实际应用包括静电印刷、静电空气过滤器和高压范德格拉夫发电机。 # 6. 总结
# 7. 参考Static Electricity (opens new window) Lessons in Electric Circuits (opens new window) # 8. 总目录 |
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