最后更新: 2025-01-16 20:58 查看: 324 次反馈刷题

静电的产生及其微观解释

## 静电现象
在干燥的冬天，人们常有这样的经历：经过铺有地毯的走道来到房门口，在伸手接触金属门把的一刹那，突然听到“啪”的一声，手被电了一下，是哪里来的电呢？黑夜里脱下毛衣，会产生啪啪响声，答案可能令人有点意外，原来是电荷在作怪。

## 电荷

公元前 600 年左右, 古希腊学者泰勒斯就发现摩擦过的琥珀吸引轻小物体的现象。公元 1 世纪, 我国学者王充在《论衡》一书中也写下 “顿牟摄芥”一语。此语意为摩擦过的琥珀能吸引像草芥一类的轻小物体。16世纪, 英国科学家吉尔伯特在研究这类现象时首先根据希腊文的琥珀创造了英语中的 “electricity” (电) 这个词, 用来表示琥珀经过摩擦以后具有的性质, 并且认为摩擦过的琥珀带有电荷 (electric charge )。人们发现, 很多物体都会由于摩擦而带电, 并称这种方式为**摩擦起电** (electrification by friction)。

美国科学家富兰克林通过实验发现, 雷电的性质与摩擦产生的电的性质完全相同, 并命名了正电荷 (positive charge) 和负电荷 ( negative charge)。迄今为止, 人们没有发现对这两种电荷都排斥或都吸引的电荷。自然界的电荷只有两种。

电荷的多少叫作**电荷量** (electric quantity), 用 $Q$ 表示,有时也可以用 $q$ 来表示。在国际单位制中，它的单位是**库仑** (coulomb), 简称库, 符号是 $\mathrm{C}$ 。正电荷的电荷量为正值, 负电荷的电荷量为负值。

电子的电量最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测定的． 实验还发现，任何油滴所带的电量都等于电子或质子所带电量的整数倍，因此，人们把一个电子（或质子）所带电量的绝对值叫作元电荷，用$ｅ$ 表示． 在科学研究中，常常用元电荷作为电量的单位

## 元电荷
根据 1999 年发布的数据，元电荷的精确值 $e=1.602176462(83) \times 10^{-19} \mathrm{C}$. 在通常的计算中, 可取 $e=1.60 \times 10^{-19} \mathrm{C}$.

电子的电量 $e$ 与电子的质量 $m_e$ 之比, 叫作电子的比荷. 电子的质量 $m_e=9.11 \times 10^{-31} \mathrm{~kg}$,因此, 电子的比荷 $\frac{e}{m_e}=1.76 \times 10^{11} \mathrm{C} / \mathrm{kg}$. 它是一个重要的物理常量.

我们知道, 原子是由带正电的质子、不带电的中子以及带负电的电子组成的。每个原子中质子的正电荷数量与电子的负电荷数量一样多, 所以整个原子对外界表现为电中性。

原子内部的质子和中子被紧密地束缚在一起构成原子核, 原子核的结构一般是很稳定的。通常离原子核较远的电子受到的束缚较弱，容易受到外界的作用而脱离原子。当两种物质组成的物体互相摩擦时, 一些受束缚较弱的电子会转移到另一个物体上。于是, 原来电中性的物体由于得到电子而带负电, 失去电子的物体则带正电。这就是摩擦起电的原因。

不同物质的微观结构不同，由于原子或分子间的相互作用，原子中电子的多少和运动状况也不相同。例如，金属中原子的外层电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由运动, 这种电子叫作**自由电子** (free electron)。失去自由电子的原子便成为带正电的**离子** (ion), 它们在金属内部排列起来, 每个正离子都在自己的平衡位置附近振动而不移动, 只有自由电子穿梭其中 (下图), 这就使金属成为导体。绝缘体中几乎不存在能自由移动的电荷。

![图片](/uploads/2025-01/49e79b.svg){width=300px}

## 静电试验

取一对用绝缘柱支持的导体 A 和 B，使它们彼此接触。起初它们不带电，贴在下部的两片金属箔是闭合的 
 ![图片](/uploads/2025-01/730d54.svg){width=300px}
 
手握绝缘棒，把带正电荷的带电体 C 移近导体 A，金属箔有什么变化？

这时手持绝缘柱把导体 A 和 B 分开，然后移开 C，金属箔又有什么变化？

再让导体 A 和 B 接触，又会看到什么现象？利用金属的微观结构模型，解释看到的现象。

当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带异种电荷，远离带电体的一端带同种电荷。这种现象叫作**静电感应**（electrostatic induction）。利用静电感应使金属导体带电的过程叫作**感应起电**。

### 验电器
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，会观察到什么现象？为什么会出现这种现象？
 ![图片](/uploads/2025-01/e5e5fd.jpg){width=300px}
 
 保持橡胶棒的位置不动，用手接触验电器的金属球（图  ），会观察到什么现象？这又是为什么？
  ![图片](/uploads/2025-01/95dddb.jpg){width=300px}

### 感应起电机
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 ）。
 ![图片](/uploads/2025-01/78580b.jpg){width=300px}

## 知识点总结

#### 1.元电荷、点电荷
(1)元电荷：e＝  $1.60* 10^{-19}C$                         ，所有带电体的电荷量都是元电荷的整数倍

(2)点电荷：代表带电体的有一定电荷量的点，忽略带电体的形状、大小及电荷分布状况 对它们之间的作用力的影响的理想化模型。

#### 2. 电荷守恒定律
（1）内容：电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变.

(2)三种起电方式：摩擦起电、感应起电、接触起电.

(3)带电实质: 物体得失电子。

(4)电荷的分配原则：两个形状、大小相同且带同种电荷的同种导体，接触后再分开，二者带等量同种电荷，若两导体原来带异种电荷，则电荷先中和，余下的电荷再平分。

### 库仑定律
（1）内容：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上.

（2）表达式： $F=\frac{k^{q_1 q_2}}{r^2},$  式中 $k= {9.0 \times 10^9} N \cdot m ^2 / C ^2$ ，叫作静电力常量.

（3）适用条件：真空中的静止点电荷.
①在空气中，两个点电荷的作用力近似等于真空中的情况，可以直接应用公式.
②当两个带电体间的距离远大于其本身的大小时，可以把带电体看成点电荷.

（4）库仑力的方向: 由相互作用的两个带电体决定，即同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引.

## 自我测试-判断题
1.两个带异种电荷的金属球接触时，正电荷从一个球转移到另一个球（×）
**错误原因**：是电子的移动，而非正电荷的移动。

2.相互作用的两个点电荷，电荷量大的受到的库仑力也大.( × )
**错误原因**：根据牛顿定律，作用力与反作用大小相等，方向相反。

3.根据 $F=k \frac{q_1 q_2 }{r^2}$ ，当 $r \rightarrow 0$ 时， $F \rightarrow \infty$.（×）
**错误原因**：距离远大于其本身的大小时，可以把带电体看成点电荷.当距离无限接近时，此时电荷就不能视作点电荷

#### 库仑定律的理解和应用
1.库仑定律适用于真空中静止点电荷间的相互作用.
2.对于两个均匀带电绝缘球体，可将其视为电荷集中在球心的点电荷，r为球心间的距离.

3.对于两个带电金属球相距较近时，要考虑表面**电荷的重新分布**，如图所示.
（1）同种电荷： $F<k \frac{q_1 q_2}{r^2}$;
（2）异种电荷: $F>k \frac{q_1 q_2}{r^2}$.
 ![图片](/uploads/2024-12/ae7a84.jpg)
 
 4.不能根据公式错误地认为 $r \rightarrow 0$ 时，库仑力 $F \rightarrow \infty$ ，因为当 $r \rightarrow 0$ 时，两个带电体已不能看作点电荷了.

刷题

做题，是检验是否掌握数学的唯一真理

上一篇：没有了

下一篇：库仑定律

本文对您是否有用？有用 (1) 无用 (0)