静电的奥妙

静电的奥妙

物体经过摩擦以后能够吸引轻小物体的现象叫做摩擦起电，带了电的物体叫做带电体。任何两种物体摩擦，都可以起电。你可以做一个实验：把一根干燥的细长圆木棍搁在椅背上，使它处于平衡状态。然后拿一张干燥的报纸平铺在门板上，用干燥的手心（也可以用干燥的刷子）在报纸上来回地刷。刷一阵子以后，报纸像刷了浆糊那样地贴在门板上了。揭下报纸，挨近木棍，报纸就把木棍吸了过来。慢慢移动报纸，木棍也跟着转动。这是经过摩擦的报纸带了电的缘故。

你可能会有疑问，所有物体都能摩擦起电的说法不对。一手拿金属棒，一手用丝绸去摩擦，金属棒就没有起电，不能吸引轻小物体。但是，如果戴上干燥的橡皮手套重做这一实验，金属棒一定会带电。这是为什么呢？原来，金属棒、人体和大地会传递电荷，摩擦产生的电荷被迅速传到大地上；而橡皮不会传递电荷，因此在后一种情况下，金属棒就带电了。

容易传递电荷的物体，像金属、碳、大地、人体、各种酸、碱、盐的水溶液等，叫做导体；不容易传递电荷的物体，像琥珀、橡胶、玻璃、石蜡、塑料、纸、油类、干木材、空气等，叫做绝缘体。当然，导体和绝缘体之间也没有绝对的界限。随着条件的改变，绝缘体的导电能力也会增强，甚至变成导体。比如木材湿了，玻璃加热到红热的程度，就都变成导体了。

物体摩擦可以起电，这电从哪里来的？为了寻找问题的答案，美国科学家富兰克林在18世纪中叶做了下面的著名实验。

甲乙两人并立在和地面绝缘的蜡板上，丙直接站在地上。开始，甲用手摩擦玻璃管，使玻璃管带电。然后乙用手指接触甲手里的玻璃管，乙身上也带了电。最后，甲乙两人分别同丙接触，结果在接触的时候都出现了电火花。但是，如果乙和甲手里带电的玻璃管接触之后，又和甲的身体接触，那么他们分别接触丙的时候，就都没有火花产生。为什么呢？富兰克林解释说，甲乙丙三人所带的电本来处于正常状态，因为摩擦使甲身上的一部分电转移到玻璃管上，乙接触玻璃管的时候电就转移到乙身上。这样一来，甲身上的电减少了，乙身上的电变多了。因此当他们分别接触电量处于正常状态的丙的时候，就产生了电火花，使三者所带的电重新处于正常状态。如果乙接触玻璃管以后又接触甲，电就会在他们之间流通，使甲乙达到摩擦以前的正常状态，因此甲乙接触丙的时候就不会有电火花。

富兰克林认为，电不是摩擦“创造”出来的，只是从一个物体转移到另一个物体，并且在任何一个绝缘体系里总电量是不会变化的，这是电荷守恒定律的最早表述。在这次实验中，富兰克林首创了用“－e”表示甲身上的电荷，用“＋e”表示乙身上的电荷。这是电学史上第一次用数学上的正负概念来说明两种电荷的性质。

过去，人们只知道有“玻璃电”、“橡胶电”、“松香电”等，自从富兰克林提出正电、负电以后，人们发现，无论哪一种电都可以归结为正电或者负电。于是就规定，和用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电相同的叫做正电，和用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电相同的叫做负电。

后来建立起来的电子论，完全证明了富兰克林假设的正确。电子论认为，任何物体都由原子构成。原子由带正电的原子核和带负电的绕核转动的电子所组成。由于正负电量相等，在通常情况下，原子不显电性，整个物体也是中性的。原子核里的正电数量很难改变，而核外电子的数目却不难改变。物体失去一些电子，它就带正电；得到额外的电子，它就带负电。

两个物体互相摩擦，其中必定有一个失去一些电子，另一个得到额外的电子。摩擦起电不是创造了电，只是把正负电荷分开，使电子从一个物体转移到另一个物体上。比如用丝绸摩擦玻璃棒，就是把玻璃棒上的一部分正负电荷分开，使电子转移到丝绸上，玻璃棒失去电子就带正电，丝绸得到电子就带等量的负电。

让两个带等量异种电荷的物体互相接触，如果带负电的物体把额外的电子完全传给带正电的物体，两个物体就都恢复到不带电状态。这种现象叫做正负电荷中和。如果让两个带异种电荷的物体靠近，在它们之间就会发生火花，同时发出劈劈啪啪的响声，这是一种放电现象。当你从身上脱下毛衣和头发相擦的时候，会听到细微的爆裂声；如果在黑暗中，还可见到点点闪光。这是摩擦产生的电在你身上形成的现象，通过放电正负电荷得到了中和。

带电体之间相互作用的情况是怎样的呢？先做一个有趣的实验：把半张干燥的报纸剪成十几个窄条，每条都不剪到头，使它们的上部仍旧连着。然后把剪过的报纸铺在门板上，用一只手按住上部，另一只手在纸条上来回刷一阵子。取下报纸，手捏住报纸上部，围成圆圈。这时，这些纸条不是竖直下垂，而是向四周散开，好像一条张开的“裙子”。假如你用带负电的橡胶棒从下面伸进“裙筒”，“裙子”张得更开了；如果用带正电的玻璃棒从下面伸进“裙筒”，还没等伸进去，纸条立刻都聚拢到玻璃棒上，经过摩擦的纸条带上了负电，就张成“裙子”，这是负电荷相互作用的结果。实验证明，带同种电荷的物体互相排斥，带异种电荷的物体互相吸引。带电体所特有的这种相互作用性质，简单叫做同性相斥、异性相吸。

带电体之间相互作用力的大小，最早是在1785年，由法国物理学家库仑利用库仑扭秤测出的，他从中总结出了两个点电荷之间的相互作用定律。当带电体的大小比带电体之间距离小得多的时候，这些带电体就可以看成是点电荷，就是电荷好像集中在一个点上。

库仑指出，两个点电荷之间的相互作用力，跟它们所带的电量乘积成正比，跟它们之间的距离平方成反比，作用力的方向在这两个点电荷的连线上。点电荷用q₁、q₂表示，距离用r表示，写成公式是：

这就是库仑定律，力F称做库仑力，k是一个和单位选定有关的比例常数。电荷同号的时候，库仑力是正的，表示排斥；电荷异号的时候，库仑力是负的，表示吸引。

电荷之间的这种相互作用是怎样产生的呢？原先人们都以为它是用无限大的速度在两个带电体之间直接传递的，叫做“超距作用”。后来，法拉第认为，电荷之间的相互作用不是直接传递，而是通过中间媒质用有限的速度传递的。这种相互作用叫做“媒递作用”，是电场概念的起源。

电场是一种特殊的物质。在电荷周围，总存在着电场；正是通过电场，才对场中其他电荷发生力的作用。静止电荷周围形成的电场，称做静电场。静电场对场中静止电荷的作用力叫做静电力，也就是库仑力。

金属箔验电器是一种简单而实用的仪器，现在用它再来做个实验：把一根带正电的玻璃棒靠近验电器，但不与金属球接触，可以看到验电器的箔片也会张开。这种现象叫做静电感应，是由俄国物理学家里赫曼和英国物理学家坎顿发现的。后来经过德国科学家埃皮努斯的研究，弄清楚其中的道理。原来当带正电的玻璃棒靠近验电器时，由于异种电荷相互吸引，负电荷纷纷涌到金属球上，而箔片由于缺少了负电荷而显了正电，因此箔片张开。此时用手指去碰一下金属球，人体中会有一部分负电荷跑到箔片上去，与箔片上的正电荷中和。再移去玻璃棒，留在金属球上的负电荷会分布在小球、金属杆和箔片上，整个验电器带负电。这种起电办法叫做感应起电。

在实验上用感应起电的办法似乎比摩擦起电更胜一筹，以至后来都用感应起电机来取代了摩擦起电机。

摩擦起电和感应起电是自然界里两种最普遍、最大量，也最基本的电现象。由摩擦和感应产生的电荷通常被束缚在带电体上，不能像导线中的电荷那样沿特定的方向流动，所以称做静电。

静电最显著的特点，就是电压高。摩擦起电时，电压可以高达4．5×10⁵伏特。在干燥的空气里，产生电火花（即击穿电场），电场强度要达到3万伏／厘米。当我们在黑暗中脱毛衣，听到噼啪之声，看到火星流散，这时毛衣上达到的电压已有好几千伏特。幸好它的电量很小，不会给人体带来伤害，然而就是这点点星火，在某些场合也会酿成弥天大祸！例如摸过衣服带了高压静电的手，再去取集成电路块板，就会击坏元器件。医生在手术时引起的静电火花，会引起“乙醚”爆炸，危及医生和病人。至于化工、石油、炸药等危险品在生产、储藏和运输的时候更是要谨防静电的捣乱。历史上这种血的教训也是够多的。1976年12月29日，停靠在日本港附近的挪威油轮别尔克·伊斯特拉号，因为水手用毛刷油漆甲板、聚集起来的高压静电迸发火花，点燃了弥散在甲板上空的石油蒸汽，蒸汽急骤膨胀，猛烈爆炸，使这艘25万吨的超级巨轮毁于顷刻之间。

经过科研人员的认真鉴定，原来凶手是不被人注意的静电……一位女工穿着一双新的泡沫塑料凉鞋，走路时产生的电荷排放不掉，人体的电位越来越高，当她走近一支立在地面上的铁管，在她脚部触及铁管的刹那间，人体的静电对地放电，静电火花点燃了室内的汽油蒸汽，于是悲剧发生了。

静电除了容易迸发火花，它的同性相斥和异性相吸的性质也给人们的生活和工作带来了麻烦。比如说纺纱时纱锭与机轴摩擦产生的静电吸附纱头缠绕在机轴上，不仅影响产品的质量，还会妨碍机器的运转。印刷过程中，因为与机器摩擦带上了同种电荷的纸张，相互排斥，叠放不齐，甚至乱得无法印刷。在精密的电子产品生产中，静电的这种危害就更大了。

如何来减少静电的危害呢？一是把可能产生静电的设备和人员接地，比如运送危险品的车辆和油罐车的后面拖一根长长的铁链。长距离的输油管道每隔100～300米安装接地线。危险品仓库的工人穿上用导电橡胶做的防电靴，通过这些导电体把可能聚集起来的静电导入大地。此外科学家还发明了抗静电剂和放射性消电器等设备来有效地清除静电的聚集。现在防静电技术和设备的研制和生产已经形成了一个崭新的行业。专业公司能生产测试、计算、分析、监测和消除静电产品。如腕带、防静电兼防尘工作衣、鞋、帽、垫、袋、海绵以及空气电离吹风机、电离空气枪等等。

当人们摸透了静电的脾气之后，正确引导、扬长避短也可以使它为人类造福。现在静电复印、静电植绒、静电喷漆、静电除尘等技术已经得到了广泛的应用。此外，静电技术也开始在淡化海水、喷洒农药、人工降雨、低温冷冻等许多方面大显身手。甚至在宇宙飞船上，也安装了静电加料器装置！