李 茂

安徽省黃山市祁門一中 安徽黃山 245600

帶電體吸引輕小物體的物理模型

李 茂

安徽省黃山市祁門一中 安徽黃山 245600

為什么帶電物體能吸引不帶電的輕小物體？輕小物體是導(dǎo)體還是絕緣體？一個(gè)帶電的氣球能吸在玻璃上，它的原理和帶電體吸引輕小物體相同嗎？用摩擦帶電的塑料尺子靠近細(xì)細(xì)的水流，可以看到水流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，它的原理和帶電體吸引輕小物體相同嗎？若改用四氯化碳液體代替水流會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？要弄清楚以上問題，我們必須對帶電體吸引輕小物體的物理機(jī)制有所理解。本文先建構(gòu)一個(gè)帶電體吸引輕小物體的物理模型，然后再分兩大類進(jìn)行討論。

建構(gòu)一個(gè)帶電體吸引輕小物體的物理模型：帶電體的周圍存在電場，使物體在靠近它的一端“出現(xiàn)”異種電荷，在遠(yuǎn)離它的一端“出現(xiàn)”等量的同種電荷。由庫侖定律可知：兩電荷之間的作用力是跟它們的電量的乘積成正比，跟它們間的距離的平方成反比。因此，帶電體對較近的異種電荷的吸引力大于對較遠(yuǎn)的同種電荷的排斥力。當(dāng)物體比較輕小時(shí)，根據(jù)牛頓定律這個(gè)力可以破壞物體受力平衡，從而使之運(yùn)動(dòng)起來，所以帶電體能吸引輕小物體。這個(gè)物理模型可以進(jìn)一步細(xì)分成兩種形式：輕小物體是導(dǎo)體還是電介質(zhì)(即絕緣體)。本文對帶電體吸引輕小物體的物理模型分成兩類進(jìn)行探討。

一、導(dǎo)體的“感應(yīng)模型”

如果輕小物體是導(dǎo)體，導(dǎo)體中的自由電荷(金屬導(dǎo)體中是自由電子，酸、堿、鹽的水溶液中是正、負(fù)離子)在外界電場的作用下向與電場方向相反的方向移動(dòng)，使導(dǎo)體在靠近帶電體的一端出現(xiàn)與帶電體異種的電荷，遠(yuǎn)的一端出現(xiàn)與帶電體同種的電荷，這種現(xiàn)象叫靜電感應(yīng)。圖1所示在外界電場的影響下，中性導(dǎo)體兩側(cè)表面會(huì)出現(xiàn)等量異種電荷。

圖1

帶電體吸引輕小物體的“感應(yīng)模型”：在外界電場作用下導(dǎo)體就“感應(yīng)出現(xiàn)”等量異種電荷，由庫侖定律可知，帶電體對較近的異種電荷的吸引力大于對較遠(yuǎn)的同種電荷的排斥力，再根據(jù)牛頓定律，這個(gè)力使輕小的導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來，這樣帶電體就吸引了輕小導(dǎo)體。

帶電體吸引的輕小物體若是絕緣體,這能否也能用靜電感應(yīng)來解釋呢？答案是不行！輕小物體如紙、發(fā)絲等均屬電介質(zhì)(即絕緣體)，組成它們的每個(gè)分子都是由帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核組成的，并且正、負(fù)電荷結(jié)合得比較緊密，處于束縛狀態(tài)，幾乎不存在能夠自由移動(dòng)的自由電荷。而靜電感應(yīng)是指處于外界電場中的導(dǎo)體內(nèi)部的自由電荷受到推斥或吸引而引起的現(xiàn)象。

二、電介質(zhì)的“極化模型”

1.電偶極子

兩個(gè)等量異號的點(diǎn)電荷，當(dāng)它們之間的距離較討論中所涉及的距離(例如所考察的場點(diǎn)到它們之間的距離)小得多時(shí)，這一對點(diǎn)電荷稱為電偶極子。

任何物質(zhì)的分子或原子(以下統(tǒng)稱分子)都是由帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核組成的，整個(gè)分子中電荷的代數(shù)和為0。正、負(fù)電荷在分子中都不是集中于一點(diǎn)的。但在離開分子的距離比分子的線度大得多的地方，分子中全部負(fù)電荷對于這些地方的影響將和一個(gè)單獨(dú)的負(fù)點(diǎn)電荷等效。這個(gè)等效負(fù)點(diǎn)電荷的位置稱為這個(gè)分子的負(fù)電荷“重心”，例如一個(gè)電子繞核作勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的“重心”就在圓心；同樣，每個(gè)分子的正電荷也有一個(gè)正電荷“重心”。當(dāng)正負(fù)點(diǎn)荷的“重心”不重合時(shí)就構(gòu)成了一個(gè)電偶極子。

電介質(zhì)可以分成兩類：一類電介質(zhì)，當(dāng)外界電場不存在時(shí)，電介質(zhì)分子的正、負(fù)電荷“重心”是重合的，不能構(gòu)成電偶極子的這類分子叫做無極分子，比如四氯化碳分子；另一類電介質(zhì)，即使當(dāng)外電場不存在時(shí)，電介質(zhì)分子的正、負(fù)電荷“重心”也不重合，這樣，雖然分子中正、負(fù)電量的代數(shù)和仍然是0，但等量的正負(fù)電荷“重心”互相錯(cuò)開，形成電偶極子，這類分子稱為有極分子，比如水分子。下面我們分別就這兩種情況來討論“電介質(zhì)的極化”。

2.電介質(zhì)的極化

在外電場的作用下，電介質(zhì)的表面上出現(xiàn)束縛電荷的現(xiàn)象叫做電介質(zhì)的極化。

(l)無極分子的極化

無極分子在沒有外界電場時(shí)，分子的正、負(fù)電荷“重心”重合，沒有電偶極子存在。當(dāng)加了外界電場后，在場力作用下每一分子的正、負(fù)電荷“重心”錯(cuò)開了，形成了一個(gè)電偶極子。對于一塊電介質(zhì)整體來說，其中每一分子都形成了電偶極子，如圖2所示。當(dāng)各個(gè)偶極子沿外電場方向排列成一條條“鏈子”，鏈上相鄰的偶極子間正、負(fù)電荷互相靠近，因而對于均勻電介質(zhì)來說，其內(nèi)部各處仍是電中性的；但在和外電場垂直的兩個(gè)端面上就不然了，一端出現(xiàn)負(fù)電荷，另一端出現(xiàn)正電荷，這就是極化電荷。極化電荷與導(dǎo)體中的自由電荷不同，它們不能離開電介質(zhì)而轉(zhuǎn)移到其他帶電體上，也不能在電介質(zhì)內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)。

圖2

(2)有極分子的極化

有極分子即使沒有外電場，其正、負(fù)電荷中心也是分開的，分子兩端呈現(xiàn)不同的電性，即存在電偶極子。平時(shí)一般由于熱運(yùn)動(dòng)，大量分子的電荷極性的取向是雜亂無章的，彼此的電性相互抵消，絕緣體表面不會(huì)出現(xiàn)凈電荷。當(dāng)存在外電場時(shí)，極性分子的正、負(fù)電荷端在電場力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而呈現(xiàn)出規(guī)則排列(當(dāng)然，由于熱運(yùn)動(dòng)的影響，不是絕對的規(guī)則，而只是較原來的雜亂無章變得規(guī)則了一些)，從而使電介質(zhì)兩側(cè)表面也出現(xiàn)了極化電荷，如圖3所示。當(dāng)然，外電場愈強(qiáng)，分子電偶極子排列得愈整齊。對于整個(gè)電介質(zhì)來說，不管排列的整齊程度怎樣，在垂直于電場方向的兩端面上多少也產(chǎn)生一些極化電荷。

圖3

無極性分子和有極性分子這兩類電介質(zhì)極化的微觀過程雖然不同，但宏觀的效果卻是相同的。帶電體吸引輕小物體的“極化模型”：在外界電場作用下電介質(zhì)就“極化出現(xiàn)”等量異種電荷，由庫侖定律可知，帶電體對較近的異種電荷的吸引力大于對較遠(yuǎn)的同種電荷的排斥力，再根據(jù)牛頓定律這個(gè)力使輕小的導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來，這樣帶電體就吸引了輕小導(dǎo)體。

電介質(zhì)的極化現(xiàn)象和導(dǎo)體的靜電感應(yīng)現(xiàn)象雖然相似(都在兩側(cè)表面出現(xiàn)異種電荷)，但是有本質(zhì)區(qū)別。后者是導(dǎo)體中的自由電荷發(fā)生了定向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中出現(xiàn)了短暫的宏觀電流；前者只是絕緣體分子內(nèi)部電荷的分布發(fā)生了微觀的位移，絕緣電介質(zhì)中不會(huì)有宏觀電流。

三、結(jié)束語

帶電體吸引輕小物體的原因解釋起來就簡單了，如圖4所示，當(dāng)帶電體靠近輕小物體時(shí)，無論輕小物體是絕緣體還是導(dǎo)體，帶電體產(chǎn)生的電場都將通過極化作用或感應(yīng)作用，使其近端和遠(yuǎn)端出現(xiàn)異種電荷。庫侖定律告訴我們，電荷間的作用力大小跟點(diǎn)電荷間距離的二次方成反比，顯然，帶電體對輕小物體近端電荷的引力大于對遠(yuǎn)端電荷的排斥力，輕小物體受到的合力必然表現(xiàn)為引力。當(dāng)然，帶電體對于“重大物體”也是會(huì)吸引的，只不過輕小物體更容易被吸起來罷了。對本文一開始提出的問題，相信已經(jīng)有了正確的答案了。尤其是帶電的塑料尺子靠近細(xì)細(xì)的水流，可以看到水流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，解釋為水是極性分子是不妥的，因?yàn)槿舾臑樗穆然家后w做此實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴^察到同樣的現(xiàn)象。

圖4

2010-10-22

李茂，碩士，中教一級。