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

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？輕小物體是導體還是絕緣體？一個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細的水流，可以看到水流發生偏轉，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發生什么現象呢？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制有所理解。本文先建構一個帶電體吸引輕小物體的物理模型，然后再分兩大類進行討論。

建構一個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”異種電荷，在遠離它的一端“出現”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的同種電荷的排斥力。當物體比較輕小時，根據牛頓定律這個力可以破壞物體受力平衡，從而使之運動起來，所以帶電體能吸引輕小物體。這個物理模型可以進一步細分成兩種形式：輕小物體是導體還是電介質(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行探討。

一、導體的“感應模型”

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

圖1

帶電體吸引輕小物體的“感應模型”：在外界電場作用下導體就“感應出現”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的同種電荷的排斥力，再根據牛頓定律，這個力使輕小的導體運動起來，這樣帶電體就吸引了輕小導體。

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來解釋呢？答案是不行！輕小物體如紙、發絲等均屬電介質(即絕緣體)，組成它們的每個分子都是由帶負電的電子和帶正電的原子核組成的，并且正、負電荷結合得比較緊密，處于束縛狀態，幾乎不存在能夠自由移動的自由電荷。而靜電感應是指處于外界電場中的導體內部的自由電荷受到推斥或吸引而引起的現象。

二、電介質的“極化模型”

1.電偶極子

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

任何物質的分子或原子(以下統稱分子)都是由帶負電的電子和帶正電的原子核組成的，整個分子中電荷的代數和為0。正、負電荷在分子中都不是集中于一點的。但在離開分子的距離比分子的線度大得多的地方，分子中全部負電荷對于這些地方的影響將和一個單獨的負點電荷等效。這個等效負點電荷的位置稱為這個分子的負電荷“重心”，例如一個電子繞核作勻速圓周運動時，它的“重心”就在圓心；同樣，每個分子的正電荷也有一個正電荷“重心”。當正負點荷的“重心”不重合時就構成了一個電偶極子。

電介質可以分成兩類：一類電介質，當外界電場不存在時，電介質分子的正、負電荷“重心”是重合的，不能構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，即使當外電場不存在時，電介質分子的正、負電荷“重心”也不重合，這樣，雖然分子中正、負電量的代數和仍然是0，但等量的正負電荷“重心”互相錯開，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“電介質的極化”。

2.電介質的極化

在外電場的作用下，電介質的表面上出現束縛電荷的現象叫做電介質的極化。

(l)無極分子的極化

無極分子在沒有外界電場時，分子的正、負電荷“重心”重合，沒有電偶極子存在。當加了外界電場后，在場力作用下每一分子的正、負電荷“重心”錯開了，形成了一個電偶極子。對于一塊電介質整體來說，其中每一分子都形成了電偶極子，如圖2所示。當各個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、負電荷互相靠近，因而對于均勻電介質來說，其內部各處仍是電中性的；但在和外電場垂直的兩個端面上就不然了，一端出現負電荷，另一端出現正電荷，這就是極化電荷。極化電荷與導體中的自由電荷不同，它們不能離開電介質而轉移到其他帶電體上，也不能在電介質內部自由運動。

圖2

(2)有極分子的極化

有極分子即使沒有外電場，其正、負電荷中心也是分開的，分子兩端呈現不同的電性，即存在電偶極子。平時一般由于熱運動，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，絕緣體表面不會出現凈電荷。當存在外電場時，極性分子的正、負電荷端在電場力作用下發生扭轉，從而呈現出規則排列(當然，由于熱運動的影響，不是絕對的規則，而只是較原來的雜亂無章變得規則了一些)，從而使電介質兩側表面也出現了極化電荷，如圖3所示。當然，外電場愈強，分子電偶極子排列得愈整齊。對于整個電介質來說，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就“極化出現”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的同種電荷的排斥力，再根據牛頓定律這個力使輕小的導體運動起來，這樣帶電體就吸引了輕小導體。

電介質的極化現象和導體的靜電感應現象雖然相似(都在兩側表面出現異種電荷)，但是有本質區別。后者是導體中的自由電荷發生了定向運動，導體中出現了短暫的宏觀電流；前者只是絕緣體分子內部電荷的分布發生了微觀的位移，絕緣電介質中不會有宏觀電流。

三、結束語

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，當帶電體靠近輕小物體時，無論輕小物體是絕緣體還是導體，帶電體產生的電場都將通過極化作用或感應作用，使其近端和遠端出現異種電荷。庫侖定律告訴我們，電荷間的作用力大小跟點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端電荷的排斥力，輕小物體受到的合力必然表現為引力。當然，帶電體對于“重大物體”也是會吸引的，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，相信已經有了正確的答案了。尤其是帶電的塑料尺子靠近細細的水流，可以看到水流發生偏轉，解釋為水是極性分子是不妥的，因為若改為四氯化碳液體做此實驗能夠觀察到同樣的現象。

圖4

2010-10-22

李茂，碩士，中教一級。