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静电学本文重定向自 静电学

发生于罗马尼亚奥拉迪亚闪电是一种静电现象。

静电学是研究“静止电荷”的特性及规律的一门学科,电学的领域之一。静电电荷在静止时的状态,没有电荷流动。而静止电荷所建立的电场称为静电场,是指不随时间变化的电场,该静电场对于场中的电荷有作用力

静电现象

在公元前六世纪,人类就发现琥珀摩擦后,能够吸引轻小物体的“静电现象”。这是自由电荷在物体之间转移后,所呈现的性。此外丝绸或毛料摩擦时,产生的小火花,是电荷中和的效果。“雷电”则是大自然中,因为云层累积的正负电荷剧烈中和,所产生的电光雷声热量

静电现象包括许多大自然例子,像塑料袋与手之间的吸引、似乎是自发性的谷仓爆炸、在制造过程中电子元件的损毁、影印机的运作原理等等。当一个物体的表面接触到其它表面时,电荷集结于这物体表面成为静电。虽然电荷交换是因为两个表面的接触和分开而产生的,只有当其中一个表面的电阻很高时,电流变的很小,电荷交换的效应才会被注意到。因为,电荷会被入陷于那表面,在那里度过很长一段时间,足够让这效应被观察到的一段时间。

静电现象是由点电荷彼此相互作用的静电力产生的。库仑定律专门描述静电力的物理性质。在氢原子内,电子质子彼此相互作用的静电力超大于万有引力,静电力的数量级大约是万有引力的数量级的 40 倍。

库仑定律

静电学最基本的定律是库仑定律。一个点电荷 作用于另一个点电荷 的静电力 ,可以用库仑定律计算出来。点电荷是理想化的带电粒子。在这里,称点电荷 源点电荷,称点电荷 检验电荷。静电力的大小跟两个点电荷之间的距离的平方成反比,跟 的乘积成正比,作用力的方向沿连线,同号电荷相斥,异号电荷相吸:

其中, C2N−1m−2电常数 是从源点电荷 指向检验电荷 矢量 是其单位矢量。

电场

电场 定义为作用于一个检验电荷 静电力 除以

从这个定义和库仑定律,一个源点电荷 产生的电场可以表达为

高斯定律

高斯定律阐明,流出一个闭表面的电通量与这闭曲面内含的总电荷量成正比。比例常数是电常数的倒数。用积分方程形式表达,

其中, 是无穷小面积元素,电荷密度 是无穷小体积元素。

用微分方程形式表达,

泊松方程

综合电势的定义和高斯定律的微分方程,可以给出电势 电荷密度 之间的关系方程,称为泊松方程

给予点电荷的分布资料和充分的边界条件,应用泊松方程,可以计算在空间里任何位置的电势 。根据唯一性定理,这也是唯一的解答。

拉普拉斯方程

假若电荷密度是零,则泊松方程变为拉普拉斯方程

给予充分的边界条件,应用拉普拉斯方程,可以计算在真空里任何位置的电势 。根据唯一性定理,这也是唯一的解答。

叠加原理

在静电学里,叠加原理阐明,任何两个点电荷的相互作用与其它点电荷无关。因此,给予 个点电荷,可以应用库仑定律,单独地计算每一个源点电荷 作用于检验电荷 的静电力 。这样,作用于检验电荷 的总静电力

这是因为在库仑定律里,静电力跟源点电荷 线性关系

将作用力除以检验电荷 ,可以得到电场。所以,总电场

其中, 是源点电荷在检验电荷的位置所产生的电场。

类似地,电势也遵守叠加原理:

其中, 是源点电荷在检验电荷的位置所产生的电势。

接触起电

假若两种不同的物质因互相接触而产生静电,则称此为接触起电 (contact electrification) .摩擦起电效应 (triboelectric effect) 是一种接触起电效应。在摩擦起电里,两种不同的物质,经过接触、摩擦、分开,这三道程序后,会从原本中性,变为带电体;其中一种物质会带有正电,另外一种物质会带有同样大小的负电。电荷的正负极性和电量,依照材质、表面粗糙、温度、应变等等,各种性质或参数而变化。举例而言,将羊毛摩擦于琥珀,会使琥珀获得负电荷。这性质,最先由米利都学派的创始人泰勒斯纪录于历史文书,是有纪录以来,人类最早研究的起电现象。其它诸如丝绸与玻璃的摩擦、硬橡胶与毛料的摩擦,都会产生静电。

摩擦两种不导电物体会生成大量的静电。但是,不只是摩擦才会造成这样的结果。两种不导电物体,经过接触、分开,两道程序后,也会产生静电。由于大多数的表面都相当粗糙,经过接触比经过摩擦需要更多的时间来完成充电。摩擦增加了两块表面的附着接触。一般而言,绝缘体,不导电的物体,是起电(产生静电)和保留电荷的优良材料。例如,橡胶、塑胶、玻璃等等,都是很优良的起电材料。导电物体也会生成静电。由于导电物体很容易流失电荷,必须在外面特别包上一层绝缘体,才能保留住电荷。特别注意到电流的存在并不会阻止起电、静电力、火花、电晕放电 (corona discharge) 等等静电现象的发生。

电荷中和

自然的电荷中和现象最常发生于低湿度的季节。这现象偶而会造成一些困扰。但是,在某些特别状况,会变得具有相当的破坏性和摧毁性(例如,电子制造业)。假若因为工作原由,必须直接接触到集成电路电子元件(特别是易损坏的金属氧化物半导体场效晶体管 (MOSFET)),或处于易燃气体附近,应该非常小心地避免累积静电和突然放电。电子元件工厂常使用防静电装置来保护电子元件。

电荷感应

因为电荷感应,纸屑被带电的光碟吸引。

一个物体内部的电荷,因为受到物体以外的电荷的影响,而重新分布,称此现象为电荷感应。将一个带负电荷的物体 A 移至另一个物体 B 附近时,物体 B 内部离物体 A 较近的区域会带有较多的正电荷。由于正电荷与负电荷相吸引,两个物体会感受到吸引力的作用。例如,用一块羊毛布摩擦一个塑胶气球,这会使气球得到负电荷。将这气球拿到一座墙壁附近。那么,气球会被墙壁吸引而黏在墙壁上。这是因为静电感应,墙壁的自由电子会被气球的负电荷排斥,剩下正电荷。由于塑胶气球的负电荷不容易移动,不会与墙壁的正电荷中和。请参阅数据模拟网页气球与静电

静电感应的原理已经成功地应用于工业界很多年了,对于众多工业有极大的贡献。发展成功的静电油漆系统可以经济地将瓷漆 (enamel paint) 和聚氨酯漆,均匀地油漆于消费品表面,包括汽车、脚踏车等等其它产品。

参阅

外部链接

  • 靜電 (ppt). 建国中学物理讲义.

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