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2.2 接触起电(摩擦起电)

首先要说明的是,电荷既不会凭空产生,也不会凭空消失。人们通常所说的“产生电荷”,更准确的说法应该是“分离电荷”,也有人将其称为“释放电荷”或“解放电荷”。电荷最初存在于物质的基本单元——原子之中。原子由原子核(含有带正电荷的质子)和核外电子(带负电荷)组成。在正常情况下,带正电荷的质子和带负电荷的电子数量相等,即原子不带电。当正负电荷出现不平衡,即局部正电荷和负电荷的数量不同时,就会产生静电。

实际上,导致强静电效应所需的不平衡电荷量级非常小。表面形成电荷量的极限取决于电气击穿电场强度(简称击穿场强),约为3×10 6 V·m 1 。而此时电场所需的表面电荷密度仅为2.64×10 5 C·m 2 (Cross, 1987),相当于每平方米通过1.7×10 14 个电子,或者每百万个原子中有8个原子捕获或失去一个电子。

引起静电荷不平衡的一种常见方式是让两种不同材料的物体相互接触后分离。当物体相互接触时,电子在接触点从一种材料的物体转移到另一种材料物体上,后者获得一个净负电荷,前者获得一个净正电荷。当二者分离时,带有负电荷的物体将电子带走,另一个物体上则留下等量的正电荷。虽然这是一种电荷分离现象,但通常认为这个过程“产生”了静电荷。

材料上留下的电荷极性是正还是负,和一系列因素有关,尤其取决于与其接触的材料。根据与其接触的材料的不同,将摩擦后的带电极性整理到表2.1中,即生成摩擦起电序列。

表2.1 摩擦起电序列(示例)

根据表2.1,可以预测一种材料(如铝)与其下方的材料[如聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)]摩擦后自身会带正电荷,与其上方的材料(如羊毛)摩擦后自身会带负电荷。产生的电荷量大小与两种材料在该序列中的距离有关:两种材料位置相距较近(如铝和纸),摩擦时产生的电荷量就相对较小;两种材料位置相距较远[如聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)和尼龙],摩擦时产生的电荷量就相对较大。

事实上,摩擦起电不是一成不变的,它和物体表面的状态、清洁度以及湿度都息息相关。物体表面少量的污染也会对摩擦起电产生很大的影响,可能导致摩擦起电量产生很大差异。选用同样的材料进行多次实验可能会产生不同的结果,在实验条件不同时更是如此。尽管根据摩擦起电序列可以推测,同种材料的表面互相接触不会产生电荷,但在实际操作中通常并非如此。 /pMS3o5F3Dnsi++L8wbD5wQONnwnePRQ+scArKkL2rl631KxzuQD3ikFYpbI6iI4

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