摘要:带电物体能吸引轻小物体这一生活现象是非常常见的,从小学生到初中生、高中生都知道这一现象,但其中的原理可能很多人都不是很清晰,我们知道带电物体间的相互吸引或排斥都是通过电场来产生的,即带电物体处于另一个带电物体所产生的电场中,受到电场力的作用;但用毛皮摩擦过的橡胶棒却能吸引“轻小”且不带电的纸屑,本文将介绍其中的原理。
关键词:电场;轻小;电介质;极化;
一、导电原理
物体导电应该是自由电荷在力的作用下发生定向的移动,即物体导电需要载流子,我们所熟知的金属导体、电解质溶液导电性能很强;因为在金属导体中存在着大量的载流子——自由电子,电解质溶液中存在大量的载流子——正、负离子;N型半导体中存在少量的载流子——自由电子,P型半导体存在少量的载流子——空,由于半导体只存在少量的载流子,所以半导体的导电性能较差;电介质(绝缘体)中由于电子被束缚在原子核附近运动,而不能大规模的迁移,所以电介质中只存在极少数的载流子,即电介质的导电性能极差,但并不意味着电介质不能储存电荷和不能带电。
二、电介质位移极化
由于电介质中的载流子——自由电子,只能束缚在原子核附近,不能大规模的迁移,根据原子的经典模型,原子核位于原子中心,电子围绕原子核做匀速圆周运动,此时从整体效果看,原子核处于原子中心,由于原子不带电,电子也可等效的看作在原子核处,如图1所示,(由于视图问题,并没有把电子和原子核重合在一起)当电介质处于外加电场中时,电子会发生移动,如图2所示,由于物体是为大量的分子所组成的,则在电介质中会出现大量的电子发生移动,而为了方便处理问题,在物理学中我们把一对等量的正、负电荷所形成的整体叫做“电偶极矩”,如图3所示
即为,其中q为等量的异种电荷的电荷量,l为两电荷间的距离,记为,有了电子位移极化的概念后,当不带电的纸屑中电荷的分布如图4所示,即电子和带正电的原子核总是成对出现,且相距很近,从整体上看,纸屑成电中性(不带电),当不带电的纸屑处于带负电的橡胶棒的电场中时,在电场力的作用下,则电子会出现电子位移极化,如图5所示,也就意味着在电介质(纸屑)的两端会出现极化电荷,根据电场的基本性质,我们可以知道,纸屑会受到橡胶棒的吸引力,由于极化电荷的电荷量极小,则吸引力极小,所以橡胶棒只能吸引轻小物体。