靜電實(shí)驗(yàn)中漏電現(xiàn)象的若干思考

陳大川

摘 要：靜電實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)中的一個非常重要的部分。該文首先對物理靜電實(shí)驗(yàn)中靜電的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，在物理實(shí)驗(yàn)中，靜電實(shí)驗(yàn)是較為重要的一個內(nèi)容。靜電演示實(shí)驗(yàn)，能夠加深對電學(xué)相關(guān)知識的認(rèn)知與直觀地進(jìn)行把握，以激發(fā)對電學(xué)知識學(xué)習(xí)的興致，并對電學(xué)知識進(jìn)行全面地掌握，然后著重分析靜電實(shí)驗(yàn)中的漏電現(xiàn)象，最后闡述了選取絕緣材料防止漏電現(xiàn)象的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：靜電實(shí)驗(yàn) 漏電現(xiàn)象 摩擦生電 電學(xué)

中圖分類號：O441.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0222-02

由于影響靜電實(shí)驗(yàn)成功與否的相關(guān)因素非常多，從而致使靜電實(shí)驗(yàn)的成功率非常低，或者很難達(dá)到預(yù)期的效果。在靜電實(shí)驗(yàn)中，一個突出的問題——漏電，是制約實(shí)驗(yàn)成功的重要因素，也會對實(shí)驗(yàn)者的人身安全產(chǎn)生一定的影響。該文著重對靜電實(shí)驗(yàn)中的漏電現(xiàn)象進(jìn)行探討與分析。

1 靜電實(shí)驗(yàn)中靜電的產(chǎn)生原因

1.1 摩擦帶電是最為常見的一種起電方法

當(dāng)兩種不同的物質(zhì)互相接觸的時候，由于這兩種物質(zhì)核外電子的分布情況存在差異性，二者之間便存在著一個電位差（即存在電場E）。由于存在電位差，一般有電子從一個物體轉(zhuǎn)移至另外一個物體中，從而使得前者帶有正電（+），那么后者就會帶負(fù)電（-）。兩種物體之間互相發(fā)生摩擦，摩擦的作用會使得兩種物體之間的接觸點(diǎn)的數(shù)量增大，接觸地更加緊密，從而使得電子轉(zhuǎn)移的機(jī)會得以增大，加上摩擦溫度地上升，加快了電子轉(zhuǎn)移的速度。然而，從本質(zhì)上而言，摩擦帶電屬于一種接觸式的帶電現(xiàn)象，當(dāng)兩種物質(zhì)互相接觸十分緊密的時候，其主要矛盾為電位差，互相摩擦的兩種材料間的擠壓程度越大，越容易使得兩種材料中電子的轉(zhuǎn)移，而使這兩種材料帶上電荷，而只有反復(fù)而不緊壓的摩擦是不容易生電的。所以，在實(shí)際的靜電實(shí)驗(yàn)操作中，若要使得物體帶電，就應(yīng)該互相緊壓進(jìn)行摩擦。

在靜電實(shí)驗(yàn)中有時使用絲綢摩擦2根玻璃棒，卻得到2根玻璃棒帶不同性質(zhì)的電荷的異常現(xiàn)象。根據(jù)研究分析認(rèn)為，使用絲綢摩擦第1根玻璃棒，由于玻璃棒失去電子而帶有正電荷，從而使得絲綢得到電子而帶負(fù)電，當(dāng)外界空氣十分干燥的時候，絲綢上所帶有的負(fù)電荷不容易丟失。當(dāng)與第2根玻璃棒同時摩擦的時候，由于摩擦次數(shù)比較少或者摩擦力度較小，不僅沒有讓玻璃棒失去負(fù)電荷，反而使得絲綢上的剩余的電子轉(zhuǎn)移至玻璃棒上面，那么這又使得第二根玻璃棒帶有負(fù)電荷，發(fā)生2根玻璃棒相互吸引的現(xiàn)象。為了有效預(yù)防異常情況的出現(xiàn)，第2次絲綢與玻璃棒摩擦起電之前，應(yīng)該使用手充分地與絲綢接觸，使得絲綢原來所帶有的負(fù)電荷釋放完全之后，再使用玻璃棒進(jìn)行摩擦。

1.2 感應(yīng)帶電也屬于靜電實(shí)驗(yàn)中較為常見的方法

靜電感應(yīng)是靜電場中的導(dǎo)體之中，自由電荷受到場力作用的移動，電荷會重新分布，最終達(dá)到靜電平衡的狀態(tài)，從而使得導(dǎo)體不同的部位帶有正、負(fù)電荷的現(xiàn)象。感應(yīng)帶電是在靜電感應(yīng)的條件下，使得導(dǎo)體的一側(cè)接地之后，將靜電場去掉，那么導(dǎo)體另外一側(cè)額電荷重新分布于導(dǎo)體的表面位置處，應(yīng)用這種方法使得導(dǎo)體帶電的優(yōu)勢之處為：導(dǎo)體極易帶電，而且?guī)щ娏恳卜浅Ｈ菀椎玫接行Э刂?，需要注意?dǎo)體應(yīng)該與地保持絕緣的狀態(tài)。

2 靜電實(shí)驗(yàn)中的“漏電”現(xiàn)象分析

凡是做過靜電實(shí)驗(yàn)的都有這樣的體會，靜電實(shí)驗(yàn)常常在實(shí)驗(yàn)之中的電漏完了，或者根本就未帶有多少電荷，那么由此可以看出“漏電”現(xiàn)象是靜電實(shí)驗(yàn)中的一個重要原因。那么到底是哪些方面的因素導(dǎo)致“漏電”現(xiàn)象的呢？筆者通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下幾點(diǎn)原因：（1）天氣潮濕，空氣中的自由電荷較多；（2）導(dǎo)體表面有尖端，一般會發(fā)生“尖端放電”的現(xiàn)象；（3）絕緣材料絕緣性能差；（4）人為操作方面因素的影響。在環(huán)境方面，可以選取干燥、晴朗的天氣或者應(yīng)用電吹風(fēng)吹干靜電儀器的方法對這些問題加以解決；對于“尖端放電”的現(xiàn)象，靜電儀器一般需要做成圓弧形狀。雖然如此，很多靜電實(shí)驗(yàn)卻很難獲得成功。由此可以看出，絕緣材料的絕緣性能是影響靜電實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素。

如下簡要的演繹能夠證明上述觀點(diǎn)?，F(xiàn)假設(shè)一個導(dǎo)體球（電容量為C，帶電量大小為Q0），使用1根絕緣棒（電阻值為R）作為支撐，現(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體經(jīng)絕緣棒進(jìn)行放電，那么即可得到放電的微分方程：

Q/C+R·（dQ/dt）=0 （1）

經(jīng)計算得出如下結(jié)果：

Q=Q0×e-t/（RC） （2）

其電壓為：U=（Q0/C）×e-t/（RC） （3）

根據(jù)上式（2）可以看出，導(dǎo)體球帶電荷量Q由初始電量Q0、導(dǎo)體電容量C、時間t以及絕緣棒的電阻值R共同決定的。如果Q0、C及t值不變，那么R為影響電量Q的因素。那么，對于不同R值的絕緣體而言，其對電量Q 的影響程度到底多大？下面可以進(jìn)行一些估算，現(xiàn)假設(shè)C=10PF，U0=Q0/C=2000V，那么：Q0=U0C=2000V×10×10-12=2.0×10-8C；若此絕緣棒是一根干燥的木棒（長度L為0.2 m，半徑r=0.5 cm），那么電阻率≈108Ω·mm2·m-1，那么由此可以計算出電阻R=L/S≈2.5×1011Ω，時間常數(shù)=RC=2.5 s。當(dāng)時間t=8 s的時候，則可計算出電量Q= Q0×e-t/（RC）=8.2×10-10C，而U=Q/C=82 V?，F(xiàn)將此絕緣棒改稱為石蠟（=1018Ωmm2·m-1）采用上述的方法進(jìn)行演算，得出如下結(jié)果：R≈2.5×1021Ω，≈2.5×1010 s，當(dāng)t=2 h時，導(dǎo)體球的電壓僅僅降低了0.002 V。

由上述推算的結(jié)果可以看出，在導(dǎo)體球電容與絕緣支柱大小不變的條件下，導(dǎo)體的帶電情況主要受到絕緣體的絕緣狀態(tài)的決定。所以，要想做好靜電實(shí)驗(yàn)，選取絕緣性能較好的絕緣材料減少漏電的發(fā)生是該實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之處。

3 靜電實(shí)驗(yàn)應(yīng)該對絕緣問題進(jìn)行考慮

靜電實(shí)驗(yàn)的主要特征表現(xiàn)在“高電壓、微電荷”。所以，在靜電實(shí)驗(yàn)過程中極易出現(xiàn)“漏電”情況的發(fā)生，一旦漏電便會對靜電實(shí)驗(yàn)的成功性產(chǎn)生直接的影響。所以說，若要做好靜電物理實(shí)驗(yàn)，首先應(yīng)該對絕緣問題加以解決，選擇合適的絕緣材料對靜電實(shí)驗(yàn)的成功與否極為關(guān)鍵。靜電物理實(shí)驗(yàn)的特征為高電壓、微電荷，所以要求選擇的材料具有非常強(qiáng)的絕緣性能，某些絕緣體，如，香蕉、玻璃等材料在空氣潮濕或者表面不清潔的條件下會喪失其應(yīng)有的絕緣性能，甚至還可能成為導(dǎo)體。所以說，更應(yīng)該加強(qiáng)在實(shí)驗(yàn)之前對于所選擇材料的絕緣性進(jìn)行檢驗(yàn)。絕緣性檢驗(yàn)的一種較為簡單的方法為使用靈敏性較好的驗(yàn)電器，將絕緣體的一側(cè)接觸驗(yàn)電器的導(dǎo)桿，按照指針的閉合及張開角度來對材料的絕緣性能加以確定。

4 結(jié)語

綜上所述，為了做好靜電實(shí)驗(yàn)，預(yù)防“漏電”現(xiàn)象的發(fā)生，可從如上幾個方面進(jìn)行探索、研究，只要我們清楚地分析了實(shí)驗(yàn)過程及這些關(guān)鍵性的影響因素，勢必會對物理靜電實(shí)驗(yàn)的研究具有很好的指導(dǎo)性作用。

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