如何做好靜電實(shí)驗(yàn)

袁程

靜電演示實(shí)驗(yàn)是物理教師感到最難做的物理實(shí)驗(yàn)之一，有時(shí)在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)能做成功，一上臺(tái)就莫名其妙地不靈了。因此，一些老師很怕做靜電演示實(shí)驗(yàn)，特別是在天氣不好的陰雨天氣。影響靜電實(shí)驗(yàn)成敗的因素頗多，儀器、材料、天氣、操作、清潔等。討論這些因素作用，對(duì)每一實(shí)驗(yàn)方法及儀器結(jié)構(gòu)和原理解釋?zhuān)荒茉诰唧w的實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的癥結(jié)，這時(shí)采取有效措施使實(shí)驗(yàn)得以成功。

一、靜電儀器結(jié)構(gòu)原理

要正確有效地使用儀器，使用者對(duì)儀器的結(jié)構(gòu)、原理必須有正確的理解?，F(xiàn)行課本中靜電儀器主要是驗(yàn)電器。驗(yàn)電器的結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，原理也不難理解，但也有不少人對(duì)它缺乏真正理解。例如，在懷疑驗(yàn)電器漏電時(shí)，常常有人會(huì)將絕緣塊墊在驗(yàn)電器的底座下面，以為電荷是從底座漏到地上了。實(shí)際上，這樣做對(duì)防止驗(yàn)電器漏電是一點(diǎn)作用也沒(méi)有的。這是因?yàn)轵?yàn)電器之所以能檢驗(yàn)電荷是因?yàn)閷?dǎo)電桿和可以轉(zhuǎn)動(dòng)的指針是連通的，當(dāng)導(dǎo)電桿帶電后，指針也會(huì)帶同種性質(zhì)的電荷。同種電荷之間相互排斥而使指針偏轉(zhuǎn)一定的角度，從而反應(yīng)出帶電情況。驗(yàn)電器的漏電實(shí)際上是導(dǎo)電桿上的電荷漏至驗(yàn)電器的外殼，而外殼連底座是可以接地的，把底座和地絕緣開(kāi)并不能阻止導(dǎo)電桿的電荷漏到外殼上來(lái)，則將極大地影響驗(yàn)電器的偏轉(zhuǎn)。因?yàn)樵陟o電平衡時(shí)，導(dǎo)體的電荷只分布于其外表面。在導(dǎo)電桿與外殼導(dǎo)通的情況下，導(dǎo)電桿、指針及外殼成為一個(gè)導(dǎo)體，而指針及導(dǎo)電桿的殼內(nèi)部分處于整個(gè)導(dǎo)體內(nèi)部，將得不到電荷，指針因此不會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，在驗(yàn)電器底座下加上絕緣座也只能完全是徒勞的。因此，防止這類(lèi)驗(yàn)電器漏電的正確方法是設(shè)法保持導(dǎo)電桿和外殼之間的高度絕緣。

二、靜電的特點(diǎn)及其所導(dǎo)致的漏電問(wèn)題

靜電即相對(duì)靜止不動(dòng)的電荷，通常指因不同物體之間相互摩擦而產(chǎn)生的在物體表面所帶的正負(fù)電荷。

當(dāng)一個(gè)物體帶有一定量的正電荷或負(fù)電荷時(shí)，可以稱(chēng)其帶靜電，靜電是一種相對(duì)的稱(chēng)謂。因?yàn)樵谠S多情況下，靜電經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)慢慢減少，這段時(shí)間的長(zhǎng)段與物體的電阻有關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中的兩個(gè)極端的例子是塑料和金屬，一般來(lái)說(shuō)，塑料的電阻非常高，因此塑料能長(zhǎng)時(shí)間保持靜電，而金屬的電阻低，接地的金屬帶電時(shí)間極短。靜電通常用伏特表示，雖然220伏交流電源是危險(xiǎn)的，但100kv的靜電是很普通的。物體中的電壓由兩個(gè)因素決定：物體的帶電量和物體的電容。可以用簡(jiǎn)單的關(guān)系式表示，即Q=CV，其中Q代表電量，V代表電壓，C代表物體的電容。如果給定物體的電量，那么電容越低，則電壓越高，反之亦然。塑料一般來(lái)說(shuō)電容非常低，因此，很少的電量就可以產(chǎn)生很高的電壓。相反，金屬的電容非常高，因此較多的電量只產(chǎn)生較低的電壓。這就是在實(shí)際應(yīng)用中，使用塑料產(chǎn)生的靜電問(wèn)題更加令人重視的原因，高電壓會(huì)吸引塵土，導(dǎo)致操作員受點(diǎn)擊或?qū)е挛矬w現(xiàn)狀改變。

靜電的高電壓、微電量使得靜電電荷很容易漏，且常常是一漏就光。這種情況在天氣潮濕時(shí)尤為突出，為什么會(huì)這樣呢？人們自然會(huì)想到潮濕的空氣絕緣性差，靜電電荷自然容易通過(guò)暴露于空氣中的帶電部分而漏掉。這就使不少老師只有在空氣干燥時(shí)才敢在課堂上做靜電演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上這是沒(méi)有把握漏電的關(guān)鍵所致，因?yàn)槌Ｒ?jiàn)的漏電實(shí)際上主要是由于材料的絕緣性能不好引起的。這里特別要指出的是，對(duì)于靜電來(lái)說(shuō)，在低壓情況下我們熟悉的不少絕緣體，如硬紙板、干木棒、塑料電線甚至玻璃棒、橡膠棒都是不可靠的絕緣體。在空氣潮濕、材料老化變性或表面不甚清潔時(shí)更是如此。課本中介紹的用絲綢摩擦玻璃棒和用毛皮摩擦橡膠棒的起電方法之所以效果不佳，原因不是用這些材料摩擦?xí)r不能起電，而是玻璃棒和橡膠棒不易保持住電荷?？諝獠粔蚋稍飼r(shí)，通常被我們視為絕緣體的這些材料在靜電（高壓）條件下形同導(dǎo)體，漏電之快，出乎意料。這就是影響靜電實(shí)驗(yàn)諸多因素中最致命的一個(gè)。

三、摩擦起電的方法

摩擦起電是課堂教學(xué)中最常用的使用方法，對(duì)它的微觀處理，一般教材限于知識(shí)要求的程度只給出一個(gè)總的解釋?zhuān)措娛怯捎诘檬щ娮佣鴰щ?。但?duì)在摩擦過(guò)程中電子轉(zhuǎn)移的物理解釋?zhuān)恍├蠋煷嬖谟姓`解，導(dǎo)致影響在實(shí)驗(yàn)中有效地使用這一方法。如有些人認(rèn)為摩擦生熱導(dǎo)致電子的轉(zhuǎn)移，因而只有快速反復(fù)的摩擦才能起電。有經(jīng)驗(yàn)的老師在不易起電時(shí)，往往易通過(guò)緊壓摩擦，而不是壓而緊地反復(fù)摩擦成功起電的，其中的道理就與起電機(jī)理有關(guān)。從物理過(guò)程的本質(zhì)上講，摩擦帶電是一種接觸帶電，它是由于物體內(nèi)的電子做功不同，相互緊密接觸時(shí)，外層電子軌道相互重疊，導(dǎo)致物體的電子轉(zhuǎn)移所致的。據(jù)此，相互摩擦的兩種材料之間擠壓得越緊，就越容易實(shí)現(xiàn)電子在兩種材料之間的轉(zhuǎn)移，而使之分別帶電。

四、做好靜電實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵

一般來(lái)說(shuō)，提高靜電實(shí)驗(yàn)的成功率，要把握以下幾點(diǎn)：

1.絕緣材料的選擇和檢驗(yàn)：通常有機(jī)玻璃、泡沫塑料、保鮮薄膜、石蠟塊、尼龍絲等都是適宜做靜電實(shí)驗(yàn)的絕緣材料。材料表面清潔和干燥的狀況對(duì)絕緣性能有很大的影響，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)當(dāng)對(duì)絕緣材料的性能進(jìn)行檢驗(yàn)。比較簡(jiǎn)單的檢驗(yàn)方法是：取一只驗(yàn)電器（或驗(yàn)電羽）使其帶電，手拿待測(cè)絕緣體的一端，讓另一端接觸驗(yàn)電器的導(dǎo)桿，如果驗(yàn)電器的指針（或張開(kāi)的驗(yàn)電羽）不閉合，說(shuō)明待測(cè)物的絕緣性能良好。否則，在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)對(duì)絕緣表面進(jìn)行清潔和除濕處理。

2.選擇有效的起電工具和起電方法：可用高壓靜電起動(dòng)機(jī)起電，還可以用簡(jiǎn)易的方法起電-——摩擦起電和感應(yīng)起電。

如果對(duì)帶電量的要求不高，可以摩擦絕緣棒（如有機(jī)玻璃棒）使其帶電，再將電荷傳遞給需帶電物體。在傳遞電荷時(shí)，考慮到絕緣棒的電荷不是自由電荷，應(yīng)當(dāng)使帶電棒在物體表面上移動(dòng)，盡可能使帶電棒的各部分表面與帶電的物體接觸，以傳遞較多的電荷。

3.注意操作要領(lǐng)：做靜電實(shí)驗(yàn)必須時(shí)刻保持"絕緣意識(shí)".例如，用導(dǎo)線把驗(yàn)電器與一帶絕緣座的導(dǎo)體連接起來(lái)時(shí)，導(dǎo)線夾所夾位置盡可能離驗(yàn)電器的外殼，導(dǎo)線一定要架空，并盡可能遠(yuǎn)離桌面和其他與"地"相通的物體。又如，手持起電盤(pán)的絕緣柄時(shí)，應(yīng)避免用手掌握棒，并且應(yīng)遠(yuǎn)離金屬板。

總之，在進(jìn)行靜電實(shí)驗(yàn)前，必須對(duì)儀器進(jìn)行仔細(xì)檢驗(yàn)，所有絕緣部分都必須采用絕緣性能良好的材料。這里特別值得一提的是使用石蠟可以起到良好的絕緣效果。因?yàn)槭灢粌H絕緣性能好，防潮性能更佳。使用時(shí)可將蠟熔化在物體部分表面，或用蠟塊作為對(duì)地絕緣的墊塊，使實(shí)驗(yàn)獲得較好效果。