趣味實(shí)驗(yàn)“靜電飛花”原理分析

盧 衎，楊文健，李 燦，熊舉峰

(湖南師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081)

“靜電飛花”實(shí)驗(yàn)常常被應(yīng)用于中學(xué)靜電教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯且趣味性強(qiáng)。該實(shí)驗(yàn)原理包含“接觸起電”和“感應(yīng)起電”，且起電過程包含靠近、接觸、抬離等階段，但已有研究[1,2]僅用“感應(yīng)起電”解釋了其中抬離的階段。本文將“靜電飛花”細(xì)分為五個(gè)階段：(1)金屬板從高處往下靠近KT板(生活中常稱“泡沫板”)但未接觸；(2)金屬板和KT板第一次接觸；(3)金屬板抬離KT板的一瞬間；(4)金屬板和KT板第二次接觸并抬離；(5)用手觸摸金屬板上端再抬離金屬板。從“接觸起電”和“感應(yīng)起電”兩方面進(jìn)行原理分析，更加全面深入地解釋了“靜電飛花”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1 器材選取

摩擦起電的本質(zhì)是不同材料在摩擦過程中得失電子的能力不同，產(chǎn)生“電子的轉(zhuǎn)移”。生活中常見物質(zhì)靜電序列如下(越在前面的越易失去電子)：空氣、玻璃、有機(jī)玻璃、尼龍、羊毛、絲綢、賽璐珞、棉織品、紙、金屬、黑橡膠、滌綸、維尼綸、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、二氧化硅、聚四氟乙烯。序列中的某一物質(zhì)與它后面的物質(zhì)摩擦前者帶正電，后者帶負(fù)電。一般在靜電序列中兩種物質(zhì)所居位置離得越遠(yuǎn)越容易起電，相同條件下的起電量也越多。

已有研究選用有機(jī)玻璃板和氣泡膜摩擦起電[1]或者手帕和塑料袋摩擦起電[2]，結(jié)合上述排序和考慮到易操作性，本文選用KT板和羊毛皮作為摩擦起電的材料，實(shí)驗(yàn)效果較好。因?yàn)镵T板的表面有PVC面皮，其原料為聚氯乙烯，根據(jù)排序可知其相比于有機(jī)玻璃更易得到電子，且生活中應(yīng)用廣泛容易獲得。

本實(shí)驗(yàn)所用器材：KT板、羊毛皮、帶絕緣柄的金屬板、小紙屑。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象解釋

首先用毛皮摩擦KT板，然后按如下五個(gè)階段進(jìn)行操作，并對(duì)每個(gè)階段現(xiàn)象進(jìn)行原理分析。

2.1 第一階段：金屬板從高處往下靠近KT板但未接觸

操作與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：將盛有紙屑的金屬板從高處慢慢地往下靠近KT板，注意不要與KT板接觸。發(fā)現(xiàn)隨著金屬板與KT板間距離的減少從金屬板飛出的紙屑逐漸增多，但是總體來說并不多，如圖2所示，對(duì)此現(xiàn)象的原理分析如下。

圖2 第一階段實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)原理：如圖3所示，摩擦后KT板帶負(fù)電，將金屬板從高處往下靠近KT板但未接觸時(shí)，金屬板下表面感應(yīng)出正電荷，上表面帶負(fù)電荷。由于紙屑不是一一排列在金屬板上，而是雜亂無章地堆疊在一起，部分紙屑和金屬板接觸，而另外的紙屑未接觸。相接觸的紙屑由于“粘”上負(fù)電荷而帶上負(fù)電，而未接觸的紙屑在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生極化，近板端帶正電，遠(yuǎn)板端帶負(fù)電，紙屑飛出就是因?yàn)橥N電荷相互排斥。該起電過程僅涉及感應(yīng)起電。

圖3 第一階段實(shí)驗(yàn)原理

2.2 第二階段：金屬板和KT板第一次接觸

操作與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：將金屬板和KT板接觸，當(dāng)兩板接觸的一瞬間，發(fā)現(xiàn)較多紙屑飛出，如圖4所示，對(duì)此現(xiàn)象的原理分析如下。

圖4 第二階段實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)原理：如圖5所示，由于KT板并不是完全平整的，而是凹凸不平的，所以兩板接觸時(shí)，并不是完全貼合。在金屬板和KT板相接觸的位置，KT板由于摩擦所帶的負(fù)電荷傳遞至金屬板，使金屬板整體帶負(fù)電；在兩者未接觸的位置，兩者之間發(fā)生感應(yīng)起電，即金屬板下表面帶正電，上表面帶負(fù)電。在接觸的一瞬間，由于金屬板上表面負(fù)電荷的增多，所以和金屬板上表面接觸的紙屑帶的負(fù)電荷增多，而未接觸的紙屑的極化強(qiáng)度增強(qiáng)，此時(shí)有較多的紙屑飛出。剩下的紙屑未飛出去而在金屬板上保持靜止是因?yàn)榧埿己鼙?，金屬盤上表面與紙屑幾乎在同一個(gè)平面內(nèi)，所以除了紙屑正下方的電荷外，金屬盤中其他部位的電荷對(duì)紙屑的排斥力方向幾乎是水平的，因此紙屑所受向上的合外力很小。并且此時(shí)金屬板下表面感應(yīng)產(chǎn)生的正電荷對(duì)其有吸引，此時(shí)兩板間的感應(yīng)強(qiáng)度最大，即吸引力也是最大的。所以紙屑所受向下的合外力大于向上的合外力，導(dǎo)致紙屑靜止在金屬板上。該起電過程涉及“感應(yīng)起電”和“接觸起電”。

圖5 第二階段實(shí)驗(yàn)原理

2.3 第三階段：金屬板抬離KT板的一瞬間

操作與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：將金屬板抬離KT板。當(dāng)將金屬板抬離KT板的一瞬間，發(fā)現(xiàn)有少量紙屑飛出，如圖6所示，對(duì)此現(xiàn)象的原理分析如下。

圖6 第三階段實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)原理：如圖7所示，當(dāng)金屬板抬離時(shí)，兩板間的感應(yīng)強(qiáng)度變?nèi)酰姾芍匦路植?，下表面感?yīng)的正電荷減少，對(duì)紙屑的吸引力減小，并且由于金屬板此時(shí)帶負(fù)電，同種電荷的相互排斥，從而導(dǎo)致少量紙屑飛出。紙屑飛出之所以較少是因?yàn)镵T板傳遞至金屬板的電子在兩板接觸時(shí)就已發(fā)揮作用促使紙屑飛出，金屬板抬離時(shí)，所帶負(fù)電已較少。該起電過程僅涉及“感應(yīng)起電”。

圖7 第三階段實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

2.4 第四階段：金屬板和KT板第二次接觸并抬離

操作與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：金屬板和KT板第一次接觸后，將金屬板持續(xù)抬離至沒有紙屑飛出，再將其往下接觸KT板然后抬離，發(fā)現(xiàn)幾乎沒有紙屑飛出，如圖8所示，對(duì)此現(xiàn)象的原理分析如下。

圖8 第四階段實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)原理：金屬板第二次和KT板接觸幾乎沒有紙屑飛出是因?yàn)樵诘谝淮谓佑|時(shí)，KT板已將大量電子傳遞給金屬板，由于是人為放置金屬板，所以每次兩板接觸的位置不盡相同。例：如圖9所示，第一次接觸時(shí)，位置1、3、5、7將電子傳遞給金屬板，第二次接觸時(shí)，位置2將電子傳遞給金屬板，隨著接觸的次數(shù)增多，幾乎沒有電子的傳遞，即“接觸起電”強(qiáng)度不斷減弱至無法產(chǎn)生紙屑飛出的現(xiàn)象。該起電過程涉及“感應(yīng)起電”和“接觸起電”。

圖9 第四階段實(shí)驗(yàn)原理

2.5 第五階段：用手觸摸金屬板上端再抬離金屬板

操作與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)沒有紙屑飛出后，將金屬板放在KT板上，用手觸摸金屬板的上表面，再次抬起金屬時(shí)，發(fā)現(xiàn)有大量紙屑重新飛出，如圖10所示，對(duì)此現(xiàn)象的原理分析如下。

圖10 第五階段實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)原理：如圖11所示，當(dāng)用手觸摸金屬板時(shí)會(huì)有觸電的感覺，上表面的電荷通過指尖流走，此時(shí)上表面不帶電，當(dāng)抬起金屬板，電荷重新分布，上表面帶正電導(dǎo)致紙屑帶上正電，由于同種電荷的排斥，紙屑大量飛出，該起電過程僅涉及“感應(yīng)起電”。

圖11 第五階段實(shí)驗(yàn)原理

3 總 結(jié)

本文在已有的“靜電飛花”研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了更全面深入的研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象將該實(shí)驗(yàn)過程分為五個(gè)階段進(jìn)行原理分析，對(duì)每個(gè)階段的現(xiàn)象及原理做了闡述，創(chuàng)新性地考慮了“接觸起電”對(duì)現(xiàn)象的影響。物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，只有全方位剖析每個(gè)物理實(shí)驗(yàn)背后隱藏的原理，才能更準(zhǔn)確地把握物理知識(shí)，感受物理魅力。