一 静电学
1. 摩擦起电
不知你小时候有没有做过这样的游戏:拿一把格尺,将其和头发摩擦几下,然后就可以吸引小纸屑了.如果把纸剪成青蛙型,就会看到青蛙随格尺"翩翩起舞".
这时,我们就说,这把格尺带了电,或者说带了电荷.
美国科学家富兰克林发现,自然界中只存在两种电荷:正电荷还有负电荷.
本杰明·富兰克林
本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin,1706.1.17-1790.4.17),美国著名政治家、科学家.他是美国革命时重要的领导人之一,参与了多项重要文件的草拟,并曾出任美国驻法国大使,成功取得法国支持美国独立.富兰克林曾经进行多项关于电的实验,提出了正电、负电、放电、充电等沿用至今的概念,提出了并且发明了避雷针.
如果我们把两种带同种电荷的物质靠近,再把带异种电荷的物质靠近,就会发现:同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引.电荷之间的力,就是四大基本力之一的电磁力(另三种是:万有引力,强力和弱力).
我们根据这个原理制作了检验物体是否带电的验电器.
验电器是一个金属球下面连接一个金属杆,金属杆下挂着两个箔片.假如一个带电的物体接触金属球,电荷就会传到箔片,它们就带上同种电荷,于是就张开一个角度.
电荷是什么呢?为什么会摩擦会"产生"电荷呢?在解释这两个问题之前,我们先走进多姿多彩的物质世界,了解一下我们的世界是怎样组成的.
2.多姿多彩的物质世界
"一尺之棰,日取其半,万世不竭" --庄子,《庄子 天下篇》
不小心碰掉了一个杯子,杯子不幸粉身碎骨(杯子:我招谁惹谁了...).碎片有大有小.倘若捡起一片碎片,将其继续打碎,然后拿出其中的一小片,继续打碎......我们不禁要问,有没有一个穷尽呢?
科学家发现,分到最后会分成一个分子.分子就是组成物质的最小单位.
也许你会问,我们能不能观察到分子呢?直接用肉眼绝对不可以,因为分子实在是太小了.不过我们可以使用先进的扫描隧道显微镜来观察到分子表面结构.
物质是由分子组成的.而分子又是由原子组成的.长期以来,人们以为原子不可分(所以叫做原子,根源之粒子).终于,有人发现了质子,中子还有电子.
人们认识到:原子由原子核和核外电子组成.原子核由质子和中子组成.中子不带电,质子带正电.因此,整个原子核带正电.而电子带负电.
一个原子我们可以抽象地看成我们的太阳系.原子核就是太阳.它"漂浮"在中央.原子核之所以叫原子核,不但是因为他在原子的最中心,还因为它占了很大比例:一个原子中,原子核的质量占原子的99.95%!这是一个相当惊人的数字!
在原子核外的就是核外电子.他们绕原子核高速旋转.注意,原子核和电子带异种电荷,因此他们互相吸引.但电子旋转产生的离心力(什么是离心力?拿一根绳子,握住一端,另一端绑个重物,然后开始抡这根绳子--注意安全!--然后你就会知道什么是离心力)抵消了二者的吸引力.
3.摩擦起电的本质原因
通常,从电荷数量上看,原子核带的电量和核外电子带电量相等.因此原子呈电中性.所以,物质本身呈电中性,或者说不带电.
但如果外力作用下,电子可能在原子间发生转移--如果另一个原子的原子核束缚电子的能力更强.
我们可以原子核想像成有巨大魅力的大明星,每个人都有自己的"独立粉丝团".可是如果两个明星带着自己的粉丝团遇到了一起,他们的魅力就分出高下来了--一些外围的"粉丝"意志不够坚定,毅然"投诚"魅力较大的明星了.
还记不记得我上面说过,电子带负电.因此,如果一个物质原子核束缚电子能力强,它摩擦后带的是负电,而不是正电.
感到难以理解吗?早知如此,为什么不规定电子带的那种电荷为正电呢?电学这样的事情还有很多,一定要保持头脑的清醒.
其实这个也可以理解,将上面例子里的粉丝换成小偷就行了,魅力大的反而被偷的惨......结果负债累累,本来的那点钱(正电荷)已经被偷光了(对外呈中性),这下还要靠借债为生(悲惨)...所以带负电.
也就是说,摩擦起电不是创造了电荷,而是使客观存在的电子发生转移.
4.中和
注意,如果一个原子失去或得到了电子,它就不叫原子而叫离子了,相对而言这不是一种"和谐"的状态.所以,如果两个原子,一个多出一些电子,另一个少了同样多的电子,它们相遇后就会友好平等地......把电子分掉,让双方皆大欢喜.
这样,两个原子便会对外呈中性,电荷"消失"了.
所以,等量异种电荷相遇会中和,中和是动作,而上面提到的中性是结果,不要弄混
中和会放电.冬天,我们脱下棉衣后看见的电火花就是放电现象.而闪电就是剧烈的放电现象.所以,你下次脱衣服时看见了火花,就可以说"我制造了闪电!"--虽然威力远不及天上的闪电.
5.电荷是什么
说到这,这个重要的问题还回答呢.之所以把它留在最后,是因为它比较难以回答.
一般教学时,把电荷当成一种微粒,一种粒子.事实上,一般人们为了便于理解也将电荷看成一种粒子.但我可以负责任地说,看成是看成,事实不是这样.就像地球,我们把它看成一个球,其实它是个椭球.
我倾向于,将电荷看成是一种抽象的概念,看成人们规定的便于描述带电多少的一种方法.
举一个也许不完全恰当的例子,我们说,一本书携带有知识.但知识只是书上的文字所蕴含的东西而已.我们不能将知识单单看成文字,就像我们不能将电荷看成电子或质子一样.
这个概念抽象且难以理解.如果不能理解,姑且将电荷看成粒子,也没有关系.
6.电荷量
上面提到,电荷可以看成描述带电多少的一种方法.日后提到电流时,你就会发现电荷量与电流强弱之间千丝万缕的联系.
物体所带电荷的多少叫做电荷量.电荷量的单位是库仑,简称库,记作C.一库伦很大,闪电含的电荷也不过几十库伦.因此,我们常用微库(μC),1μC = 10-6C
原子带电是因为电子多了或者少了.一个质子带电1.6×10-19C,一个电子带电1.6×10-19C(有时写成-1.6×10-19C,表示负电).因此可知,一个原子的电荷量一定是1.6×10-19C的整数倍.所以,物质的带电也一定是1.6×10-19C的整数倍.
于是,人们规定一个概念叫元电荷e,e = 1.6×10-19C
*这里的1.6×10-19是约数
7.习题
1. 如果两个小球A,B摩擦后,A带正电,B带负电,说明:
A. A的原子核束缚电子能力强
B. B的原子核束缚电子能力强
C. A,B的原子核束缚电子能力一样强
D. 无法判断
2. 下列说法正确的是:
A. 存在一种物体,既和带正电的物体相排斥,又和带负电的物体相排斥
B. 存在一种物体,既被带正电的物体吸引,又被带负电的物体吸引
C. 如果一种物体能被带正电的物体吸引,它一定带正电
D. 如果一种物体能被带正电的物体吸引,它一定带负电
修改历史:
1.0 添加了富兰克林的介绍
1.1 添加了验电器相关内容
那个...到底什么是短路阿?
我得先写完电路和基本概念才能写短路哦~