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靜電現(xiàn)象

在公元前六世紀(jì)，人類就發(fā)現(xiàn)琥珀摩擦后，能夠吸引輕小物體的“靜電現(xiàn)象”。這是自由電荷在物體之間轉(zhuǎn)移后，所呈現(xiàn)的電性。此外絲綢或毛料摩擦?xí)r，產(chǎn)生的小火花，是電荷中和的效果?！袄纂姟眲t是大自然中，因為云層累積的正負(fù)電荷劇烈中和，所產(chǎn)生的電光、雷聲、熱量。

靜電現(xiàn)象包括許多大自然例子，像塑料袋與手之間的吸引、似乎是自發(fā)性的谷倉爆炸、在制造過程中電子元件的損毀、影印機(jī)的運(yùn)作原理等等。當(dāng)一個物體的表面接觸到其它表面時，電荷集結(jié)于這物體表面成為靜電。雖然電荷交換是因為兩個表面的接觸和分開而產(chǎn)生的，只有當(dāng)其中一個表面的電阻很高時，電流變的很小，電荷交換的效應(yīng)才會被注意到。因為，電荷會被入陷于那表面，在那里度過很長一段時間，足夠讓這效應(yīng)被觀察到的一段時間。

靜電現(xiàn)象是由點電荷彼此相互作用的靜電力產(chǎn)生的。庫侖定律專門描述靜電力的物理性質(zhì)。在氫原子內(nèi)，電子與質(zhì)子彼此相互作用的靜電力超大于萬有引力，靜電力的數(shù)量級大約是萬有引力的數(shù)量級的 40 倍。

庫侖定律

靜電學(xué)最基本的定律是庫侖定律。一個點電荷 q {\displaystyle q} 作用于另一個點電荷 Q {\displaystyle Q} 的靜電力 F {\displaystyle \mathbf {F} } ，可以用庫侖定律計算出來。 點電荷 是理想化的帶電粒子。在這里，稱點電荷 q {\displaystyle q} 為 源點電荷 ，稱點電荷 Q {\displaystyle Q} 為 檢驗電荷 。靜電力的大小跟兩個點電荷之間的距離的平方成反比，跟 q {\displaystyle q} 、 Q {\displaystyle Q} 的乘積成正比，作用力的方向沿連線，同號電荷相斥，異號電荷相吸：

其中， ? ? --> 0 = 8.854 187 817 × × --> 10 ? ? --> 12 {\displaystyle \epsilon _{0}=8.854\ 187\ 817\ \times 10^{-12}} C N m 是電常數(shù)， r {\displaystyle \mathbf {r} } 是從源點電荷 q {\displaystyle q} 指向檢驗電荷 Q {\displaystyle Q} 的矢量， r ^ ^ --> {\displaystyle {\hat {\mathbf {r} }}} 是其單位矢量。

電場

電場 E {\displaystyle \mathbf {E} } 定義為作用于一個檢驗電荷 Q {\displaystyle Q} 的靜電力 F {\displaystyle \mathbf {F} } 除以 Q {\displaystyle Q} ：

從這個定義和庫侖定律，一個源點電荷 q {\displaystyle q} 產(chǎn)生的電場可以表達(dá)為

高斯定律

高斯定律闡明，流出一個閉表面的電通量與這閉曲面內(nèi)含的總電荷量成正比。比例常數(shù)是電常數(shù)的倒數(shù)。用積分方程形式表達(dá)，

其中， d A {\displaystyle \mathrm isac4u0 \mathbf {A} } 是無窮小面積元素， ρ ρ --> {\displaystyle \rho } 是電荷密度， d V {\displaystyle \mathrm emcyqmi V} 是無窮小體積元素。

用微分方程形式表達(dá)，

泊松方程

綜合電勢的定義和高斯定律的微分方程，可以給出電勢 V {\displaystyle V} 和電荷密度 ρ ρ --> {\displaystyle \rho } 之間的關(guān)系方程，稱為泊松方程：

給予點電荷的分布資料和充分的邊界條件，應(yīng)用泊松方程，可以計算在空間里任何位置的電勢 V {\displaystyle V} 。根據(jù)唯一性定理，這也是唯一的解答。

拉普拉斯方程

假若電荷密度是零，則泊松方程變?yōu)槔绽狗匠蹋?/span>

給予充分的邊界條件，應(yīng)用拉普拉斯方程，可以計算在真空里任何位置的電勢 V {\displaystyle V} 。根據(jù)唯一性定理，這也是唯一的解答。

疊加原理

在靜電學(xué)里，疊加原理闡明，任何兩個點電荷的相互作用與其它點電荷無關(guān)。因此，給予 N {\displaystyle N} 個點電荷，可以應(yīng)用庫侖定律，單獨(dú)地計算每一個源點電荷 q i {\displaystyle q_{i}} 作用于檢驗電荷 Q {\displaystyle Q} 的靜電力 F i {\displaystyle \mathbf {F} _{i}} 。這樣，作用于檢驗電荷 Q {\displaystyle Q} 的總靜電力 F {\displaystyle \mathbf {F} } 是

這是因為在庫侖定律里，靜電力跟源點電荷 q i {\displaystyle q_{i}} 有線性關(guān)系。

將作用力除以檢驗電荷 Q {\displaystyle Q} ，可以得到電場。所以，總電場 E {\displaystyle \mathbf {E} } 為

其中， E i {\displaystyle \mathbf {E} _{i}} 是源點電荷在檢驗電荷的位置所產(chǎn)生的電場。

類似地，電勢也遵守疊加原理：

其中， V i {\displaystyle V_{i}} 是源點電荷在檢驗電荷的位置所產(chǎn)生的電勢。

接觸起電

假若兩種不同的物質(zhì)因互相接觸而產(chǎn)生靜電，則稱此為 接觸起電 ( contact electrification ) ．摩擦起電效應(yīng)( triboelectric effect ) 是一種接觸起電效應(yīng)。在摩擦起電里，兩種不同的物質(zhì)，經(jīng)過接觸、摩擦、分開，這三道程序后，會從原本中性，變?yōu)閹щ婓w；其中一種物質(zhì)會帶有正電，另外一種物質(zhì)會帶有同樣大小的負(fù)電。電荷的正負(fù)極性和電量，依照材質(zhì)、表面粗糙、溫度、應(yīng)變等等，各種性質(zhì)或參數(shù)而變化。舉例而言，將羊毛摩擦于琥珀，會使琥珀獲得負(fù)電荷。這性質(zhì)，最先由米利都學(xué)派的創(chuàng)始人泰勒斯紀(jì)錄于歷史文書 ，是有紀(jì)錄以來，人類最早研究的起電現(xiàn)象。其它諸如絲綢與玻璃的摩擦、硬橡膠與毛料的摩擦，都會產(chǎn)生靜電。

摩擦兩種不導(dǎo)電物體會生成大量的靜電。但是，不只是摩擦才會造成這樣的結(jié)果。兩種不導(dǎo)電物體，經(jīng)過接觸、分開，兩道程序后，也會產(chǎn)生靜電。由于大多數(shù)的表面都相當(dāng)粗糙，經(jīng)過接觸比經(jīng)過摩擦需要更多的時間來完成充電。摩擦增加了兩塊表面的附著接觸。一般而言，絕緣體，不導(dǎo)電的物體，是起電（產(chǎn)生靜電）和保留電荷的優(yōu)良材料。例如，橡膠、塑膠、玻璃等等，都是很優(yōu)良的起電材料。導(dǎo)電物體也會生成靜電。由于導(dǎo)電物體很容易流失電荷，必須在外面特別包上一層絕緣體，才能保留住電荷。特別注意到電流的存在并不會阻止起電、靜電力、火花、電暈放電 ( corona discharge ) 等等靜電現(xiàn)象的發(fā)生。

電荷中和

自然的電荷中和現(xiàn)象最常發(fā)生于低濕度的季節(jié)。這現(xiàn)象偶而會造成一些困擾。但是，在某些特別狀況，會變得具有相當(dāng)?shù)钠茐男院痛輾裕ɡ?，電子制造業(yè)）。假若因為工作原由，必須直接接觸到集成電路電子元件（特別是易損壞的金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)），或處于易燃?xì)怏w附近，應(yīng)該非常小心地避免累積靜電和突然放電。電子元件工廠常使用防靜電裝置來保護(hù)電子元件。

電荷感應(yīng)

因為電荷感應(yīng)，紙屑被帶電的光碟吸引。

一個物體內(nèi)部的電荷，因為受到物體以外的電荷的影響，而重新分布，稱此現(xiàn)象為 電荷感應(yīng) 。將一個帶負(fù)電荷的物體 A 移至另一個物體 B 附近時，物體 B 內(nèi)部離物體 A 較近的區(qū)域會帶有較多的正電荷。由于正電荷與負(fù)電荷相吸引，兩個物體會感受到吸引力的作用。例如，用一塊羊毛布摩擦一個塑膠氣球，這會使氣球得到負(fù)電荷。將這氣球拿到一座墻壁附近。那么，氣球會被墻壁吸引而黏在墻壁上。這是因為靜電感應(yīng)，墻壁的自由電子會被氣球的負(fù)電荷排斥，剩下正電荷。由于塑膠氣球的負(fù)電荷不容易移動，不會與墻壁的正電荷中和。請參閱數(shù)據(jù)模擬網(wǎng)頁氣球與靜電。

靜電感應(yīng)的原理已經(jīng)成功地應(yīng)用于工業(yè)界很多年了，對于眾多工業(yè)有極大的貢獻(xiàn)。發(fā)展成功的靜電油漆系統(tǒng)可以經(jīng)濟(jì)地將瓷漆 ( enamel paint ) 和聚氨酯漆，均勻地油漆于消費(fèi)品表面，包括汽車、腳踏車等等其它產(chǎn)品。

參閱

鏡像法

威姆斯赫斯特電機(jī) ( Wimshurst machine )

凡德格拉夫起電機(jī)( Van de Graaf generator )

靜電放電

抗靜電劑

離子鍵

電負(fù)性

參考文獻(xiàn)

Faraday, Michael. Experimental Researches in Electricity. London: Royal Inst. 1839. 古騰堡計劃中收錄的《電子書》免費(fèi)電子版本

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Griffiths, David. Introduction to Electrodynamics. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. 1999. ISBN 0-13-805326-X.

Hermann A. Haus and James R. Melcher. Electromagnetic Fields and Energy. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. 1989. ISBN 0-13-249020-X.

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