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静电

第一章-电的基本概念

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几个世纪前人们就发现,某些类型的物质相互摩擦后会神秘地相互吸引。例如,在一块丝绸和一块玻璃摩擦后,丝绸和玻璃就会粘在一起。事实上,即使两种物质分离,也可以证明有一种吸引力:

玻璃丝绸吸引力

玻璃和丝绸不是唯一知道这样的材料。任何曾经刷过乳胶气球的人只是为了发现它试图坚持他们经历了同样的现象。石蜡和羊毛布是另一种材料早期实验者认为在摩擦之后表现出有吸引力的力量:

蜡羊毛吸引力

当人们发现,相同的材料与各自的布摩擦后,总是相互排斥时,这种现象变得更加有趣:

玻璃蜡排斥

还有人指出,当用丝绸擦拭一块玻璃用羊毛擦拭的蜡烛时,两种材料将彼此吸引:

蜡玻璃吸引力

此外,发现在被摩擦后展示吸引力或排斥性的任何材料可以被归类为两个不同的类别之一:吸引到玻璃中并被蜡排斥,或被玻璃排斥并吸引到蜡。它无论是一个还是另一个:没有发现任何物质将被玻璃和蜡吸引或排斥,或者反应到一个,而不反应另一个。

更多关注被引导朝向用于摩擦的布料。有人发现,在用两块丝布摩擦两块玻璃后,不仅玻璃碎片互相排斥,但布料也是如此。用于摩擦蜡的羊毛的相同现象:

丝绸呜呜呜呜呜呜

现在,证人真的很奇怪。毕竟,摩擦无明显改变这些物体,但它们肯定表现得比在摩擦之前不同。无论发生什么变化,让这些材料吸引或互相排斥,是看不见的。

一些实验者推测,在摩擦过程中从一个物体转移到另一个物体,并且这些“液体”能够在远处影响物理力。Charles Dufay是早期的实验者之一,他们证明肯定有两种不同类型的改变,通过摩擦某些对象。由于产生了两种类型的力量,因此有多种类型的改变表现出了多种类型的变化:吸引力排斥。假设的流体转移被称为收费

一位开创性的研究员本杰明富兰克林得出结论,摩擦物体之间只交换了一个流体,两种不同的“收费”只不过是多余的或不足的一个流体。在试验蜡和羊毛之后,富兰克林建议粗羊毛从光滑的蜡中取出了一些这种无形的流体,导致羊毛上的过量流体和蜡上的液体缺乏。由于流体试图重新获得两种材料之间的前一平衡,因此羊毛和蜡之间的流体含量的差异将导致有吸引力的力。

假设一个“流体”的存在,它通过摩擦而获得的单一“流体”是最适合观察到的行为:所有这些材料整齐地落入两类时摩擦,最重要的是,两个活性材料摩擦了其他总是陷入反对类别正如他们不变的吸引力彼此所证明的那样。换句话说,两种材料彼此摩擦的时间永远不会这两个变得积极或消极。

富兰克林推测羊毛会从蜡上蹭出什么东西,与摩擦的蜡相关的电荷类型被称为“负电荷”(因为据说它缺少液体),而与摩擦的羊毛相关的电荷类型被称为“正电荷”(因为据说它有过多的液体)。他一点也不知道,他这个天真的猜想将来会给学电的学生们造成许多困惑!

精确测量电荷由法国物理学家查尔斯库仑在1780年代使用称为a的设备进行扭转平衡测量两个带电物体之间产生的力。库仑的工作结果导致了一种电荷单位的发展,以他的名字命名库仑。如果两个“点”对象(假设的对象没有明显的表面积)同样收取1库仑测量,并放置1米(大约1码),他们会产生大约90亿牛顿的力(约20亿英镑),吸引或排斥取决于类型的指控。将库仑定义为电荷单位(以点电荷之间产生的力为单位),结果发现库仑等于625,000,000,000,000,000,000个电子的过剩或不足。换句话说,一个电子的电荷约为0.00000000000000000016库仑。由于一个电子是已知最小的电荷载流子,所以电子的最后一个电荷图被定义为基本费用

稍后发现这种“流体”实际上由叫做极小的物质组成电子这个名字是为了纪念古希腊语中的琥珀一词:另一种与布料摩擦时会显示出带电特性的材料。

原子的组成

实验表明,所有的物体都是由极小的“积木”组成的原子并且这些原子又由已知的较小部件组成粒子。称为包含大多数原子的三个基本颗粒质子中子电子。虽然大多数原子是由质子、中子和电子组成的,但并不是所有的原子都有中子;一个例子是氢的质子同位素(1H1)(氢-1),它是氢的最轻和最常见的形式,只有一个质子和一个电子。原子太小,看不见,但如果我们能观察到一个原子,它可能是这样的:

原子组成

尽管一块材料中的每个原子都倾向于作为一个单位聚集在一起,但实际上在电子和中间的质子和中子群之间有很大的空隙。

这个粗略的模型是碳元素的模型,包含6个质子、6个中子和6个电子。在任何原子中,质子和中子都紧密地结合在一起,这是一种重要的性质。在原子中心紧密结合的质子和中子团被称为原子,原子核中的质子数决定了其元素标识:改变原子核中的质子的数量,并且改变它的原子类型。事实上,如果您可以从潜在原子核的核心中删除三个质子,您将达到旧的炼金术师的梦想生产黄金原子!质子中质子的紧密结合是负责化学元素的稳定的身份,以及炼金术师的失败来实现他们的梦想。

中子对原子的化学性质和性质的影响要比质子小得多,尽管它们被束缚得如此紧密,很难添加或移除原子核。如果添加或获得中子,原子仍将保持相同的化学特性,但其质量将略有变化,它可能变得奇怪诸如放射性之类的特性。

然而,电子在原子中比质子或中子有更大的自由运动。事实上,它们被撞出各自的位置(甚至完全离开原子!)所消耗的能量要比在原子核中驱逐粒子所消耗的能量少得多。如果发生这种情况,原子仍然保持它的化学特性,但一个重要的不平衡发生了。电子和质子之所以独特,是因为它们在一定距离内互相吸引。正是这种距离上的吸引力导致了摩擦物体之间的吸引力,在这种吸引力中,电子从它们原来的原子中移动到另一个物体的原子周围。

在一段距离内,电子倾向于相互排斥,质子与质子之间也是如此。质子在原子核中结合在一起的唯一原因是一种更强的力,叫做质子强大的核力量只有在很短的距离下才会起作用。由于单个粒子之间的这种吸引/排斥行为,电子和质子被认为具有相反的电荷。也就是说,每个电子带一个负电荷,每个质子带一个正电荷。在一个原子内,它们的数量相等时,会相互抵消,因此原子内的净电荷为零。这就是为什么一个碳原子有6个电子:以平衡原子核中6个质子的电荷。如果电子离开或额外的电子到达,原子的净电荷将不平衡,使原子作为一个整体“带电”,导致它与带电粒子和附近的其他带电原子相互作用。中子既不被电子,质子,甚至其他中子所吸引也不排斥,因此被归类为完全不带电荷。

当物料的某些组合一起摩擦时,电子到达或离开的过程是什么:来自一种材料原子的电子被摩擦迫使它们各自的原子并转移到另一个材料的原子上。换句话说,电子包括Benjamin Franklin的“流体”假设。

什么是静电?

物体之间这种“流体”(电子)不平衡的结果被称为静电。它被称为“静态”,因为移位的电子在从一种绝缘材料移动到另一种绝缘材料后趋向于保持静止。在蜡和羊毛的情况下,通过进一步的实验确定,羊毛中的电子实际上转移到了蜡中的原子,这与富兰克林的猜想恰恰相反!为了纪念富兰克林对蜡的“负电荷”和羊毛的“正电荷”的定义,人们称电子具有“负电荷”的影响。因此,如果一个物体的原子接收到了多余的电子,那么这个物体就被称为电子过剩否定充电,而据说缺乏电子的原子的物体积极指控,虽然这些指名看起来很混乱。当人们发现电“流体”的真正性质时,富兰克林对电荷的命名已经确立得太好了,不容易改变,直到今天仍然如此。

迈克尔·法拉第证明了(1832年)静电和电池或发电机产生的静电是一样的。静电在很大程度上是讨厌的。黑色粉末和无烟粉末中添加了石墨,以防止因静电而着火。它会损坏敏感的半导体电路。虽然有可能产生由高电压和低电流的静电特性驱动的电机,但这是不经济的。静电的少数实际应用包括静电印刷、静电空气过滤器和高压范德格拉夫发生器。

点评:

  • 所有材料都由已知的微小“构建块”组成原子
  • 所有自然存在的原子都含有一种叫做电子质子,中子,除了质子同位素(1H1)氢气。
  • 电子带负电荷(-)。
  • 质子具有正电荷(+)电荷。
  • 中子没有电荷。
  • 电子比质子或中子更容易从原子中分离出来。
  • 原子核中的质子数决定了它作为唯一元素的身份。

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