书城科普读物探索未知-电磁学知识漫谈
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第6章 摩擦起电

人类对电的认识是从静电开始的。早在我国汉朝,著名学者王充在《论衡》一书里就有过“顿牟掇芥”的记载。“顿牟”是一种琥珀,是植物树脂经过石化的产物;“掇芥”就是拾起轻小物体。意思是说,摩擦过的琥珀,具有吸引轻小物体的本领。其实,别的物体经过摩擦,也会“掇芥”。把塑料钢笔杆在干燥的头发或者衣服上摩擦几下,然后靠近干燥的小纸片、粉笔末,笔杆就把它们吸了起来。你也许有过这样的体验,在空气干燥的时候,用赛璐珞梳子梳干燥的头发,头发总要竖起来,梳不平顺;拿这个梳子靠近小纸片,小纸片立刻飞到它上面。

物体经过摩擦以后能够吸引轻小物体的现象叫做摩擦起电,带了电的物体叫做带电体。任何两种物体摩擦,都可以起电。你可以做一个实验:把一根干燥的细长圆木棍搁在椅背上,使它处于平衡状态。然后拿一张干燥的报纸平铺在门板上,用干燥的手心(也可以用干燥的刷子)在报纸上来回地刷。刷一阵子以后,报纸像刷了浆糊那样地贴在门板上了。揭下报纸,挨近木棍,报纸就把木棍吸了过来。慢慢移动报纸,木棍也跟着转动。这是经过摩擦的报纸带了电的缘故。

你可能会有疑问,所有物体都能摩擦起电的说法不对。一手拿金属棒,一手用丝绸去摩擦,金属棒就没有起电,不能吸引轻小物体。但是,如果戴上干燥的橡皮手套重做这一实验,金属棒一定会带电。这是为什么呢?原来,金属棒、人体和大地会传递电荷,摩擦产生的电荷被迅速传到大地上;而橡皮不会传递电荷,因此在后一种情况下,金属棒就带电了。

容易传递电荷的物体,像金属、碳、大地、人体、各种酸、碱、盐的水溶液等,叫做导体;不容易传递电荷的物体,像琥珀、橡胶、玻璃、石蜡、塑料、纸、油类、干木材、空气等,叫做绝缘体。当然,导体和绝缘体之间也没有绝对的界限。随着条件的改变,绝缘体的导电能力也会增强,甚至变成导体。比如木材湿了,玻璃加热到红热的程度,就都变成导体了。

物体摩擦可以起电,这电从哪里来的?为了寻找问题的答案,美国科学家富兰克林在18世纪中叶做了下面的著名实验。

甲、乙两人并立在和地面绝缘的蜡板上,丙直接站在地上。开始,甲用手摩擦玻璃管,使玻璃管带电。然后乙用手指接触甲手里的玻璃管,乙身上也带了电。最后,甲、乙两人分别同丙接触,结果在接触的时候都出现了电火花。但是,如果乙和甲手里带电的玻璃管接触之后,又和甲的身体接触,那么他们分别接触丙的时候,就都没有火花产生。为什么呢?富兰克林解释说,甲、、乙丙三人所带的电本来处于正常状态,因为摩擦使甲身上的一部分电转移到玻璃管上,乙接触玻璃管的时候电就转移到乙身上。这样一来,甲身上的电减少了,乙身上的电变多了。因此当他们分别接触电量处于正常状态的丙的时候,就产生了电火花,使三者所带的电重新处于正常状态。如果乙接触玻璃管以后又接触甲,电就会在他们之间流通,使甲、乙达到摩擦以前的正常状态,因此甲乙接触丙的时候就不会有电火花。

富兰克林认为,电不是摩擦“创造”出来的,只是从一个物体转移到另一个物体,并且在任何一个绝缘体系里总电量是不会变化的,这是电荷守恒定律的最早表述。在这次实验中,富兰克林首创了用“-e”表示甲身上的电荷,用“+e”表示乙身上的电荷。这是电学史上第一次用数学上的正负概念来说明两种电荷的性质。

过去,人们只知道有“玻璃电”、“橡胶电”、“松香电”等,自从富兰克林提出正电、负电以后,人们发现,无论哪一种电都可以归结为正电或者负电。于是就规定,和用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电相同的叫做正电,和用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电相同的叫做负电。

后来建立起来的电子论,完全证明了富兰克林假设的正确。电子论认为,任何物体都由原子构成。原子由带正电的原子核和带负电的绕核转动的电子所组成。由于正负电量相等,在通常情况下,原子不显电性,整个物体也是中性的。原子核里的正电数量很难改变,而核外电子的数目却不难改变。物体失去一些电子,它就带正电;得到额外的电子,它就带负电。

两个物体互相摩擦,其中必定有一个失去一些电子,另一个得到额外的电子。摩擦起电不是创造了电,只是把正负电荷分开,使电子从一个物体转移到另一个物体上。比如用丝绸摩擦玻璃棒,就是把玻璃棒上的一部分正负电荷分开,使电子转移到丝绸上,玻璃棒失去电子就带正电,丝绸得到电子就带等量的负电。

让两个带等量异种电荷的物体互相接触,如果带负电的物体把额外的电子完全传给带正电的物体,两个物体就都恢复到不带电状态。这种现象叫做正负电荷中和。如果让两个带异种电荷的物体靠近,在它们之间就会发生火花,同时发出劈劈啪啪的响声,这是一种放电现象。当你从身上脱下毛衣和头发相擦的时候,会听到细微的爆烈声;如果在黑暗中,还可见到点点闪光。这是摩擦产生的电在你身上形成的现象,通过放电正负电荷得到了中和。