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第8章 电的类型和起电方式

电的类型

电有不同的类型。

根据自由电子在传导物体内是否移动,其方向是否随时间而改变以及怎样改变等特征,我们可将电大致划分为几种类型:静电和动电。动电又分为直流电(恒稳直流、脉动直流)和交流电(单相交流、三相交流)。

静电是由于受摩擦力等外力作用,使两种相关物体发生了自由电子的得失(呈现了带不同电荷的状态)而产生的,由于它不能在带电物体内“流动”,故称静电。它的应用范围也就因此受到了极大的限制,尤其是它无法作为生产上的动力来加以应用。

动电是使电能够按照人们的意愿、在规定的通路内“流动”的一种电。最初的动电,是由伏打电池与蓄电池产生的。电池内的化学反应(化学能)提供了使电不断地“流动”的原动力,故常称其为电源。由于动电能够持续不断地产生与存在的这一特性,使得它的应用范围越来越广。

大量自由电子的有规则移动便形成了电流。电流的方向习惯上规定为正电荷(带正电的物质基本微粒)的运动方向(即由电池的正极到负极)。实质上正电荷(如质子等物质基本粒子)并不会发生这种运动,只是带负电的自由电子才会作有规则的移动,故电流运动的实际方向(电子运动方向)应该是由电源的负极到正极。由于最初人们并未能认识到这一点,所以至今都是人为地规定电流的方向(为由电源的正极到负极),且一直沿用下去。

电流方向不随时间改变的电称为直流电。其中,方向和大小均与时间无关、始终保持不变的叫恒稳直流;方向不变而大小随时间发生规律性变化的叫脉动直流。另一种是电流的方向随时间发生周期性交替变化的则称为交流电。交流电通常又有单相交流与三相交流之分。

起电方式

要想使物体带电,主要有三种方式:摩擦起电、感应起电和接触带电。

1.摩擦起电

当两个物体互相摩擦时,束缚电子能力弱的物体容易失去电子,带上正电;束缚电子能力强的物体容易得到电子而带上负电,使跟它相摩擦的物体得到电子。摩擦起电的实质是电荷发生了转移,但电荷的总量没有改变。

2.感应起电

感应起电是将两导体相连接放入电场中产生静电感应,在两导体分别感应出正、负电荷后,使两导体分离再移出电场,两导体分别带正、负电荷。

3.接触带电

接触带电是将一个导体与另一个带电体接触,从而使这个导体带电的方式。

物体可以分为微观、中观、宏观物体三大类,若要弄清楚摩擦起电的微观机制,必须弄清楚原子的内部结构。汤姆生、卢瑟福等科学家在探索原子的内部结构上作出了巨大的贡献。

1897年,英国的汤姆生发现了比原子小得多的带负电的粒子——电子,实验也证实了电子的存在,从此揭示出原子是具有结构的。一切物质都是由分子构成的,分子又是由原子构成的。分子和原子都是很小的微粒,不但用眼睛看不到,一般的显微镜也看不到。

原子是由位于中心的原子核和核外电子组成的。原子核比原子小得多,原子核的半径相当于原子半径的十万分之一。原子核带正电,电子带负电,电子在原子核的电力吸引下,在核外绕核运动。原子的这种结构称为核式结构,这一情况同太阳系中各种行星绕太阳运动的情形有些相似。在通常情况下,原子核所带的正电荷与核外电子总共所带的负电荷在数量上相等,整个原子呈中性,也就是对外不显示带电的性质。由原子组成的物体也呈中性。但不同物质束缚电子的能力不相同。

A、B两物体,它们开始都是电中性,原子核带两个单位正电荷,核外有两个电子,相互摩擦时,若B物体束缚电子能力强,A物体束缚电子能力弱,则A失去电子带上正电,B得到电子而带上负电。电荷可以在不同物体间转移,并没有消失或产生,即电荷保持守恒。

在历史上,人们用各种各样的材料做了大量的实验,发现带电物体凡是跟绸子摩擦过的玻璃棒互相吸引的,必定跟毛皮摩擦过的橡胶棒互相排斥;凡是跟毛皮摩擦过的橡胶棒互相吸引的,必定跟绸子摩擦过的玻璃棒互相排斥。就是说物体带的电荷要么跟绸子摩擦过的玻璃棒所带电荷相同,要么跟毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷相同,没有第三种可能。自然界中只有这样正负两种电荷。美国科学家富兰克林对这两种电荷作出规定:与绸子摩擦过的玻璃棒所带电荷叫做正电荷,与毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷叫做负电荷。

1882年,英国维姆胡斯创造了圆盘式静电感应起电机,感应起电机旋转盘由两块圆形有机玻璃叠在一起组成,中有空隙,每块向外的表面上都贴有铝片,铝片以圆心为中心对称分布。两盘分别与两个受动轮固定,依靠皮带与驱动轮相连,两根皮带中有一根中间有交叉,转动驱动轮时两盘转向相反。两盘上各有一过圆心的固定电刷,两电刷呈90°夹角,电刷两端的铜丝与铝片密切接触,在盘旋转时铜丝铝片可以摩擦起电。电荷守恒定律电荷守恒定律,物理学的基本定律之一。它指出,对于一个孤立系统,不论发生什么变化,其中所有电荷的代数和永远保持不变。电荷守恒定律表明,如果某一区域中的电荷增加或减少了,那么必定有等量的电荷进入或离开该区域;如果在一个物理过程中产生或消失了某种电荷,那么必定有等量的异号电荷同时产生或消失。