带电体吸引轻小物体的物理模型

李 茂

安徽省黄山市祁门一中 安徽黄山 245600

带电体吸引轻小物体的物理模型

李 茂

安徽省黄山市祁门一中 安徽黄山 245600

为什么带电物体能吸引不带电的轻小物体？轻小物体是导体还是绝缘体？一个带电的气球能吸在玻璃上，它的原理和带电体吸引轻小物体相同吗？用摩擦带电的塑料尺子靠近细细的水流，可以看到水流发生偏转，它的原理和带电体吸引轻小物体相同吗？若改用四氯化碳液体代替水流会发生什么现象呢？要弄清楚以上问题，我们必须对带电体吸引轻小物体的物理机制有所理解。本文先建构一个带电体吸引轻小物体的物理模型，然后再分两大类进行讨论。

建构一个带电体吸引轻小物体的物理模型：带电体的周围存在电场，使物体在靠近它的一端“出现”异种电荷，在远离它的一端“出现”等量的同种电荷。由库仑定律可知：两电荷之间的作用力是跟它们的电量的乘积成正比，跟它们间的距离的平方成反比。因此，带电体对较近的异种电荷的吸引力大于对较远的同种电荷的排斥力。当物体比较轻小时，根据牛顿定律这个力可以破坏物体受力平衡，从而使之运动起来，所以带电体能吸引轻小物体。这个物理模型可以进一步细分成两种形式：轻小物体是导体还是电介质(即绝缘体)。本文对带电体吸引轻小物体的物理模型分成两类进行探讨。

一、导体的“感应模型”

如果轻小物体是导体，导体中的自由电荷(金属导体中是自由电子，酸、碱、盐的水溶液中是正、负离子)在外界电场的作用下向与电场方向相反的方向移动，使导体在靠近带电体的一端出现与带电体异种的电荷，远的一端出现与带电体同种的电荷，这种现象叫静电感应。图1所示在外界电场的影响下，中性导体两侧表面会出现等量异种电荷。

图1

带电体吸引轻小物体的“感应模型”：在外界电场作用下导体就“感应出现”等量异种电荷，由库仑定律可知，带电体对较近的异种电荷的吸引力大于对较远的同种电荷的排斥力，再根据牛顿定律，这个力使轻小的导体运动起来，这样带电体就吸引了轻小导体。

带电体吸引的轻小物体若是绝缘体,这能否也能用静电感应来解释呢？答案是不行！轻小物体如纸、发丝等均属电介质(即绝缘体)，组成它们的每个分子都是由带负电的电子和带正电的原子核组成的，并且正、负电荷结合得比较紧密，处于束缚状态，几乎不存在能够自由移动的自由电荷。而静电感应是指处于外界电场中的导体内部的自由电荷受到推斥或吸引而引起的现象。

二、电介质的“极化模型”

1.电偶极子

两个等量异号的点电荷，当它们之间的距离较讨论中所涉及的距离(例如所考察的场点到它们之间的距离)小得多时，这一对点电荷称为电偶极子。

任何物质的分子或原子(以下统称分子)都是由带负电的电子和带正电的原子核组成的，整个分子中电荷的代数和为0。正、负电荷在分子中都不是集中于一点的。但在离开分子的距离比分子的线度大得多的地方，分子中全部负电荷对于这些地方的影响将和一个单独的负点电荷等效。这个等效负点电荷的位置称为这个分子的负电荷“重心”，例如一个电子绕核作匀速圆周运动时，它的“重心”就在圆心；同样，每个分子的正电荷也有一个正电荷“重心”。当正负点荷的“重心”不重合时就构成了一个电偶极子。

电介质可以分成两类：一类电介质，当外界电场不存在时，电介质分子的正、负电荷“重心”是重合的，不能构成电偶极子的这类分子叫做无极分子，比如四氯化碳分子；另一类电介质，即使当外电场不存在时，电介质分子的正、负电荷“重心”也不重合，这样，虽然分子中正、负电量的代数和仍然是0，但等量的正负电荷“重心”互相错开，形成电偶极子，这类分子称为有极分子，比如水分子。下面我们分别就这两种情况来讨论“电介质的极化”。

2.电介质的极化

在外电场的作用下，电介质的表面上出现束缚电荷的现象叫做电介质的极化。

(l)无极分子的极化

无极分子在没有外界电场时，分子的正、负电荷“重心”重合，没有电偶极子存在。当加了外界电场后，在场力作用下每一分子的正、负电荷“重心”错开了，形成了一个电偶极子。对于一块电介质整体来说，其中每一分子都形成了电偶极子，如图2所示。当各个偶极子沿外电场方向排列成一条条“链子”，链上相邻的偶极子间正、负电荷互相靠近，因而对于均匀电介质来说，其内部各处仍是电中性的；但在和外电场垂直的两个端面上就不然了，一端出现负电荷，另一端出现正电荷，这就是极化电荷。极化电荷与导体中的自由电荷不同，它们不能离开电介质而转移到其他带电体上，也不能在电介质内部自由运动。

图2

(2)有极分子的极化

有极分子即使没有外电场，其正、负电荷中心也是分开的，分子两端呈现不同的电性，即存在电偶极子。平时一般由于热运动，大量分子的电荷极性的取向是杂乱无章的，彼此的电性相互抵消，绝缘体表面不会出现净电荷。当存在外电场时，极性分子的正、负电荷端在电场力作用下发生扭转，从而呈现出规则排列(当然，由于热运动的影响，不是绝对的规则，而只是较原来的杂乱无章变得规则了一些)，从而使电介质两侧表面也出现了极化电荷，如图3所示。当然，外电场愈强，分子电偶极子排列得愈整齐。对于整个电介质来说，不管排列的整齐程度怎样，在垂直于电场方向的两端面上多少也产生一些极化电荷。

图3

无极性分子和有极性分子这两类电介质极化的微观过程虽然不同，但宏观的效果却是相同的。带电体吸引轻小物体的“极化模型”：在外界电场作用下电介质就“极化出现”等量异种电荷，由库仑定律可知，带电体对较近的异种电荷的吸引力大于对较远的同种电荷的排斥力，再根据牛顿定律这个力使轻小的导体运动起来，这样带电体就吸引了轻小导体。

电介质的极化现象和导体的静电感应现象虽然相似(都在两侧表面出现异种电荷)，但是有本质区别。后者是导体中的自由电荷发生了定向运动，导体中出现了短暂的宏观电流；前者只是绝缘体分子内部电荷的分布发生了微观的位移，绝缘电介质中不会有宏观电流。

三、结束语

带电体吸引轻小物体的原因解释起来就简单了，如图4所示，当带电体靠近轻小物体时，无论轻小物体是绝缘体还是导体，带电体产生的电场都将通过极化作用或感应作用，使其近端和远端出现异种电荷。库仑定律告诉我们，电荷间的作用力大小跟点电荷间距离的二次方成反比，显然，带电体对轻小物体近端电荷的引力大于对远端电荷的排斥力，轻小物体受到的合力必然表现为引力。当然，带电体对于“重大物体”也是会吸引的，只不过轻小物体更容易被吸起来罢了。对本文一开始提出的问题，相信已经有了正确的答案了。尤其是带电的塑料尺子靠近细细的水流，可以看到水流发生偏转，解释为水是极性分子是不妥的，因为若改为四氯化碳液体做此实验能够观察到同样的现象。

图4

2010-10-22

李茂，硕士，中教一级。