驻极体口罩中的物理

陈伟孟 冯 爽

（1.中国人民大学附属中学，北京 100080；2.北京教育学院物理系，北京 100120）

新课改的物理教学倡导融入最新科研成果、科研动态，加强与生活、生产实际的联系，日常佩戴的口罩就是很好的教学资源，其中蕴含了很多物理知识，学生对此也具有浓厚的兴趣.我们都知道，口罩主要应该有这样的功能和性质：一是将有害物质挡在外侧，保护人在里面不受污染；二是保障干净的空气能自由流通，使佩戴者舒适.比如N95口罩中的“N”代指非油性颗粒物（如粉尘、酸雾、微生物等），“95”代指其过滤效率，在特定气体流量条件下（30 L／min）对物理直径0.075±0.020μm颗粒的过滤效率达到95%以上的口罩.然后，呼（吸）气阻力也是口罩品质的一个重要指标，它是通过呼吸阻力测试仪在特定气体流量条件下通过抽气的负压和吹气的正压得出来的数值.这两个指标一定要相互平衡，如何在同等“厚度”下过滤更小的微粒，具有更高的过滤效率呢？

1 熔喷布口罩

如图1所示的两张电镜照片是普通无纺布和口罩熔喷布放大相同倍数后的比较.普通无纺布的机理是拦截等机械阻挡作用，但这种作用对粒径小于1μm的粒子过滤效果很差，不能起到有效的净化作用.熔喷布具有独特的毛细结构的超细纤维增加了单位面积纤维的数量和表面积.

图1 放大相同倍数的普通无纺布和口罩熔喷布

除原有的机械阻挡作用外，驻极体在空气过滤的过程中增加静电吸附，依靠库仑力直接吸引气流中的带电微粒并将其捕获，或诱导中性微粒产生极性再将其捕获，就可以更有效地过滤气体中的亚微粒子，大大增强过滤效率，而空气阻力却不会增加，就是所谓的高效低阻过滤材料.

2 驻极体与磁铁

“驻极体（Electret）”这一概念从字面上理解是电子（Electron）和磁体（Magnet）的结合体，指的是在除去外电场作用后，弛豫时间较长的或处于亚稳态极化状态的电介质.通俗地讲，驻极体是能够长期储存空间电荷和偶极电荷的电介质材料，一种具有永久性极化的电介质材料.

驻极体与磁铁具有相似性.我们现在知道磁铁和电流都能产生磁场，如图2所示，历史上安培由此受到启发，提出了著名的分子环流假说，认为在原子、分子等物质微粒的内部，存在着一种环形电流——分子电流.分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，两侧相当于两个磁极.如图2（a）所示，一条铁棒未被磁化的时候，内部分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场相互抵消，对外不显磁性.如图2（b）所示，当铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大致相同，铁棒被磁化，两端对外界显示出较强的磁作用，形成磁极.磁体处于高温或猛烈撞击时就会失去磁性，这是因为激烈的热运动或振动使分子电流的取向又变得杂乱无章，宏观上就不显示磁性了.

图2 磁铁的磁化过程

那么驻极体是如何在周围空间产生电场的呢？我们需要了解驻极体的形成过程，其形成过程与铁等磁介质磁化成磁铁的过程是相似的.如图3所示.如果单就极性分子材料形成电极化过程来说，可以类比于永磁体的一种带电体.驻极体中存在着大量微观的电偶极子，它们通常混乱取向而显不出宏观的极化.这些偶极子可以在高温及外电场作用下取向，冷却后再去掉电场，取向被冻结下来而保留某个方向上占优势的宏观极化.因此，驻极体是弛豫时间较长的处于亚稳态的极化了的电介质.当去掉外加电场时，其极化强度会逐渐减小，它的表面电荷就按指数规律或接近指数规律逐渐地衰减.通常，室温下驻极体的极化状态可以长期保存，但在高温情况下衰减得很快.

图3 极性分子的极化

电介质根据分子的情况可以分类为有极分子和无极分子.有极分子指介质分子的正、负电荷中心不重合，分子存在固有电偶极矩，在电场中会发生转向极化.图3所示的有极分子电介质，宏观效果是在垂直电场方向的电介质表面出现电荷.而无极分子指分子的正、负电荷中心重合，分子无固有电偶极矩，会在外电场中发生位移极化，正负电荷中心相对移动而形成电偶极子.无极分子电介质，宏观效果是也会在垂直电场方向的电介质表面产生了电荷.正因为如此，驻极体与永磁体有了许多类似的性质.例如，把一根条形磁铁折成两段，每段仍具有南北两极；若把永电体分割开来，则每一部分的表面也都出现正负电荷.要长期保存永久磁铁的磁性，应当用一块软铁把它的两个磁极连接起来，使磁路闭合；要想把永电体的电荷保持得更持久，也要用一根导线把两极连接起来.

在制备过程中，一般应用的驻极体所储存的电荷，既可以是极性电介质中偶极子有序取向而形成的偶极电荷，也可以是外界注入的单极性真实电荷（表面电荷或空间电荷），或者两类电荷同时兼有.历史上，驻极体的制造是通过先熔化适当的介电材料，比如含有极性分子的聚合物或蜂蜡，然后在强的静电场中重新固化.电介质的极性分子与静电场的方向排成一线，产生带有永久静电“偏向”的偶极化驻极体.现代的驻极体通常在一个高度独立的电介质中埋入过量的电荷，也就是通过电子束的方式，电晕放电，电子注入，通过一个缺口或电介质屏障进行电击穿等.

3 电偶极子与环形电流的再认识

一般滤棉是不会主动吸附空气中的颗粒物的，而当带电粒子在经过驻极体时，受到其静电场的作用，会被强烈地吸附在驻极纤维上.空气中不带电的微尘则会处于驻极体形成的电场中被极化，也会被吸附在纤维上.因此，采用驻极体材料的空气过滤，不用像一般纤维一样仅仅依靠紧密堆积的方式，静电吸附和机械阻拦相互结合，进而能在大幅减小空气阻力的同时，还能保持良好的透气性.靠近驻极体的电介质和导体会发生极化和静电感应现象，就是驻极体静电效应的体现.

然而，是否极化后的分子在电场中一定会受到力的作用？环形分子电流在磁场中一定会受到力的作用？这是学生在学习过程中的易错点和难点.由图4所示的极化分子和分子电流可知，极化后的分子若处于匀强电场中，则分子整体受力会平衡，分子不会发生水平的移动.如图5所示，分子电流也必须处于非匀强电场中才会受到整体的外力作用发生移动，磁铁之间的相互吸引也是这个原因.

图4 匀强电场中的电偶极子和环形电流

图5 环形电流在非匀强磁场中的受力

东汉王充《论衡》中有阐述：“顿牟掇芥，磁石引针，皆以其真是，不假他类.他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也.”其中的“顿牟掇芥，磁石引针”指的是琥珀或龟壳之类的绝缘材料经过摩擦后能吸引干草、纸等的微小屑末，磁石等磁性材料能吸引小铁针等现象.联系我国先哲记述的这些物理现象，这些表述中蕴含了深刻的物理知识和规律，也与学生的生活实际结合起来，深化了对一些宏观现象的微观物理本质的理解.这样，在电荷与电荷间库仑力作用，磁极与磁极相互作用认识的基础上，我们引入极化分子和分子电流在匀强场和非匀强场中的表现进行分析，有利于深化学生对电与磁的理解，形成对相互作用观念的更为全面而深刻的认识.