带电体吸引小物体的原理

带电体吸引小物体的原理(总

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带电体吸引小物体的探讨

摘要：带电体能吸引小物体的原因是小物体在带电体的电场作用下也带上了电，金属类的小物体和电介质类的小物体带电的原理不同。

关键词：带电体吸引小物体 静电感应 电介质极化

在中学物理教材里面讲到带电体能吸引轻小物体，为什么带电体会吸引轻小物体的呢？在教学中发现很多学生对这个问题的理解存在疑问。

带电体的周围存在电场，使轻小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。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，所以带电体能吸引轻小物体。构成轻小物体的物质不同，它两端出现等量异种电荷的情况也不同。

通常讲的小物体包括金属和电介质。金属在靠近带电体的时候会发生静电感应现象从而带上电。电介质是指不导电的物质，内部没有可以移动的电荷。若把电介质放入静电场场中，电介质原子中的电子和原子核在电场力的作用下在原子范围内作微观的相对位移，而不能象导体中的自由电子那样脱离所属的原子作宏观的移动。达到静电平衡时，电介质内部的场强也不为零。这是电介质与导体电性能的主要差别。

一、带电体吸引导体类小物体的原理

电荷能够从产生的地方迅速转移或传导到其他部分的物体称作导体，如金属、电解液、人体、地球等。带电体靠近金属小物体靠近小金属物体时，在外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面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。小金属物在带电体的电场作用下发生静电感应现象，小金属物体就变成了一个两端带异种电荷的带电体。从宏观上看，小金属物体由于两端带等量异种电荷而表现出不带电，但是从微观分析小金属物的受力可以发现带电体给小金属物两端的异种电荷的库伦力并不能相平衡。如图1示，假设一带正电小球靠近一个小金属物，小金属物左端将带上负电，右端带上等量的正电。由于右端比左端离带电球距离更大，因此F1>F2，小金属物受的合力方向指向带电球，这个合力使小金属物往带电球靠近，直到被吸引到带电体上。实验证明起电机上的带电金属球靠近铁屑时，铁屑马上会在电场的影响下有震动，有的会直立起来，再靠近点时，就会有被吸到金属球上，且马上被弹下来的现象，可以清晰的听到被弹下来的铁屑打在纸上的啪啪声。产生这个现象的原因是：带电金属球上的电荷是自由电荷可以转移给铁屑，使得铁屑与带电金属球带同种电荷，因此铁屑在吸到带电金属球上后会受到斥力而马上落下来。 二、带电体吸引电介质类小物体的原理

电荷几乎只能停留在产生的地方的物体称作绝缘体，如玻璃、橡胶、丝绸、陶瓷、未电离的气体等。电介质内部没有自由电荷，是电的绝缘体，内部没有可以移动的电荷。若把电介质放入静电场场中，电介质原子中的电子和原子核在电场力的作用下在原子范围内作微观的相对位移，而不能象导体中的自由电子那样脱

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离所属的原子作宏观的移动。电介质在外电场作用下可产生如下3种类型的极化：

①原子核外的电子云分布 产生畸变，从而产生不等于零的电偶极矩，称为畸变极化；

②原来正、负电中心重合的分子，在外电场作用下正、负电中心彼此分离，称为位移极化；

③具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的，宏观上电偶极矩总和等于零，在外电场作用下，各个电偶极子趋向于一致的排列，从而宏观电偶极矩不等于零，称为转向极化。

不同的电介质在外电场作用下所发生的变化的微观机制不同，但其宏观效果是一样的。在均匀的

电介质内部宏观小、微观大的区域内，正负电荷的数量仍然相等因而表现为电中性。但是在电介质的表面上，却出现了只有正电荷或只有负电荷的电荷层，如图2示。

因极化而在电介质表面上或其内部出现的电荷，称为极化电荷或束缚电荷。这一种电荷有别有摩擦起电产生的电荷，摩擦起电产生的电荷虽然不能在电介质内自由移动，但可用传导的方法将它们引走，属于自由电荷。

电介质在电场的作用下也在两端表面出现了异种电荷，由库仑F=Eq可以得，小物体在带电体的电场中受两个力，如图3示， F1>F2，所以电介质做成的小物体也会在电场力的作用下向带电体靠近，直至被带电体吸引住。

在实验室用绝缘性能良好的小羽毛靠近起电机的带电金属球，发现小的羽毛能被吸附到带电金属球上不会掉下来，大片的羽毛不能吸引住，若把不能吸引住的大片的羽毛撕开成多片，发现又能被吸附在带电金属球上。通过多次实验对比分析发现大片羽毛不能吸附在上面的原因是受到的电场力小于重力的缘故。另外验证发现泡沫塑料制作的细小颗粒也能被吸附上去而不会掉下来。由于电介质表面的电荷是束缚电荷不能被转移，所以电介质在被吸到带电体后仍然是两端带等量异种电荷，受的吸引力还是大于排斥力，因而不会脱离带电金属球。

综上所述，带电体不仅能吸引导体类的小物体，还能吸引电介质类的小物体。能吸引导体类的小物体的原因是导体在静电场中发生了静电感应现象，由于受到的电场力合力指向带电体从而被吸引过去；而电介质类的小物体在带电体的电场中不会产生静电感应现象，而是发生极化，在两端表面出现极化电荷，极化电荷受到的电场力的合力指向带电体，从而被带电体吸引。

参考文献：

[1]洪正平，刘杰.《电磁学教程》，山东大学出版社，2001.8

[2] 程守洙，江之永.《普通物理学第五版》，高等教育出版社，2000.2 [3] 刘烈昌.《电介质极化过程中的功能分析》,上饶师范学院学报2003.6

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