两种电荷

官方物理老师·12 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
电荷静电摩擦起电

两种电荷

看透同斥异吸的微观成因,掌握摩擦起电与电荷守恒

按 空格/→ 演示下一步

1 / 12 页

全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放

电荷静电摩擦起电

两种电荷

看透同斥异吸的微观成因,掌握摩擦起电与电荷守恒

1第 1 页 · 两种电荷

电荷

电荷:定义、要点与典型应用

电荷
电荷:定义、要点与典型应用
2第 2 页 · 电荷

摩擦起电

上页我们认识了电荷——它守恒、可加可减。那电荷是怎么"跑到"物体上的?冬天脱毛衣噼啪作响、梳子梳头后能吸起纸屑,这些常见现象都来自摩擦起电。

电子转移
摩擦时电子从束缚力弱的物体跑到束缚力强的物体上
不是质子在动
原子核对质子束缚很紧,实际转移的只是外层电子
电荷总量守恒
摩擦前后两物体电荷代数和不变,只是重新分配
工程应用
静电复印、静电除尘、避雷针、油罐车接地链
两个人分一袋糖对应 →摩擦起电

松手的人让出糖,紧抓的人多拿糖,糖总量不变

3第 3 页 · 摩擦起电

电荷量

知道一根带电体带的是正电还是负电,只是第一步——还得知道它带了多少。电荷量就是描述「多少」的物理量。

定义与符号
描述电荷多少的物理量,用 Q 或 q 表示,是标量
单位
国际单位为库仑,简称库,符号 C
元电荷
e ≈ 1.6×10⁻¹⁹ C,是自然界电荷量的最小单元
电荷守恒
电荷既不能创造也不能消灭,孤立系统总电荷量不变
物体只能由整数个原子构成对应 →电荷只能由整数个元电荷构成

1.5 个原子不存在,1.5 个元电荷也不存在——这就是量子化

Q=ne(n=±1,±2,±3,)Q = ne \quad (n = \pm 1, \pm 2, \pm 3, \dots)
4第 4 页 · 电荷量

正电荷与负电荷

正电荷与负电荷:定义、要点与典型应用

正电荷与负电荷
正电荷与负电荷:定义、要点与典型应用
5第 5 页 · 正电荷与负电荷

验电器

我们已经知道摩擦能让物体带电——气球在头发上擦一擦就能吸起小纸片。但怎么严谨地证明一个物体确实带了电?光凭感觉不够,需要一个把'看不见的电荷'变成'看得见的现象'的工具。这就是验电器。

结构组成
顶部金属球、中间金属杆、下方两片金属箔,整体密封在玻璃罩内
工作原理
带电体接触金属球,电荷沿杆传到两箔片,同种电荷相互排斥使箔片张开
判断带电与多少
箔片是否张开=是否带电;张开角度越大=所带电荷量越多
局限性
仅靠验电器本身无法区分正负电荷,需用已知电荷的物体做对比
天平指针偏转显示重量对应 →验电器箔片张开显示电荷

都把不可见的物理量转化为肉眼可见的机械动作

6第 6 页 · 验电器

原子结构

上一页讲到验电器能分辨正电和负电——那这两种电荷到底「藏」在哪里?答案得从原子的内部结构找起。

原子结构
原子由中心的原子核和核外绕行的电子组成
质子
原子核内的带正电粒子
电子
核外运动的带负电粒子
电中性
正负电荷数量相等,对外不显电性
带电本质
摩擦起电是电子发生转移,不是凭空产生电荷
微型太阳系对应 →原子结构

太阳=原子核(集中几乎全部质量),行星=电子(绕核运转)

7第 7 页 · 原子结构

电子电荷量

上一页我们知道了原子结构——电子绕原子核运动。那电子身上的「负电」到底有多大?自然界里有没有一个最小的、不能再分的电荷单位?

元电荷 e
自然界最小的电荷单位,e≈1.602×10⁻¹⁹ 库仑
电荷量子化
任何带电体的电荷量都必须是 e 的整数倍
密立根油滴实验
1909 年密立根通过油滴实验首次精确测得 e
典型应用
半导体载流子计算、电解析出量、X 射线强度计量
人民币最小单位 1 分钱对应 →元电荷 e

金额都是 1 分的整数倍;电荷都是 e 的整数倍,e 是「不可再分」的最小单位

e1.602×1019Ce \approx 1.602 \times 10^{-19}\,\text{C}
8第 8 页 · 电子电荷量

导体和绝缘体

我们已经知道,金属中的部分电子可以在材料内部移动;当电荷想从橡胶、玻璃中通过时,却会遇到很大阻力。材料让电荷移动的难易,引出导体和绝缘体。

导体
内部有较多可自由移动的电荷,金属、石墨、电解质溶液等较易导电
绝缘体
内部可自由移动的电荷很少,橡胶、玻璃、干燥木材等通常不易导电
导电差异
导电能力主要取决于载流子数量、迁移率及材料结构,并非简单的“有电没电”
并非绝对
受潮、受热或强电场作用时,绝缘体也可能漏电,甚至被击穿
典型应用
导线用导体传输电流,塑料外皮用绝缘体限制电流路径
水渠与堤坝对应 →导体与绝缘体

水渠让水沿指定路线流动,堤坝阻止水流;导体让电荷移动,绝缘体限制电荷移动。

9第 9 页 · 导体和绝缘体

自由电子

我们已经看过原子结构,知道电子绕核运动。但金属中的电子并非都老老实实待在原子身边——有一类'离家出走'的电子,是导电的关键。

自由电子定义
脱离原子核束缚,能在整个金属内部自由移动的电子
为何成为'自由'
金属原子最外层电子结合能极低,脱落后形成共有化电子
数量极为庞大
单位体积内自由电子数可达 10²⁸ /m³ 量级
定向移动即电流
在电场作用下自由电子定向漂移,这就是金属导电的本质
公共图书馆的共享书对应 →金属中的自由电子

不再专属某个人(原子),可在整个馆(导体)流动

10第 10 页 · 自由电子

本节要点

  • 起电本质是电子转移,总电荷守恒
  • 元电荷 e≈1.6×10⁻¹⁹C,电荷量子化
  • 同种相斥、异种相吸是验电器原理
  • 导体与绝缘体的差异在自由电子能否自由移动
  • 正负电荷是电子得失的宏观表现
延伸主题:库仑定律:定量描述电荷间作用力静电感应:电荷如何重新分布电场:电荷间相互作用的媒介
11第 11 页 · 本节要点

课后思考

三道开放题,先遮住参考答案自己思考,再对照看思路点拨。

1既然原子由带正电的原子核和带负电的电子组成,为什么日常接触的大多数物体平时并不带电?

参考答案原子核的正电荷总量与所有核外电子的负电荷总量相等,正负相互抵消,整体对外不显电性,这就是电中性。要让物体带电,必须有电子在物体间发生转移。

2冬天脱毛衣时常听到“噼啪”声甚至看到小火花,试着用摩擦起电和电荷转移解释这一现象。

参考答案毛衣与身体或内衣摩擦时,电子在两者间发生转移,使一方带正电、一方带负电。累积的电荷在电压足够高时击穿空气放电,于是产生噼啪声和小火花。

3验电器能判断物体是否带电,但它能否区分带的是正电还是负电?为什么?

参考答案仅靠验电器无法区分。箔片张角只反映“是否带电”和“带电多少”,不反映电荷符号。要判断正负,必须用一个已知电荷的物体靠近,根据吸引或排斥来判断。

12第 12 页 · 课后思考