單元壹:靜 電

一、靜電與靜電力

(一)靜電的定義

1.生活中常見到有關靜電產生的現象,例如:電風扇葉片上的灰塵因靜電而吸附,不易清理,靠近帶靜電的電視螢幕頭髮會被吸引等。

2.靜電分佈在絕緣體上,因為是不能自由移動的電荷,故稱為【靜電】。

3.靜電荷有兩種:一是帶正電,一是帶負電,且彼此間有力的作用。

4.兩個帶靜電的物體彼此之間的作用力與電荷的種類和電量的大小有關,此點將在下列「庫侖定律」中詳述。

(二)靜電力與庫侖定律:

1.帶正電與帶負電荷的物體會產生相互吸引作用力,而帶同種類的電荷彼此間會產生排斥力,此種作用力稱為靜電力。

2.靜電力為超距力,不需與物體接觸即有作用力。

3.靜電力並不須要接觸便有作用,屬於【非接觸力】,又稱:超距力。

4.電荷的多寡稱為【電量】,一個質子(或電子)所攜帶的電量是電量的最小的單位,又稱【基本電荷】。

5.計算電量的實用單位是【庫侖】,簡記為『C』。

6.一個電子的電量與質子相等,只是電性相反而已,原子所含的電子數=質子數,又因為兩者所帶的電量相等,故原子為電中性

7.【導體】:電子可在原子間自由運動的物質,例如;金屬、石墨。此種可自由運動的電子稱為『自由電子』。

8.【絕緣體】:電子無法在原子間自由運動的物質,即電阻極大的物質。

 

二、庫倫定律

 (一)影響靜電力的因素:

1.兩帶電體之間的靜電力,與兩帶電體的「電量」和「距離」有關。

2.【庫侖定律】:靜電力的大小與兩帶電體的距離平方成反比,與電量的乘積成正比,這種關係稱為 庫侖定律

3.靜電力與電量的關係

(1)若兩帶電體的距離固定,則改變兩帶電體所攜帶的電量,則靜電力的變化(如圖一)所示:

(2)(圖一)之甲:兩帶電體的電量乘積為1,即(1×1);而(圖一)之乙:兩帶電體的電量乘積為4,即(2×2),依據庫侖定律:靜電力與電量的乘積成正比,故圖乙中兩帶電體的靜電力為圖甲中的4倍。

4.靜電力與距離的關係

(1)若兩帶電體所攜帶的電量固定,則改變兩帶電體的距離,則靜電力的變化(如圖二)所示:

(2)(圖二)之甲:兩帶電體的距離是(圖二)之乙的2倍,依據庫侖定律:靜電力與距離平方成反比,則圖乙中兩帶電體之間的靜電力應為圖甲的4倍。

5.靜電力與萬有引力

(1)根據萬有引力的觀念:「任何具有質量的物體就具有吸引力」,故近距離的兩個帶電體除了會受到靜電力的作用之外,同時也受到萬有引力的作用。

(2)在討論靜電力時,帶電體的質量通常都很小,故帶電體產生的萬有引力非常小,與兩物體間的靜電力的大小相比較;萬有引力因為太小而可以忽略不計。

(二)靜電力與牛頓第三運動定律:

1.靜電力與萬有引力非常類似;它們都遵守牛頓第三運動定律。

2.有甲、乙兩質輕小球的皆帶正電,乙球的電量為甲球的兩倍,(如圖三):則甲、乙兩球之間的靜電力關係分析如下:

(1)圖中甲、乙兩球雖然所攜帶的電量不同,但所產生的靜電力:F1和的F2大小皆相同。

(2)靜電力F1為乙球施於甲球的靜電力,且因為兩帶電體的電性相同,故F1的靜電力為排斥的力,方向向左

(3)靜電力F2為甲球施於乙球的靜電力亦為排斥力,方向向右

(4)若稱靜電力F1為作用力,則F2即為反作用力,且此兩力符合下列條件:大小相等、方向相反、作用成一直線

(5)甲、乙兩球之間的萬有引力可忽略不計。

3.作用力與反作用力是作用在不同的物體上,故合力≠0,若兩帶電體只受靜電力的作用,則兩帶電體都會沿著靜電力的方向做加速度運動,且運動的方向相相反。

(三)、靜電感應:

1.定義:所有物體上皆有等量的正電和負電,故呈電中性,當有帶靜電的物體靠近導體時,導體內與帶電體同性的電荷會因排斥力而遠離帶電體,或稱帶電體吸引導體的異性電荷接近帶電體,使導體上的正、負電荷分離的現象,稱為【靜電感應】。

2.當帶電體與電中性的導體之間的距離愈近時,導體內分離的電荷就會愈多,且與帶電體產生吸引力。

3.導體靠近帶電體的一端因感應而生【異性電荷】,遠離的一端則生【同性電荷如圖四

4.導體兩端因靜電感應所產生的靜電荷;電量相等電性相反

5.帶電體與導體的距離愈近則感應所生的電荷愈多

6.當帶電體遠離導體時,則導體內的電荷又會因均勻分佈而呈現【電中性

 

三、感應起電與接觸起電

(一)感應起電:

1.原理:利用靜電感應而使金屬帶電的方法。

2.電荷有正、負電兩種,分佈在導體上時會流失,分佈在絕緣體上則無法流動,故稱『靜電』。

3.金屬因感應起電所產生的靜電,其電性與帶電體的電性相反
說明:原帶電體所攜帶的電性為負電,經感應起電後,金屬塊帶正電,與帶電體相反。(如圖五)

4.雷電現象:(如圖六)帶靜電的雲層靠近地面時,因【感應起電】而產生與雲層相反電性的靜電,當電量夠大時,雲層與地面的電荷因異性電荷相吸而放電,俗稱【閃電】。

5.避雷針:較高的建築物容易遭受雷繫;為避免雷擊,可利用金屬導線接地,使雲層的靜電荷流向地層深處,如此便可避免雲層的靜電因大量累積而劇烈放電。

6.乾燥的天氣或冬天較易出現靜電,因乾燥的空氣是絕緣體,分佈在物體上的電荷不易流失。

7.靜電實例:

(1)以塑膠尺子在頭髮上摩擦後,小尺子可以吸引小紙片。

(2)冬天脫下毛衣時會聽到霹啪的聲響,這是因為毛衣穿在身上時與其他質料的衣服摩擦而產生靜電,在脫下毛衣時毛衣上的靜電因放電現象而產生的聲音。

(3)開啟電視機時會感到毛髮被螢幕吸引。

(4)撕開免洗筷的塑膠封套時,塑膠封套會吸附在手上難以甩掉。

(5)電風扇常有灰塵吸附在葉片上不易掉落。

(6)衣服上常有毛髮或綿絮吸附,且用手也不易撥落。

(二)、接觸起電:

1.以帶電體靠近一導體使導體產生靜電感應後,再以帶電體接觸導體使其帶電的過程稱為:接觸起電

2.接觸起電的觀察(如圖七)所示;

(1)步驟一:以帶有負電的帶電體靠近一電中性的金屬球,使金屬球產生靜電感應,(亦即正、負電荷分離)。

(2)步驟二:再以帶電體接觸金屬球,此時帶電體上的少量負電荷會移動至金屬球上,並抵消金屬球上的正電荷。

(3)步驟三:最後將帶電體移開,則見金屬球上的負電荷均勻分佈,且球體所帶靜電荷的電性與原帶電體的電性相同

3.接地ground):是一種避免物體帶靜電的方法,亦即將物體以導線接至地面,所有接地的物體會因靜電荷流失至地球而呈現「電中性」。

 

四、摩擦起電

(一)何謂「摩擦起電」?

1.將兩種不同的絕緣體摩擦,會使兩絕緣體帶靜電,且兩物體所帶的靜電『電量相等』而『電性相反』

2.例如雲層與空氣摩擦而帶靜電,塑膠尺子與頭髮摩擦、毛衣與身體摩擦、快速旋轉的風扇葉片與空氣…等,都會因摩擦而產生靜電。

3.摩擦起電必須是兩個絶緣體互相摩擦才會產生靜電,若以金屬導體摩擦則因摩擦所生成的靜電會流失,故不會因摩擦而產生靜電。

4.若將導體與外界有絶緣裝置,則摩擦後也會產生靜電。(如圖八所示):

(二)摩擦起電的原理:

1.原理:兩絕緣體於摩擦時『電子』由一物體轉移至另一物體上而使兩物體皆帶靜電的現象。

2.以毛皮摩擦塑膠製的氣球,則毛皮有少數電子轉移至氣球上,使氣球因得到電子而帶負電,而毛皮因失去電子而帶正電。(如圖九所示):

3.同性電荷之間有互相排斥的靜電力,異性電荷之間則會互相吸引。

4.無論帶正電或帶負電的物體皆會吸引電中性的物體。

5.任何呈電中性的物體,其內部皆同時帶有等量的正電和負電荷,因而表現出不帶電的狀態。

6.任何物質皆是由原子所組成,原子內含有帶正電的『質子』和帶負電的『電子』,且因為質子數目與電子數目相等,故原子呈現電中性。

7.美國科學家富蘭克林的摩擦起電實驗:

(1)絲絹與玻璃棒摩擦後,絲絹會帶負電、玻璃棒帶正電

(2)毛皮與塑膠摩擦後,毛皮會帶正電、而塑膠則帶負電

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