如何做好靜電實驗

袁程

靜電演示實驗是物理教師感到最難做的物理實驗之一，有時在實驗準備時能做成功，一上臺就莫名其妙地不靈了。因此，一些老師很怕做靜電演示實驗，特別是在天氣不好的陰雨天氣。影響靜電實驗成敗的因素頗多，儀器、材料、天氣、操作、清潔等。討論這些因素作用，對每一實驗方法及儀器結構和原理解釋，不能在具體的實驗條件下發現問題的癥結，這時采取有效措施使實驗得以成功。

一、靜電儀器結構原理

要正確有效地使用儀器，使用者對儀器的結構、原理必須有正確的理解?，F行課本中靜電儀器主要是驗電器。驗電器的結構不復雜，原理也不難理解，但也有不少人對它缺乏真正理解。例如，在懷疑驗電器漏電時，常常有人會將絕緣塊墊在驗電器的底座下面，以為電荷是從底座漏到地上了。實際上，這樣做對防止驗電器漏電是一點作用也沒有的。這是因為驗電器之所以能檢驗電荷是因為導電桿和可以轉動的指針是連通的，當導電桿帶電后，指針也會帶同種性質的電荷。同種電荷之間相互排斥而使指針偏轉一定的角度，從而反應出帶電情況。驗電器的漏電實際上是導電桿上的電荷漏至驗電器的外殼，而外殼連底座是可以接地的，把底座和地絕緣開并不能阻止導電桿的電荷漏到外殼上來，則將極大地影響驗電器的偏轉。因為在靜電平衡時，導體的電荷只分布于其外表面。在導電桿與外殼導通的情況下，導電桿、指針及外殼成為一個導體，而指針及導電桿的殼內部分處于整個導體內部，將得不到電荷，指針因此不會產生偏轉，在驗電器底座下加上絕緣座也只能完全是徒勞的。因此，防止這類驗電器漏電的正確方法是設法保持導電桿和外殼之間的高度絕緣。

二、靜電的特點及其所導致的漏電問題

靜電即相對靜止不動的電荷，通常指因不同物體之間相互摩擦而產生的在物體表面所帶的正負電荷。

當一個物體帶有一定量的正電荷或負電荷時，可以稱其帶靜電，靜電是一種相對的稱謂。因為在許多情況下，靜電經過一段時間會慢慢減少，這段時間的長段與物體的電阻有關。實際應用中的兩個極端的例子是塑料和金屬，一般來說，塑料的電阻非常高，因此塑料能長時間保持靜電，而金屬的電阻低，接地的金屬帶電時間極短。靜電通常用伏特表示，雖然220伏交流電源是危險的，但100kv的靜電是很普通的。物體中的電壓由兩個因素決定：物體的帶電量和物體的電容。可以用簡單的關系式表示，即Q=CV，其中Q代表電量，V代表電壓，C代表物體的電容。如果給定物體的電量，那么電容越低，則電壓越高，反之亦然。塑料一般來說電容非常低，因此，很少的電量就可以產生很高的電壓。相反，金屬的電容非常高，因此較多的電量只產生較低的電壓。這就是在實際應用中，使用塑料產生的靜電問題更加令人重視的原因，高電壓會吸引塵土，導致操作員受點擊或導致物體現狀改變。

靜電的高電壓、微電量使得靜電電荷很容易漏，且常常是一漏就光。這種情況在天氣潮濕時尤為突出，為什么會這樣呢？人們自然會想到潮濕的空氣絕緣性差，靜電電荷自然容易通過暴露于空氣中的帶電部分而漏掉。這就使不少老師只有在空氣干燥時才敢在課堂上做靜電演示實驗。實際上這是沒有把握漏電的關鍵所致，因為常見的漏電實際上主要是由于材料的絕緣性能不好引起的。這里特別要指出的是，對于靜電來說，在低壓情況下我們熟悉的不少絕緣體，如硬紙板、干木棒、塑料電線甚至玻璃棒、橡膠棒都是不可靠的絕緣體。在空氣潮濕、材料老化變性或表面不甚清潔時更是如此。課本中介紹的用絲綢摩擦玻璃棒和用毛皮摩擦橡膠棒的起電方法之所以效果不佳，原因不是用這些材料摩擦時不能起電，而是玻璃棒和橡膠棒不易保持住電荷。空氣不夠干燥時，通常被我們視為絕緣體的這些材料在靜電（高壓）條件下形同導體，漏電之快，出乎意料。這就是影響靜電實驗諸多因素中最致命的一個。

三、摩擦起電的方法

摩擦起電是課堂教學中最常用的使用方法，對它的微觀處理，一般教材限于知識要求的程度只給出一個總的解釋，即電是由于得失電子而帶電。但對在摩擦過程中電子轉移的物理解釋，一些老師存在有誤解，導致影響在實驗中有效地使用這一方法。如有些人認為摩擦生熱導致電子的轉移，因而只有快速反復的摩擦才能起電。有經驗的老師在不易起電時，往往易通過緊壓摩擦，而不是壓而緊地反復摩擦成功起電的，其中的道理就與起電機理有關。從物理過程的本質上講，摩擦帶電是一種接觸帶電，它是由于物體內的電子做功不同，相互緊密接觸時，外層電子軌道相互重疊，導致物體的電子轉移所致的。據此，相互摩擦的兩種材料之間擠壓得越緊，就越容易實現電子在兩種材料之間的轉移，而使之分別帶電。

四、做好靜電實驗的關鍵

一般來說，提高靜電實驗的成功率，要把握以下幾點：

1.絕緣材料的選擇和檢驗：通常有機玻璃、泡沫塑料、保鮮薄膜、石蠟塊、尼龍絲等都是適宜做靜電實驗的絕緣材料。材料表面清潔和干燥的狀況對絕緣性能有很大的影響，實驗前應當對絕緣材料的性能進行檢驗。比較簡單的檢驗方法是：取一只驗電器（或驗電羽）使其帶電，手拿待測絕緣體的一端，讓另一端接觸驗電器的導桿，如果驗電器的指針（或張開的驗電羽）不閉合，說明待測物的絕緣性能良好。否則，在實驗前應對絕緣表面進行清潔和除濕處理。

2.選擇有效的起電工具和起電方法：可用高壓靜電起動機起電，還可以用簡易的方法起電-——摩擦起電和感應起電。

如果對帶電量的要求不高，可以摩擦絕緣棒（如有機玻璃棒）使其帶電，再將電荷傳遞給需帶電物體。在傳遞電荷時，考慮到絕緣棒的電荷不是自由電荷，應當使帶電棒在物體表面上移動，盡可能使帶電棒的各部分表面與帶電的物體接觸，以傳遞較多的電荷。

3.注意操作要領：做靜電實驗必須時刻保持"絕緣意識".例如，用導線把驗電器與一帶絕緣座的導體連接起來時，導線夾所夾位置盡可能離驗電器的外殼，導線一定要架空，并盡可能遠離桌面和其他與"地"相通的物體。又如，手持起電盤的絕緣柄時，應避免用手掌握棒，并且應遠離金屬板。

總之，在進行靜電實驗前，必須對儀器進行仔細檢驗，所有絕緣部分都必須采用絕緣性能良好的材料。這里特別值得一提的是使用石蠟可以起到良好的絕緣效果。因為石蠟不僅絕緣性能好，防潮性能更佳。使用時可將蠟熔化在物體部分表面，或用蠟塊作為對地絕緣的墊塊，使實驗獲得較好效果。