駐極體口罩中的物理

陳偉孟 馮 爽

（1.中國人民大學附屬中學，北京 100080；2.北京教育學院物理系，北京 100120）

新課改的物理教學倡導融入最新科研成果、科研動態，加強與生活、生產實際的聯系，日常佩戴的口罩就是很好的教學資源，其中蘊含了很多物理知識，學生對此也具有濃厚的興趣.我們都知道，口罩主要應該有這樣的功能和性質：一是將有害物質擋在外側，保護人在里面不受污染；二是保障干凈的空氣能自由流通，使佩戴者舒適.比如N95口罩中的“N”代指非油性顆粒物（如粉塵、酸霧、微生物等），“95”代指其過濾效率，在特定氣體流量條件下（30 L／min）對物理直徑0.075±0.020μm顆粒的過濾效率達到95%以上的口罩.然后，呼（吸）氣阻力也是口罩品質的一個重要指標，它是通過呼吸阻力測試儀在特定氣體流量條件下通過抽氣的負壓和吹氣的正壓得出來的數值.這兩個指標一定要相互平衡，如何在同等“厚度”下過濾更小的微粒，具有更高的過濾效率呢？

1 熔噴布口罩

如圖1所示的兩張電鏡照片是普通無紡布和口罩熔噴布放大相同倍數后的比較.普通無紡布的機理是攔截等機械阻擋作用，但這種作用對粒徑小于1μm的粒子過濾效果很差，不能起到有效的凈化作用.熔噴布具有獨特的毛細結構的超細纖維增加了單位面積纖維的數量和表面積.

圖1 放大相同倍數的普通無紡布和口罩熔噴布

除原有的機械阻擋作用外，駐極體在空氣過濾的過程中增加靜電吸附，依靠庫侖力直接吸引氣流中的帶電微粒并將其捕獲，或誘導中性微粒產生極性再將其捕獲，就可以更有效地過濾氣體中的亞微粒子，大大增強過濾效率，而空氣阻力卻不會增加，就是所謂的高效低阻過濾材料.

2 駐極體與磁鐵

“駐極體（Electret）”這一概念從字面上理解是電子（Electron）和磁體（Magnet）的結合體，指的是在除去外電場作用后，弛豫時間較長的或處于亞穩態極化狀態的電介質.通俗地講，駐極體是能夠長期儲存空間電荷和偶極電荷的電介質材料，一種具有永久性極化的電介質材料.

駐極體與磁鐵具有相似性.我們現在知道磁鐵和電流都能產生磁場，如圖2所示，歷史上安培由此受到啟發，提出了著名的分子環流假說，認為在原子、分子等物質微粒的內部，存在著一種環形電流——分子電流.分子電流使每個物質微粒都成為微小的磁體，兩側相當于兩個磁極.如圖2（a）所示，一條鐵棒未被磁化的時候，內部分子電流的取向是雜亂無章的，它們的磁場相互抵消，對外不顯磁性.如圖2（b）所示，當鐵棒受到外界磁場的作用時，各分子電流的取向變得大致相同，鐵棒被磁化，兩端對外界顯示出較強的磁作用，形成磁極.磁體處于高溫或猛烈撞擊時就會失去磁性，這是因為激烈的熱運動或振動使分子電流的取向又變得雜亂無章，宏觀上就不顯示磁性了.

圖2 磁鐵的磁化過程

那么駐極體是如何在周圍空間產生電場的呢？我們需要了解駐極體的形成過程，其形成過程與鐵等磁介質磁化成磁鐵的過程是相似的.如圖3所示.如果單就極性分子材料形成電極化過程來說，可以類比于永磁體的一種帶電體.駐極體中存在著大量微觀的電偶極子，它們通常混亂取向而顯不出宏觀的極化.這些偶極子可以在高溫及外電場作用下取向，冷卻后再去掉電場，取向被凍結下來而保留某個方向上占優勢的宏觀極化.因此，駐極體是弛豫時間較長的處于亞穩態的極化了的電介質.當去掉外加電場時，其極化強度會逐漸減小，它的表面電荷就按指數規律或接近指數規律逐漸地衰減.通常，室溫下駐極體的極化狀態可以長期保存，但在高溫情況下衰減得很快.

圖3 極性分子的極化

電介質根據分子的情況可以分類為有極分子和無極分子.有極分子指介質分子的正、負電荷中心不重合，分子存在固有電偶極矩，在電場中會發生轉向極化.圖3所示的有極分子電介質，宏觀效果是在垂直電場方向的電介質表面出現電荷.而無極分子指分子的正、負電荷中心重合，分子無固有電偶極矩，會在外電場中發生位移極化，正負電荷中心相對移動而形成電偶極子.無極分子電介質，宏觀效果是也會在垂直電場方向的電介質表面產生了電荷.正因為如此，駐極體與永磁體有了許多類似的性質.例如，把一根條形磁鐵折成兩段，每段仍具有南北兩極；若把永電體分割開來，則每一部分的表面也都出現正負電荷.要長期保存永久磁鐵的磁性，應當用一塊軟鐵把它的兩個磁極連接起來，使磁路閉合；要想把永電體的電荷保持得更持久，也要用一根導線把兩極連接起來.

在制備過程中，一般應用的駐極體所儲存的電荷，既可以是極性電介質中偶極子有序取向而形成的偶極電荷，也可以是外界注入的單極性真實電荷（表面電荷或空間電荷），或者兩類電荷同時兼有.歷史上，駐極體的制造是通過先熔化適當的介電材料，比如含有極性分子的聚合物或蜂蠟，然后在強的靜電場中重新固化.電介質的極性分子與靜電場的方向排成一線，產生帶有永久靜電“偏向”的偶極化駐極體.現代的駐極體通常在一個高度獨立的電介質中埋入過量的電荷，也就是通過電子束的方式，電暈放電，電子注入，通過一個缺口或電介質屏障進行電擊穿等.

3 電偶極子與環形電流的再認識

一般濾棉是不會主動吸附空氣中的顆粒物的，而當帶電粒子在經過駐極體時，受到其靜電場的作用，會被強烈地吸附在駐極纖維上.空氣中不帶電的微塵則會處于駐極體形成的電場中被極化，也會被吸附在纖維上.因此，采用駐極體材料的空氣過濾，不用像一般纖維一樣僅僅依靠緊密堆積的方式，靜電吸附和機械阻攔相互結合，進而能在大幅減小空氣阻力的同時，還能保持良好的透氣性.靠近駐極體的電介質和導體會發生極化和靜電感應現象，就是駐極體靜電效應的體現.

然而，是否極化后的分子在電場中一定會受到力的作用？環形分子電流在磁場中一定會受到力的作用？這是學生在學習過程中的易錯點和難點.由圖4所示的極化分子和分子電流可知，極化后的分子若處于勻強電場中，則分子整體受力會平衡，分子不會發生水平的移動.如圖5所示，分子電流也必須處于非勻強電場中才會受到整體的外力作用發生移動，磁鐵之間的相互吸引也是這個原因.

圖4 勻強電場中的電偶極子和環形電流

圖5 環形電流在非勻強磁場中的受力

東漢王充《論衡》中有闡述：“頓牟掇芥，磁石引針，皆以其真是，不假他類.他類肖似，不能掇取者，何也？氣性異殊，不能相感動也.”其中的“頓牟掇芥，磁石引針”指的是琥珀或龜殼之類的絕緣材料經過摩擦后能吸引干草、紙等的微小屑末，磁石等磁性材料能吸引小鐵針等現象.聯系我國先哲記述的這些物理現象，這些表述中蘊含了深刻的物理知識和規律，也與學生的生活實際結合起來，深化了對一些宏觀現象的微觀物理本質的理解.這樣，在電荷與電荷間庫侖力作用，磁極與磁極相互作用認識的基礎上，我們引入極化分子和分子電流在勻強場和非勻強場中的表現進行分析，有利于深化學生對電與磁的理解，形成對相互作用觀念的更為全面而深刻的認識.