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1、第三节 正电荷与负电荷每个原子里都含有带正电的质子和带负电的电子，那么，岂不是所有物质都带电了吗？是的，一切 物质都含有电，这并不奇怪，只是一般情况下，原子里的质子数和电子数总是相同，一个质子带一个正 电荷，一个电子带一个负电荷，正电量与负电量相同，而性质相反，所以相互抵消了电性，物体在平时 对外就不显示电性，这叫做电中性。1. 带电体的产生在某些情况下，却会让物体带电，改变原来的电中性状态。比如，我们用丝绸去反复地摩擦玻璃棒 几下（图1），这根玻璃棒可以吸引一些较小的纸屑（图2）。究其原因，是每种物质的原子对最外层电子 的束缚力有所不同，用丝绸摩擦玻璃棒时，玻璃棒上的一些电子会转移到丝绸上，
2、少了电子的玻璃棒， 会由原来的电中性，变为带电体，可以吸引一些轻微的东西，比如纸屑、毛发等等。电子带负电，质子带正电，那么，失去电子的玻璃棒，电子数就会少于质子数，负电量小于正电量 玻璃棒就对外显示正电的特性。玻璃棒失去的那些电子去了那里呢？转移到了丝绸上，所以此时的丝绸 也成了带电体，但是，丝绸由于多了电子，负电量大于正电量，就对外显示带负电的特性。图 1 图2 假如用毛皮去反复的摩擦橡胶棒，橡胶棒里的原子对电子的束缚力大于毛皮，毛皮上的一些电子就 会向橡胶棒转移，从而使橡胶棒带上了多余的负电荷，我们说，橡胶棒带上了负电。当然，失去电子的 毛皮就带上了正电，图3形象的示出了这个过程。图3在上
3、面的实验中，我们了解到，物体当上负电或正电，都是电子的转移引起的，这些带负电荷的电 子是看不见摸不着的“隐形者”，从这个物体转移到另外的物体，使得物体由此带电。实际上，一般情况 下，都是该物体的最外层电子的转移现象，就是我们前面讲过的受原子核的束缚力最弱的那个最外层的 电子发生了转移，而不是其他层的电子发生了转移现象，更不是质子发生了转移现象。电荷不会凭空产生，只是从这个物体转移到另一个物体，也没有凭空消失，正负电荷的总量没有发生任何改变，这叫电 荷守恒定律。在上面的试验中，实验材料橡胶棒、丝绸等，这些物质的原子里面的最外层电子，在没有摩擦以前， 只是做些无规则的热运动，在反复的摩擦过程中，就
4、会变为“自由电子”，从某个物体“定向”地转移到 另一个物体。不过，大家不要太争纠一些名词、术语，做热运动的最外层电子，虽然看似“无规则”，其实都要受 到原子里的原子核的束缚力，在这个受力的范围内做无规则的运动，当由于某种原因使得电子摆脱了这 个束缚力，就成为了自由电子。但是，在一些电子学著作的叙述中，金属导体里原子的最外层电子，在 正常情况下也会称为“自由电子”，比如这样的叙述：“这些自由电子做无规则的热运动”，这种叙述也没 什么不可以。大家学习电子学，要善于从本质上来掌握知识。那些毛皮或橡胶棒，丝绸或玻璃棒，无论是失去电子还是获得了多余的电子形成的带电体，正负电 荷都比较安静的存在于其中，我
5、们说，该物体带上了静电，这些电荷称为静电荷。实际上，我们平时就 会接触并感知静电的存在，比如，用尼纶柄做的梳子梳头后，这把梳子也会变得可以吸引细小的、轻微 的物体。我们冬天穿的毛衣，在晚上脱下时会由于摩擦发出放电的火花，并且伴随噼噼啪啪的声响；夏 天的雷雨天气，那些骇人的雷电，就是天空中的云彩之间相互摩擦带上了大量的电荷，对大地表面的放 电。诸如此类的现象，都是静电的放电现象，简称静电现象。2. 电子转移的奥妙并不是所有的两种物质产生了摩擦，就都会发生电子转移的现象，那么，那些物质之间容易发生电 子转移的现象，成为带电体呢？原来，每种原子对最外层电子的束缚的本领有差异，用束缚电子的本领有显著差
6、异的两种物质相互 摩擦，就容易产生电子转移的现象，不言而喻，束缚本领大的总是获得电子成为带负电的带电体，束缚 本领小的容易失去电子就会成为带正电的带电体。一些常见物质束缚电子的本领，由弱到强例举如下： 毛皮V玻璃V云母V羊毛V尼纶V丝绸V橡胶V金属V松香。3. 正负电荷的特性：同性相斥，异性相吸如果手持一根带正电的玻璃棒，靠近一个悬挂着的同样带正电的玻璃棒，这根悬挂着的玻璃棒会偏 向一边，好像受到手持玻璃棒的一个无形的推力，如图4a所示。同样带负电的橡胶棒靠近时，也会发生 这种现象，如图4b所示。但是，当一根带负电的橡胶棒和带正电的玻璃棒靠近时，玻璃棒会主动的去偏 向橡胶棒，马上吸引在一起，如
7、图4c所示。图4我们继续用小球做实验，象图5那样，会发现同样的现象：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引， 这就是电荷定律。电荷只有两种，要么是正电荷，要么是负电荷。一个正电荷与一个负电荷的电量是一 样的，只是性质相反。一个电子所带的电量是微不足道的，在上面的试验中，会有无数个电子发生转移 现象，电学中用库仑这个单位来度量电荷的多少，规定6.24X1018个电子所带的电量，是1库仑，库仑 的符号用Q或q表示，这是为了纪念科学家库仑先生，库仑就是电量的单位。所谓电量，就是指一个物 体带上了多少个电荷，数出某带电体上有多少个额外获取的电子数目是不可能的，我们一般根据带电体 的对外显示的作用效果，来判
8、断带电量的多少。可以想象，效果越明显、越强大，该物体所带的电量就 越多，雷雨季节的天空上的带了大量电荷的云彩，放电时可以把一棵数劈断，这不是一把梳子由于摩擦 头发获取的电量产生的效果可以比较的。南亍抽住请茅同曲収制加-吸引这亍图形”可殴衷示一吓 e正电荷“也可以表示一牛带正电的物怵这于團形，可以表示一牛 鱼电荷.也可収恚示一全 带负毘的物体图54. 电场的概念 在上面的实验中，我们看到，那些带电体即使还没有充分的接触，就产生了力的作用要么趋向 于吸引，要么产生排斥，这说明，带电体之间通过周围的空间就可以产生相互的作用。科学研究认为， 在电荷的周围空间存在一种特殊的物质虽然看不见摸不着，但是真实
9、的存在，电荷通过这种物质来 传递电的作用，这种物质，称为电场。也可以认为，两个电荷之间的相互作用，就是一个电荷产生的电 场，对另外一个电荷的作用。在电子学中，我们说某一物体带上了正电荷或负电荷，无论带上了多少个正电荷或负电荷，我们都 可以描述为：此物体带上了正电或负电，是正电体或负电体。在电子学上，一个带电体，或者说一个电 荷，都看做一个“点电荷”来研究。一个质子或者一个带正电的物体，都可以看做是一个正的点电荷；一个电子，或者说一个带负电的物体，都可以看做一个负的点电荷。我们一般用“+”号表示一个正电荷，或一个带正电的带电体，用“-”号表示一个负电荷，或一个 正的带电体。点电荷在一个电场中所受
10、到的作用力，叫做电场力，用符号 F 表示，单位是牛顿。电场力 的大小与该点电荷所带的电量成正比，两个或多个电荷之间产生的这种电场力，就是通过电场来传递的 即使电荷之间没有接触，也会产生力的作用。电场力可以让物体产生运动，比如上面的实验中，玻璃棒 把纸屑吸引起来，等等。假如玻璃棒上所带的电荷越多，那么，那些纸屑就会被吸引的越多，而且吸引 的速度也会变快，这就是“电场力与电量成正比”的意思。那么，产生了多大的作用力呢？怎么去度量呢？“电场强度”这个名词，就是用来描述电荷受到“多 大的作用力”以及电荷的受力方向的一个概念。不过，我们这里不去更为深入的讲解。我们也经常会用到“电场线”的概念来描述电场，
11、这样比较直观，图 6 示出一个带正电的小球和一 个带负电的小球之间产生的电场，那些线条，就是所谓的“电场线”。图6我们看到，这些线条是有方向的，由正电荷指向负电荷，这个方向，其实是人为的规定，是电学中 的规定。单独的一个正电荷或负电荷，是这样绘制的（参考图7）：图7我们看到，一个正电荷的周围的电场线的方向，是指向外围的，负电荷的电场线的方向指向自身 假定是两个正电荷之间产生的电场，是这样绘制的（参考图8），可以直观的看出是相互排斥的关系。图8两个负电荷之间产生的电场，和图8类似，只是箭头的方向相反。在电子学的专门的研究中，为了 便于比较研究对象产生了多大的电场强度，可以把那些线条画的稀疏一些或
12、稠密一些。5. 电荷的流动 我们用丝绸摩擦金属棒（注意不是玻璃棒）后，假如做这个实验的人，脚踩在一个干燥的木板上与 大地绝缘，这根被摩擦过的金属棒，也可以吸引细纸屑（图 9），此时，这根金属棒已经成为带电体。但 是，如果去掉木板，让人体与大地短暂的充分接触，金属棒就不会再吸引纸屑，究其原因，是因为摩擦 后产生的电荷，经过金属棒和人体流入了大地，这就是物体的导电现象。人体、金属、大地可以导电， 木板不会导电，我们说，可以良好导电的物体是导体，不会导电的物体是绝缘体，电荷可以在导体上流 动。睢遨千tff接下来，让我们再做一些实验，物理学或电子学，总是基于实验的一种学问。图 10 上的两幅图所示的是
13、一种经常做实验用的金属箔验电器，当手持一个带电体接触验电器顶部的 金属球后，带电体上的电荷会经过金属杆的导电作用到达下面的两个靠近的金属箔片，这个带电体无论 是负电带电体，还是带正电的带电体，都会使下面的两片金属箔张开，同种电荷互相排斥嘛。即使我们 让带电体已经离开了金属球，带电体上的电荷还会存在于金属箔片上，一直是张开的状态，直到因为某 种原因失去电荷的时候，箔片才会恢复原来的合起来的状态。图 10在下面的图11 （甲）中，是两个金属箔验电器，假设A验电器已经带上了正电荷，B验电器带上了 负电荷，当我们用一根金属棒搭在两个验电器的顶部金属球时（乙图），B验电器上的带负电的电子，会 经过这根金属棒向带正电的A验电器流动，B验电器中的电子，在金属棒上定向移动的这种现象，就叫电 流，或者说，就可以形成电流。直到两个验电器上的金属箔上的电子数都相等时，这个电流才会停止。甲乙图11在下面的章节里，我们开始研究“流动的电荷”，就是关于导体上的电子定向移动的“各种问题”。
