静电实验中漏电现象的若干思考

陈大川

摘 要：静电实验是物理实验中的一个非常重要的部分。该文首先对物理静电实验中静电的产生原因进行分析，在物理实验中，静电实验是较为重要的一个内容。静电演示实验，能够加深对电学相关知识的认知与直观地进行把握，以激发对电学知识学习的兴致，并对电学知识进行全面地掌握，然后着重分析静电实验中的漏电现象，最后阐述了选取绝缘材料防止漏电现象的发生。

关键词：静电实验 漏电现象 摩擦生电 电学

中图分类号：O441.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（a）-0222-02

由于影响静电实验成功与否的相关因素非常多，从而致使静电实验的成功率非常低，或者很难达到预期的效果。在静电实验中，一个突出的问题——漏电，是制约实验成功的重要因素，也会对实验者的人身安全产生一定的影响。该文着重对静电实验中的漏电现象进行探讨与分析。

1 静电实验中静电的产生原因

1.1 摩擦带电是最为常见的一种起电方法

当两种不同的物质互相接触的时候，由于这两种物质核外电子的分布情况存在差异性，二者之间便存在着一个电位差（即存在电场E）。由于存在电位差，一般有电子从一个物体转移至另外一个物体中，从而使得前者带有正电（+），那么后者就会带负电（-）。两种物体之间互相发生摩擦，摩擦的作用会使得两种物体之间的接触点的数量增大，接触地更加紧密，从而使得电子转移的机会得以增大，加上摩擦温度地上升，加快了电子转移的速度。然而，从本质上而言，摩擦带电属于一种接触式的带电现象，当两种物质互相接触十分紧密的时候，其主要矛盾为电位差，互相摩擦的两种材料间的挤压程度越大，越容易使得两种材料中电子的转移，而使这两种材料带上电荷，而只有反复而不紧压的摩擦是不容易生电的。所以，在实际的静电实验操作中，若要使得物体带电，就应该互相紧压进行摩擦。

在静电实验中有时使用丝绸摩擦2根玻璃棒，却得到2根玻璃棒带不同性质的电荷的异常现象。根据研究分析认为，使用丝绸摩擦第1根玻璃棒，由于玻璃棒失去电子而带有正电荷，从而使得丝绸得到电子而带负电，当外界空气十分干燥的时候，丝绸上所带有的负电荷不容易丢失。当与第2根玻璃棒同时摩擦的时候，由于摩擦次数比较少或者摩擦力度较小，不仅没有让玻璃棒失去负电荷，反而使得丝绸上的剩余的电子转移至玻璃棒上面，那么这又使得第二根玻璃棒带有负电荷，发生2根玻璃棒相互吸引的现象。为了有效预防异常情况的出现，第2次丝绸与玻璃棒摩擦起电之前，应该使用手充分地与丝绸接触，使得丝绸原来所带有的负电荷释放完全之后，再使用玻璃棒进行摩擦。

1.2 感应带电也属于静电实验中较为常见的方法

静电感应是静电场中的导体之中，自由电荷受到场力作用的移动，电荷会重新分布，最终达到静电平衡的状态，从而使得导体不同的部位带有正、负电荷的现象。感应带电是在静电感应的条件下，使得导体的一侧接地之后，将静电场去掉，那么导体另外一侧额电荷重新分布于导体的表面位置处，应用这种方法使得导体带电的优势之处为：导体极易带电，而且带电量也非常容易得到有效控制，需要注意导体应该与地保持绝缘的状态。

2 静电实验中的“漏电”现象分析

凡是做过静电实验的都有这样的体会，静电实验常常在实验之中的电漏完了，或者根本就未带有多少电荷，那么由此可以看出“漏电”现象是静电实验中的一个重要原因。那么到底是哪些方面的因素导致“漏电”现象的呢？笔者通过实际实验经验，总结如下几点原因：（1）天气潮湿，空气中的自由电荷较多；（2）导体表面有尖端，一般会发生“尖端放电”的现象；（3）绝缘材料绝缘性能差；（4）人为操作方面因素的影响。在环境方面，可以选取干燥、晴朗的天气或者应用电吹风吹干静电仪器的方法对这些问题加以解决；对于“尖端放电”的现象，静电仪器一般需要做成圆弧形状。虽然如此，很多静电实验却很难获得成功。由此可以看出，绝缘材料的绝缘性能是影响静电实验的关键因素。

如下简要的演绎能够证明上述观点。现假设一个导体球（电容量为C，带电量大小为Q0），使用1根绝缘棒（电阻值为R）作为支撑，现假设导体经绝缘棒进行放电，那么即可得到放电的微分方程：

Q/C+R·（dQ/dt）=0 （1）

經计算得出如下结果：

Q=Q0×e-t/（RC） （2）

其电压为：U=（Q0/C）×e-t/（RC） （3）

根据上式（2）可以看出，导体球带电荷量Q由初始电量Q0、导体电容量C、时间t以及绝缘棒的电阻值R共同决定的。如果Q0、C及t值不变，那么R为影响电量Q的因素。那么，对于不同R值的绝缘体而言，其对电量Q 的影响程度到底多大？下面可以进行一些估算，现假设C=10PF，U0=Q0/C=2000V，那么：Q0=U0C=2000V×10×10-12=2.0×10-8C；若此绝缘棒是一根干燥的木棒（长度L为0.2 m，半径r=0.5 cm），那么电阻率≈108Ω·mm2·m-1，那么由此可以计算出电阻R=L/S≈2.5×1011Ω，时间常数=RC=2.5 s。当时间t=8 s的时候，则可计算出电量Q= Q0×e-t/（RC）=8.2×10-10C，而U=Q/C=82 V。现将此绝缘棒改称为石蜡（=1018Ωmm2·m-1）采用上述的方法进行演算，得出如下结果：R≈2.5×1021Ω，≈2.5×1010 s，当t=2 h时，导体球的电压仅仅降低了0.002 V。

由上述推算的结果可以看出，在导体球电容与绝缘支柱大小不变的条件下，导体的带电情况主要受到绝缘体的绝缘状态的决定。所以，要想做好静电实验，选取绝缘性能较好的绝缘材料减少漏电的发生是该实验成功的关键环节之处。

3 静电实验应该对绝缘问题进行考虑

静电实验的主要特征表现在“高电压、微电荷”。所以，在静电实验过程中极易出现“漏电”情况的发生，一旦漏电便会对静电实验的成功性产生直接的影响。所以说，若要做好静电物理实验，首先应该对绝缘问题加以解决，选择合适的绝缘材料对静电实验的成功与否极为关键。静电物理实验的特征为高电压、微电荷，所以要求选择的材料具有非常强的绝缘性能，某些绝缘体，如，香蕉、玻璃等材料在空气潮湿或者表面不清洁的条件下会丧失其应有的绝缘性能，甚至还可能成为导体。所以说，更应该加强在实验之前对于所选择材料的绝缘性进行检验。绝缘性检验的一种较为简单的方法为使用灵敏性较好的验电器，将绝缘体的一侧接触验电器的导杆，按照指针的闭合及张开角度来对材料的绝缘性能加以确定。

4 结语

综上所述，为了做好静电实验，预防“漏电”现象的发生，可从如上几个方面进行探索、研究，只要我们清楚地分析了实验过程及这些关键性的影响因素，势必会对物理静电实验的研究具有很好的指导性作用。

参考文献

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