为什么带电体能吸引轻小物体？
2024-11-19 阅读 29
带电体能够吸引轻小物体是因为带电体周围会产生电场，而这个电场会对周围的物体产生作用力。当带电体带正电荷时，它会产生一个电场，而轻小物体中的电荷会受到这个电场的作用，从而被吸引到带电体附近。这种吸引力是电荷之间相互作用的结果，根据库仑定律，两个电荷之间的作用力与它们之间的距离和电荷量的大小有关。因此，带电体能吸引轻小物体是由于电荷之间的相互作用力。
更新于 2024年11月21日
首先需要明确：物体本身可以显电中性，但构成物体的微观粒子不是。任何物体都是由带正电的原子核和带负电的电子构成的，并占有一定的体积，即使净电荷量为 0 的物体也不例外。
对于不带电的物体，如果其尺寸和质量非常小的话，当其逐渐接近带电体时，整个不带电的物体就会完全处于带电物体的电场之中。从而，不带电物体里面，正电荷与负电荷的等效位置就会发生偏离，带电物体对不带电物体正电荷部分和负电荷部分受到的力开始相差悬殊，以致于总的静电力非常容易克服微小的重力和空气阻力。
这是因为静电力常数和微观带电粒子的数目都是数值非常大的量，而万有引力常量和不带电物体的质量在数值上相比于前者却微乎其微。
静电力和万有引力的计算公式如下：
k＝8.99×10⁹ N·m²/C²，q₂≈±10²³ e.
G＝6.67×10⁻¹¹ N·m²/kg²，m₁＝0.1kg，m₂＝10⁻³kg.
若取
静电力常量 k=8.99\times 10^9 \rm N\cdot m^2/C^2k=8.99\times 10^9 \rm N\cdot m^2/C^2 ，带电物体的电荷量 q_1=10^{-6}\rm Cq_1=10^{-6}\rm C ，不带电轻小物体的正电荷和负电荷 q_2=±10^{23}eq_2=±10^{23}e ，其中，正电荷部分与负电荷部分与带电物体电荷等效位置的距离分别为 r_{\rm QM同}=0.010\rm mr_{\rm QM同}=0.010\rm m ， r_{\rm QM异}=0.011\rm mr_{\rm QM异}=0.011\rm m ;
万有引力常量 G=6.67\times 10^{-11}\rm N\cdot m^2/kg^2G=6.67\times 10^{-11}\rm N\cdot m^2/kg^2 重力加速度 g=9.8\rm m/s^2g=9.8\rm m/s^2 带电物体的质量 m_1=0.1\rm kgm_1=0.1\rm kg不带电物体的质量 m_2=10^{-3}\rm kgm_2=10^{-3}\rm kg 二者质心的距离 r_{\rm CM}=0.2\rm mr_{\rm CM}=0.2\rm m
将以上数据分别代入万有引力公式和静电力公式，可得
F_万 ≈1.6675\times 10^{-13}\rm NF_万 ≈1.6675\times 10^{-13}\rm N ，
F_{电同}≈1.44\times 10^{12}\rm NF_{电同}≈1.44\times 10^{12}\rm N ， F_{电异}≈1.19\times 10^{12}\rm NF_{电异}≈1.19\times 10^{12}\rm N
⇒ F_电≈2.5\times 10^{11}\rm NF_电≈2.5\times 10^{11}\rm N
F_{重2}=9.8\times10^{-3} \rm NF_{重2}=9.8\times10^{-3} \rm N
当然，这仅仅是一个粗略的模型，不带电物体受到的静电力大小其实并没有那么夸张。但是，通过这个估算，我们体会到了静电力的作用强度让物体内部电荷分布的变化也不能忽略。当物体的质量、尺寸足够小时，即使呈电中性，也可以产生可察觉的静电力，从而不能将其视作点电荷。
——这就是带电物体可以吸引不带电轻小物体的本质。
1. 吸引的基本原理当一个带电体（例如带正电或负电的物体）靠近一个中性且轻小的绝缘体（如塑料片）时，带电体周围的电场会影响绝缘体内部的电荷分布。由于绝缘体中的电子不能自由移动，但在电场作用下，电子云会相对于原子核发生微小位移，形成感应电偶极子。这些偶极子在非均匀电场中会受到净力的作用，整体被吸引向电场较强的区域，即带电体所在的位置。
这里可以引入极化的概念：极化是指绝缘体在外加电场作用下，内部正负电荷中心发生微小位移，导致分子或原子产生感应电偶极矩的现象。在电场中，绝缘体的每个分子都可能被极化，形成一个微小的电偶极子。这些电偶极子排列的方向与电场方向一致，使得材料整体呈现出极化效应。
因此简单概括：极化作用使得轻小物体被带电物体吸引。下文进一步估算极化产生的吸引力能否吸引起小物体。
2. 以塑料片为例估计极化产生的吸引力步骤一：设定参数
