宋朝茶樓一夥計
跟胖哥學物理 帶電和放電\r
同學們已經開始電學的學習，都知道帶電體有一個特性，就是能夠吸引輕小物理。很多同學覺得有點不可思議，為什麼能吸引呢?\r
這還得從物體帶電方法說起，其實物體帶電有三種方法：\r
1、\t摩擦起電。\r
不同性質的兩個物體相互摩擦而帶上等量的異種電荷的過程叫做摩擦起電。這是因為在摩擦的過程中，原子對電子束縛能力較弱的那個物體失去電子，對外顯示帶正電，而另一個原子對電子束縛能力較強的物體得到電子，對外顯示帶負電。因此摩擦起電的本質並不是創造了電，只是電子從一個物體轉移到另一個物體，而電荷的總量保持不變。\r
2、\t接觸起電。\r
將一個不帶電的物體與一個原來帶電的物體相接觸，使原來不帶電的物體帶電。大家還記得有一個經典例題，一個帶電物體吸引一個小球，當吸引過來後很快就又迅速離開。其實就是當另一個輕質小球被吸引過來，然後電荷發生轉移，是這個小球也帶上同種電荷而互相排斥。\r
在接觸帶電中，有一個很重要原理（相當於數學中公理），就是電荷均分原理。幾個帶不同電荷（當然其中一個也可以不帶電），當它們接觸後，電荷會從多的流向少的，首先發生電中和現象，然後電荷進行再分配，使兩個物體所帶的電量相同。）把一個帶正電荷量為3q的金屬球A跟同樣的但帶負電荷量為5q的金屬球B相碰，碰後兩球帶的電荷。兩球接觸後，電量先中和再平分，接觸剩餘總電量為-2q；則每個小球均帶電為-q。\r
3、感應起電：如圖所示，使一個帶電的物體A靠近一個不帶電的物體B，則物體B靠近帶電體的一端將出現與帶電體所帶電荷相異的電荷，而其遠離帶電體的一端將出現與帶電體所帶電荷相同的電荷，這種現象叫做靜電感應現象。\r
有了這個知識，我們就知道了為什麼帶電體能吸引輕小物體：帶電體的周圍存在電場，使輕小物體在靠近它的一端出現異種電荷，在遠離它的一端出現等量的同種電荷。兩電荷之間的作用力是跟它們的電量的乘積成正比。跟它們間的距離的平方成反比。因此，帶電體對較近的異種電荷的吸引力大於對較遠的同種電荷的排斥力，所以帶電體能吸引輕小物體.。\r
為什麼物體兩個物體摩擦後會帶上等量異種電荷?美國獨立戰爭時重要的領導人之一的富蘭克林最先規定正、負電荷。為什麼跟絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電荷，絲綢帶負電荷呢?\r
我們先看物質構成，物質是由分子、離子、原子構成.分子是原子通過共價鍵結合而形成的；離子是原子通過離子鍵結合而形成的.所以歸根結底，物質是有原子構成的。而原子又由原子核和核外電子構成的，除氫（氕）原子的原子核是由一個質子構成，其它原子的原子核都是由質子和中子構成，中子、質子這一類強子是由更基本的單元——夸克組成的。\r
由於原子核質子和核外電子所帶的電量相同，所以整個原子呈中心，也就是對外沒有電性。化學研究告訴我們，核外最外層電子很不穩定，所以不同原子彼此搭伴形成穩定結構構成分子。用物理語言來描述，就是原子核對核外電子（其實是最外層）束縛本領是不同的。因為不同的原子核束縛本領不同，因為摩擦後束縛本領弱物質（玻璃棒）的電子就轉移到束縛本領強物質（絲綢），從而使束縛本領弱物質原子核外缺少電子，整個物體帶上負電，而束縛本領強物質原子核多餘電子帶正電，缺少或者多於剛好是轉移電子數，所以摩擦雙方帶上等量異種電荷。因此，摩擦起電實際上不是創造了電荷，而是電荷從一個物體轉移到另一個物體，使正負電子分開。同學也理解為什麼一個電子所帶電量是最小的，任何帶電體所帶電量總是等於某一個最小電量的整數倍,這個最小電量叫做基元電荷,也稱元電荷,用e表示,1e=1.602 176 565 (35)×10-19C ,在計算中可取e=1.6×10-19 C。它等於一個電子所帶電量的多少,也等於一個質子所帶電量的多少。6.25×1018個元電荷所帶電荷量有1 C。因為其他物體都是電子轉移造成的，而電子轉移數目只能是整數倍，所以帶電體所帶的電量只能是\r
基本元電荷整數倍。\r
接觸帶電和感應帶電其實也是一種電荷轉移現象。對於接觸帶電，其實還是電子從多流向少得到，使各自核外電子數與原子核質子數不同，從而使接觸物體帶上等量同種電荷。感應起電也不是創造了電荷，而是使物體中的正負電荷在電場力的作用下分開，是電荷從物體的某一部分轉移到另一部分去。感應起電的本質，就是電荷在物體中的重新分佈。因此從物體帶電三種方法我們可以看出，物體帶電不是創造電荷，而是電荷一種轉移現象，其實正負電荷總和並沒有發生增減，只是電子從一個物體跑到另一個物體（摩擦起電和接觸帶電），或者從同一個物體一個地方跑到另一個地方（感應帶電）。\r
既然物體能帶電，同樣帶電體也會放電。其實很多時候，首先發生是一種電中和現象。\r
兩個帶等量異種電荷的物體，一個失去電子，而缺少電子帶正電荷，另一個得到電子，而因有多餘的電子帶負電，一個失去多少電子，另一個得到多少電子，當發生電的中和時，帶負電的那個物體會將多餘的電子傳給因缺少電子而帶正電的物體，使的兩個物體的原子都恢復電中性的過程。所以到最後兩個物體就都不帶電了。中和時負電荷會移動，所以會產生瞬時電流。仔細分析，放電現象依然是電荷轉移。這種帶電物體失去電荷的現象叫做放電。常見的放電現象有以下幾種：\r
1、接地放電\r
地球是良好的導體,由於它特別大，所以能夠接受大量電荷而不明顯地改變地球的電勢，這就如同從海洋中抽水或向海洋中放水，並不能明顯改變海平面的高度一樣.如果用導線將帶電導體與地球相連，電荷將從帶電體流向地球,直到導體帶電特別少，可以認為它不再帶電。(如果導體帶正電，實際上是自由電子從大地流向導體。這等效於正電荷從導體流向大地。）生產中和生活實際中往往要避免電荷的積累,這時接地是一項有效措施比如我們在油罐車拖一根鐵鏈，就是把油和車廂產生靜電釋放出去，避免發生火災事故發生。\r
2、尖端放電\r
通常情況下空氣是不導電的，但是如果電場特別強，空氣分子中的正負電荷受到方向相反的強電場力，有可能被“撕”開，這個現象叫做空氣的電離。由於電離後的空氣中有了可以自由移動的電荷，空氣就可以導電了。空氣電離後產生的負電荷就是電子，失去電子的原子帶正電，叫做正離子。\r
由於同種電荷相互排斥，導體上的靜電荷總是分佈在表面上，而且一般說來分佈是不均勻的，導體尖端的電荷特別密集，所以尖端附近空氣中的電場特別強，使得空氣中殘存的少量離子加速運動。這些高速運動的離子撞擊空氣分子，使更多的分子電離。這時空氣成為導體，於是產生了尖端放電現象。尖端放電在技術上有重要意義。高壓輸電導線和高壓設備的金屬元件，表面要很光滑,為的是避免因尖端放電而損失電能或造成事故。\r
3、火花放電\r
當高壓帶電體與導體靠得很近時，強大的電場會使它們之間的空氣瞬間電離，電荷通過電離的空氣形成電流。由於電流特別大，產生大量的熱,使空氣發聲發光，產生電火花.這種放電現象叫火花放電。火花放電在生活中常會遇到：乾燥的冬天，身穿毛衣和化纖衣服，長時間走路之後，由於摩擦，身體上會積累靜電荷。這時如果手指靠近金屬物品，你會感到手上有針刺般的疼痛感。這就是火花放電引起的，如果事先拿一把鑰匙，讓鑰匙的尖端靠近其他金屬體，就會避免疼痛。在光線較暗的地方試一試，在鑰匙尖端靠近金屬體的時候，不但會聽到響聲，還會看到火花。在一些工廠或實驗室裡，存在大量易燃氣體，工作人員要穿一種特製的鞋，這種鞋的導電性能很好，能夠將電荷導入大地，避免電荷在人體上的積累，以免產生火花放電，引起火災。\r
雷電就是一種劇烈的火花放電現象，已經專題論述了，這裡不再累贅。\r
總之，不論是物體帶電，還是帶電體放電，都是電荷一種轉移，本質上沒有區別，只是能量轉化上存在差異，而且電荷轉移中電荷總數是保持不變的，這個就是富蘭克林最早提出電荷轉化守恆定律，成為經典物理學中一個重要定律之一。在物理學裡，電荷守恆定律是一種關於電荷的守恆定律。目前，電荷守恆定律有兩種版本，“弱版電荷守恆定律”（又稱為“全域電荷守恆定律”）與“強版電荷守恆定律”（又稱為“局域電荷守恆定律”）。弱版電荷守恆定律表明，整個宇宙的 總電荷量保持不變，不會隨著時間的演進而改變。注意到這定律並沒有禁止，在宇宙這端的某電荷突然不見，而在宇宙那端突然出現。強版電荷守恆定律明確地禁止 這種可能。強版電荷守恆定律表明，在任意空間區域內電荷量的變化，等於流入這區域的電荷量減去流出這區域的電荷量。對於在區域內部的電荷與流入流出這區域 的電荷，這些電荷的流進流入關係也滿足電荷守恆。\r
2018年9月26日於宜昌市夷陵區吾同齋\r
宋朝茶樓一夥計
這個首先要明確是什麼電，是靜電還是我們生活中用的電，兩種電的形成條件是完全不一樣的。
靜電主要是靠兩種不同材質的絕緣體摩擦形成的，比如我們初中物理學的玻璃和毛皮摩擦吸附紙屑。再比如我們冬天穿的毛衣，脫下來的時候會有噼裡啪啦的放電聲，在黑暗中還能看到些許電弧光，這就是所謂的靜電。靜電雖然電壓特別高，通常為數十千伏到數百千伏，但是其能量也非常小，一般不會對我們人體產生傷害。但是一些電子元件卻對靜電非常敏感，所以裝電子元件或電路板的袋子都必須要專用的防靜電袋，一般為灰色半透明的塑料袋。
生活用電一般可分為物理電和化學電，物理電主要是通過電磁感應獲取，通過改變線圈匝數來改變輸出電壓。
化學電主要是通過兩種不同介質或不同金屬利用其電位不同產生的電位差來實現的，通常都需要電解液或催化劑來提高其性能。
不管什麼電，其放電方法歸納起來就一點——短路！
生活用電：比如家用電器接地——將有可能洩漏的電能通過接地線回到大地，這就避免了可能對人體形成電擊傷害。
關於靜電：電子行業都會有嚴格的防靜電或釋放靜電措施，比如進入生產車間都需要用手觸摸一個接地的金屬球，以釋放手上的電荷，進入工作臺也必須要穿防靜電工作服，戴防靜電手環（一個金屬環一根連線接到地），防靜電手套（手套中間有金屬線，用於短路掉摩擦產生的電荷）才能開始操作。
