静电的吸引力

来自科学伙伴的带电挑战

核心概念
电
电子学
绝缘体
导体

导言
你有没有想过，为什么在你的头上摩擦气球或毯子——甚至冬帽——会让你的头发竖起来？这种效果是由于静电引起的，但是静电是如何产生的，为什么它会让你的头发竖起来呢？

静电是物体中电荷的积累。有时静电会突然放电，例如闪电划破天空。有时，静电会导致物体相互吸附。想想刚从烘干机里拿出来的袜子是如何粘在一起的。当物体带有相反的电荷，正电荷和负电荷时，就会发生这种情况，它们会相互吸引。（带有相同电荷的物体相互排斥。）足够的静电能让气球粘在墙上吗？你认为你需要摩擦多少次？

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背景
当一个物体与另一个物体摩擦时，就会产生静电。这是因为摩擦产生负电荷，负电荷由电子携带。电子可以积累产生静电。例如，当你在地毯上拖着脚走时，你的脚和地毯之间会产生许多表面接触，从而使电子转移到你身上，从而在你的皮肤上积累静电荷。当你触摸另一个人或物体时，你可以突然放电，产生电击。

类似地，当你在你的头上摩擦气球时，会导致头发和气球上都积累相反的静电荷。因此，当你慢慢地将气球从你的头上拉开时，你可以看到这两个相反的静电荷相互吸引，使你的头发竖起来。

材料
•   气球
•   一件羊毛制品（如毛衣、围巾、毯子或毛线球）
•   秒表
•   墙壁
•   伙伴（可选）

准备
•   吹起气球并系好末端。
•   让你的伙伴准备好使用秒表。

步骤
•   以手尽可能少地覆盖其表面积的方式握住气球，例如仅使用拇指和食指，或者抓住气球系结的颈部。
•   在羊毛制品上沿一个方向摩擦气球一次。
•   将气球靠在墙上，使摩擦过羊毛的一面朝向墙壁，然后松开。气球会粘在墙上吗？ 如果气球粘住了，让你的伙伴立即启动秒表，计时气球粘在墙上的时间。如果气球没有粘住，请转到下一步。
•   用气球触摸金属物体。你认为这样做为什么重要？
•   重复上述过程，但每次都增加在羊毛制品上摩擦气球的次数。每次沿同一方向摩擦气球。（不要来回摩擦气球。）需要摩擦多少次才能使气球粘在墙上几秒钟？几分钟呢？
•   你可以再重复整个过程两次。你每次试验的观察结果与之前的试验一致吗？
•   额外内容：单向摩擦与来回摩擦的结果是否不同？ 尝试比较相同次数的单向摩擦和来回摩擦。哪种方式在墙上停留的时间更长？
•   额外内容： 尝试比较不同材料产生静电的效果。摩擦羊毛比摩擦丝绸效果更好吗？ 设计一个实验来测试几种不同的材料：丝绸、羊毛、尼龙、涤纶、塑料、金属等。

观察与结果
总的来说，随着你在羊毛制品上摩擦气球次数的增加，气球粘在墙上的时间是否更长？

羊毛是一种导电材料，这意味着它很容易释放电子。因此，当你在羊毛上摩擦气球时，这会导致电子从羊毛移动到气球表面。气球的摩擦部分现在带有负电荷。由橡胶制成的物体，如气球，是电绝缘体，这意味着它们能抵抗电流通过。这就是为什么只有部分气球可能带有负电荷（羊毛摩擦到的地方），而其余部分可能保持中性的原因。

当气球被摩擦足够多次以获得足够的负电荷时，它将被墙壁吸引。虽然墙壁通常应该带有中性电荷，但其内部的电荷可以重新排列，从而使带正电的区域吸引带负电的气球。由于墙壁也是电绝缘体，因此电荷不会立即释放。然而，由于金属是导体，当你用气球摩擦金属时，气球中多余的电子会迅速离开气球并移动到金属中，因此气球不再被吸引，也不会粘附。