电荷有两种:正电荷和负电荷。同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引。每个电荷周围都存在一个看不见的“电场”,它决定了其他电荷会受到怎样的力。这篇指南用最简单的摩擦起电实验,把这些抽象概念变成能看到的现象。

安全提醒(先读这一段)

  • 本实验是安全的静电现象,电量极小,不会电伤人;但请在干燥环境下进行,潮湿天气不易起电。
  • 不要在靠近易燃气体、酒精的地方摩擦起电;实验与家庭电路、插座毫无关系,切勿用插座尝试。

材料与器材

  • 气球一两个,或塑料尺、塑料笔杆;
  • 撕成小片的碎纸屑(越轻越好);
  • 干燥的头发或一块羊毛/化纤布;
  • 可选:细细的自来水流。

先看三个现象

现象一:吸起纸屑。把塑料尺在头发上快速摩擦十几下,再靠近碎纸屑,纸屑会跳起来被吸附。

现象二:让水流拐弯。把摩擦过的尺子或气球靠近(不接触)一股很细的自来水流,水流会明显偏向尺子。

现象三:同种电荷相斥。把两个气球都在头发上摩擦,再用线挂起来靠近,它们会互相推开。

发生了什么:摩擦让电子从一个物体转移到另一个物体,使它们分别带上负电和正电,这就是摩擦起电。带电体能吸引轻小物体,也能对另一个带电体施加吸引或排斥的力。
互动小实验 · 拖动电荷看电场

异号电荷之间相互吸引;箭头表示电场在该点的方向。

提示:拖动电荷移动,点击电荷切换 + / -
动手试试:拖动两个电荷,观察电场箭头如何随之变化;点击电荷可切换正负,比较同号相斥、异号相吸时的电场分布。

原理解释:电荷与电场

自然界只有两种电荷。用丝绸摩擦过的玻璃棒带的电荷规定为正电荷,用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电荷为负电荷。它们之间的规律是:

  • 同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引
  • 带电体能吸引轻小的、不带电的物体(如纸屑、水流);
  • 电荷之间的作用力,距离越近越强。

为了描述“电荷如何隔空对别的电荷施力”,物理学引入了电场:电荷周围的空间存在电场,另一个电荷放进去就会受到电场力。电场是有方向的,规定正电荷在该点受力的方向为电场方向——所以电场线总是从正电荷出发、指向负电荷。上面模拟里的每个箭头,画的正是那一点的电场方向。

生活中的静电

  • 秋冬脱毛衣时的“噼啪”声和小火花;
  • 梳头后头发飘起、互相排斥;
  • 复印机、静电除尘和喷漆,都利用了电荷间的吸引。

拓展一下

  • 在模拟里把两个电荷都设成正号,观察电场箭头如何“互相推开”,再对比一正一负时的分布。
  • 比较干燥和潮湿天气里摩擦起电的效果,想想为什么湿度会有影响。

当你能用“正负电荷、相互作用、电场方向”解释气球为什么能吸纸屑,这个实验就真正做懂了。