第九章 静电场及其应用——1.电荷

问题：摩擦可以使物体带电。摩擦过的琥珀能够吸引羽毛。为什么有的物体容易带电,而有的物体很难带电呢?

一、电荷
公元前600年左右,古希腊学者泰勒斯就发现摩擦过的琥珀吸引轻小物体的现象。公元1世纪,我国学者王充在《论衡》一书中也写下“顿牟援芥”一语。此语意为摩擦过的琥珀能吸引像草芥一类的轻小物体。16世纪,英国科学家吉尔伯特在研究这类现象时首先根据希腊文的琥珀创造了英语中的“ electricity"(电)这个词,用来表示琥珀经过摩擦以后具有的性质,并且认为摩擦过的琥珀带有电荷( electric charge)。人们发现,很多物体都会由于摩擦而带电,并称这种方式为摩擦起电( electrification by friction)。美国科学家富兰克林通过实验发现,雷电的性质与摩擦产生的电的性质完全相同,并命名了正电荷( positive charge)和负电荷( negative)。迄今为止,人们没有发现对这两种电荷都排斥或都吸引的电荷。自然界的电荷只有两种。
电荷的多少叫作电荷量( electric quantity),用Q表示,有时也可以用q来表示。在国际单位制中,它的单位是库仑( coulomb),简称库,符号是C。正电荷的电荷量为正值,负电荷的电荷量为负值。（*1881年第1届国际电学大会确定库伦(C)为电荷量的国际单位，定义为1A恒定电流在1s时间间隔内所传送的电荷量为1C。)
我们知道,原子是由带正电的质子、不带电的中子以及带负电的电子组成的。每个原子中质子的正电荷数量与电子的负电荷数量一样多,所以整个原子对外界表现为电中性。
原子内部的质子和中子被紧密地束缚在一起构成原子核,原子核的结构一般是很稳定的。通常离原子核较远的电子受到的束缚较弱,容易受到外界的作用而脱离原子。当两种物质组成的物体互相摩擦时,一些受束缚较弱的电子会转移到另一个物体上。于是,原来电中性的物体由于得到电子而带负电,失去电子的物体则带正电。这就是摩擦起电的原因。
不同物质的微观结构不同,由于原子或分子间的相互作用,原子中电子的多少和运动状况也不相同。例如,金属中原子的外层电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由运动,这种电子叫作自由电子( free electron)。失去自由电子的原子便成为带正电的离子(ion),它们在金属内部排列起来,每个正离子都在自己的平衡位置附近振动而不移动,只有自由电子穿梭其中,这就使金属成为导体。绝缘体中几乎不存在能自由移动的电荷。（*关于金属中原子核、电子所处的状态及其运动,这里的情景是一种简化描述,但它可以有效地解释与金属导电有关的现象，所以也是一个物理模型。）

二、静电感应
摩擦可使物体带电，那么还有其他方法可使物体带电吗？
当一个带电体靠近导体时,由于电荷间相互吸引或排斥,导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体,使导体靠近带电体的一端带异种电荷,远离带电体的一端带同种电荷。这种现象叫作静电感应( electrostatic induction)。利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电。

三、电荷守恒定律
静电感应过程中导体中的自由电荷只是从导体的一部分转移到另一部分。也就是说,无论是摩擦起电还是感应起电都没有创造电荷,只是电荷的分布发生了变化。
大量实验事实表明,电荷既不会创生,也不会消灭,它只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分;在转移过程中,电荷的总量保持不变。这个结论叫作电荷守恒定律( law of conservation of charge)。（*追寻守恒量是物理学研究物质世界的重要方法之一,它常使人们揭示出隐藏在物理现象背后的客观规律。电荷守恒定律是物理学中守恒思想的又一具体体现。）
近代物理实验发现,在一定条件下,带电粒子可以产生或湮没。例如,一个高能光子在一定条件下可以产生个正电子和一个负电子;一对正、负电子可以同时湮没,转化为光子。不过在这些情况下,带电粒子总是成对产生或湮没的,两个粒子带电数量相等但电性相反,而光子又不带电,所以电荷的代数和仍然不变。因此,电荷守恒定律更普遍的表述是:一个与外界没有电荷交换的系统,电荷的代数和保持不变。它是自然界重要的基本规律之一。

四、元电荷
迄今为止,实验发现的最小电荷量就是电子所带的电荷量。质子、正电子所带的电荷量与它相同,电性相反。人们把这个最小的电荷量叫作元电荷( elementary charge),用e表示。实验还发现,所有带电体的电荷量都是e的整数倍。这就是说,电荷量是不能连续变化的物理。
量元电荷e的数值,最早是由美国物理学家密立根测得的,他因此获得诺贝尔物理学奖。在密立根实验之后,人们又做了许多测量。现在公认的元电荷e的值为
e=1.602176634×10^-19C
在计算中,可取
e=1.60×10^-19C
电子的电荷量e与电子的质量me之比,叫作电子的比荷( specific charge)。比荷也是一个重要的物理量。电子的质量me=9.11×10^-31kg,所以电子的比荷为
e/me=1.76×10^11C/kg