靜電的吸引力

來自科學夥伴的帶電挑戰

核心概念
電
電子學
絕緣體
導體

導言
你有沒有想過，為什麼在你的頭上摩擦氣球或毯子——甚至冬帽——會讓你的頭髮豎起來？這種效果是由於靜電引起的，但是靜電是如何產生的，為什麼它會讓你的頭髮豎起來呢？

靜電是物體中電荷的積累。有時靜電會突然放電，例如閃電劃破天空。有時，靜電會導致物體相互吸附。想想剛從烘乾機裡拿出來的襪子是如何粘在一起的。當物體帶有相反的電荷，正電荷和負電荷時，就會發生這種情況，它們會相互吸引。（帶有相同電荷的物體相互排斥。）足夠的靜電能讓氣球粘在牆上嗎？你認為你需要摩擦多少次？

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背景
當一個物體與另一個物體摩擦時，就會產生靜電。這是因為摩擦產生負電荷，負電荷由電子攜帶。電子可以積累產生靜電。例如，當你在地毯上拖著腳走時，你的腳和地毯之間會產生許多表面接觸，從而使電子轉移到你身上，從而在你的皮膚上積累靜電荷。當你觸控另一個人或物體時，你可以突然放電，產生電擊。

類似地，當你在你的頭上摩擦氣球時，會導致頭髮和氣球上都積累相反的靜電荷。因此，當你慢慢地將氣球從你的頭上拉開時，你可以看到這兩個相反的靜電荷相互吸引，使你的頭髮豎起來。

材料
•   氣球
•   一件羊毛製品（如毛衣、圍巾、毯子或毛線球）
•   秒錶
•   牆壁
•   夥伴（可選）

準備
•   吹起氣球並繫好末端。
•   讓你的夥伴準備好使用秒錶。

步驟
•   以手儘可能少地覆蓋其表面積的方式握住氣球，例如僅使用拇指和食指，或者抓住氣球繫結的頸部。
•   在羊毛製品上沿一個方向摩擦氣球一次。
•   將氣球靠在牆上，使摩擦過羊毛的一面朝向牆壁，然後鬆開。氣球會粘在牆上嗎？ 如果氣球粘住了，讓你的夥伴立即啟動秒錶，計時氣球粘在牆上的時間。如果氣球沒有粘住，請轉到下一步。
•   用氣球觸控金屬物體。你認為這樣做為什麼重要？
•   重複上述過程，但每次都增加在羊毛製品上摩擦氣球的次數。每次沿同一方向摩擦氣球。（不要來回摩擦氣球。）需要摩擦多少次才能使氣球粘在牆上幾秒鐘？幾分鐘呢？
•   你可以再重複整個過程兩次。你每次試驗的觀察結果與之前的試驗一致嗎？
•   額外內容：單向摩擦與來回摩擦的結果是否不同？ 嘗試比較相同次數的單向摩擦和來回摩擦。哪種方式在牆上停留的時間更長？
•   額外內容： 嘗試比較不同材料產生靜電的效果。摩擦羊毛比摩擦絲綢效果更好嗎？ 設計一個實驗來測試幾種不同的材料：絲綢、羊毛、尼龍、滌綸、塑膠、金屬等。

觀察與結果
總的來說，隨著你在羊毛製品上摩擦氣球次數的增加，氣球粘在牆上的時間是否更長？

羊毛是一種導電材料，這意味著它很容易釋放電子。因此，當你在羊毛上摩擦氣球時，這會導致電子從羊毛移動到氣球表面。氣球的摩擦部分現在帶有負電荷。由橡膠製成的物體，如氣球，是電絕緣體，這意味著它們能抵抗電流透過。這就是為什麼只有部分氣球可能帶有負電荷（羊毛摩擦到的地方），而其餘部分可能保持中性的原因。

當氣球被摩擦足夠多次以獲得足夠的負電荷時，它將被牆壁吸引。雖然牆壁通常應該帶有中性電荷，但其內部的電荷可以重新排列，從而使帶正電的區域吸引帶負電的氣球。由於牆壁也是電絕緣體，因此電荷不會立即釋放。然而，由於金屬是導體，當你用氣球摩擦金屬時，氣球中多餘的電子會迅速離開氣球並移動到金屬中，因此氣球不再被吸引，也不會粘附。