魔杖?不,只是很好的传统物理

Check this out. It looks like a magic wand that makes things float, but it's 只是简单的物理. I guess that's what makes these kinds of toys so cool. They do things that 违背我们的日常经验. Normally stuff doesn't just hang in the air like this.

但是它是如何工作的呢?答案是库仑力(也称为静电力)本质上的基本相互作用。库仑力是任何两个电荷之间的相互作用。它是一个圆形的定义,因为你仍然需要定义一个电荷。我只想说,两个最常见的电荷无处不在,它们是电子(负电荷)和质子(正电荷)。除了中子,这三个粒子几乎构成了你日常生活中所看到的一切。

对于库仑力,如果两个电荷正负相反(负电荷与正电荷),它们之间会有一个吸引力。如果两个电荷有相同的符号,则力是排斥的(意味着它会推开,而不是它的总量)。库仑力还有另一个重要部分。随着电荷越来越远,它们之间的作用力减小。这意味着超近电荷会有一个非常大的力(吸引或排斥)。

如果库仑力可以这么强,为什么我们不总是把它看作物体之间的相互作用呢?因为几乎所有的东西都是由电子和质子组成的,所以物体的这两个电荷的数量往往是相同的。两个带电物体之间的总净相互作用趋向于零牛顿左右。

但是你不会真正理解库仑相互作用,除非你玩它。所以在我们回到魔杖之前,让&x27;s这样做。在这个实验中,你需要两种不同的材料摩擦在一起。我要用一根小PVC管和一个塑料杯。当这些材料被摩擦时,电荷从一种材料转移到另一种材料。结果是其中一个有多余的电子,另一个缺少一些电子。带额外电子的材料将带净负电荷,而另一个物体将带正电荷。

如果我把塑料挂在绳子上,我就能看到两个物体之间的相互作用。

物理学家

注意它们之所以吸引是因为它们的电荷相反。还要注意,在两个物体接近之前,没有多少相互作用,所以库仑力足够强。我应该指出,确定哪个对象是正的,哪个是负的并不容易。有一种方法,但现在让我们只说pvc是正的,塑料是负的。

现在我可以拿另一个塑料杯,用同样的聚氯乙烯管摩擦它。当我把两个塑料片放在一起时会发生什么?

物理学家

他们排斥。我们正在取得进展。现在再做一个实验。如果我把中性物体挂在绳子上,带上带正电的聚氯乙烯管,会发生什么?在这种情况下,我使用一小块铝箔。这是你得到的。

物理学家

您将看到两件事发生。首先,铝(不带净电荷)被吸引到正极PVC管上。当金属与聚氯乙烯接触后,它就被排斥了。相当酷。但是为什么呢?为什么中性的铝片会吸引并排斥聚氯乙烯?为了回答这个问题,我需要制作一个图表来表示两个对象中的电荷。很明显,我不会提取所有的费用(那太多了)。我只想提取一些超额费用。这是我的中性金属和正极聚氯乙烯管。

物理学家

注意金属仍然是中性的。然而,在金属中,有些电子可以自由移动。当然,电子并不真正希望它们是电子。这些移动的电子受到来自pvc正电荷的吸引力,因此移动到金属的右侧(如图所示)。由于金属是中性的,电子向右运动会在左边留下一些不成对的正电荷。

电荷分离很重要。即使金属仍然是中性的,电荷的排列也意味着金属将被吸引到正的PVC管上。负电荷被吸引到pvc上,正电荷被排斥。尽管正电荷和负电荷数量相等,但负电荷更接近于聚氯乙烯。由于它们更接近,吸引力大于正电荷的排斥力,记住库仑力随距离而减小。所以,总的来说,中性金属会被正的聚氯乙烯所吸引。

接下来发生的事情会让你大吃一惊。事实上,它赢了,我只是想说。总之,由于金属被聚氯乙烯吸引,它最终会接触。一旦金属接触到聚氯乙烯,金属上的一些电子就可以移动到聚氯乙烯上。现在正电荷多于负电荷。你猜怎么着?剩余负电荷的吸引力不足以克服所有正电荷的排斥力。现在金属离开了正的聚氯乙烯管。

现在回到魔法棒的地方。如果魔杖有一个整体的正电荷,轻量的金属箔可以做同样的事情作为金属铝箔。唯一的区别是,金属丝的质量如此之低,以至于电排斥力大于向下的拉力,金属丝似乎在漂浮。

但是,"Magic"魔杖是如何变为正的(或者是负的,两者都可能是)?从本质上讲,它是一个小型范德格拉夫发电机。该装置有一个内部旋转皮带。这条传送带经过一个电压源附近,使它接收到一个微小的正电荷过量。然后,传送带进入空心金属球体的内部,此时多余的电荷会离开传送带,并向球体"充电。这里的关键思想是过量的电荷总是出现在金属表面,因为它们想要接近其他类似的电荷。记住,电荷相斥。

物理学家

总的来说,它是制造带电物体的一种非常有创意的方法。但是问问你自己,如果魔法棒是正的,多余的电子去哪里使整个事物变为正的呢?答案是你。多余的电子通过你与魔杖的物理接触进入你的身体。如果你有这些玩具中的一个,你应该试试下面的实验。戴橡胶手套时,试着用魔杖。橡胶是一种绝缘体,电荷不容易通过它。这意味着电子会和正电一起粘在棒上。它会使魔杖不那么神奇。


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