永电体

“有永电体吗？”我们在学过“永磁体”以后，常常会提出这样的问题：“既有永磁体，那末究竟有没有永电体呢？”

其实，早在1838年，法拉第就已根据理论推断，预言有永电体存在。到1896年，英国学者赫维赛提出自然界应该有类似于永磁体的永久带电的物体，永电体\(^{*}\) （或称驻极体见本文末尾注解），并且从理论上研究它的性能。但是，这究竟是预言，还没有实际获得。

大家知道永磁体是由许多许多排列整齐的具有永久磁矩的分子（磁偶极子）组成的。由此联想到如能将许多具有永久电矩的分子（电偶极子）整齐地排列起来，或许就能得到永电体。

1912年，德国物理学家德拜指出，有些电介质是由具有永久电矩的分子（极性分子）组成的，在一般情况下，这些极性分子的排列是杂乱无章的（图1，a），故介质不呈现极性。如果施加外电场力的作用而转动，按照电场的方向整齐地排列起来（图1，b），这种过程称为“取向”，是介质极化的一种。介质极化后，相对两表面就出现了符号相反的束缚电荷，有些像永电体。可是，在外电场取消以后，极化状态也就消失了。怎样才能使极性分子的取向状态固定下来呢？

如将固态的极性介质加热，使它熔化，极性分子互相间的距离便增大，相互作用力减弱，分子就容易转动。这时加上恒定电场，极性分子就能按电场方向取向。待分子取向以后，将介质冷却凝固，分子间的距离缩小，分子不易转动了，虽然取消了外电场，取向状态也能维持不变，介质表面电荷不会消失，也就是说介质变成了永电体。

日本科学家江口元太郎，根据这种设想，于1922年用等分量的巴西出产的棕榈蜡和松香及少量蜂蜡的混合物制成了第一个永电体的圆片，它的一面有正电荷，而相对的一面有负电荷，能在周围空间产生恒定的电场（如图2）。

有人会问用毛皮摩擦蜡块，蜡块表面不也能带电吗？它与永电体究竟有什么不同呢？摩擦产生的电荷只有一种，或者是正的或者是负的，并且只存在于物体表面。将表面刮去一层，表面电荷也就没有了。而永电体则不同，永电体的相对两面带有两种不同符号的电荷，用刀子把表面刮掉一层，仍有电荷存在；若从中心切开，一块永电体就能成为两块永电体（图3），和永磁体一样。

上面说过，介质受然后，分子间距离增大，互作用力削弱，极性分子易于转动。同时，弱联系离子也易于移动，而且分子的热离解也加剧了。这时若加上电场，则极性分子便按电场方向取向，弱联系离子也能按电场方向移动，于是介质极化而形成异电荷（如图4a）。冷却时，由于局部放电而在介质和电极的间隙中产生的电子及离子，将被极化所产生的电荷吸引而沉降在介质表面，并渗入其中（如图4b）。这些外来电荷的一部分与弱联系离子中和；另一部分电荷则受到偶极子作用而停留在表面附近，这部分电荷的符号与电极的符号相同，就形成了永电体的“同电荷”（如图4b）。因为偶极子的电荷是束缚电荷，而外来电荷是自由电荷，两种电荷性质不同，不能中和，同时存留在永电体中。所以，测得的电荷密度是这两种电荷密度值之差。如同电荷多于异电荷，则永电体表面电荷为同电荷，反之则为异电荷。

在外电场取消以后，两种电荷各按不同的规律减小。在导电系数极小的中性介质中，异电荷衰减得比同电荷快得多，因此异电荷永电体经过一段时间后，异电荷便与同电荷相等。再过一些时间，异电荷便小于同电荷，于是永电体便变符号（如图4c）。

永电体制成了，它的电荷有多少呢？要回答这个问题，必须先研究测量电荷的方法。

测量永电体电荷的方法很多，最简单的方法是静电感应法（图5）。先使电极（A、B）与永电体接触，使极面两面各感应出相异电荷（如图5a）。若将两电极都接地或互相短接（图5b），使一面的电荷中和，另一和永电体接触的面，因被永电体的电荷吸引而保持下来。再将B电极移离永电体，则B电极上的负电荷就成为自由电荷了（图5c），它的数量等于永电体一个表面的电荷量。若以B电极与电容器接触充电（如图5d），充电的电压值可由静电电压表读出。

用这种方法测出的永电体表面电荷密度在10\(^{-}\)8库/ 厘米2与10\(^{-}\)9库/厘米2之间。因为“库”是很大的电量单位，例如天上打雷时，泄入地中的电荷亦只有5～6库，所以10\(^{-}\)8～10-9库／厘米\(^{2}\)就已经不小了。

永电体的表面电荷密度值能不能再大了呢？在一般情况下，是不能再大了，因为电荷密度再大时，永电体周围空间的电场强度将大到使空气放电的程度，于是永电体电荷因空气放电而减少到上述范围。永电体制成后，它的电荷是要逐渐变化的，而且变化规律与制造过程中使它极化时所加的电场强度（极化场强）有关。

永电体的寿命还与保存的环境条件和方法有关。在一般状况下，由巴西棕榈蜡和它的混合物制成的永电体的寿命在三年以上；瓷永电体的寿命在二年以上。若把永电体放在不受潮的容器内，寿命可延长些。我们知道，永磁体贮存时应该短接。否则易于去磁，永电体也一样，用有机介质制成的永电体在贮存时必须短接，否则寿命将缩短，但瓷永电体却可以不必短接。

上面讲的永电体，在制造时必须加热（但不一定要熔化），主要目的是增加偶极分子的动能，给它造成在电场中取向的便利条件，人们不禁要问，假如不加热而用光照代替加热来增加分子或离子的能量，能不能制成永电体？1937年，保加利亚科学家那特伽可夫用光导性硫作原料，在光照的同时加上直流电场，但并不加热，果然也制成了永电体。这种永电体和称为“光永电体”，而称加热制成的为“热永电体”。

此外，在钛酸钡及钛酸钙等陶瓷介质和发光材料（经光照后能发光的材料）上施加强电场，同样可制成永电体，它称为“电（致）永电体”。

最近二年来，又出现了第四种永电体。它既不加热，也不光照，而且连直流电场也不加，只是用α，β,γ等射线照射，在被照面上即出现负电荷，而介质的另一面上出现正电荷。例如硼玻璃和某些树脂就是。用此法制成的永电体和前面三种永电体的性能和现象是相同的，但制造过程中没有受电场的作用，本质上可能不同，因此，这种永电体被称为“类永电体”或“拟永电体”。

永电体的应用范围很广。凡是只需要电场而不大量消耗场能的地方，都可用永电体。下面举几个例子：

1．不要电源的电话：永电体话筒的结构原理如图6所示。当对着它说话时，金属膜片在声波作用下而振动，它与永电体间的间隙距离便发生相应的变化，因而膜片的感应电荷也就跟着变化，于是在话筒一耳机回路中产生交变电流。说话声音愈大，膜片振动愈剧烈，电流也愈大，发出的声音也就愈响亮。

2、静电电压表：图7所示是一种永电体静电电压表，永电体悬挂在被测电压的两个电极之间。当电极上接上被测电压时，电极间产生电场，永电体在电场的作用下而偏转，直到为悬挂的弹性反抗力矩所平衡为止。被测电压愈高，电极间的电场愈强，则永电体偏转角愈大，由固定在悬线上的小镜B反射的光线在标尺E上移动的距离也就愈大，因而能测量电压。

这种电压表的优点是输入阻抗极大，不消耗被测电源的功率。

3．发电机和短时电流电源：图8示永电体交流发电机的原理。它用外界能源使振动电极上下振动，于是电极和永电体间的间隙距离发生周期性变化，电极上的感应电荷也就周期地变化，就有交流电源输出。

此外，由于永电体在受热去极化时，能向外电路放出电流，所以许多永电体组成的永电体堆可用作一次使用的电流电源，供野外工作者作无线电通信设备的电源。

4．静电电动机和静电继电器：利用永电体电场和外电场的相互作用，可以制成各种电动机和继电器。图9中转子A上装有两块弓形永电体，它们在电极B(接三相交流电源）产生的旋转电场的作用下，将以同步速度旋转。若电极B只用两并用滑环和电刷来改变电极极性，则可制成直流电动机。又如图10中“3”与“4”间接上直流控制电压就可启、闭接点，从而控制“1”及“2”上所接的电路，完成继电器的作用。

这种静电电动机和静电继电器都没有线圈，输入阻抗极大；但电动机的当量和体积的比特性还不如电磁式同步电动机，有待改进。

5．电照相和无线电自动照相：由于光永电体的面电荷密度与光照强度成正比，故可利用光永电体作电照相。

除以上各项用途外还可在无线电技术中利用永电体供给电子管的栅偏压或压电元件作换能器用；用永电体静电场控制电子束的偏移或使电子束聚焦；利用永电体作气体过滤器，回收工业废气中的有用物质等等；利用永电体作放射剂量计、记忆元件和测量振动的探头；以及利用永电体测量大气压力和湿度的变化等等。

制造永电体的材料来源丰富，价格便宜，制造过程简单，可以自动化大量生产，所以很有发展前途。不过目前它的寿命还不够理想，受大气压力、温度，湿度的影响，工作稳定度较差。但随着理论研究的发展和试验，这些缺点是可望克服的。（沈以清）

永电体原文为electret和элeKтpeтьl，曾一度译为驻极体，但按原文名字的历史起源、意义和物体的性能，以译成“永电体”较为确切。