陳偉孟 馮 爽

（1.中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080；2.北京教育學(xué)院物理系，北京 100120）

新課改的物理教學(xué)倡導(dǎo)融入最新科研成果、科研動(dòng)態(tài)，加強(qiáng)與生活、生產(chǎn)實(shí)際的聯(lián)系，日常佩戴的口罩就是很好的教學(xué)資源，其中蘊(yùn)含了很多物理知識(shí)，學(xué)生對(duì)此也具有濃厚的興趣.我們都知道，口罩主要應(yīng)該有這樣的功能和性質(zhì)：一是將有害物質(zhì)擋在外側(cè)，保護(hù)人在里面不受污染；二是保障干凈的空氣能自由流通，使佩戴者舒適.比如N95口罩中的“N”代指非油性顆粒物（如粉塵、酸霧、微生物等），“95”代指其過(guò)濾效率，在特定氣體流量條件下（30 L／min）對(duì)物理直徑0.075±0.020μm顆粒的過(guò)濾效率達(dá)到95%以上的口罩.然后，呼（吸）氣阻力也是口罩品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，它是通過(guò)呼吸阻力測(cè)試儀在特定氣體流量條件下通過(guò)抽氣的負(fù)壓和吹氣的正壓得出來(lái)的數(shù)值.這兩個(gè)指標(biāo)一定要相互平衡，如何在同等“厚度”下過(guò)濾更小的微粒，具有更高的過(guò)濾效率呢？

1 熔噴布口罩

如圖1所示的兩張電鏡照片是普通無(wú)紡布和口罩熔噴布放大相同倍數(shù)后的比較.普通無(wú)紡布的機(jī)理是攔截等機(jī)械阻擋作用，但這種作用對(duì)粒徑小于1μm的粒子過(guò)濾效果很差，不能起到有效的凈化作用.熔噴布具有獨(dú)特的毛細(xì)結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維增加了單位面積纖維的數(shù)量和表面積.

圖1 放大相同倍數(shù)的普通無(wú)紡布和口罩熔噴布

除原有的機(jī)械阻擋作用外，駐極體在空氣過(guò)濾的過(guò)程中增加靜電吸附，依靠庫(kù)侖力直接吸引氣流中的帶電微粒并將其捕獲，或誘導(dǎo)中性微粒產(chǎn)生極性再將其捕獲，就可以更有效地過(guò)濾氣體中的亞微粒子，大大增強(qiáng)過(guò)濾效率，而空氣阻力卻不會(huì)增加，就是所謂的高效低阻過(guò)濾材料.

2 駐極體與磁鐵

“駐極體（Electret）”這一概念從字面上理解是電子（Electron）和磁體（Magnet）的結(jié)合體，指的是在除去外電場(chǎng)作用后，弛豫時(shí)間較長(zhǎng)的或處于亞穩(wěn)態(tài)極化狀態(tài)的電介質(zhì).通俗地講，駐極體是能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)存空間電荷和偶極電荷的電介質(zhì)材料，一種具有永久性極化的電介質(zhì)材料.

駐極體與磁鐵具有相似性.我們現(xiàn)在知道磁鐵和電流都能產(chǎn)生磁場(chǎng)，如圖2所示，歷史上安培由此受到啟發(fā)，提出了著名的分子環(huán)流假說(shuō)，認(rèn)為在原子、分子等物質(zhì)微粒的內(nèi)部，存在著一種環(huán)形電流——分子電流.分子電流使每個(gè)物質(zhì)微粒都成為微小的磁體，兩側(cè)相當(dāng)于兩個(gè)磁極.如圖2（a）所示，一條鐵棒未被磁化的時(shí)候，內(nèi)部分子電流的取向是雜亂無(wú)章的，它們的磁場(chǎng)相互抵消，對(duì)外不顯磁性.如圖2（b）所示，當(dāng)鐵棒受到外界磁場(chǎng)的作用時(shí)，各分子電流的取向變得大致相同，鐵棒被磁化，兩端對(duì)外界顯示出較強(qiáng)的磁作用，形成磁極.磁體處于高溫或猛烈撞擊時(shí)就會(huì)失去磁性，這是因?yàn)榧ち业臒徇\(yùn)動(dòng)或振動(dòng)使分子電流的取向又變得雜亂無(wú)章，宏觀上就不顯示磁性了.

圖2 磁鐵的磁化過(guò)程

那么駐極體是如何在周?chē)臻g產(chǎn)生電場(chǎng)的呢？我們需要了解駐極體的形成過(guò)程，其形成過(guò)程與鐵等磁介質(zhì)磁化成磁鐵的過(guò)程是相似的.如圖3所示.如果單就極性分子材料形成電極化過(guò)程來(lái)說(shuō)，可以類(lèi)比于永磁體的一種帶電體.駐極體中存在著大量微觀的電偶極子，它們通常混亂取向而顯不出宏觀的極化.這些偶極子可以在高溫及外電場(chǎng)作用下取向，冷卻后再去掉電場(chǎng)，取向被凍結(jié)下來(lái)而保留某個(gè)方向上占優(yōu)勢(shì)的宏觀極化.因此，駐極體是弛豫時(shí)間較長(zhǎng)的處于亞穩(wěn)態(tài)的極化了的電介質(zhì).當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，其極化強(qiáng)度會(huì)逐漸減小，它的表面電荷就按指數(shù)規(guī)律或接近指數(shù)規(guī)律逐漸地衰減.通常，室溫下駐極體的極化狀態(tài)可以長(zhǎng)期保存，但在高溫情況下衰減得很快.

圖3 極性分子的極化

電介質(zhì)根據(jù)分子的情況可以分類(lèi)為有極分子和無(wú)極分子.有極分子指介質(zhì)分子的正、負(fù)電荷中心不重合，分子存在固有電偶極矩，在電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向極化.圖3所示的有極分子電介質(zhì)，宏觀效果是在垂直電場(chǎng)方向的電介質(zhì)表面出現(xiàn)電荷.而無(wú)極分子指分子的正、負(fù)電荷中心重合，分子無(wú)固有電偶極矩，會(huì)在外電場(chǎng)中發(fā)生位移極化，正負(fù)電荷中心相對(duì)移動(dòng)而形成電偶極子.無(wú)極分子電介質(zhì)，宏觀效果是也會(huì)在垂直電場(chǎng)方向的電介質(zhì)表面產(chǎn)生了電荷.正因?yàn)槿绱?，駐極體與永磁體有了許多類(lèi)似的性質(zhì).例如，把一根條形磁鐵折成兩段，每段仍具有南北兩極；若把永電體分割開(kāi)來(lái)，則每一部分的表面也都出現(xiàn)正負(fù)電荷.要長(zhǎng)期保存永久磁鐵的磁性，應(yīng)當(dāng)用一塊軟鐵把它的兩個(gè)磁極連接起來(lái)，使磁路閉合；要想把永電體的電荷保持得更持久，也要用一根導(dǎo)線(xiàn)把兩極連接起來(lái).

在制備過(guò)程中，一般應(yīng)用的駐極體所儲(chǔ)存的電荷，既可以是極性電介質(zhì)中偶極子有序取向而形成的偶極電荷，也可以是外界注入的單極性真實(shí)電荷（表面電荷或空間電荷），或者兩類(lèi)電荷同時(shí)兼有.歷史上，駐極體的制造是通過(guò)先熔化適當(dāng)?shù)慕殡姴牧希热绾袠O性分子的聚合物或蜂蠟，然后在強(qiáng)的靜電場(chǎng)中重新固化.電介質(zhì)的極性分子與靜電場(chǎng)的方向排成一線(xiàn)，產(chǎn)生帶有永久靜電“偏向”的偶極化駐極體.現(xiàn)代的駐極體通常在一個(gè)高度獨(dú)立的電介質(zhì)中埋入過(guò)量的電荷，也就是通過(guò)電子束的方式，電暈放電，電子注入，通過(guò)一個(gè)缺口或電介質(zhì)屏障進(jìn)行電擊穿等.

3 電偶極子與環(huán)形電流的再認(rèn)識(shí)

一般濾棉是不會(huì)主動(dòng)吸附空氣中的顆粒物的，而當(dāng)帶電粒子在經(jīng)過(guò)駐極體時(shí)，受到其靜電場(chǎng)的作用，會(huì)被強(qiáng)烈地吸附在駐極纖維上.空氣中不帶電的微塵則會(huì)處于駐極體形成的電場(chǎng)中被極化，也會(huì)被吸附在纖維上.因此，采用駐極體材料的空氣過(guò)濾，不用像一般纖維一樣僅僅依靠緊密堆積的方式，靜電吸附和機(jī)械阻攔相互結(jié)合，進(jìn)而能在大幅減小空氣阻力的同時(shí)，還能保持良好的透氣性.靠近駐極體的電介質(zhì)和導(dǎo)體會(huì)發(fā)生極化和靜電感應(yīng)現(xiàn)象，就是駐極體靜電效應(yīng)的體現(xiàn).

然而，是否極化后的分子在電場(chǎng)中一定會(huì)受到力的作用？環(huán)形分子電流在磁場(chǎng)中一定會(huì)受到力的作用？這是學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的易錯(cuò)點(diǎn)和難點(diǎn).由圖4所示的極化分子和分子電流可知，極化后的分子若處于勻強(qiáng)電場(chǎng)中，則分子整體受力會(huì)平衡，分子不會(huì)發(fā)生水平的移動(dòng).如圖5所示，分子電流也必須處于非勻強(qiáng)電場(chǎng)中才會(huì)受到整體的外力作用發(fā)生移動(dòng)，磁鐵之間的相互吸引也是這個(gè)原因.

圖4 勻強(qiáng)電場(chǎng)中的電偶極子和環(huán)形電流

圖5 環(huán)形電流在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力

東漢王充《論衡》中有闡述：“頓牟掇芥，磁石引針，皆以其真是，不假他類(lèi).他類(lèi)肖似，不能掇取者，何也？氣性異殊，不能相感動(dòng)也.”其中的“頓牟掇芥，磁石引針”指的是琥珀或龜殼之類(lèi)的絕緣材料經(jīng)過(guò)摩擦后能吸引干草、紙等的微小屑末，磁石等磁性材料能吸引小鐵針等現(xiàn)象.聯(lián)系我國(guó)先哲記述的這些物理現(xiàn)象，這些表述中蘊(yùn)含了深刻的物理知識(shí)和規(guī)律，也與學(xué)生的生活實(shí)際結(jié)合起來(lái)，深化了對(duì)一些宏觀現(xiàn)象的微觀物理本質(zhì)的理解.這樣，在電荷與電荷間庫(kù)侖力作用，磁極與磁極相互作用認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，我們引入極化分子和分子電流在勻強(qiáng)場(chǎng)和非勻強(qiáng)場(chǎng)中的表現(xiàn)進(jìn)行分析，有利于深化學(xué)生對(duì)電與磁的理解，形成對(duì)相互作用觀念的更為全面而深刻的認(rèn)識(shí).