静电纺丝法制备MnO x 掺杂聚丙烯腈碳纤维及其
对超级电容性能的影响
解勤兴1，郑安冉1，张宇峰1，关允飞2，吴世华2
（1.天津工业大学材料科学与工程学院，天津300387；2.南开大学化学学院，天津300071）
摘
要：利用静电纺丝技术制备了不同乙酸锰（MnAc 2）含量的聚丙烯腈（PAN ）基复合纤维（MnAc 2/PAN ），经预氧化和
高温碳化后得到MnO x /C 复合纤维；利用X 射线衍射（XRD ）、扫描电镜（SEM ）和热重分析（TGA ）等方法对纤维进行结构表征，并利用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗技术对复合纤维进行了电化学性能测试.结果表明：复合纤维表面相互粘连形成三维枝状结构，这种结构有利于碳纤维之间导电性的提高；掺杂MnO x 后碳纤维的超级电容性能得到显著提高，其中乙酸锰质量分数为2%和4%的MnAc 2/PAN 纤维碳化后的产物在0.05A/g 时的比容量分别高达186.0F/g 和156.4F/g ，而纯PAN 碳纤维的比容量仅为90.0F/g.
关键词：超级电容器；静电纺丝；聚丙烯腈；碳纤维；复合纤维；氧化锰中图分类号：TS102.527.2；TQ340.64；TM912.9
文献标志码：A
文章编号：1671－024X （2014）06－0001－05
MnO x doped PAN-based carbon fibers prepared by electrospinning method and their influence on supercapacitance
XIE Qin-xing 1，ZHENG An-ran 1，ZHANG Yu-feng 1，GUAN Yun-fei 2，WU Shi-hua 2
（1.School of Material Science and Engineering ，Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300387，China ；2.College of Chemistry ，
Nankai University ，Tianjin 300071，China ）Abstract ：Polyacrylonitrile fibers with various contents of MnAc 2were prepared by electrospinning method.The as-prepared
MnAc 2/PAN composite fibers were subjected to two stages of thermal treatment ，i.e.pre -oxidation and high temperature carbonization to obtain the MnO x /C composite fibers.The carbon composite fibers were characterized by the X-ray diffractions （XRD ），scanning electron microsope （SEM ）and thermogravimmetric analysis （TGA ），and the electrochemical performance was investigated by using the cyclic voltammetry
（CV ），galvanostatic
charge-discharge measurement and electrochemical impedance spectroscopy （EIS ）.The results indicate that the surface of composite fibers are interconnected forming a branched 3D network ，which is good for enhanced conductivity ；the supercapacitance of the carbon fibers is significantly improved by the doping of MnO x .For instance ，the specific capacitances of the fibers obtained from MnAc 2（2%and 4%）/PAN are 186.0and 156.4F/g at 0.05A/g ，respectively ，while that of pure PAN carbon fiber is only 90.0F/g.
Key words ：supercapacitor ；electrospinning ；polyacrylonitrile ；carbon fibers ；composite fibers ；manganese oxide
收稿日期：2014-09-11
基金项目：国家自然科学基金面上项目（21271107）
通信作者：解勤兴（1971—），男，教授，博士，硕士生导师.E-mail ：qxxie@https://www.doczj.com/doc/dc4943037.html,
天津工业大学学报
JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITY
第33卷第6期2014年12月
Vol.33No.6December 2014
超级电容器，又称为电化学电容器，是介于传统电容器和储能电池之间的一种新型储能器件.与传统
电容器相比，超级电容器具有比电容和比能量高、工作温度范围宽等优点；与储能电池相比，具有比功率高、可快速充放电、效率高、循环使用寿命长、无记忆效应等特点[1-2].电极材料的优劣是决定超级电容器储能性能的关键因素之一，因此研究具有优异性能的储能材料是超级电容器研发的核心课题.目前用于超级
电容器的电极材料主要分为3类，
包括碳材料、金属氧化物和导电聚合物[3].这3类电极材料各具优缺点：碳材料比表面积大，化学稳定性好，常用作双电层超级电容器的电极材料，但因其储存电荷的能力主要是来自于形成的双电层，存在比容量低等缺点[4-5]；导电聚合物由于结构的限制，作为超级电容器电极材料仍存在不足[6]；金属氧化物在电极/溶液界面发生可逆法拉第反应，能够产生远大于碳双电层电容的法拉第赝
天津工业大学学报第33卷
电容，但其电导率低，在充放电过程中易因体积变化而导致循环性能的下降[7-8].将2种或2种以上材料进行复合可以弥补单一电极材料的缺点，从而制备出性能优良的复合储能材料[9].本文以静电纺丝法制备MnAc2/PAN复合纤维，经低温预氧化和高温碳化过程得到氧化锰掺杂聚丙烯腈纳米碳纤维，并考察掺杂量、结构等对复合纤维超级电容性能的影响.
1实验部分
1.1原料与设备
所用原料包括：乙酸锰（MnAc2），聚丙烯腈（PAN），分析纯，天津光复精细化工研究所产品；N，N二甲基甲酰胺（DMF），化学纯，天津市科密欧化学试剂有限公司产品；乙炔黑，电池级，国药集团化学试剂有限公司产品；聚四氟乙烯（PTFE）乳液，质量分数60%，天津市化学试剂三厂产品；泡沫镍，电池级，长沙力元新材料有限公司产品；氢氧化钾（KOH），分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司产品.
所用设备包括：电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司产品；管式高温电阻炉，天津中环实验电炉有限公司产品；HitachiS-4800型场发射扫描电子显微镜，日本日立公司产品；FM-1206型高压静电纺丝机，北京富友马科技有限责任公司产品；RINT2000 X射线粉末衍射仪，日本Rigaku公司产品；STA409 PC/PG型热分析仪，德国Netzsch公司产品；CHI660E 型电化学工作站，上海辰华仪器有限公司产品；CT2001A 型电池测试系统，武汉市金诺电子有限公司产品.
1.2乙酸锰/聚丙烯腈（MnAc2/PAN）复合纤维的制备
将2.725g PAN聚合物粉末置于50mL烧杯中，加入10mL DMF，搅拌，并在0~15℃条件下使PAN溶胀4h；将溶液转移至70℃水浴锅中，继续磁力搅拌2h，得到淡黄色透明的PAN溶液.称取一定质量的MnAc2·2H2O放入另外一个50mL烧杯中，加入5mL DMF，搅拌2h后得到粉红色乳状溶液.最后将PAN 溶液与乙酸锰溶液混合，并在室温下搅拌1h，得到乙酸锰质量分数分别为2%、4%和6%的MnAc2/PAN复合纤维前驱体纺丝液.为便于比较，同时制备乙酸锰质量分数为0的纯PAN纺丝液.用10mL注射器吸取5mL配好的纺丝液进行静电纺丝，实验条件为：针头内径为0.9mm，纺丝电压分别为20kV，针头与接收屏间距离为20cm，溶液流速为0.002mm/s.
1.3MnO x/C复合碳纤维的制备
称取一定质量的PAN纤维或MnAc2/PAN复合纤
维放入瓷舟中，再将瓷舟放入高温管式炉中进行热处理.MnAc2/PAN纤维的热处理过程分为2个阶段：预氧化阶段和高温碳化阶段.先将复合纤维在空气中以5℃/min的速度加热至300℃，保温1h，再向管式炉中通入N2，同样以5℃/min的速度加热至750℃并保温1h.自然冷却至室温后，得到聚丙烯腈碳纤维和MnO x/C复合纤维，分别标记为MnO x/C-0%、MnO x/C-2%、MnO x/C-4%和MnO x/C-6%，其中百分数表示制备复合纤维时的乙酸锰质量分数.
1.4电极的制备和超级电容器的组装
取适量的MnO x/C复合碳纤维与乙炔黑、PTFE （60%）按照80∶15∶5的质量比混合，加入少量乙醇搅拌均匀，60℃微热破乳，将得到的浆料均匀刮涂在泡沫镍集流体上.将涂好的泡沫镍在110℃的烘箱中干燥，并在5MPa条件下压制成电极.将2片质量相同的电极在6mol/L的KOH溶液中浸泡12h，然后以聚丙烯无纺布为隔膜，将其组装成2430型扣式超级电容器，进行电化学性能测试.
1.5性能测试
利用电化学工作站进行循环伏安和交流阻抗测试，利用电池测试系统进行恒电流充放电测试.循环伏安和恒电流充放电测试电压范围为0~1.0V；交流阻抗测试频率范围为10-2~105Hz，振幅为5mV.
2结果与讨论
2.1X-射线衍射分析（XRD）
图1所示为MnO x/C-4%的XRD谱图.
由图1可知，在约20°处出现的衍射峰对应于石墨结构碳的（002）衍射峰，而在10°处出现的较宽的衍射峰和在31°、41°、45°和51°处出现的比较尖锐的衍射峰可归属于低价态的氧化锰（MnO x）.在高温下，PAN复合纤维中的乙酸锰能够发生分解反应，生成氧化锰和CO2，同时PAN发生碳化反应生成碳纤维，最
090
30
2θ/（°）
强
度
/
（
a
.
u
.
）
102040
12000
10000
8000
6000
4000
2000
50607080
C
MnO x
图1MnO x/C-4%的XRD图谱
Fig.1XRD pattern of MnO x/C-4%
2——
第6期终得到MnO x /C 复合纤维材料.
2.2形貌分析
图2所示为PAN 纤维及不同乙酸锰含量的MnAc 2/PAN 复合纤维的扫描电镜图.
由图2可知，纯聚丙烯腈纤维和乙酸锰质量分数
分别为2%、4%的MnAc 2/PAN 复合纤维表面光滑，粗细比较均匀，直径大约为400~500nm ；而乙酸锰质量分数为6%的复合纤维出现明显的串珠状结构，并且纤维存在明显的粘连现象.可能的原因是乙酸锰含量较大，在静电纺的过程中溶剂的挥发导致乙酸锰结晶析出，并团聚、包覆于PAN 纤维内形成珠状.图3所示为PAN 纤维及其复合纤维碳化后产物的扫描电镜图.
由图3可以看出，碳化后纤维的形貌发生很大的变化，纤维粗细不一，表面相互粘连形成三维枝状结构，这是碳化时温度升高的过程中PAN 纤维表面逐渐
熔融粘连的结果，这种结构有利于碳纤维之间导电性的提高.纯PAN 纤维和MnAc 2质量分数为2%、4%的复合纤维碳化后表面光滑，而MnAc 2质量分数为6%的复合纤维碳化后的串珠状结构依然明显，这种结构会由于前驱体中乙酸锰的析出而导致MnO x 的分布变得不均匀，串珠中的锰含量会相对较高.2.3热重分析（TGA ）
图4所示为MnO x /C 复合纤维的热重分析曲线.
由图4可清楚地观察到样品在空气中随着温度的升高而出现的质量变化情况：在200℃以下的失重可归因于吸附水的脱除；在300～550℃之间的快速失重阶段主要归因于碳的消除，MnO x /C-4%和MnO x /C-6%的样品在这一温度区间可分为2个明显失重阶段.以MnO x /C-4%为例，在300~420℃的温度范围内样品失重较快，而在温度高于420℃时，样品失重速率略有减缓.这是因为此时可以同时发生以下2种反应：C+O 2=CO 2（失重）；MnO x +y O 2=MnO x +2y
（增重）.这一阶段的失重是2种反应协同作用的结果.而MnO x /C-2%的样品因为氧化锰含量少，这一现象表现的不是很明显.根据热重分析曲线可计算出MnO x /C-2%、
MnO x /C-4%和MnO x /C-6%复合碳纤维中MnO x 的质量分数大约分别为5.8%、12.2%、51.6%.显然，MnO x /C-6%中的MnO x 含量明显偏高.根据复合碳纤维的扫描电镜分析结果可知，乙酸锰在静电纺丝过程中出现析出结晶的现象，从而导致MnO x /C-6%复合碳纤维中的氧化锰粒子分布不均匀，呈现大量的串珠状团聚结构，因此MnO x 含量明显偏高.2.4电化学性能
图5所示为几种碳纤维的循环伏安曲线，扫描速
率分别为1、2、5、10、25和50mV/s.
由图5可以看出，在较低扫描速率时，除MnO x -6%外，其它样品的曲线均接近矩形，阴极过程和阳极过程基本对称，没有明显的氧化还原峰，表明电极具有比较理想的电容特性.当扫描速率增大时，曲线形
（a ）PAN 纤维（b ）MnAc 2/PAN ，2%乙酸锰
（c ）MnAc 2/PAN ，4%乙酸锰（d ）MnAc 2/PAN ，6%乙酸锰
图2MnAc 2/PAN 复合纤维的SEM 图Fig.2
SEM images of MnAc 2/PAN composite
fibers
图3复合碳纤维的扫描电镜图
Fig.3
SEM images of composite
fibers
（a ）MnO x /C-0%（b ）MnO x /C-2%
（c ）MnO x /C-4%（d ）MnO x /C-6%
0900
300t /℃
质量保持率/%
100200400100806040200
5006006%
4%
7008002%
图4MnO x /C 复合纤维的热重分析曲线（TGA ）Fig.4
TGA curves of MnO x /C composite fibers
解勤兴，等：静电纺丝法制备MnO x 掺杂聚丙烯腈碳纤维及其对超级电容性能的影响
3——
天津工业大学学报第33卷
0.0
1.0
0.6电压/V
电流/A
0.2
0.40.8
0.0100.0050.000-0.005-0.010
50mV/s 1mV/s （a ）MnO x /C-0%
0.0
1.0
0.6
电压/V
电流/A
0.2
0.4
0.8
0.0200.0150.0100.0050.000-0.005
-0.010-0.015-0.020
（b ）MnO x /C-2%
50mV/s 1mV/s 0.0
1.0
0.6
电压/V
电流/A
0.2
0.40.8
0.020.01
0.00-0.01
-0.02-0.03
（c ）MnO x /C-4%
50mV/s
1mV/s
状没有出现明显的扭曲，甚至当扫描速率高达50mV/s
时，曲线仍具有较好的矩形特征，表明当扫描方向发生改变时电极具有快速的电流响应.同时，曲线的侧边几乎垂直于电压轴，表明电极内阻较小，电解液离子在材料中扩散和迁移的速度较快.
图6所示为MnO x /C 复合碳纤维在不同电流密度下的恒电流充放电曲线，图7所示为纤维在0.05A/g 电流密度下的比容量，图8所示为不同纤维材料的比
容量倍率性能曲线.
由图6—图8可以看出，材料的比容量均随着电
流密度的增加而逐渐降低，在低电流密度时容量衰减
图5纤维在不同扫描速率下的循环伏安曲线
Fig.5CV curves of fibers at various scan rates
0.0
1.0
0.6
电压/V
电流/A
0.2
0.40.8
0.0150.0100.0050.000-0.005-0.010-0.015
（d ）MnO x /C-6%
50mV/s 1mV/s
-500时间/s
电压/V
1.00.8
0.60.40.20.0（a ）MnO x /C-2%
4000
3000
20001000
（1）
（3）（2）（4）（5）（1
）0.05A/g （2）0.1A/g （3）0.2A/g （4）0.5A/g （5）1A/g
图6MnO x /C 复合碳纤维在不同电流密度下的
恒电流充放电曲线
Fig.6Charge-discharge curves of MnO x /C composite fibers
at various current densities
时间/s
电压/V
1.00.80.60.40.20.0
（b ）MnO x /C-4%
3000
20001000
4000
（1）
（1）0.05A/g （2）0.1A/g （3）0.2A/g （4）0.5A/g （5）1A/g
（3）（2）（4）（5）时间/s
电压/V
1.00.8
0.60.40.20.0-0.2
MnO x /C-0%60004000
2000
图7纤维在0.05A/g 电流密度下的比容量
Fig.7
Charge-discharge curves of all samples at 0.05A/g
MnO x /C-4%MnO x /C-2%
MnO x /C-6%
图8
不同纤维材料的比容量倍率性能
Fig.8
Rate performance comparison for different fibers
电流密度/（A ·g -1）
比电容/（F ·g -1）
180
1501209060
2.0
1.0
0.5
0.0
1.5
MnO x /C-4%
MnO x /C-2%MnO x /C-6%
MnO x /C-0%4——
第6期较快，当电流密度大于0.1A/g 时趋于平缓.同时，掺杂
MnO x 的复合碳纤维材料比纯PAN 碳纤维的储能性能有了显著提高.如图7所示，纯PAN 碳纤维充放电时间最短，比容量最低，掺杂MnO x 后，复合材料的电容性能大大增强，其中MnO x /C-2%和MnO x /C-4%的性能最佳，前者在0.05A/g 时的比容量高达186.0F/g ，但与MnO x /C-4%相比衰减较快，当电流密度大于0.5A/g 时，其比容量明显低于后者.随着MnO x 的掺杂量增加，MnO x /C-6%的比容量反而下降，这是由于MnO x 结晶团聚，导致电解液不能充分扩散渗透到MnO x 晶粒内部，活性物质的利用率下降，这与扫描电镜分析结果相符合.
图9所示为PAN 碳纤维及其复合碳纤维的交流阻抗谱图，由高频段和低频段两部分组成.高频段为半圆弧，低频段为直线，圆弧的半径大小代表电荷转移电阻的大小，半径越小，荷迁移阻抗越小；直线部分代表扩散过程的阻抗，斜率越大，固相扩散系数越大[10-11].
由图9可以看出，与非掺杂PAN 碳纤维相比，MnO x /C-2%和MnO x /C-4%复合纤维的圆弧半径较小，说明掺杂MnO x 后材料的荷迁移阻抗降低.在低频区，MnO x /C-2%的斜率最大，几乎与Z ′轴垂直，说明电解质离子在电极内部的扩散最好.因此，以乙酸锰为前驱体，在PAN 碳纤维中掺杂适量MnO x 可以有效地降低荷迁移电阻，提高储能性能.
3结论
利用静电纺丝技术制备了不同乙酸锰含量的
MnAc 2/PAN 复合纤维，经过预氧化及高温碳化过程得到MnO x 掺杂三维枝状结构的MnO x /C 复合纤维材料.电化学性能测试结果表明：MnO x 掺杂能够有效提高聚
丙烯腈基碳纤维的超级电容性能；纯PAN 碳纤维在0.05A/g 时的比容量仅为90.0F/g ，当电流密度增大到2.0A/g 时，其比容量衰减为45.0F/g ；而MnO x /C-2%和MnO x /C-4%在0.05A/g 时的比容量分别高达186.0和156.4F/g ，2.0A/g 时的比容量仍能保持为118.0和128.0F/g ，其中MnO x /C-4%的大电流充放电性能最佳；随着MnO x 掺杂量的增加，MnO x /C-6%因为串珠状团聚结构的出现导致其比容量略有下降，但仍优于纯PAN 碳纤维.参考文献：
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Z ′/Ω
-Z ″/Ω
2.01.61.2
0.80.40.0-0.4-0.8
5
4
1
图9PAN 碳及其复合碳纤维的交流阻抗谱图
Fig.9EIS spectra of PAN-based carbon and composite fibers
MnO x /C-0%
MnO x /C-2%MnO x /C-4%
解勤兴，等：静电纺丝法制备MnO x 掺杂聚丙烯腈碳纤维及其对超级电容性能的影响
3
25——
物理总复习： 静电感应 电容器 编稿：xx 审稿：xx 【考纲要求】 1、知道静电感应现象； 2、知道什么是电容器以及常用的电容器； 3、理解电容器的概念及其定义，并能进行相关的计算； 4、知道平行板电容器与哪些因素有关及4S C kd επ=。 【考点梳理】 考点一、静电平衡 1、静电平衡状态 （1）静电平衡状态的定义：处于静电场中的导体，当导体内部的自由电荷不再发生定 向移动时，我们说导体达到了静电平衡状态。 （2）静电平衡状态出现的原因是：导体在外电场的作用下，两端出现感应电荷，感应 电荷产生的电场和外电场共同的作用效果，使得导体内部的自由电荷不再定向移动。（导体 内部自由电荷杂乱无章的热运动仍然存在着） 2、静电平衡状态的特点 要点诠释： （1）处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零。 导体内部的场强E 是外电场E 0和感应电荷产生的场E /的叠加，即E 是E 0 和E '的矢量和。当导体处于静电平衡状态时，必定有感应电荷的场与外电场大小相等、方向相反，即：E 0 =－E '。 （2）处于静电平衡状态的导体，其表面上任何一点的电场强度方向与导体表面垂直。 如果导体表面的场强不与导体表面垂直，必定存在着一个切向分量，这个切向分量就会使得导体表面的自由电荷沿着表面切线方向运动，那么，导体所处的状态就不是平衡状态，与给定的平衡状态相矛盾，所以导体表面的场强方向一定与导体表面垂直。 （3）达到静电平衡状态下的导体是一个等势体，导体表面是一个等势面。 由上面的思考题知道，无论是在导体内部还是在导体的表面上或者是由导体的内部到表面上移动电荷，电场力都不做功，这就说明了导体上任何两处电势差为零，即整个导体处处等势。 （4）静电平衡状态导体上的电荷分布特点： ①导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面 ②导体表面越尖锐的地方电荷密度越大，凹陷的地方几乎没有电荷。 3、静电屏蔽及其应用 要点诠释： （1）静电屏蔽：将电学仪器用金属外壳或者金属网包围起来，以防止外电场对它的影响，金属网或者金属壳的这种作用就叫做静电屏蔽。 （2）实验及解释：如图甲所示，使带电的导体接近验电器，静电感应使得验电器的金箔张开。若用一个金属网将验电器罩住，再使带电金属球靠近，验电器的金箔不会张开，如图乙所示，即使用导线把验电器和金属网连接，箔片也不张开。可见金属网可以把外电场遮住——由于静电感应使金属网内部场强为0，使内部不受外电场的影响。
静电纺纳米纤维与药物控制释放 陈义旺博士、教授、博士生导师、洪堡学者。南昌大学化学系主任，理学院副院长。 摘要 将抗肿瘤药物通过静电纺丝的方法装载到纳米纤维中以实现药物的控制释放，载药纳米纤维具有较低的药物突释效应，延长药物释放时间，并且从纳米纤维中缓释的抗肿瘤药物能很好地抑制HepG-2细胞的生长。负载抗肿瘤药物的电纺纳米纤维膜纤维能很好的应用于药物缓释系统，对肿瘤进行定位治疗及癌症手术后的化疗有很好的应用前景。 药物的控制释放一直是药物治疗领域中的重要课题。纳米纤维具有纵横交错的纳米孔结构、尺寸可控性好、比表面积大，是一种良好的新型载药系统；纳米纤维是封装药物的理想材料，它不但能将固体药物以颗粒形式封装入纤维内，还可以将液体药物以双层纤维或链珠状纤维形式进行封装[1,2]。因此，纳米纤维及其复合材料在药物控释系统、组织工程支架、伤口敷料等领域均得到了广泛的应用[3,4]。 研究内容 1.溶液电纺或乳液电纺PEG-PLLA/明胶复合纤维纳米纤维担载亲水/疏水药物控制释放及抗肿 瘤活性研究[5-7]应用。PEG-PLLA纳米纤维作为大环内酯类抗生素药物布雷菲德菌素A（BFA）的控制释放系统，用HPLC测定药物BFA在PBS溶液中的释放曲线，结果表明药物可以长时间的控制释放。用MTT法对含有3%，6%，9%，12%和15%BFA的纳米纤维进行体外抗肿瘤活性测试（人肝癌HepG2细胞），细胞生长抑制率在72h分别为64%，77%，80%，81%和85%。结果证明担载BFA的PEG-PLLA纳米纤维（BFA/PEG-PLLA）的对药物BFA 有很好的控释效果，适合癌症的术后化疗。通过乳液电纺方法成功将亲水药物头孢拉定及疏水的药物五氟尿嘧啶装载入PLGA纤维中，同时装载天然蛋白明胶来提高纤维的细胞粘附能力。装载明胶的纤维具有很好亲水性及力学性能，乳液电纺纤维具有低的药物突释效应，具有低的毒性
第一章 《静电场 》单元测试题 班级 姓名 一、单项选择题(本题共6小题，每小题5分，共30分) 1．关于电场强度与电势的关系，下面各种说法中正确的是( ) A ．电场强度大的地方，电势一定高 B ．电场强度不变，电势也不变 C ．电场强度为零时，电势一定为零 D ．电场强度的方向是电势降低最快的方向 2．如图1所示，空间有一电场，电场中有两个点a 和b .下列表述正确的是 A ．该电场是匀强电场 B ．a 点的电场强度比b 点的大 C ．a 点的电势比b 点的高 D ．正电荷在a 、b 两点受力方向相同 3．如图2空中有两个等量的正电荷q 1和q 2，分别固定于A 、B 两点，DC 为AB 连线的中垂线，C 为A 、B 两点连线的中点，将一正电荷q 3由C 点沿着中垂线移至无穷远处的过程中，下列结论 正确的有( ) A ．电势能逐渐减小 B ．电势能逐渐增大 C ．q 3受到的电场力逐渐减小 D ．q 3受到的电场力逐渐增大 图2 4．如图3所示，a 、b 、c 为电场中同一条水平方向电场线上的三点，c 为ab 的中点，a 、b 电势分别为φa ＝5 V 、φb ＝3 V ．下列叙述正确的是( ) A ．该电场在c 点处的电势一定为4 V B ．a 点处的场强E a 一定大于b 点处的场强E b C ．一正电荷从c 点运动到b 点电势能一定减少 D ．一正电荷运动到c 点时受到的静电力由c 指向a 图3 5．空间存在甲、乙两相邻的金属球，甲球带正电，乙球原来不带电，由于静 电感应，两球在空间形成了如图4所示稳定的静电场．实线为其电场线， 虚线为其等势线，A 、B 两点与两球球心连线位于同一直线上，C 、D 两 点关于直线AB 对称，则( ) A ．A 点和 B 点的电势相同 B ． C 点和 D 点的电场强度相同 C ．正电荷从A 点移至B 点，静电力做正功 D ．负电荷从C 点沿直线CD 移至D 点，电势能先增大后减小 图4 6．如图5所示，一半径为R 的圆盘上均匀分布着电荷量为Q 的电荷， 在垂直于圆盘且过圆心c 的轴线上有a 、 b 、d 三个点，a 和b 、b 和 c 、 c 和 d 间的距离均为R ，在a 点处有一电荷量为q (q >0)的固定点 电荷．已知b 点处的场强为零，则d 点处场强的大小为(k 为静电力 常量)( )． 图5 A ．k 3q R 2 B ．k 10q 9R 2 C ．k Q ＋q R 2 D ．k 9Q ＋q 9R 2 二、多项选择题(本题共4小题，每小题8分，共32分) 7．下列各量中，与检验电荷无关的物理量是( ) A ．电场力F B ．电场强度E C ．电势差U D ．电场力做的功W 图1
静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景 引言： 术语“电纺”来源于“静电纺丝”。虽然电纺这一术语是20世纪90年代才开始使用，但是其基本思想可以追述到60年前。1934一1944年间，FomalaS[1]申请了一系列的专利，发明了用静电场力来制备聚合物纤维的实验装置。1952年，vonnegut和NeubauerI53)发明了电场离子化技术，得到了粒径(0.lmm)均匀、带电程度高的线流。1955年，Drozin进行了不同液体在高电压下，形成气溶胶的研究。1966年，Simons发明了一种装置，用静电场纺丝法制备出了很轻超薄的无纺织物，他在研究中发现，低浓度溶液纺出的纤维较短且细;高浓度溶液纺出的纤维长且连续[2]。1971年，Baumgarten采用静电纺丝法制备出了直径在0.05u m一1.1um的丙烯酸纤维。自从80年代，特别是近些年，由于纳米技术的兴起，使得静电纺丝技术再度引起了纳米材料研究人员的高度关注。采用静电纺丝技术可以很容易的制备出直径在几百微米到几百纳米甚至几十纳米的高质量纤维。目前为止，己经有近上百种高分子采用静电纺丝技术被纺成纳/微米纤维。这些纳/微米纤维有些己经广泛应用于纳米复合材料、传感器、薄膜制造、过滤装置，以及生物医用材料的加工和制造上。本文立足于静电纺丝技术的研究现状，分别从材料的化学组成、纤维的分布方式和特殊结构形态三个方面进行了阐述。同时，概括并展望了纳米纤维的应用领域与前景。 1静电纺丝的基本原理 在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的“泰勒锥”(Taylorcone)[3-6]。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会液体的表面张力，从“泰勒锥”中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。
第3课时 电容器 静电现象的应用 1．电容器 ⑴任何两个彼此绝缘而又相距很近的导体都可以构成电容器． ⑵把电容器的两个极板分别与电池的两极相连，两个极板就会带上等量异种电荷．这一过程叫 电容器的充电．其中任意一块板所带的电荷量的绝对值叫做电容器的带电量；用导线把电容器的两板接通，两板上的电荷将发生中和，电容器不再带电，这一过程叫做放电． 2．电容 ⑴电容器所带的电量Q 跟两极板间的电势差U 的比值，叫做电容器的电容，用符号C 表示． ⑵定义式：C =Q U ,若极板上的电量增加ΔQ 时板间电压增加ΔU ,则C =Q U V V ． ⑶单位：法拉，符号：F ，与其它单位的换算关系为：１F ＝106F m ＝1012pF ⑷意义：电容是描述电容器储存电荷本领大小的物理量，在数值上等于把电容器两极板间的 电势差增加１V 所增加的电量． 3.平行板电容器 ⑴一般说来，构成电容器的两个导体的正对面积S 越大 ，距离d 越小，这个电容器的电容 就越大；两个导体间电介质的性质也会影响电容器的电容． ⑵表达式：板间为真空时：C =4s kd p ， 插入介质后电容变大r e 倍：C =4r s kd e p ，k 为静电力常数，r e 称为相对（真空）介电常数． 说明：Q C U = 是电容的定义式，它在任何情况下都成立，式中C 与Q 、U 无关，而由电容器自身结构决定．而4r s C kd e p =是电容的决定式，它只适用于平行板电容器，它反映了电容与其 自身结构S 、ｄ、r e 的关系． 4．静电平衡状态下的导体 ⑴处于静电平衡下的导体，内部合场强处处为零． ⑵处于静电平衡下的导体，表面附近任何一点的场强方向与该点的表面垂直． ⑶处于静电平衡下的导体是个等势体，它的表面是个等势面． ⑷静电平衡时导体内部没有电荷，电荷只分布于导体的外表面． 导体表面，越尖的位置，电荷密度越大，凹陷部分几乎没有电荷． 5．尖端放电 导体尖端的电荷密度很大，附近电场很强，能使周围气体分子电离，与尖端电荷电性相反的离子在电场作用下奔向尖端，与尖端电荷中和，这相当于使导体尖端失去电荷，这一现象叫尖端放电．如高压线周围的“光晕”就是一种尖端放电现象，避雷针做成蒲公花形状，高压设备应尽量光滑分别是生活中利用、防止尖端放电． 6．静电屏蔽 处于电场中的空腔导体或金属网罩，其空腔部分的合场强处处为零，即能把外电场遮住，使内部不受外电场的影响，这就是静电屏蔽．如电学仪器的外壳常采用金属、三条高压线的上方还有两导线与地相连等都是静电屏蔽在生活中的应用． 重点难点例析 一、处理平行板电容器相关量的变化分析 进行讨论的依据主要有三个：
静电纺丝制备MWNTs 高度取向的PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维 刘大伟，李旭，李刚，杨小平 北京化工大学有机/无机复合材料国家重点实验室，北京，100029 CFRP 复合材料在航天航空领域的广泛应用要求其具有良好的强度及韧性[1，2]，然而单向纤维增强树脂基复合材料在垂直于纤维的方向力学性能较差，层间强度低，影响了CFRP 的 整体性能。本课题组采用静电纺丝的方法将MWNTs-Epoxy 预分散在纺丝液中[3]，制备 PSF/MWNTs-Epoxy 杂化的纳米纤维膜，以碳纤维预浸布包覆的辊筒作为静电纺丝的接收器，通过将预浸料按照不同角度铺放于辊筒上以接收纳米纤维,来控制碳纳米管在复合材料中的取向，最终实现复合材料性能的可设计性。我们考察了MWNTs 环氧化改性效果，研究了不同MWNTs-Epoxy 含量对PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维膜微观形貌的影响。研究成果可总结为以下两方面:1)利用纯化、混酸化、环氧化等手段制备了MWNTs-Epoxy 。官能化MWNTs-Epoxy 的环氧基团接枝率为24.87%。MWNTs-Epoxy 在静电纺丝液中分散良好，且静电纺丝液的表面张力和电导率随MWNTs-Epoxy 含量的增加而提高。2)随着MWNTs-Epoxy 含量的升高，通过SEM 、TEM 照片可以看出，PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维的直径逐渐减少，通过取向红外和拉曼谱图研究发现PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维以及嵌于其内部的MWNTs-Epoxy 的取向度逐渐提高。MWNTs-Epoxy 良好的分散于PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维轴向位置。 图 1 5wt% MWNTs-Epoxy 含量的PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维取向表征图 （a ）SEM 照片（b ）TEM 照片（c ）取向红外谱图（d ）偏振拉曼谱图 本研究为江苏省自然科学基金（BK2011227）资助 参考文献： [1] Williams JC, Starke Jr EA. Progress in structural materials for aerospacesystems. Acta Metall 2003;51(10):5775–99. [2] Ahmed K, Noor AK, Venneri SL, Donald B, Paul DB, Hopkins MA. Structurestechnology for future aerospace systems. J Comput Struct 2000;74:507–19. [3] Gang Li , Xiaolong Jia , Zhibin Huang , Bo Zhu , Peng Li , Xiaoping Yang , Wuguo Dai. Prescribed morphology and interface correlation of MWNTs-EP/PSF hybridnanofibers reinforced and toughened epoxy matrix, Materials Chemistry and Physics 134 (2012) 958-965 10μm 10μm (a) (b) (c) (d) 10μm
开题报告 应用化学 通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维 一、选题的背景与意义 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。由于能直接、连续制备聚合物纳米纤维，因而成为国内外的研究热点。利用静电纺丝技术制备导电聚合物纤维是今年来发展起来的一项新的技术，然而由于导电高分子具有不溶，不熔的特点，利用静电纺丝技术制备导电聚合物纤维过程中遇到了许多困难，主要的问题在于：第一，导电聚合物刚性结构的特性使得静电纺丝过程难以进行；第二，大多数关于静电纺丝制备导电聚合物纤维的研究和应用仅仅处于实验室阶段，因此，必须通过更加深入的研究来探索静电纺丝技术制备聚合物纤维的最科学、最有效的方法，这将作为一个刺激，来实现在工业中大规模生产可控、可重复利用的静电纺丝聚合体纤维。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 综述利用静电纺丝技术制备导电聚合物纳米纤维的方法及相应的导电聚合物纤维的用途，综合对比各种方法的优缺点。 制备聚2乙烯基吡啶纳米纤维，利用它作为模板制备聚吡咯纳米纤维，尝试新的合成导电聚合物纳米纤维的方法。 三、研究的方法与技术路线： 合成聚2乙烯基吡啶，将2-乙烯基吡啶在引发剂存在聚合，产生聚2-乙烯基吡啶。 将聚2-乙烯基吡啶同氯金酸混合后，通过静电纺丝直接在高压下纺成纳米纤维。 上述纳米纤维在吡咯蒸汽中进行气相聚合，制备成核壳结构的聚吡咯纳米纤维。四、研究的总体安排与进度： 2010.07.08至2010.07.11：翻译文献，熟悉实验流程，设计实验步骤； 2010.07.12至2010.08.10：通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维；2010.11.08至2010.12.25：完成文献综述，文献翻译和开题报告； 2011.04.18至2011.05.08：撰写论文，准备答辩； 2011.05.12至2011.05.19：论文答辩。 五、主要参考文献： [1].Ioannis S. Chronakis , Sven Grapenson , Alexandra Jakob . Science Direct
《静电场》章末检测题 一、选择题（本题共12小题，每小题4分，共48分。将所有符合题意的选项选出，将其序号填入答卷页的表格中。全部选对的得4分，部分选对的得2分，有错选或不选的得O 分。） 1．下列关于起电的说法错误的是（ ） A ．静电感应不是创造电荷，只是电荷从物体的一个部分转移到了另一个部分 B ．摩擦起电时，失去电子的物体带正电，得到电子的物体带负电 C ．摩擦和感应都能使电子转移，只不过前者使电子从一个物体转移到另一个物体上，而后者则使电子从物体的一部分转移到另一部分 D ．一个带电体接触一个不带电的物体，两个物体可能带上异种电荷 2．两个完全相同的金属球A 和B 带电量之比为1：7 ，相距为r 。两者接触一下放回原来的位置，则后来两小球之间的静电力大小与原来之比可能是（ ） A ．16：7 B ．9：7 C ．4：7 D ．3：7 3．下列关于场强和电势的叙述正确的是（ ） A ．在匀强电场中，场强处处相同，电势也处处相等 B ．在正点电荷形成的电场中，离点电荷越远，电势越高，场强越小 C ．等量异种点电荷形成的电场中，两电荷连线中点的电势为零，场强不为零 D ．在任何电场中，场强越大的地方，电势也越高 4． 关于q W U AB AB 的理解，正确的是（ ） A ．电场中的A 、B 两点的电势差和两点间移动电荷的电量q 成反比 B ．在电场中A 、B 两点间沿不同路径移动相同电荷，路径长时W AB 较大 C ．U AB 与q 、W AB 无关，甚至与是否移动电荷都没有关系 D ．W AB 与q 、U AB 无关，与电荷移动的路径无关 5．如图所示，a 、b 、c 为电场中同一条电场线上的三点，其中c 为线段ab 的中点。若 一个运动的正电荷仅在电场力的作用下先后经过a 、b 两点，a 、b 两点的电势分别为 a = -3 V 、 b = 7 V ，则（ ） A ．c 点电势为2 V B ．a 点的场强小于b 点的场强 C ．正电荷在a 点的动能小于在b 点的动能 D ．正电荷在a 点的电势能小于在b 点的电势能 6． 一平行板电容器接在电源上，当两极板间的距离增大时，如图所示，则（ ） A ．两极板间的电场强度将减小，极板上的电量也将减小； B ．两极板间的电场强度将减小，极板上的电量将增大； C ．两极板间的电场强度将增大，极板上的电量将减小； D ．两极板间的电场强度将增大，极板上的电量也将增大。
超疏水静电纺丝纳米纤维 摘要：这篇文章介绍了最先进的静电纺丝纳米纤维的科技发展，以及它在自清洁簿膜、智能响应材料和其他相关领域的应用。超疏水自清洁，也成为“荷叶效应”，就是利用表面化学结构和拓扑学的正确结合，在表面形成了一个非常大的接触角并且通过重力使水带着表面上的污垢、颗粒以及其他污染物离开表面。本文简单介绍了超疏水自清洁的理论和静电纺丝过程中的基本原则，为了生成超疏水自清洁表面还讨论了静电纺丝过程的各种参数，这些参数可以有效的控制疏水实体的多渗透性结构的粗糙度，静电纺丝在纳米尺寸上的主要原则以及在通过静电纺丝合成一维材料时存在的困难也被完全的隐藏。另外，本文还比较了不同的静电纺丝纳米纤维的超疏水性能以及它们的科技应用。 关键字：超疏水静电纺丝纳米纤维性能应用展望
Superhydrophobic electrospun nanofibers Abstract: This review describes state-of-the-art scientific and technological developments of electrospun nanofibers and their use in self-cleaning membranes, responsive smart materials, and other related applications. Superhydrophobic self-cleaning, also called the lotus effect, utilizes the right combinations of surface chemistry and topology to form a very high contact angle on a surface and drive water droplets away from it, carrying with them dirt, particles, and other contaminants by way of gravity. A brief introduction to the theory of superhydrophobic self-cleaning and the basic principles of the electrospinning process is presented. Also discussed is electrospinning for the purpose of creating superhydrophobic self-cleaning surfaces under a wide variety of parameters that allow effective control of roughness of the porous structure with hydrophobic entities. The main principle of electrospinning at the nanoscale and existing difficulties in synthesis of one-dimensional materials by electrospinning are also covered thoroughly. The results of different electrospun nanofibers are compared to each other in terms of their superhydrophobic properties and their scientific and technological applications. Key words: superhydrophobic; electrospinning; nanofibers; properties; applications; outlook
综述与专论 合成纤维工业,2009,32(4):48CH I NA SYNTHETI C FI BER I NDUSTRY 收稿日期:2008 09 17;修改稿收到日期:2009 05 27。作者简介:董晓英(1956 ),教授。从事纳米材料的教学和科研工作。 静电纺丝纳米纤维的制备工艺及其应用 董晓英1 董 鑫 2 (1.江苏技术师范学院,江苏常州 213001;2.慕尼黑大学,德国慕尼黑 80539)摘 要:简述了静电纺丝制备纳米纤维的原理;探讨了静电纺丝电压、流速、接收距离、溶剂浓度等工艺条 件;介绍了同轴静电纺丝制备皮芯结构的超细纤维及中空纤维技术以及静电纺丝纳米纤维毡在生物医药方面的应用。指出静电纺丝纳米纤维材料在生物医用方面具有广阔的应用前景,进一步实现低压纺丝、开发无毒溶剂,控制同轴静电纺丝纳米纤维的释放性能是今后静电纺丝的研发方向。 关键词:静电纺丝 纳米纤维 工艺 生物 医药 应用 中图分类号:TQ 340.64 文献识别码:A 文章编号:1001 0041(2009)04 0048 04 静电纺丝法是一种高速制备纳米纤维的有效方法,其装置简单,成本低廉,供选择的基体材料和所载药物种类众多,可通过改变电压、流速、接 收距离、溶液浓度配比等纺丝工艺控制纤维形貌,从而控制药物的释放。静电纺丝纳米纤维在生物、医药方面有着广泛的应用。1 静电纺丝及其工艺条件 静电纺丝技术最早报道于1934年的美国专利[1] ,发明人For mhals 用静电斥力的推动成功纺出醋酸纤维素纤维,溶剂为丙酮和乙醇。后来,For mha ls 改进了静电纺丝设备,通过多个针头纺丝或复合纺丝 [2] 。 1969年,英国Taylor [3] 研究了强电场作用下 水/油界面的形成。首先,从理论计算上考虑电场、重力和溶液粘度的影响,建立了锥状物模型,即在高压电场下溶液喷出前的形状称为Tay lor 锥。Tay l o r 还根据其模型计算了喷出时的临界锥角为98.6 。 静电纺丝纤维喷出针头后,在空中弯曲回转,最后落在接收器上,给人多股纤维同时喷出的印 象。阿克隆大学的Dosh i 等[4] 假设带电高分子溶液在喷出后互相排斥,克服表面张力而分裂成若干股纤维,落到接收器上形成无纺纤维毡。但是 麻省理工学院的Shin 等[5]和以色列的Yari n [6] 等通过高速成像,只有1股纤维从喷丝口喷出,然后在电场力作用下快速弯曲旋转,给人以很多股纤维的假象。1971年,杜邦公司的B au m garten [7] 研究了纺丝工艺参数对丙烯酸在N,N 二甲基甲酰(D M F)胺溶液中静电纺丝纤维直径的影响。纺 丝工艺参数主要包括喷射距离、溶液粘度、环境气体、流速和电压等。 1.1 电压 足够的电压是形成连续稳定纤维的先决条件。如果电压过小,则产生静电喷射,形成独立的珠状物。随着电压的增加,逐渐形成串珠结构,电压进一步增大,串珠逐渐减少,直至形成连续稳定 的纤维。Deitzel 等[8] 研究了聚氧化乙烯(PEO )/水体系中电压对喷丝口Tay lor 锥表面的影响。结果表明,当电压较小时,Tay lor 锥形成于针头外悬挂液滴的表面;随电压增加,液滴体积逐渐变小,直至液滴和Tay lor 锥相继消失。同时,纤维上串珠的分布密度也随电压增大而增加。因此,一般适宜电压为10~25kV 。1.2 流速 流速是影响静电纺丝纤维形貌的另一重要参数。M ege lski [9] 等研究了静电纺丝流速对聚苯乙烯/四氢呋喃(THF)体系的影响,随着流速增大,纤维直径增加,纤维表面的孔径也增大。同时,流速增大也促进了更明显的串珠结构,其原因是溶剂在到达接受装置前不能完全挥发。目前所采用的流速为1~3mL /h 。1.3 接收距离 接收距离也会在一定程度上影响静电纺丝的 纤维形貌。Jaeger [10] 等研究了PEO /水溶液的静电纺丝行为,随着接收距离由1c m 增大到3.5c m,纤维直径从19 m 下降到9 m 。根据M egel
第一章静电场单元测试卷 一、选择题（1-8题单选，每题3分，9-13题多选，每题4分） 1．下列选项中的各 1/4圆环大小相同，所带电荷量已在图中标出，且电荷均匀分布，各 1/4 圆环间彼此绝缘．坐标原点O 处电场强度最大的是 （ ） 2．将一电荷量为 +Q 的小球放在不带电的金属球附近，所形成的电场线分布如图所示，金属球表面的电势处处相等．a 、b 为电场中的两点，则 如图所示，M 、N 和P 是以MN 为直径的半圆弧上的三点，O 点为半圆弧的圆心，∠MOP = 60°．电荷量相等、符号相反的两个点电荷分别置于M 、N 两点，这时O 点电场强度的大小为E 1；若将N 点处的点电荷移至P 点，则O 点的场强大小变为E 2，E 1与E 2之比为（ ） A ．1∶2 B ．2∶1 C ．2∶ 3 D ．4∶ 3 3.点电荷A 和B ，分别带正电和负电，电量分别为4Q 和Q ，在AB 连线上，如图1-69所示，电场强度为零的地方在 ( ) A ．A 和 B 之间 B ．A 右侧 C ．B 左侧 D ．A 的右侧及B 的左侧 4．如图1-70所示，平行板电容器的两极板A 、B 接于电池两极，一带正电的小球悬挂在电容器内部，闭合S ，电容器充电，这时悬线偏离竖直方向的夹角为θ，则下列说法正确的是（ ） A ．保持S 闭合，将A 板向B 板靠近，则θ增大 B ．保持S 闭合，将A 板向B 板靠近，则θ不变 C ．断开S ，将A 板向B 板靠近，则θ增大 D ．断开S ，将A 板向B 板靠近，则θ不变 图1-69 B A Q 4Q 图1-70 图1-71 A B C D
5．如图1-71所示，一带电小球用丝线悬挂在水平方向的匀强电场中，当小球静止后把悬线烧断，则小球在电场中将作（ ） A ．自由落体运动 B ．曲线运动 C ．沿着悬线的延长线作匀加速运动 D ．变加速直线运动 6.如图是表示在一个电场中的a 、b 、c 、d 四点分别引入检验电荷时，测得的检验电荷的电量跟它所受电场力的函数关系图象，那么下列叙述正确的是（ ） A ．这个电场是匀强电场 B ．a 、b 、c 、d 四点的场强大小关系是E d >E a >E b >E c C ．a 、b 、c 、d 四点的场强大小关系是E a >E b >E c >E d D ．无法确定这四个点的场强大小关系 7．以下说法正确的是（ ） A ．由q F E = 可知此场中某点的电场强度E 与F 成正比 B ．由公式q E P = φ可知电场中某点的电势φ与q 成反比 C ．由U ab =Ed 可知，匀强电场中的任意两点a 、b 间的距离越大，则两点间的电势差也一定越大 D ．公式C=Q/U ，电容器的电容大小C 与电容器两极板间电势差U 无关 8.如图1-75所示，质量为m ，带电量为q 的粒子，以初速度v 0，从A 点竖直向上射入真空中的沿水平方向的匀强电场中，粒子通过电场中B 点时，速率v B =2v 0，方向与电场的方向一致，则A ，B 两点的电势差为：( ) 9.两个用相同材料制成的半径相等的带电金属小球,其中一个球的带电量的绝对值是另一个的5倍,它们间的库仑力大小是F ,现将两球接触后再放回原处,它们间库仑力的大小可能是（ ） A.5 F /9 B.4F /5 C.5F /4 D.9F /5 10. A 、B 在两个等量异种点电荷连线的中垂线上,且到连线的距离相等,如 图1-75 A B
静电场单元测试 一、选择题 1．如图所示，a 、b 、c 为电场中同一条电场线上的三点，c 为ab 的中点，a 、b 点的电势分别为φa ＝5 V ，φb ＝3 V ，下列叙述正确的是( ) A ．该电场在c 点处的电势一定为4 V B ．a 点处的场强一定大于b 处的场强 C ．一正电荷从c 点运动到b 点电势能一定减少 D ．一正电荷运动到c 点时受到的静电力由c 指向a 2．如图所示，一个电子以100 eV 的初动能从A 点垂直电场线方向飞入匀强电场，在B 点离开电场时，其速度方向与电场线成150°角，则A 与B 两点间的电势差为( ) A ．300 V B ．－300 V C ．－100 V D ．－1003 V 3．如图所示，在电场中，将一个负电荷从C 点分别沿直线移到A 点和B 点，克服静电力做功相同．该电场可能是( ) A ．沿y 轴正向的匀强电场 B ．沿x 轴正向的匀强电场 C ．第Ⅰ象限内的正点电荷产生的电场 D ．第Ⅳ象限内的正点电荷产生的电场 4．如图所示，用绝缘细线拴一带负电小球，在竖直平面内做圆周运动， 匀强电场方向竖直向下，则( ) A ．当小球运动到最高点a 时，线的张力一定最小 B ．当小球运动到最低点b 时，小球的速度一定最大 C ．当小球运动到最高点a 时，小球的电势能最小 D ．小球在运动过程中机械能不守恒 5．在静电场中a 、b 、c 、d 四点分别放一检验电荷，其电量可变，但很小，结果测出检验电荷所受电场力与电荷电量的关系如图所示，由图线可知 ( ) A ．a 、b 、c 、d 四点不可能在同一电场线上 B ．四点场强关系是E c ＝E a >E b >E d C ．四点场强方向可能不相同 D ．以上答案都不对 6．如图所示，在水平放置的光滑接地金属板中点的正上方，有带正电的点电荷Q ， 一表面绝缘带正电的金属球(可视为质点，且不影响原电场)自左以速度v 0开始在 金属板上向右运动，在运动过程中 ( ) A ．小球做先减速后加速运动 B ．小球做匀速直线运动 C ．小球受的电场力不做功 D ．电场力对小球先做正功后做负功 7．如图所示，一个带正电的粒子以一定的初速度垂直进入水平方向的匀强电场．若不计重力，图中的四个图线中能描述粒子在电场中的运动轨迹的是 ( ) 8．图中虚线是用实验方法描绘出的某一静电场中的一簇等势线，若不计重力的 带电粒子从a 点射入电场后恰能沿图中的实线运动，b 点是其运动轨迹上的另一 点，则下述判断正确的是 ( ) A ．b 点的电势一定高于a 点 B ．a 点的场强一定大于b 点
静电场单元测试题 一、单项选择题：（在每小题给出的四个选项中，只有一项是正确的，每小题3分。共36分。） 1．在点电荷 Q 形成的电场中有一点A ，当一个－q 的检验电荷从电场的无限远处被移到电场中的A 点时，电场力做的功为W ，则检验电荷在A 点的电势能及电场中A 点的电势分别为（ ） A 、q W U W A A =-=,ε B 、q W U W A A -==,ε C 、q W U W A A ==,ε D 、q W U W A A -=-=,ε 2．如图所示，点电荷Q 固定，虚线是带电量为q 的微粒的运动轨迹，微粒的重力不计，a 、b 是轨迹上的两个点，b 离Q 较近，下列判断不正确的是（ ） A ．Q 与q 的带电一定是一正一负 B ．不管Q 带什么性质的电荷，a 点的场强一定比b 点的小 C ．微粒通过a 、b 两点时，加速度方向都是指向Q D ．微粒通过a 时的速率比通过b 时的速率大 3．在两个等量同种点电荷的连线上，有与连线中点O 等距的两点a 、b ，如图所示，则下列判断不正确的是（ ） A ．a 、b 两点的场强矢量相同 B ．a 、b 两点的电势相同 C ．a 、O 两点间与b 、O 两点间的电势差相同 D ．同一电荷放在a 、b 两点的电势能相同 4．一个点电荷从电场中的a 点移到b 点，其电势能变化为零，则（ ） A ．a 、b 两点的场强一定相等 B ．a 、b 两点的电势一定相等 C ．该点电荷一定沿等势面移动 D ．作用于该点电荷的电场力与移动方向总是保持垂直 5、如图所示，真空中有一个固定的点电荷，电荷量为+Q ．图中的虚线表示该点电荷形 成的电场中的四个等势面．有两个一价离子M 、N （不计重力，也不计它们之间的电场 力）先后从a 点以相同的速率v 0射入该电场，运动轨迹分别为曲线apb 和aqc ，其中p 、 q 分别是它们离固定点电荷最近的位置．①M 一定是正离子，N 一定是负离子．②M 在p 点的速率一定大于N 在q 点的速率．③M 在b 点的速率一定大于N 在c 点的速率．④M 从p →b 过程电势能的增量一定小于N 从a →q 电势能的增量．以上说法中正确的是（ ） A.只有①③ B.只有②④ C.只有①④ D.只有②③ 6．如图3所示,在处于O 点的点电荷+Q 形成的电场中,试探电荷q 由A 点移到B 点,电场力做功为W 1;以OA 为半径画弧交于OB 于C ，q 由A 点 移到C 点电场力做功为 W 2; q 由C 点移到B 点电场力做功为 W 3. 则三者的做功关系以及q 由A 点移到C 点电场力做功为 W 2的大小：( ) A. W 1 =W 2= W 3, W 2=0 B. W 1 >W 2= W 3, W 2>0 C. W 1 =W 3>W 2, W 2=0 D. W 1 =W 2< W 3, W 2=0 7．如图，APB 曲线是电场中的一条电场线，ab 与曲线相切于P ，cd 与ab 正交于P ，一个电子通过P 点时其速度与Pc 同向，则其加速度 ( ) A O C q +Q 图3
静电平衡和电容器 1、静电感应现象 （1）静电感应现象：导体在电场中自由电荷重新分布的现象。 （2）静电感应因果关系 原因 现象 结果 （3）静电平衡 当导体内E =0时（自由电子定向移动停止），导体达到静电平衡状态。 ①静电平衡状态：导体中（包括表面）没有电荷定向移动的状态。 ②静电平衡的条件：导体内部场强为零，即内E =0。 ③静电平衡状态下导体的特征： a 、导体内部场强处处为零。 b 、导体表面场强垂直表面。（原因：如果不垂直，场强就有一个沿导体表面的分量，自由电子还要发生定向移动） c 、导体为等势体，表面为等势面。（原因：导体内部场强处处为零，在导体内部移动电荷时，电场力不做功，任意两点间电势差为零；电荷在导体表面移动时，电场力与位移垂直，电场力不做功） ④静电平衡导体的电荷分别特点 a 、导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的表面。 b 、在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度（单位面积的电荷量）越大，凹陷的位置几乎没有电荷。 2、尖端放电 （1）空气电离 气体分子中的电子在强电场的作用下发生剧烈的运动，挣脱原子核对它的束缚而成为自自电子，同时气体分子变成带正电荷的正离子，这个现象叫做空气的电离。 （2）尖端放电 中性的分子电离后后变成带负电的自由电子和失去电子带正电的离子，这些带电粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子，那些所 带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，
这相当于导体尖端失去电荷，这个现象叫做尖端放电。 （3）应用和防止 ①应用：避雷针是利用尖端放电避免雷击的一种设施。 ②防止：高压设备中导体的表面尽量光滑会减少电能的损失。 1、静电屏蔽 （1）定义：处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零，可以利用导体球壳（或金属网罩）封闭某区域，使该区域不再受外电场的影响，这一现象称为静电屏蔽。 （2）静电屏蔽的实质 利用静电屏蔽现象，使金属壳的感应电荷和外加场强的矢量和为零，好像是金属壳将电场“挡”在外面，即所谓的屏蔽作用，其实是壳内两种电荷并存，矢量和为零而已。 当金属壳达到静电平衡时，内部没有电场，因而金属的外壳会对其内部起到保护作用，使它内部不受外部电场影响。 （3）静电屏蔽的两种情况 ①导体内空腔不受外界影响，如图甲 ②接地导体空腔外部不受内部电荷影响，如图乙所示。 处于静电平衡的导体，内部场强处处为零的原因是（） A、外电场不能进入导体内部 B、所有感应电荷在导体内部产生的合场强为零 C、外电场和所有感应电荷的电场在导体内部叠加的结果为零 D、以上解释都不正确 如图所示，金属壳放在光滑的绝缘水平垫上，能起到屏蔽外电场或内电场作用的是（） 如图所示，带电体Q靠近一个接地空腔导体，空腔里面无电荷，在静电平衡后，下列物理量中等于零的是（） A、导体墙内任意点的场强 B、导体腔内任意点的电势 C、导体外表面的电荷量
静电纺丝即在高压静电下用聚合物溶液进行纺丝的过程。静电纺丝可以制备直径在几十到几百纳米的纤维，产品具有较高的孔隙率和较大的比表面积，成分多样化，直径分布均匀，在生物医学、环境工程以及纺织等领域具有很高的应用价值。 原理 将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。 当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。在细流喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡。
装置 静电纺丝的装置主要由推进泵、注射器、高压电源以及接收装置组成。其中，高压电源的正极与负极分别与注射器针头和接收装置相连，而接收装置的形式也是多样化的，可以是静止的平面、高速转动的滚筒或者圆盘。纺丝的参数设置、环境条件等对纺丝过程的影响至关重要。 高聚物
目前静电纺丝技术已经可用于几十种不同的高分子聚合物，既包括聚酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈等柔性高聚物的静电纺丝，也包括聚氨酯弹性体的静电纺丝以及液晶态的刚性高分子聚对苯二甲酰对苯二胺等的静电纺丝。 影响因素 静电纺丝法制备纳米纤维的影响因素很多，这些因素可分为溶液性质，如黏度、弹性、电导率和表面张力；控制变量，如毛细管中的静电压、毛细管口的电势和毛细管口与收集器之间的距离；环境参数，如溶液温度、纺丝环境中的空气湿度和温度、气流速度等。 溶液黏度对纤维性能的影响 同轴静电纺丝
同轴静电纺是在静电纺的基础上改造而来，其基本原理是在两个内径不同但同轴的毛细管中分别注入芯质和壳质溶液，二者在喷头末端汇合，在电场力的作用下固化成为复合纳米纤维。 同轴静电纺丝解决了纺丝时纺丝液必须是均一体系的缺陷，所制备的同轴纤维在均匀性、连续性上都优于其它方法得到的纤维。采用同轴静电纺丝的方法可以制得中空纤维和纳米复合纤维等。 应用
《静电场》综合测试题 山东省沂源县一中 任会常 一．选择题 1．下列说法正确的是（ ） A ．元电荷就是质子 B ．点电荷是很小的带电体 C ．摩擦起电说明电荷可以创造 D ．库仑定律适用于在真空中两个点电荷之间相互作用力的计算 2．如图1所示为两点电荷P 、Q 的电场线分布示意图，c 、d 为电场中的两点．一带电粒子从a 运动到b (不计重力)，轨迹如图所示．则下列判断正确的是( ) A ．Q 带正电 B ．带电粒子在运动过程中受到P 的吸引 C ．c 点电势低于d 点电势 D ．带电粒子从a 到b ，电场力做正功 3．如图2所示，带正电的小球靠近不带电的金属导体AB 的A 端，由于静电感应，导体A 端出现负电荷，B 端出现正电荷，关于导体AB 感应起电的说法正确的是( ) A ．用手接触一下导体的A 端，导体将带负电荷 B ．用手接触一下导体AB 的正中部位，导体仍不带电 C ．用手接触一下导体AB 的任何部位，导体将带负电 D ．用手接触一下导体AB 后，只要带正电小球不移走，AB 不可能带电 4．如图3所示的四个电场中，均有相互对称分布的a 、b 两点，其中电势和场强都相同的是( ) 图3 5．如图4所示，在粗糙绝缘的水平面上有一物体A 带正电，另一带正电的点电荷B 沿着以A 为圆心的圆弧由P 到Q 缓慢地从A 的上方经过，若此过程中A 始终保持静止，A 、B 两物体可视为质点且只考虑它们之间的库仑力作用．则下列说法正确的是( ) 图 1 图 4 图2
A ．物体A 受到地面的支持力先增大后减小 B ．物体A 受到地面的支持力保持不变 C ．物体A 受到地面的摩擦力先减小后增大 D ．库仑力对点电荷B 先做正功后做负功 6．如图5所示，带电量为-q 的点电荷与均匀带电正方形薄板相距为2d ，点电荷到带电薄板的垂线通过板的几何中心，若图中a 点处的电场强度大小为 22d q k ，根据对称性，带电薄板在图中b 点处产生的电场强度为（ ） A ．23d q k 向右 B ．23d q k 向左 C ．2 d q k 向左 D ．2d q k 向右 7．如图6所示，边长L =1m 的菱形ABCD 放置在匀强电场中，电场线方向平行于菱形 所在的平面，E 为AB 的中点，A 、C 、E 三点的电势分别为0V 、6V 、2V ，下列说法正确的是（ ） A ． B 点的电势B ?= 2V B ．D 点的电势=D ?2V C ．一电子从 D 点移到B 点电场力做的功19 3.210J W -=-? D ．匀强电场的场强4v E ≥4V/m 8．如图7所示，MPQO 为有界的竖直向下的匀强电场，电场强度为E ，ACB 为光滑固定的半圆形轨道，圆轨道半径为R ，AB 为圆水平直径的两个端点，AC 为1 4圆弧．一个质量 为m 、电荷量为－q 的带电小球，从A 点正上方高为H 处由静止释放，并从A 点沿切线进入半圆轨道．不计空气阻力及一切能量损失，关于带电小球的运动情况，下列说法正确的是( ) A ．小球一定能从 B 点离开轨道 B ．小球在A C 部分可能做匀速圆周运动 C ．若小球能从B 点离开，上升的高度一定小于H D ．小球到达C 点的速度可能为零 9．图8是某同学设计的电容式位移传感器原理图，其中右板为固定极板，左板为可动极板，待测物体固定在可动极板上。若两极板所带电量Q 恒定，极板两端电压U 将随待测物体的左右移动而变化，若 图5 可动极 板 图7 图6