解讀“摩擦起電”

摘 要：“絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電，毛皮摩擦過的橡膠棒帶負(fù)電”。這里涉及不同種物質(zhì)相互摩擦后，物體能夠帶電。我們質(zhì)疑：摩擦后，物體所帶的電荷是摩擦力“摩”出來的嗎？不接觸、不用摩擦能否起電？同種物質(zhì)相互摩擦也可以起電嗎？不斷摩擦，電會(huì)不斷增多嗎？……帶著問題，本文對此進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：摩擦起電 摩擦的作用 不同物質(zhì)摩擦 同種物質(zhì)摩擦

“絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電，毛皮摩擦過的橡膠棒帶負(fù)電”。相互接觸的絲綢和玻璃棒、毛皮和橡膠棒摩擦后帶電的原因是什么？這里涉及不同種物質(zhì)相互摩擦后，物體能夠帶電。那么，“不同物質(zhì)”和“摩擦”是否是構(gòu)成“起電”的必要條件呢？帶著問題我們思考：如果“接觸”是“摩擦”的前提，那么，兩種物質(zhì)相互接觸、不用摩擦能否起電？摩擦后的物體帶的電荷是摩擦力“摩”出來的嗎？如果不用摩擦也可以起電，那么，摩擦的作用又在何處？物體不接觸又能否起電？同種物質(zhì)相互摩擦也可以起電嗎？針對以上問題，本文對此進(jìn)行了探討。

1 摩擦起的什么“電”

用摩擦的方法使物體帶電的現(xiàn)象，叫摩擦起電（或兩種不同的物體相互摩擦后，一種物體帶正電，另一種物體帶負(fù)電的現(xiàn)象）。這里，“電”指電荷，即摩擦后產(chǎn)生靜電。

電荷：自然界中只存在兩種電荷。規(guī)定絲綢摩擦過的玻璃棒帶的電荷叫正電荷，用毛皮摩擦過的橡膠棒帶的電荷叫負(fù)電荷。

2 如何判斷摩擦后的物體帶電

應(yīng)用轉(zhuǎn)化法的思想，設(shè)計(jì)兩種實(shí)驗(yàn)方案。

方案一：根據(jù)帶電的物體具有吸引輕小物體的性質(zhì)，將問題轉(zhuǎn)化為把摩擦過后的物體靠近碎紙屑，觀察碎紙屑是否被吸引。如圖1所示。若碎紙屑被吸引，說明物體帶電。

方案二：我們知道電荷間的相互作用規(guī)律：同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引。根據(jù)同種電荷互相排斥，制作了驗(yàn)電器。如圖2所示，當(dāng)驗(yàn)電器的金屬球帶了電，兩個(gè)金屬箔片必定帶有同種電荷，因而相互排斥張開一個(gè)角度。我們便可以根據(jù)金屬箔片是否張開一個(gè)角度來判斷與驗(yàn)電器相接觸的物體是否帶電。問題得以轉(zhuǎn)化。

通過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)相互摩擦后的兩個(gè)物體都帶電。

先讓驗(yàn)電器帶上已知電性的電荷，再讓帶電體接觸驗(yàn)電器的金屬球，如果驗(yàn)電器在原來的基礎(chǔ)上張角度大，物體帶的電與原來驗(yàn)電器上帶的電相同；如果驗(yàn)電器張角先合攏又張開，物體帶的電與原來驗(yàn)電器上帶的電相反。進(jìn)一步的研究表明，摩擦后的玻璃棒帶正電，絲綢帶負(fù)電；而毛皮和橡膠棒摩擦過后，橡膠棒帶負(fù)電，而毛皮帶正電。

3 起電是否源于摩擦嗎

3.1接觸起電

實(shí)驗(yàn)1：在驗(yàn)電器的金屬球上安裝一金屬圓筒，在筒里注入蒸餾水，把裝在膠木柄上的石蠟小球浸沒在水中，從水中取出小球，可以看到它可使驗(yàn)電器金屬箔片張開，這表明水帶電。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，不論小球浸沒在水中的深淺程度如何，也不論取出小球的快慢如何，實(shí)驗(yàn)總是成功的，金屬箔片張開的角度不變。

實(shí)驗(yàn)說明，起電與摩擦無關(guān)。

日常生活中也有類似的經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)剝離商品的外包裝時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，塑料薄膜和物體常常帶電，即不同材質(zhì)的物體接觸后再分離后，物體也往往帶電。“起電”缺省了“摩擦”的步驟，顯然，起電與摩擦并無關(guān)系。那么，“起電”的原因是什么呢？

我們知道，原子是由位于原子中心的原子核和核外電子組成的。在通常情況下，原子核所帶的正電荷和核外電子總共所帶的負(fù)電荷在數(shù)量上相等，整個(gè)原子呈中性，由原子組成的物體也呈中性。原子核具有束縛周圍電子的本領(lǐng)，不同的原子核束縛電子的本領(lǐng)不同。當(dāng)兩個(gè)不同材質(zhì)的物體相互接觸時(shí)就必然使得一個(gè)物體失去一些電荷，如電子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體使其帶正電，而另一個(gè)物體得到一些剩余電子的物體而帶負(fù)電。若在分離的過程中電荷難以中和，電荷就會(huì)積累使物體帶上電。所以物體與其它物體接觸后分離就會(huì)帶上靜電。

所以，通常在從一個(gè)物體上剝離一張塑料薄膜時(shí)就是一種典型的“接觸分離”起電，在日常生活中脫衣服產(chǎn)生的靜電也是“接觸分離”起電。

固體、液體甚至氣體都會(huì)因接觸分離而帶上靜電。這是因?yàn)闅怏w也是由分子、原子組成，當(dāng)空氣流動(dòng)時(shí)分子、原子也會(huì)發(fā)生“接觸分離”而起電。

實(shí)質(zhì)上，摩擦起電就是一種接觸后分離造成的正負(fù)電荷不平衡的過程。摩擦是一個(gè)不斷接觸與分離的過程。因此摩擦起電實(shí)質(zhì)上是接觸分離起電。在日常生活，各類物體都可能由于移動(dòng)或摩擦而產(chǎn)生靜電。

摩擦不是起電的原因，不同物質(zhì)間只要相互接觸就可以起電，那么摩擦的作用是什么？

3.2摩擦的作用［1］

3.2.1摩擦是為了使物體緊密接觸

當(dāng)兩個(gè)不同材料構(gòu)成的物體緊密接觸時(shí)，在接觸面兩側(cè)的兩種原子也會(huì)緊密接觸，當(dāng)原子的這種緊密接觸程度接近于物體里原子與原子間的距離時(shí)，束縛電子本領(lǐng)強(qiáng)的原子就能“奪取”束縛電子本領(lǐng)弱的原子里的電子，使得電子在兩物體問發(fā)生轉(zhuǎn)移，失去電子的物體因缺少電子而帶正電，得到電子的物體有了多余的電子而帶等量的負(fù)電。

正如實(shí)驗(yàn)中的石蠟小球跟液體的接觸可以說是緊密的，而只要有了這種緊密接觸就會(huì)有電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象發(fā)生，不一定非要使勁相互摩擦不可。

3.2.2摩擦是為了增大接觸面積

當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，由于物體表面不可能完全平滑，無論接觸得如何緊密，實(shí)際上兩個(gè)物體真正接觸到的地方不會(huì)是物體的整個(gè)表面，而只是一部分。當(dāng)兩緊密接觸的物體發(fā)生摩擦?xí)r，可以使物體之間真正接觸的面積增大，電子在物體間的轉(zhuǎn)移機(jī)會(huì)增多。當(dāng)再把物體分開時(shí)，其中每一個(gè)物體所帶的電量增加，帶電現(xiàn)象比較明顯。看生活中一實(shí)例：運(yùn)油汽車在運(yùn)行時(shí)，油罐里裝運(yùn)的汽油不停地晃動(dòng)著，使得汽油輪流不斷地跟油罐的壁緊密接觸發(fā)生摩擦，這樣產(chǎn)生的電荷就會(huì)聚集起來，就會(huì)越來越多。為避免出現(xiàn)危險(xiǎn)，用一鐵鏈將電荷傳到地面。

3.2.3摩擦是為了使接觸面的溫度升高

有些物體中的原子核束縛電子的本領(lǐng)很強(qiáng)，電子不易轉(zhuǎn)移，當(dāng)兩種這類物體接觸后，相互強(qiáng)烈摩擦?xí)r，做功使被摩擦的表面溫度顯著升高，物體內(nèi)能增大，這就增強(qiáng)了物體內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)，就有更多的電子能獲得足夠的能量，擺脫原子核的束縛，從一個(gè)物體“跑入”另一個(gè)物體里，使兩物體均發(fā)生了帶電現(xiàn)象。

至此，我們明白摩擦起電是電子由一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體的結(jié)果。因此原來不帶電的兩個(gè)物體摩擦起電時(shí)，它們所帶的電量在數(shù)值上必然相等。

既然，摩擦只是幫助電荷的轉(zhuǎn)移，物體之間只要相互接觸就可以起電，那么，沒有接觸就不能起電嗎？

3.3感應(yīng)起電

實(shí)驗(yàn)2：取一對用絕緣柱支持的金屬導(dǎo)體A和B，導(dǎo)體上都貼有金屬箔，讓A和B彼此接觸，這時(shí)A和B上的金屬箔閉合，表示它們都沒有帶電，如圖3-1所示。把另一個(gè)帶正電的金屬球C移近導(dǎo)體A，這時(shí)A、B上的金屬箔都張開了，表示它們都帶了電，如圖3-2所示。實(shí)驗(yàn)表明，靠近C的導(dǎo)體A帶的電荷與C相異，遠(yuǎn)離C的導(dǎo)體B帶的電荷與C相同，如圖3-3所示。

我們知道：同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引。將導(dǎo)體放在帶電體附近，導(dǎo)體中的自由電子在帶電體的作用下，因排斥或吸引而做定向移動(dòng)，使導(dǎo)體兩端分別帶正、負(fù)電荷，這種現(xiàn)象叫做靜電感應(yīng)。靜電感應(yīng)使得物體兩端帶有不同種電荷，分開導(dǎo)體，兩部分都帶上了電。通過感應(yīng)的方式，物體可以帶電。但顯然，感應(yīng)起電區(qū)別于摩擦起電，已經(jīng)脫離討論之列。

4 摩擦起電是否一定要不同材料

前面我們分析到摩擦起電的原因，在于不同原子核對電子束縛能力不同，造成核外電子的從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子，產(chǎn)生正負(fù)電荷不平衡的現(xiàn)象。

4.1同種材料相互摩擦帶同種電荷的原因［2］

利用一些容易起電的同種材料進(jìn)行相互摩擦，兩個(gè)摩擦表面就能夠出現(xiàn)帶電現(xiàn)象。通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明：兩個(gè)表面所帶電荷為同性電荷，并且有的材料摩擦可以帶同性正電荷，有的摩擦后可以帶同性負(fù)電荷。既然，摩擦起電是電子由一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體的結(jié)果，勢必使得其中一個(gè)帶正電，另一個(gè)帶負(fù)電，那么，產(chǎn)生同種電荷的原因何在呢？

我們考慮：空氣中有多種氣體。當(dāng)兩個(gè)同種物質(zhì)組成的物體相互摩擦?xí)r，兩個(gè)物體因?yàn)橛赏N物質(zhì)組成，所以對電子的束縛作用一樣，同時(shí)失去電子或得到電子的能力是相同的。這時(shí)，就必須考慮空氣的影響了。如果該物質(zhì)比空氣中各種氣體宏觀統(tǒng)計(jì)的束縛電子的能力強(qiáng)，又容易得到電子，于是空氣失去電子，而這兩個(gè)物體得到電子帶有負(fù)電。相反，如果該物質(zhì)比空氣中各種氣體宏觀統(tǒng)計(jì)的束縛電子的能力差，又容易失去電子，于是空氣得到電子，散發(fā)在周圍的空氣中，而這兩個(gè)物體失去電子帶有正電。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在盡可能排除了空氣因素影響之后，實(shí)驗(yàn)卻仍能得到了相同的結(jié)果！同種材料相互摩擦，緣何起電帶有同性電荷呢？

將介質(zhì)表面污染物考慮進(jìn)去從而來解釋此現(xiàn)象。因?yàn)榻橘|(zhì)在未摩擦之前會(huì)在周圍的環(huán)境中受到了一定程度的污染，污染的結(jié)果是介質(zhì)和污染物之間因接觸而產(chǎn)生了偶電層，如圖4所示。摩擦?xí)挂徊糠治廴久撾x介質(zhì)表面，從而脫離部分的介質(zhì)與污染之間的偶電層也隨之分離使介質(zhì)帶上電荷。因?yàn)榻橘|(zhì)相同，且污染物也相同，這里偶電層也是相同的，故偶電層脫離時(shí)，介質(zhì)上帶上同種電荷。

“同種材料”相互摩擦起電，看似“同種材料”，實(shí)際上仍然是不同物質(zhì)相互摩擦的結(jié)果。

5 摩擦起電，摩擦次數(shù)越多，物體帶電量是否越多？

如果用絲綢與玻璃棒摩擦，那么電子就會(huì)移到絲綢上，使絲綢帶負(fù)電，玻璃棒缺失電子而帶負(fù)電。那是否不斷地進(jìn)行摩擦，電子就不斷地移到絲綢上，然后經(jīng)過無數(shù)次的摩擦，電子會(huì)不會(huì)移光，導(dǎo)致絲綢與玻璃棒再次摩擦就不會(huì)產(chǎn)生電了，會(huì)產(chǎn)生這種情況嗎？為什么？這是不會(huì)的，因?yàn)楫?dāng)絲綢上所帶的負(fù)電有玻璃棒上所帶的正電荷量達(dá)到一定的值時(shí)，在它們之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)足夠強(qiáng)的附加電場，這樣玻璃棒的電子就會(huì)受力平衡而不再發(fā)生定向移動(dòng)，這時(shí)在絲綢上的負(fù)電有在玻璃棒上的正電就達(dá)到了最大值而不再增加。

綜上所述，摩擦起電實(shí)際上是摩擦分“電”，物體帶電的原因并不是摩擦創(chuàng)造了電，也不是摩擦力把電“摩”出來，只不過是把本來存在物體里的正負(fù)電荷分開而已。

參考文獻(xiàn)：

［1］王常華.“摩擦起電”之我見.中學(xué)物理，2005，（9）.51-52.

［2］http://baike.baidu.com/view/353262.htm.