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電”。這里涉及不同種物質相互摩擦后，物體能夠帶電。我們質疑：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？同種物質相互摩擦也可以起電嗎？不斷摩擦，電會不斷增多嗎？……帶著問題，本文對此進行了探討。

關鍵詞：摩擦起電 摩擦的作用 不同物質摩擦 同種物質摩擦

“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相互摩擦后，物體能夠帶電。那么，“不同物質”和“摩擦”是否是構成“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？同種物質相互摩擦也可以起電嗎？針對以上問題，本文對此進行了探討。

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，另一種物體帶負電的現象）。這里，“電”指電荷，即摩擦后產生靜電。

電荷：自然界中只存在兩種電荷。規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電荷。

2 如何判斷摩擦后的物體帶電

應用轉化法的思想，設計兩種實驗方案。

方案一：根據帶電的物體具有吸引輕小物體的性質，將問題轉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律：同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引。根據同種電荷互相排斥，制作了驗電器。如圖2所示，當驗電器的金屬球帶了電，兩個金屬箔片必定帶有同種電荷，因而相互排斥張開一個角度。我們便可以根據金屬箔片是否張開一個角度來判斷與驗電器相接觸的物體是否帶電。問題得以轉化。

通過實驗，我們發現相互摩擦后的兩個物體都帶電。

先讓驗電器帶上已知電性的電荷，再讓帶電體接觸驗電器的金屬球，如果驗電器在原來的基礎上張角度大，物體帶的電與原來驗電器上帶的電相同；如果驗電器張角先合攏又張開，物體帶的電與原來驗電器上帶的電相反。進一步的研究表明，摩擦后的玻璃棒帶正電，絲綢帶負電；而毛皮和橡膠棒摩擦過后，橡膠棒帶負電，而毛皮帶正電。

3 起電是否源于摩擦嗎

3.1接觸起電

實驗1：在驗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，可以看到它可使驗電器金屬箔片張開，這表明水帶電。在這個實驗中，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，實驗總是成功的，金屬箔片張開的角度不變。

實驗說明，起電與摩擦無關。

日常生活中也有類似的經驗：當剝離商品的外包裝時，我們發現，塑料薄膜和物體常常帶電，即不同材質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電荷在數量上相等，整個原子呈中性，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，不同的原子核束縛電子的本領不同。當兩個不同材質的物體相互接觸時就必然使得一個物體失去一些電荷，如電子轉移到另一個物體使其帶正電，而另一個物體得到一些剩余電子的物體而帶負電。若在分離的過程中電荷難以中和，電荷就會積累使物體帶上電。所以物體與其它物體接觸后分離就會帶上靜電。

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

固體、液體甚至氣體都會因接觸分離而帶上靜電。這是因為氣體也是由分子、原子組成，當空氣流動時分子、原子也會發生“接觸分離”而起電。

實質上，摩擦起電就是一種接觸后分離造成的正負電荷不平衡的過程。摩擦是一個不斷接觸與分離的過程。因此摩擦起電實質上是接觸分離起電。在日常生活，各類物體都可能由于移動或摩擦而產生靜電。

摩擦不是起電的原因，不同物質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

當兩個不同材料構成的物體緊密接觸時，在接觸面兩側的兩種原子也會緊密接觸，當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，束縛電子本領強的原子就能“奪取”束縛電子本領弱的原子里的電子，使得電子在兩物體問發生轉移，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電。

正如實驗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有電子轉移現象發生，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

當兩個物體接觸時，由于物體表面不可能完全平滑，無論接觸得如何緊密，實際上兩個物體真正接觸到的地方不會是物體的整個表面，而只是一部分。當兩緊密接觸的物體發生摩擦時，可以使物體之間真正接觸的面積增大，電子在物體間的轉移機會增多。當再把物體分開時，其中每一個物體所帶的電量增加，帶電現象比較明顯。看生活中一實例：運油汽車在運行時，油罐里裝運的汽油不停地晃動著，使得汽油輪流不斷地跟油罐的壁緊密接觸發生摩擦，這樣產生的電荷就會聚集起來，就會越來越多。為避免出現危險，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很強，電子不易轉移，當兩種這類物體接觸后，相互強烈摩擦時，做功使被摩擦的表面溫度顯著升高，物體內能增大，這就增強了物體內部分子的熱運動，就有更多的電子能獲得足夠的能量，擺脫原子核的束縛，從一個物體“跑入”另一個物體里，使兩物體均發生了帶電現象。

至此，我們明白摩擦起電是電子由一個物體轉移到另一個物體的結果。因此原來不帶電的兩個物體摩擦起電時，它們所帶的電量在數值上必然相等。

既然，摩擦只是幫助電荷的轉移，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感應起電

實驗2：取一對用絕緣柱支持的金屬導體A和B，導體上都貼有金屬箔，讓A和B彼此接觸，這時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。把另一個帶正電的金屬球C移近導體A，這時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。實驗表明，靠近C的導體A帶的電荷與C相異，遠離C的導體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。將導體放在帶電體附近，導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，使導體兩端分別帶正、負電荷，這種現象叫做靜電感應。靜電感應使得物體兩端帶有不同種電荷，分開導體，兩部分都帶上了電。通過感應的方式，物體可以帶電。但顯然，感應起電區別于摩擦起電，已經脫離討論之列。

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原子轉移到另一個原子，產生正負電荷不平衡的現象。

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行相互摩擦，兩個摩擦表面就能夠出現帶電現象。通過進一步的實驗表明：兩個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電荷。既然，摩擦起電是電子由一個物體轉移到另一個物體的結果，勢必使得其中一個帶正電，另一個帶負電，那么，產生同種電荷的原因何在呢？

我們考慮：空氣中有多種氣體。當兩個同種物質組成的物體相互摩擦時，兩個物體因為由同種物質組成，所以對電子的束縛作用一樣，同時失去電子或得到電子的能力是相同的。這時，就必須考慮空氣的影響了。如果該物質比空氣中各種氣體宏觀統計的束縛電子的能力強，又容易得到電子，于是空氣失去電子，而這兩個物體得到電子帶有負電。相反，如果該物質比空氣中各種氣體宏觀統計的束縛電子的能力差，又容易失去電子，于是空氣得到電子，散發在周圍的空氣中，而這兩個物體失去電子帶有正電。

進一步的實驗發現，在盡可能排除了空氣因素影響之后，實驗卻仍能得到了相同的結果！同種材料相互摩擦，緣何起電帶有同性電荷呢？

將介質表面污染物考慮進去從而來解釋此現象。因為介質在未摩擦之前會在周圍的環境中受到了一定程度的污染，污染的結果是介質和污染物之間因接觸而產生了偶電層，如圖4所示。摩擦會使一部分污染脫離介質表面，從而脫離部分的介質與污染之間的偶電層也隨之分離使介質帶上電荷。因為介質相同，且污染物也相同，這里偶電層也是相同的，故偶電層脫離時，介質上帶上同種電荷。

“同種材料”相互摩擦起電，看似“同種材料”，實際上仍然是不同物質相互摩擦的結果。

5 摩擦起電，摩擦次數越多，物體帶電量是否越多？

如果用絲綢與玻璃棒摩擦，那么電子就會移到絲綢上，使絲綢帶負電，玻璃棒缺失電子而帶負電。那是否不斷地進行摩擦，電子就不斷地移到絲綢上，然后經過無數次的摩擦，電子會不會移光，導致絲綢與玻璃棒再次摩擦就不會產生電了，會產生這種情況嗎？為什么？這是不會的，因為當絲綢上所帶的負電有玻璃棒上所帶的正電荷量達到一定的值時，在它們之間就會產生一個足夠強的附加電場，這樣玻璃棒的電子就會受力平衡而不再發生定向移動，這時在絲綢上的負電有在玻璃棒上的正電就達到了最大值而不再增加。

綜上所述，摩擦起電實際上是摩擦分“電”，物體帶電的原因并不是摩擦創造了電，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電荷分開而已。

參考文獻：

［1］王常華.“摩擦起電”之我見.中學物理，2005，（9）.51-52.

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