利用乳膠氣球開展摩擦生電的科學研究*

摘" 要：摩擦生電的影響因素眾多，研究團隊使用乳膠氣球進行實驗，研究氣球表面電荷規律、氣球電勢與應變的關系。闡述我國科學家進行摩擦電荷密度測量的過程，揭示不同材料摩擦時獲得或損失電子的能力。引導學生克服畏難心理開展科學研究。

關鍵詞：摩擦生電；乳膠氣球；物理實驗；科學研究

文章編號：1671-489X（2025）05-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.05.

0" 引言

人們很早就發現了摩擦生電的現象。早在古希臘時期，泰勒斯（公元前625—前547）就觀察到用羊毛摩擦后的琥珀能吸引樹葉等輕小物體；公元1世紀，我國東漢的王充在《論衡》中記載了“頓牟掇芥”現象。1757年，約翰·卡爾·威爾克（Johan Carl Wilcke）發表了第一個靜電序列表，根據不同材料摩擦產生靜電的極性，將多種物質依次排列。迄今已有巴盧（Ballou）、赫什（Hersh）、萊密克（Lchmicke）和史密森物理學數表等多個靜電序列量表問世[1]。

1" 乳膠氣球摩擦生電實驗

乳膠氣球的主要成分是天然乳膠，容易通過充氣和放氣改變體積大小，經常被用于娛樂或慶典活動中。大家很熟悉氣球與其他物體摩擦生電，兩個相同材料的氣球摩擦后也會產生不同極性的電荷。1986年LOWELL等[2]發現同種絕緣物質相互摩擦會產生電荷，并將這種現象命名為自發摩擦生電（spontaneous triboelectrification）。

使用三個相同品牌和生產批次的氣球，分別吹氣到直徑10 ㎝、20 ㎝和30 ㎝。把這三個原本中性的氣球與毛皮摩擦，用非接觸式靜電電壓表測試氣球表面的電勢。非接觸式靜電電壓表采用高靈敏度傳感器，通過檢測空氣中的電場強度來獲取靜電電壓數值，這種方式無需直接接觸被測物體，只需將探頭靠近物體即可完成測量。檢測結果顯示氣球表面都帶有負電荷。繼而，任意選擇其中兩個氣球相互摩擦，檢測結果表明體積較大的氣球表面帶有負電荷，體積較小的氣球表面帶有正電荷，摩擦接觸后體積較小的氣球表面電荷極性發生逆轉，電荷轉移方向發生變化。

2" 乳膠氣球表面電荷來源實驗

將兩個相同品牌和顏色的氣球，充氣到相同大小，用酒精清洗去除表面油污，以圓周運動對稱地摩擦氣球。兩個氣球表面產生異號電荷，相互吸引使得下方氣球懸浮在空中。使用電壓表測試氣球表面的電勢，摩擦后距離氣球表面5 ㎝的地方顯示正極性，電勢大于3 000 V，另外一個氣球表面產生負電荷。同一個氣球表面電荷極性的出現是隨機的，用酒精再次清潔和干燥氣球，氣球摩擦接觸后表面出現新的電荷，與該氣球之前的電荷極性沒有明顯相關性。用絕緣材料制作的氣球相互摩擦，表面為什么會出現不同極性的電荷？科學家認為這些電荷主要來源于空氣中的帶電離子，包括更高遷移率或活躍程度的陰離子和流動性較低的陽離子。

研究人員用氦氣給兩個相同生產批次的氣球充氣。氦氣是惰性氣體，很難與其他物質發生化學反應。實驗之前用酒精和紙巾清洗氣球，在干燥過程中避免氣球接觸其他物體表面。實驗表明兩個內部充滿空氣或者氦氣的氣球，在空氣中相互摩擦會產生電荷，但是在氦氣中摩擦不會產生電荷。兩種不同材料的物質相互摩擦產生電荷，不會受到周圍的氣體影響，例如，氣球和棉花或紙張摩擦，無論在空氣中還是氦氣中都會產生電荷。在惰性氣體中相同材料的物質之間難以摩擦生電，表明絕緣體表面的電荷主要來自空氣，物體表面與空氣相互作用導致空氣中的離子通過放電發生分解。

為了直觀顯示氣球表面電荷分布規律，研究人員將氣球摩擦后暴露在帶電碳粉中，由于異號電荷相互吸引，碳粉附著在氣球表面帶電相反的區域。在金屬罐里放入適量紫紅色碳粉，充分搖晃使碳粉與金屬罐摩擦，碳粉帶正電荷。兩個氣球清潔干燥后，擠壓摩擦氣球做30次循環圓周運動，把帶電的氣球暴露在紫紅色碳粉中。乳膠氣球表面會出現兩種不同的圖案，一個氣球表面出現橢圓斑點，另一個氣球表面出現條紋圖案，斑點主要出現在帶正電荷的氣球表面，條紋主要出現在帶負電荷的氣球表面。

3" 乳膠氣球電勢與應變性質實驗

一種給定材料在靜電序列表中的位置取決于材料表面是粗糙還是光滑，這可能是材料表面不同的應變狀態所致。1910年，JAMIESON[3]發現相同材料的纖維素薄片接觸，產生的電荷類型與材料表面的應變程度有關系，被拉伸的纖維素薄片表面帶正電荷，而被擠壓的纖維素薄片表面帶負電荷。聚四氟乙烯（PTFE）的介電常數很小，具有良好的絕緣性能。研究人員分別將膨脹的充氣氣球和松弛的放氣氣球與PTFE平板表面接觸，以分析PTFE平板表面產生的電荷，同時避免氣球體積變化對實驗結果的影響。實驗在嚴格控制環境條件的氮氣手套箱里進行，每次均使用新鮮清洗的樣品。實驗操作包括與充氣氣球或者放氣氣球進行10次摩擦接觸，然后測量PTFE平板表面的電勢。共進行112次實驗，一半與放氣氣球接觸，一半與充氣氣球接觸。實驗結果顯示，與充氣氣球摩擦后的PTFE平板表面帶負電荷，而與放氣氣球摩擦后的PTFE平板表面帶正電荷，這表明材料應變對摩擦生電起主導作用，并控制兩個物體表面之間電荷轉移的方向。

為了定量研究應變對氣球摩擦電荷轉移的影響，研究人員制作了一個直徑為19 mm的聚四氟乙烯（PTFE）球，并將其與厚度為0.254 mm的乳膠片進行摩擦接觸。乳膠片通過O形密封圈均勻拉伸后套在空心圓柱體頂端，然后用塑料拉繩帶固定。為了確定乳膠片的應變大小及其空間均勻性，研究人員在其背面印制了一個十字符號，十字符號不與PTFE球接觸。乳膠片的應變系數e由拉伸后符號長度（L）和原來長度（L0）計算得出，公式為e=（L-L0）/L0，并通過兩個正交方向的e值評估應變均勻性。實驗結果顯示，即使應變系數e高達150%，乳膠片仍然具有高度各向同性的應變性質。盡管制造過程中乳膠片也會產生一定程度的應變，但是任何外力施加的應變都遠大于材料最初內部的應變。

如圖1所示，使用電壓計測量乳膠片表面電勢，探針需要放置在圓柱體內部中心，距離乳膠片20 mm。為了避免探針與固定其位置的金屬接觸，探針表面覆蓋了一層絕緣材料。探針、乳膠片和PTFE球都被固定在適當位置。計算機控制的線性馬達以0.78 mm/s的恒定速度將PTFE球移向乳膠片表面并進行接觸，然后以相同速度離開乳膠片。PTFE球從乳膠片表面上方75 mm移動到乳膠片表面下方4.8 mm，擠壓乳膠片使其產生形變和應力。每次實驗，接觸過程重復多次，接觸PTFE球和乳膠片的金屬通過導線連接到一個接地法拉第籠，以避免外部電場的干擾[4]。每次實驗前，所有材料都要仔細清洗：乳膠片在丙酮浴中超聲波清洗20分鐘后儲存于干燥器中，且每個乳膠片只用于一次實驗；PTFE球用500目碳化硅砂紙進行拋光和打磨，并在丙酮浴中超聲波清洗20分鐘，去除之前可能轉移的殘留物質；所有材料表面用甲醇沖洗，并用離子槍中和物體表面的電荷。實驗在充滿氮氣的手套箱內進行，相對濕度控制在13%以下。實驗結果表明，乳膠片沒有發生應變，即e=0時，表面電勢小于0，約為-1 700 V；e=25%時，表面電勢為0；e=80%時，表面電勢大于0；e=140%時，表面電勢大于2 440 V。

研究人員指出，材料應變可以控制電荷轉移的程度和方向。如果兩種材料在靜電序列表中很接近，應變可以充分改變材料的性質，導致電荷轉移過程發生逆轉。具體表現為：如果電子是相關的來源，應變可能會扭曲化學鍵，增加與這些鍵相關的電子能量，使它們更容易轉移；如果離子是相關的來源，應變可以改變吸附離子在聚合物表面的結合能，改變它們轉移的容易程度。此外，研究人員還指出，靜電序列表存在局限性。材料摩擦生電能力的經驗順序在不同的實驗條件下會發生變化。定量預測材料摩擦生電性能很困難，即使材料沒有發生宏觀層面的應變，較小的納米空間尺度的局部應變依然存在。材料表面存在正負電荷共存的馬賽克區域，可能就是受到表面固有的局部應變影響。

4" 我國科學家做的摩擦電荷密度測量實驗

中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊定義了新的摩擦電荷密度（triboelectric charge density，簡稱TECD），并研發標準測量方法，定量測量了材料的摩擦起電特性。2019年，其科研團隊的研究成果《Quantifying the triboelectric series》發表在國際學術期刊《自然—通訊》（Nature Communications）上。

TECD的測量原理是接觸帶電和靜電感應過程（圖2），其具體過程如下。

1）測試材料與液態金屬汞接觸，然后定期分離。電表正極與汞柱連接，負極與銅電極連接。汞具有很強的形狀適應性和表面張力，能夠使接觸面積最大化，及時與接觸材料分離（見圖2a）。

2）當系統處于開路條件下，接觸起電引起材料間的電荷轉移，電荷在同一平面上重合。該系統無凈電荷，無電位差（見圖2b）。

3）聚合物具有很強的電子吸收能力，當材料被分離時，聚合物帶有負電荷，汞帶有正電荷，兩個部分之間產生電位差，從而在兩個電極之間產生電壓（見圖2c）。

4）當間隙達到一定距離L時，電勢達到最大值，銅電極被聚合物表面電荷的電場影響（見圖2d）。

5）當聚合物接近汞時，兩個電場的共同作用導致電壓下降；當完全接觸后兩個電極之間沒有電壓，系統回到b狀態（見圖2e）。

6）當系統處于短路條件下，兩種材料完全接觸，無電位差（見圖2f）。

7）當材料分離時，聚合物表面負電荷在銅中感應正電荷，銅和汞通過導線連接，汞的正電荷流向銅（見圖2g）。

8）當間隙達到一定距離L時，絕大部分電荷都到達銅，達到平衡電位差（見圖2h）。

9）當樣品接近汞時，聚合物表面的負電荷在汞中感應到正電荷，正電荷從銅流向汞；當完全接觸后電荷在內部中和，系統回到f狀態（見圖2i）。

實驗設置在一個充滿高純度氮氣的手套箱中，在穩定的溫度、壓力和濕度下進行。線性馬達安裝在一個高負荷的實驗室千斤頂上，測試樣品接觸液態金屬汞的高度通過千斤頂和馬達進行微小調整。靜態部分以液態金屬汞作為電極；運動部分由被試樣品組成，線性馬達控制一個連接在末端的丙烯酸底座，一塊磁鐵鑲嵌在丙烯酸底座上，吸引刻在樣品基板上的另一塊磁鐵。每個樣品由磁鐵、電極、被測試材料組成，微型平臺上的雙軸傾斜和旋轉平臺調整樣品和液態金屬水平。為了限制外界電場的影響，樣品在一個連接到地面的法拉第籠中進行測量。科研團隊總結了50多種材料的測量結果，包括常見的乳膠橡膠、聚四氟乙烯等，揭示了不同材料接觸帶電后獲得或損失電子的能力，為材料基因組計劃在能量收集、傳感和人機交互等領域的發展提供了有力支撐[5]。

5" 結束語

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，可利用日常用品和材料來替代實驗材料，使實驗現象更明顯、直觀，或者利用這些材料創新物理實驗，開發出低成本、高質量的物理實驗。摩擦生電是一種看似簡單實則復雜的自然現象，人們對其內在機制和規律的認識還不夠完整，一些基本的物理問題依然存在爭議，如多個版本的靜電序列表存在不一致的地方。影響摩擦生電的因素較多，材料的性質、表面形態、溫度變化、分子破裂、熱分解、壓電和熱電效應等都會使實驗結果產生明顯的變化。教師可以引導學生針對摩擦生電現象設計有一定難度的實驗，經歷實驗設計與構思、儀器操作與檢測、數據分析與處理、成果交流與匯報等完整的探究過程，破除科學研究的神秘感和自身的畏難心理，真正體驗科學研究的樂趣。

6" 參考文獻

[1] 普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1教師教學用書[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2] LOWELL J， TRUSCOTT W S. Triboelectrification ofidentical insulators. I. An experimental"investigation[J].Journal of Physics， D-AppliedPhysics：A Europhysics Journal，1986，19（7）：1273-1280.

[3] JAMIESON W. The electrification of insulated materials[J].Nature，1910，83（2111）：189.

[4] SHINBROT T， KOMATSU T S， ZHAO Qianchuan. Spontan-eous tribocharging of similar materials[J].EPL （Eur-ophysics Letters），2008，5080（2）：1-6.

[5] 張彬彬.摩擦納米發電機電荷轉移機制及自驅動傳感應用研究[D].成都：西南交通大學，2021.

*項目來源：2024年廣西科技開發項目“打造特色鮮明的青少年科普基地與共享平臺建設”（項目編號：桂科AD24010007）。

作者簡介：李耀俊，副教授。