芻議“摩擦起電”

孫偉河

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？這里涉及到不同種物質(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？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？針對以上問題，本人對此進(jìn)行了探討.

一、 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.

二、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：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(jù)金屬箔片是否張開一個角度來判斷與驗(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.

三、起電源于摩擦嗎

１．接觸起電

實(shí)驗(yàn)：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，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時，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？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)兩個不同材質(zhì)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(zhuǎn)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(fù)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.所以物體與其他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(chǎn)生的靜電也是“接觸分離”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.摩擦是一個不斷接觸與分離的過程.

２．摩擦的作用

（１）摩擦是為了使物體緊密接觸

當(dāng)兩個不同材料構(gòu)成的物體緊密接觸時，在接觸面兩側(cè)的兩種物質(zhì)的原子也會緊密接觸，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，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，使得電子在兩物體間發(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.實(shí)際上，只要有了緊密接觸就會有電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象發(fā)生，不一定非要使勁相互摩擦不可.

（２）摩擦是為了增大接觸面積

當(dāng)兩個物體接觸時，由于物體表面不可能完全平滑，實(shí)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(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)會增多.當(dāng)再把物體分開時，其中每一個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，油罐里裝運(yùn)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(fā)生摩擦，這樣產(chǎn)生的電荷就會聚集起來，就會越來越多.為避免出現(xiàn)危險，用一鐵鏈將電荷傳到地面.

（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，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(fā)生了帶電現(xiàn)象.至此，我們明白摩擦起電是電子由一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體的結(jié)果.