摩擦起电原理-通识物理

电学是近代物理学中具有重要意义的基础分支，主要研究电现象及其基本原理和应用。自18 世纪中叶以来，人类对电学的研究飞速发展，电学的每项重大发现都引发了人类生活方式的重大变革。现在，人人都离不开电，电已成为人类生活最重要的基础条件。

“电”这个词在中国最早出自雷电现象；而在西方，英文的“电”（electricity）则起源于希腊文的“琥珀”（electron）。这是因为早在公元前585 年，如图10.1所示，古希腊哲学家塞利斯就曾记录“摩擦过的琥珀能吸引碎草等轻小物体”，后来人们又发现不仅琥珀，很多物体经过摩擦后都能吸引轻小物体，但当时的人们并不知道这个现象与电有关。还有记载说：16 世纪，一些欧洲的贵族妇女在聚会无聊时会用摩擦过的琥珀首饰去戳青蛙，青蛙便痛苦地跳起来，人们觉得很有趣，但也不知道琥珀和青蛙身上到底发生了什么。直到近代，人们才逐渐意识到：摩擦后的物体会带有电荷，而带电体会引发一些奇特的电现象。其中，“能吸引轻小物体”则是带电体的一个最基本的性质，这也算是人类对电现象的最早认知了。我们知道：物体带电是电现象产生的根本原因，而摩擦则是使物体带电的一种最简单途径，但是摩擦为什么会使物体带电呢？是因为产生了新电荷吗？

图10.1　塞利斯发现“摩擦过的琥珀能吸引碎草等轻小物体”

众所周知，原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子所构成，电子绕着原子核在一定范围内自由旋转。在孤立的情况下，原子核带的正电荷数与核外电子带的负电荷数相等，所以原子不显电性，而整个物体也因此是电中性的。通常，原子核里的正电荷数很难改变，因为原子核的改变意味着元素种类的改变；但核外电子却能轻易摆脱原来原子核的束缚，转移到另一个原子的范围内，从而使原子显示出电性。当两个物体的表面相互接触时，物体表面的原子间将建立起一种小范围的电荷平衡，电子可以在两个接触原子的表面自由移动。当接触表面发生剧烈的相对运动时（比如摩擦），这种暂时的电荷平衡则会被快速打破；而反复的摩擦则会导致电荷平衡的频繁建立和破裂，当物体突然脱离接触后，得到电子的物体来不及把电子释放出去而呈现负电性，失去电子的物体也来不及补充电子而呈现正电性，这就是物体“摩擦起电”的原理。所以，摩擦起电的本质并不是产生了新电荷，其只与电荷的转移有关。而且，在一个孤立系统中，无论系统中的电荷如何迁移，系统中的正负电荷的代数和将保持不变，这就是自然界中的又一条基本定律——“电荷守恒定律”。不过有趣的是，一些现代物理实验表明：在粒子的相互作用过程中，电荷是可以产生和消失的（质能方程则揭示能量也是可以产生和消失的），然而电荷守恒定律并未因此而遭到破坏，比如：电子对的“产生”就是一个光子变成一个正电子和一个负电子：γ →e++e-；而电子对的“湮灭”就是一个正电子和一个负电子相撞变成了两个光子：e++e-→2γ，也就是说：正负电子总是成对产生和消失的，虽然电荷总量可能有变化，但其正负电荷的代数和始终不会发生改变。(www.xing528.com)

图10.2　盖里克制造了世界上第一台摩擦起电机

1660 年，德国物理学家盖里克制造了世界上第一台摩擦起电机（如图10.2 所示），由此，摩擦起电机成为人类研究电现象的重要基本工具。而在现在，利用一些简易的材料进行相互摩擦，我们也很容易观察到摩擦起电现象，比如：当我们用橡胶棒直接接触验电器的导体球时，里面的验电铂片并不会张开，说明此时橡胶棒不带电；但如果我们用一块毛皮对橡胶棒进行摩擦，然后再将橡胶棒接触验电器的导体球，就会看到验电铂片张开了，这说明摩擦的方式使电子在橡胶棒与毛皮间发生了转移，所以橡胶棒和毛皮上都带有了剩余电荷。一般来说：橡胶棒由于是绝缘体，其原子核吸引电子的能力更强，所以摩擦后会带负电，毛皮则因为容易失去电子而带正电；但如果我们用一块丝绸来摩擦一根玻璃棒，那么玻璃会因失去电子而带正电，反而是丝绸会带上负电；有时，我们会用丝绸布来擦拭眼镜的镜片，就是因为丝绸和玻璃的摩擦会产生静电荷，可以更有利于清除灰尘等轻小物体。