用摩擦的方法使两个不同的物体带电的现象,叫摩擦起电(或两种不同的物体相互摩擦后,一种物体带正电,另一种物体带负电的现象)。
关于静电大家貌似都很清楚,因为我们初中都学过,“当然知道什么是静电!”拿起两个起初是中性的物体,通过相互摩擦给它们互相充电,然后一个带正电,一个带负电。但是关于摩擦起电的真实原理,一直是个争论的话题。
因此不要这么快的下结论!让我们从你认为你知道的电开始,但是你要做好准备,你会感到惊讶的。
大部分人都可能玩过范德格拉夫(Van de Graaff)发电机,这是关于静电力最简单、最常见的演示之一。我们只需站在一个绝缘的物体上(比如木盒、纸箱,为了保证脚不接地),然后用手触摸发电机,我们的头发(前提是要有头发)就会竖起来!
头发竖起来的原因是,当我们打开范德格拉夫发电机时,它的顶部球体就会充满正电荷。由于我们人体是一个很好的导体,用手触摸球体,我们的身体就会带正电。
由于正电荷相互排斥,那些头发越直、越长的人会感觉到,头发里的电场力很容易变得比地球引力或其他任何电场力都要强,这就产生了一个有趣的现象,头发就会竖起来,因为正电荷会排斥其他正电荷。对于那些卷发的人来说,内部静电力可能比施加的任何外部电荷都要强,所以卷发不容易竖起来。
这只是普通静电学中最简单的例子,给一个物体或一组物体强行施加一种电荷。
这跟我们平时生活中所说的静电不同,生活中常见的静电是将两个物体互相摩擦,比如你的袜子在地毯上摩擦,或者用丝绸摩擦一根玻璃棒。
两个相互摩擦的物体产生静电是因为,在摩擦的过程中一种材料会失去电子,然后带正电,而另一种获得电子,就带负电。
摩擦带电适用于很多情况,比如用气球摩擦头发。
气球经过快速摩擦静态充电以后,可以做各种有趣的事情:让你的头发竖起来,粘在墙上,用来吸引桌子上的小纸片。
为什么会产生吸引力呢?或者粘在墙上?
假设,我们给了气球一些额外的电子,让它带负电荷。当我们把气球靠近一个中性的物体,比如一堵墙时,气球就会吸引墙上“相反”的电荷(原子核),并排斥“相似”的电荷(电子)。只要这种结构保持不变,气球就会一直粘在墙上,因为由于静电的缘故,电力会把气球固定在原地。
但这就是我们在初中学到的静电原理。
很简单,对吧?但是,这太简单了!事实证明,这种说法并不完全正确。为什么呢?想象一下,如果我们用两种完全相同的材料,比如两张办公用纸,会发生什么?
如果我们将两张办公用纸互相摩擦,它们会带电荷吗?根据我们以前学到的知识它们都不会带静电,对吧?因为它们是由相同的物质构成的,所以谁也不应该把负电荷给谁,所以不应该有静电产生。如果静电像我们刚才描述的那样在起作用,以上的说法就完全没有问题。
但是,事实并非如此。让我们仔细看看这张办公用纸。
虽然纸在宏观尺度上看起来很光滑,但在微观层面上,表面有微小的缺陷。例如上面的图像中,在微米级的尺度上我们可以看见纸的表面像起伏的山峦。当我们拿这两张纸或任何两种相同的材料互相摩擦时,你认为表面的电压会发生什么变化?
在科学领域,任何知道答案的事情,都需要通过做实验来找出答案。但令人惊讶的是,直到2011年才有人做过这个实验!多亏了西北大学Grzybowski教授的团队,我们现在有了实验结果,而且非常惊人。
两张纸都带静电,而不是不带电!事实上,每张纸的不同层面都带有大量的正电荷或负电荷。我们以前一直研究的静电,只代表物体上的净电荷,可以是正的,负的,也可以是零。那么究竟是什么导致单个分子吸引或排斥附近的物体,与整体电荷没有多大关系,而与附近的特定分子如何带电有关!
几个世纪以来,人们一直认为这种接触式充电(摩擦充电)源自于空间均匀的材料特性,而在给定的一对材料中,一个材料均匀的带正电荷,另一个均匀的带负电荷。事实证明这张接触式充电的图片是错误的。虽然每一块接触式带电体都会产生正负极性的净电荷,但每个表面都支持一个随机的“镶嵌”,即在纳米尺度上存在相反的带电区域。这些表面电荷的镶嵌对于不同类型的带电介质具有相同的拓扑特征,并且单位面积容纳的电荷量比先前认为的要大得多。
也就是说,我们以前认为当我们摩擦一些材料时,一些材料会得到电子而另一些材料会失去电子。但现在我们认为(这是一种全新的观点)每一种静态带电材料都有显著的正电荷和负电荷区域!也就是材料自身的电荷重新排列分布导致了材料带电(材料自身电荷转移),而不是材料间电荷发生了转移。
这不仅是一项新的发现,而且现在认为这是产生静电的主要原因。
实际上,静电仍然会像我们在初中时学的那样工作。但下次你再碰到它,你就会知道它是如何工作的!