解读“摩擦起电”
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摘 要：“丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，毛皮摩擦过的橡胶棒带负电”。这里涉及不同种物质相互摩擦后，物体能够带电。我们质疑：摩擦后，物体所带的电荷是摩擦力“摩”出来的吗？不接触、不用摩擦能否起电？同种物质相互摩擦也可以起电吗？不断摩擦，电会不断增多吗？……带着问题，本文对此进行了探讨。
关键词：摩擦起电 摩擦的作用 不同物质摩擦 同种物质摩擦
“丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，毛皮摩擦过的橡胶棒带负电”。相互接触的丝绸和玻璃棒、毛皮和橡胶棒摩擦后带电的原因是什么？这里涉及不同种物质相互摩擦后，物体能够带电。那么，“不同物质”和“摩擦”是否是构成“起电”的必要条件呢？带着问题我们思考：如果“接触”是“摩擦”的前提，那么，两种物质相互接触、不用摩擦能否起电？摩擦后的物体带的电荷是摩擦力“摩”出来的吗？如果不用摩擦也可以起电，那么，摩擦的作用又在何处？物体不接触又能否起电？同种物质相互摩擦也可以起电吗？针对以上问题，本文对此进行了探讨。
1 摩擦起的什么“电”
用摩擦的方法使物体带电的现象，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）。这里，“电”指电荷，即摩擦后产生静电。
电荷：自然界中只存在两种电荷。规定丝绸摩擦过的玻璃棒带的电荷叫正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电荷叫负电荷。
2 如何判断摩擦后的物体带电
应用转化法的思想，设计两种实验方案。
方案一：根据带电的物体具有吸引轻小物体的性质，将问题转化为把摩擦过后的物体靠近碎纸屑，观察碎纸屑是否被吸引。如图1所示。若碎纸屑被吸引，说明物体带电。
方案二：我们知道电荷间的相互作用规律：同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。根据同种电荷互相排斥，制作了验电器。如图2所示，当验电器的金属球带了电，两个金属箔片必定带有同种电荷，因而相互排斥张开一个角度。我们便可以根据金属箔片是否张开一个角度来判断与验电器相接触的物体是否带电。问题得以转化。
通过实验，我们发现相互摩擦后的两个物体都带电。
先让验电器带上已知电性的电荷，再让带电体接触验电器的金属球，如果验电器在原来的基础上张角度大，物体带的电与原来验电器上带的电相同；如果验电器张角先合拢又张开，物体带的电与原来验电器上带的电相反。进一步的研究表明，摩擦后的玻璃棒带正电，丝绸带负电；而毛皮和橡胶棒摩擦过后，橡胶棒带负电，而毛皮带正电。
3 起电是否源于摩擦吗
3.1接触起电
实验1：在验电器的金属球上安装一金属圆筒，在筒里注入蒸馏水，把装在胶木柄上的石蜡小球浸没在水中，从水中取出小球，可以看到它可使验电器金属箔片张开，这表明水带电。在这个实验中，不论小球浸没在水中的深浅程度如何，也不论取出小球的快慢如何，实验总是成功的，金属箔片张开的角度不变。
实验说明，起电与摩擦无关。
日常生活中也有类似的经验：当剥离商品的外包装时，我们发现，塑料薄膜和物体常常带电，即不同材质的物体接触后再分离后，物体也往往带电。“起电”缺省了“摩擦”的步骤，显然，起电与摩擦并无关系。那么，“起电”的原因是什么呢？
我们知道，原子是由位于原子中心的原子核和核外电子组成的。在通常情况下，原子核所带的正电荷和核外电子总共所带的负电荷在数量上相等，整个原子呈中性，由原子组成的物体也呈中性。原子核具有束缚周围电子的本领，不同的原子核束缚电子的本领不同。当两个不同材质的物体相互接触时就必然使得一个物体失去一些电荷，如电子转移到另一个物体使其带正电，而另一个物体得到一些剩余电子的物体而带负电。若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上电。所以物体与其它物体接触后分离就会带上静电。
所以，通常在从一个物体上剥离一张塑料薄膜时就是一种典型的“接触分离”起电，在日常生活中脱衣服产生的静电也是“接触分离”起电。
固体、液体甚至气体都会因接触分离而带上静电。这是因为气体也是由分子、原子组成，当空气流动时分子、原子也会发生“接触分离”而起电。
实质上，摩擦起电就是一种接触后分离造成的正负电荷不平衡的过程。摩擦是一个不断接触与分离的过程。因此摩擦起电实质上是接触分离起电。在日常生活，各类物体都可能由于移动或摩擦而产生静电。
摩擦不是起电的原因，不同物质间只要相互接触就可以起电，那么摩擦的作用是什么？
3.2摩擦的作用［1］
3.2.1摩擦是为了使物体紧密接触
当两个不同材料构成的物体紧密接触时，在接触面两侧的两种原子也会紧密接触，当原子的这种紧密接触程度接近于物体里原子与原子间的距离时，束缚电子本领强的原子就能“夺取”束缚电子本领弱的原子里的电子，使得电子在两物体问发生转移，失去电子的物体因缺少电子而带正电，得到电子的物体有了多余的电子而带等量的负电。
正如实验中的石蜡小球跟液体的接触可以说是紧密的，而只要有了这种紧密接触就会有电子转移现象发生，不一定非要使劲相互摩擦不可。
3.2.2摩擦是为了增大接触面积
当两个物体接触时，由于物体表面不可能完全平滑，无论接触得如何紧密，实际上两个物体真正接触到的地方不会是物体的整个表面，而只是一部分。当两紧密接触的物体发生摩擦时，可以使物体之间真正接触的面积增大，电子在物体间的转移机会增多。当再把物体分开时，其中每一个物体所带的电量增加，带电现象比较明显。看生活中一实例：运油汽车在运行时，油罐里装运的汽油不停地晃动着，使得汽油轮流不断地跟油罐的壁紧密接触发生摩擦，这样产生的电荷就会聚集起来，就会越来越多。为避免出现危险，用一铁链将电荷传到地面。
3.2.3摩擦是为了使接触面的温度升高
有些物体中的原子核束缚电子的本领很强，电子不易转移，当两种这类物体接触后，相互强烈摩擦时，做功使被摩擦的表面温度显著升高，物体内能增大，这就增强了物体内部分子的热运动，就有更多的电子能获得足够的能量，摆脱原子核的束缚，从一个物体“跑入”另一个物体里，使两物体均发生了带电现象。
至此，我们明白摩擦起电是电子由一个物体转移到另一个物体的结果。因此原来不带电的两个物体摩擦起电时，它们所带的电量在数值上必然相等。
既然，摩擦只是帮助电荷的转移，物体之间只要相互接触就可以起电，那么，没有接触就不能起电吗？
3.3感应起电
实验2：取一对用绝缘柱支持的金属导体A和B，导体上都贴有金属箔，让A和B彼此接触，这时A和B上的金属箔闭合，表示它们都没有带电，如图3-1所示。把另一个带正电的金属球C移近导体A，这时A、B上的金属箔都张开了，表示它们都带了电，如图3-2所示。实验表明，靠近C的导体A带的电荷与C相异，远离C的导体B带的电荷与C相同，如图3-3所示。
我们知道：同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。将导体放在带电体附近，导体中的自由电子在带电体的作用下，因排斥或吸引而做定向移动，使导体两端分别带正、负电荷，这种现象叫做静电感应。静电感应使得物体两端带有不同种电荷，分开导体，两部分都带上了电。通过感应的方式，物体可以带电。但显然，感应起电区别于摩擦起电，已经脱离讨论之列。
4 摩擦起电是否一定要不同材料
前面我们分析到摩擦起电的原因，在于不同原子核对电子束缚能力不同，造成核外电子的从一个原子转移到另一个原子，产生正负电荷不平衡的现象。
4.1同种材料相互摩擦带同种电荷的原因［2］
利用一些容易起电的同种材料进行相互摩擦，两个摩擦表面就能够出现带电现象。通过进一步的实验表明：两个表面所带电荷为同性电荷，并且有的材料摩擦可以带同性正电荷，有的摩擦后可以带同性负电荷。既然，摩擦起电是电子由一个物体转移到另一个物体的结果，势必使得其中一个带正电，另一个带负电，那么，产生同种电荷的原因何在呢？
我们考虑：空气中有多种气体。当两个同种物质组成的物体相互摩擦时，两个物体因为由同种物质组成，所以对电子的束缚作用一样，同时失去电子或得到电子的能力是相同的。这时，就必须考虑空气的影响了。如果该物质比空气中各种气体宏观统计的束缚电子的能力强，又容易得到电子，于是空气失去电子，而这两个物体得到电子带有负电。相反，如果该物质比空气中各种气体宏观统计的束缚电子的能力差，又容易失去电子，于是空气得到电子，散发在周围的空气中，而这两个物体失去电子带有正电。
进一步的实验发现，在尽可能排除了空气因素影响之后，实验却仍能得到了相同的结果！同种材料相互摩擦，缘何起电带有同性电荷呢？
将介质表面污染物考虑进去从而来解释此现象。因为介质在未摩擦之前会在周围的环境中受到了一定程度的污染，污染的结果是介质和污染物之间因接触而产生了偶电层，如图4所示。摩擦会使一部分污染脱离介质表面，从而脱离部分的介质与污染之间的偶电层也随之分离使介质带上电荷。因为介质相同，且污染物也相同，这里偶电层也是相同的，故偶电层脱离时，介质上带上同种电荷。
“同种材料”相互摩擦起电，看似“同种材料”，实际上仍然是不同物质相互摩擦的结果。
5 摩擦起电，摩擦次数越多，物体带电量是否越多？
如果用丝绸与玻璃棒摩擦，那么电子就会移到丝绸上，使丝绸带负电，玻璃棒缺失电子而带负电。那是否不断地进行摩擦，电子就不断地移到丝绸上，然后经过无数次的摩擦，电子会不会移光，导致丝绸与玻璃棒再次摩擦就不会产生电了，会产生这种情况吗？为什么？这是不会的，因为当丝绸上所带的负电有玻璃棒上所带的正电荷量达到一定的值时，在它们之间就会产生一个足够强的附加电场，这样玻璃棒的电子就会受力平衡而不再发生定向移动，这时在丝绸上的负电有在玻璃棒上的正电就达到了最大值而不再增加。
综上所述，摩擦起电实际上是摩擦分“电”，物体带电的原因并不是摩擦创造了电，也不是摩擦力把电“摩”出来，只不过是把本来存在物体里的正负电荷分开而已。
参考文献：
［1］王常华.“摩擦起电”之我见.中学物理，2005，（9）.51-52.
［2］baike.省略/view/353262.htm.