本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
用摩擦的方法使兩個不同的物體帶電的現象,叫摩擦起電(或兩種不同的物體相互摩擦後,一種物體帶正電,另一種物體帶負電的現象)。
關於靜電大家貌似都很清楚,因為我們初中都學過,「當然知道什麼是靜電!」拿起兩個起初是中性的物體,通過相互摩擦給它們互相充電,然後一個帶正電,一個帶負電。但是關於摩擦起電的真實原理,一直是個爭論的話題。
因此不要這麼快的下結論!讓我們從你認為你知道的電開始,但是你要做好準備,你會感到驚訝的。
大部分人都可能玩過範德格拉夫(Van de Graaff)發電機,這是關於靜電力最簡單、最常見的演示之一。我們只需站在一個絕緣的物體上(比如木盒、紙箱,為了保證腳不接地),然後用手觸摸發電機,我們的頭髮(前提是要有頭髮)就會豎起來!
頭髮豎起來的原因是,當我們打開範德格拉夫發電機時,它的頂部球體就會充滿正電荷。由於我們人體是一個很好的導體,用手觸摸球體,我們的身體就會帶正電。
由於正電荷相互排斥,那些頭髮越直、越長的人會感覺到,頭髮裡的電場力很容易變得比地球引力或其他任何電場力都要強,這就產生了一個有趣的現象,頭髮就會豎起來,因為正電荷會排斥其他正電荷。對於那些捲髮的人來說,內部靜電力可能比施加的任何外部電荷都要強,所以捲髮不容易豎起來。
這只是普通靜電學中最簡單的例子,給一個物體或一組物體強行施加一種電荷。
這跟我們平時生活中所說的靜電不同,生活中常見的靜電是將兩個物體互相摩擦,比如你的襪子在地毯上摩擦,或者用絲綢摩擦一根玻璃棒。
兩個相互摩擦的物體產生靜電是因為,在摩擦的過程中一種材料會失去電子,然後帶正電,而另一種獲得電子,就帶負電。
摩擦帶電適用於很多情況,比如用氣球摩擦頭髮。
氣球經過快速摩擦靜態充電以後,可以做各種有趣的事情:讓你的頭髮豎起來,粘在牆上,用來吸引桌子上的小紙片。
為什麼會產生吸引力呢?或者粘在牆上?
假設,我們給了氣球一些額外的電子,讓它帶負電荷。當我們把氣球靠近一個中性的物體,比如一堵牆時,氣球就會吸引牆上「相反」的電荷(原子核),並排斥「相似」的電荷(電子)。只要這種結構保持不變,氣球就會一直粘在牆上,因為由於靜電的緣故,電力會把氣球固定在原地。
但這就是我們在初中學到的靜電原理。
很簡單,對吧?但是,這太簡單了!事實證明,這種說法並不完全正確。為什麼呢?想像一下,如果我們用兩種完全相同的材料,比如兩張辦公用紙,會發生什麼?
如果我們將兩張辦公用紙互相摩擦,它們會帶電荷嗎?根據我們以前學到的知識它們都不會帶靜電,對吧?因為它們是由相同的物質構成的,所以誰也不應該把負電荷給誰,所以不應該有靜電產生。如果靜電像我們剛才描述的那樣在起作用,以上的說法就完全沒有問題。
但是,事實並非如此。讓我們仔細看看這張辦公用紙。
雖然紙在宏觀尺度上看起來很光滑,但在微觀層面上,表面有微小的缺陷。例如上面的圖像中,在微米級的尺度上我們可以看見紙的表面像起伏的山巒。當我們拿這兩張紙或任何兩種相同的材料互相摩擦時,你認為表面的電壓會發生什麼變化?
在科學領域,任何知道答案的事情,都需要通過做實驗來找出答案。但令人驚訝的是,直到2011年才有人做過這個實驗!多虧了西北大學Grzybowski教授的團隊,我們現在有了實驗結果,而且非常驚人。
兩張紙都帶靜電,而不是不帶電!事實上,每張紙的不同層面都帶有大量的正電荷或負電荷。我們以前一直研究的靜電,只代表物體上的淨電荷,可以是正得,負的,也可以是零。那麼究竟是什麼導致單個分子吸引或排斥附近的物體,與整體電荷沒有多大關係,而與附近的特定分子如何帶電有關!
幾個世紀以來,人們一直認為這種接觸式充電(摩擦充電)源自於空間均勻的材料特性,而在給定的一對材料中,一個材料均勻的帶正電荷,另一個均勻的帶負電荷。事實證明這張接觸式充電的圖片是錯誤的。雖然每一塊接觸式帶電體都會產生正負極性的淨電荷,但每個表面都支持一個隨機的「鑲嵌」,即在納米尺度上存在相反的帶電區域。這些表面電荷的鑲嵌對於不同類型的帶電介質具有相同的拓撲特徵,並且單位面積容納的電荷量比先前認為的要大得多。
也就是說,我們以前認為當我們摩擦一些材料時,一些材料會得到電子而另一些材料會失去電子。但現在我們認為(這是一種全新的觀點)每一種靜態帶電材料都有顯著的正電荷和負電荷區域!也就是材料自身的電荷重新排列分布導致了材料帶電(材料自身電荷轉移),而不是材料間電荷發生了轉移。
這不僅是一項新的發現,而且現在認為這是產生靜電的主要原因。
實際上,靜電仍然會像我們在初中時學的那樣工作。但下次你再碰到它,你就會知道它是如何工作的!