通过摩擦使两个不同的物体带电的现象称为摩擦起电(或两个不同的物体相互摩擦后,一个物体带正电,另一个物体带负电)。
大家似乎对静电很了解,因为我们都在初中学过,“我们当然知道什么是静电!”先拿起两个中性的物体,通过相互摩擦相互充电,然后一个带正电,一个带负电。但摩擦起电的真正原理一直是争论的话题。
所以不要这么快下结论!让我们从您自认为对电的了解开始,但请做好准备,您会感到惊讶。
你们中的大多数人可能都玩过范德格拉夫发电机,这是静电力最简单和最常见的演示之一。我们只需要站在一个绝缘的物体上(比如木箱、纸箱,以保证脚不接地),然后用手去摸发电机,我们的头发(如果有头发的话)就会站起来!
毛骨悚然的原因是当我们打开范德格拉夫发电机时,它的顶部球体充满了正电荷。由于我们的身体是良导体,用手触摸球体会给我们的身体带正电。
由于正电荷相互排斥,头发比较直较长的人会觉得头发中的电场力很容易变得比地球引力或任何其他电场力都强,这就产生了一个有趣的现象,头发站立是因为正电荷排斥其他正电荷。对于那些卷发的人来说,内部静电力比施加的任何外部电荷都要强,所以卷发不太可能竖起来。
这只是普通静电最简单的例子,给一个物体或一组物体施加电荷。
这和我们日常生活中所说的静电是不一样的。生活中常见的静电是两个物体相互摩擦,比如袜子在地毯上摩擦,或者用丝绸摩擦玻璃棒。
两个物体相互摩擦会产生静电,因为一种材料在摩擦过程中失去电子带正电,而另一种材料获得电子带负电。
摩擦起电适用于很多情况,比如用气球摩擦头发。
气球在快速摩擦静电后可以做各种有趣的事情:让你的头发竖起来,贴在墙上,用来吸引桌子上的小纸片。
为什么这么吸引人?还是粘在墙上?
假设,我们给气球一些额外的电子,使它带负电。当我们将气球靠近中性物体(例如墙壁)时,气球会吸引墙上的“相反”电荷(原子核)并排斥“相似”电荷(电子)。只要这个结构保持在原位,气球就会粘在墙上,因为静电会使气球保持在原位。
不过我们初中学的静电就是这样的。
很简单吧?但是,这太容易了!事实证明,这种说法并不完全正确。为什么?想象一下,如果我们使用两种相同的材料,比如两张办公用纸,会发生什么?
两张办公用纸相互摩擦,会不会被充电?根据我们之前了解到的,它们都不带静电,对吗?因为它们是由同一种物质制成的,任何人都不应该给任何人带负电荷,所以应该不会产生静电。如果静电像我们刚才描述的那样起作用,那么上面的说法就完全没问题了。
然而,事实并非如此。让我们仔细看看这份办公用纸。
虽然纸在宏观上看起来很光滑,但在微观上,表面却有微小的瑕疵。例如,在上图中,我们可以看到纸张表面是微米级的连绵起伏的丘陵。当我们将这两张纸或任何两种相同的材料相互摩擦时,您认为表面上的电压会发生什么变化?
在科学领域,任何有答案的事情都需要通过实验来寻找。但令人惊讶的是,直到2011年才有人做过这个实验!感谢西北大学Grzybowski教授的团队,我们现在有了实验的结果,非常惊人。
两张纸都带有静电,而不是不带电!事实上,每张纸的不同层都带有大量的正电荷或负电荷。我们之前研究的静电只代表物体上的净电荷,可以是正的,也可以是负的,也可以是零。因此,究竟是什么导致单个分子吸引或排斥附近的物体,与整体电荷的关系不如与附近特定分子的带电方式有关!
几个世纪以来,人们一直认为这种接触充电(摩擦充电)是由空间均匀的材料特性引起的,因此在给定的一对材料中,一种材料均匀带正电,另一种材料均匀带电。的负电荷。原来这张接触充电的图是错的。虽然每个接触带电体都会产生正极性和负极性的净电荷,但每个表面都支持纳米级带相反电荷区域的随机“马赛克”。这些表面电荷的马赛克对于不同类型的带电介质具有相同的拓扑特征,单位面积容纳的电荷量比之前想象的要大得多。
也就是我们曾经认为,当我们将一些材料摩擦在一起时,一些材料会获得电子,而另一些材料会失去电子。但是现在我们认为(这是一个全新的观点)每一种带静电的材料都有明显的带正电和带负电的区域!即材料本身的电荷重排分布导致材料带电(材料本身的电荷转移),而不是材料之间的电荷转移。
这不仅是一个新发现,而且现在被认为是产生静电的主要原因。
其实,静电还是和我们初中时学的一样。但下次你遇到它时,你就会知道它是如何工作的!
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