人們都知道摩擦起電，靜電有時是正電，有時是負(fù)電——如果得到電子，就帶負(fù)電；反之，失去電子就帶正電。但是，摩擦過程中，究竟是什么決定了電子的得到或失去呢？

撰文 | 羅會仟（中國科學(xué)院物理研究所）

靜電對大家來說或許并不陌生，冬天黑夜里脫毛衣的噼里啪啦，走過地毯后摸門把手的瞬間刺痛，拆快遞時候粘手上怎么也甩不掉的泡沫顆粒，等等。這都是靜電惹的禍。

我們都知道，靜電是電荷在物體之間轉(zhuǎn)移的結(jié)果。但是，百余年來，科學(xué)家一直沒搞明白，為什么靜電有時候是正電，有時候是負(fù)電？究竟是誰決定了摩擦或接觸之后的電荷種類？最近，奧地利的科學(xué)家們經(jīng)過反復(fù)實驗，終于搞明白了這個問題的關(guān)鍵。今天我們一起聊聊靜電這個話題，依據(jù)實驗事實告訴你，到底是誰決定了摩擦之后帶的什么電。

電是自然界最常見的現(xiàn)象之一，人類最早的科學(xué)記錄就是摩擦起電。大約在公元前600多年，古希臘的泰勒斯就記錄了琥珀摩擦之后可以吸引輕小物體的現(xiàn)象。不過，科學(xué)意義上對電學(xué)的研究是從近代開始。18世紀(jì)初，荷蘭萊頓大學(xué)的彼得·穆森布羅克（Pieter van Musschenbroeck）發(fā)明了儲存靜電的裝置——萊頓瓶，由一個玻璃瓶帶個橡膠塞，外面包裹一層錫箔，里面插一根帶鐵鏈的金屬棒等裝置組成。其實這就是一個最簡單的“電容器”，靜電可以通過露在外面金屬棒頭導(dǎo)入瓶中，并存儲起來。有了萊頓瓶，科學(xué)家們從此研究靜電，不再需要每次都那么麻煩地摩擦又摩擦，而且可以定量測量電荷之間的相互作用。1600年，英國醫(yī)生吉爾伯特（William Gilbert）發(fā)現(xiàn)靜電并非只有通過琥珀摩擦才能產(chǎn)生，其他摩擦過程也可能有靜電。不過他仍然用拉丁語“electricus”命名了“電”，起源于希臘文的“琥珀”（希臘語“?λεκτρον”或?qū)?yīng)拉丁文“elektron”）。

萊頓瓶

如今，我們知道：用毛皮摩擦過的橡膠棒帶負(fù)電，用絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電，靜電的存在就是因為電荷從一個物體轉(zhuǎn)移到了另一個物體，造成了物體中正負(fù)電荷數(shù)量不對等或電荷分布不均勻。這個電荷的正負(fù)，其實是人為的規(guī)定，是來自美國的富蘭克林（Benjamin Franklin）的杰作。富蘭克林利用萊頓瓶研究靜電之間的相互作用時候發(fā)現(xiàn)，它們有時候相斥，有時候相吸，類比于磁鐵的南北極同性相斥、異性相吸，富蘭克林認(rèn)為電荷也存在兩類電荷，分別是正電荷和負(fù)電荷，同種電荷相斥、異種電荷相吸。

后來，庫侖精確測定了電荷之間的相互作用，安培、法拉第、麥克斯韋等研究了電荷運(yùn)動的問題，直到1897年安德森發(fā)現(xiàn)電荷的主要載體之一是電子。1909年密立根的油滴實驗證實了電荷具有最小單元，也就是元電荷，一個電子所攜帶的電荷數(shù)量就等于一個負(fù)的元電荷。至此，人們終于清楚材料攜帶正負(fù)電荷主要是和電子有關(guān)，一個本來不帶電的物體，如果得到電子，就帶負(fù)電；反之，失去電子就帶正電。

但是，這又回到了摩擦起電這個古老的問題：摩擦過程究竟是什么決定了電子的得到或失去呢？

我們知道摩擦起電，實際上就是兩個物體反復(fù)接觸，導(dǎo)致電荷偷偷轉(zhuǎn)移到了另一個物體。而且，無論是毛皮摩擦橡膠棒，還是絲綢摩擦玻璃棒，都是絕緣體之間的接觸，如果用金屬棒來摩擦，反而因為它們屬于電的良導(dǎo)體而很難留住靜電。到了20世紀(jì)50年代，人們已經(jīng)能夠很好地解釋金屬的接觸起電機(jī)制，因為金屬的“電負(fù)性”，也就是原子吸引其他電子的能力，存在一定的差異。常見金屬大致的排序是：鋁>鈹>鎂>鈣>鋰>鈉>鉀，或者說：元素周期表從左到右，元素的電負(fù)性逐漸變大；周期表從上到下，元素的電負(fù)性逐漸變小。從量子力學(xué)的角度來看，其實就是核外電子的電離能和親和能的差異，就是原子最外層的電子的能量決定了它“拉攏”其他電子或“逃逸”原子核的束縛的能力。但是，對于摩擦起電用到的絕緣體而言，這種電負(fù)性差異的解釋遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?？茖W(xué)家們于是提出了摩擦電序列的概念，根據(jù)材料交換電荷的正負(fù)性對其進(jìn)行排序，就像玻璃對陶瓷帶正電，陶瓷對木頭也帶正電，那玻璃對木頭多半也是正的，形成所謂的“摩擦起電序”。然而，不管科學(xué)家怎么對材料排好序，一做實驗，結(jié)果就是一團(tuán)混亂，設(shè)想的和實際的總是對不上。哪怕用兩個一模一樣的材料互相接觸，也有可能發(fā)生電荷交換，科學(xué)家們有點(diǎn)懵。

金屬電離能排序

最近奧地利科學(xué)家通過成百上千次實驗，終于發(fā)現(xiàn)靜電正負(fù)的秘密——它們并非隨機(jī)混亂，而是由材料接觸歷史決定，接觸次數(shù)決定了電荷的正負(fù)！

這篇最新發(fā)表在《自然》[Nature638, 664–669 (2025)]期刊上的論文采用了一個簡單的方案。他們選了一種透明的絕緣體——硅基聚合物PDMS，制成大小相同的塑料塊。他們最初覺得，摩擦起電的正負(fù)性可能由材料表面的細(xì)微差異決定了，可實驗結(jié)果還是亂七八糟。可是，當(dāng)他們拿用過的樣本反復(fù)做實驗時，漸漸地找到了特定的規(guī)律。也就是說，在接觸幾次的情形下，帶正電或負(fù)電看似很隨機(jī)，但是當(dāng)接觸達(dá)到了200次左右的時候，所攜帶的電荷就變得可預(yù)測了。結(jié)論非常簡單：接觸次數(shù)多的塑料塊總是對接觸次數(shù)少的塑料塊帶負(fù)電。而且，他們進(jìn)一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，只要控制接觸次數(shù)和實驗順序，塑料塊還能按設(shè)計的起電序排列，真正意義上實現(xiàn)了“摩擦起電序”。

就這樣，一個看似復(fù)雜混亂的古老科學(xué)問題，就在重復(fù)實驗次數(shù)多了之后，有了相對準(zhǔn)確的答案。有的時候，科學(xué)就需要一點(diǎn)耐心，再堅持一下，再重復(fù)幾遍，也許就功到自然成了！

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
出品：中國科協(xié)科普部
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