摩擦起电

摩擦起电（英文：electrification by friction）是指两种不同物体相互摩擦后分别带有正电荷和负电荷的现象，这种现象也被称为静电现象。

摩擦起电是最早有记载的物理现象之一，在公元前六世纪左右，古希腊哲学家塞利斯便已记载了琥珀与布摩擦后能吸引草屑的现象，而同时期的中国也发现了摩擦起电现象。公元一世纪，东汉思想家王充在《论衡》一书中记述了“顿牟掇芥”。其中，“顿牟”指玳瑁的甲壳而“掇芥”的意思是吸引芥子之类的轻小物体。

塞利斯发现“摩擦过的琥珀能吸引碎草等轻小物体”

在中国古代的两晋时期，也有相关记载，如西晋学者张华在《博物志》中记载：“今人梳头、脱衣时，有随梳，解结有光者，亦有咤声。”《晋书·五行志》中也记载，晋永康元年（300年），晋惠帝司马衷纳羊氏为后。羊氏入宫就寝，侍人为其解脱衣服，“衣中忽有火，众咸怪之”，二者皆为摩擦起电现象。

张华雕像

明朝大臣张居正也曾记载摩擦起电现象：“凡貂裘及绮丽之服皆有光。余每于冬月盛寒时，衣上常有火光，振之迸炸有声，如花火之状”，即摩擦起电的现象，但在当时对电的本质亦无了解。

张居正像

1660年，德国物理学家盖里克制造了世界上第一台摩擦起电机，由此，摩擦起电机成为人类研究电现象的重要基本工具。但是一直未有对电荷进行清晰认识。1785年，法国物理学家查尔斯·库仑在《电力定律》一文中提出库伦定律，该定律是电学发展史上的第一个定量规律。因此，电学的研究从定性进入定量阶段。1779年，物理学家伏特在前人的基础上提出摩擦起电是接触效应产生的。1879年，物理学家亥姆霍兹在人们认识到物质特性的基础上，继承了伏特学说，对带电原理作了新的说明：使两种物体分离时能够得到的电荷，必须是两种物体接触时偶电层的电荷。这个偶电层被分离时，在两种物体的接触面上如果保留着电荷的话，那么，就像简单的平行板电容器那样，静电电容随其间距的增大而减小，这个电荷显示出高电位。这与前面的伏特学说结合在一起，就是伏特一亥姆霍兹假说。另外，美国科学家富兰克林将用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷称之为“正电荷”，用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷称之为“负电荷”。到了20世纪，物理学家柯恩提出，在与液体电介质接触的固体电介质中，具有较高介电常数的一方带正电，带电量与介电常数的差成比例--这就是柯恩法则。随后，经过若干的修正和补充，至现代，科学家们对电现象的本质也有了更深的了解，并且得知构成物质的本身就包括了带电粒子，也得出了摩擦起电的原因。

本杰明·富兰克林

人们对于电的认识最初来自摩擦起电。人们发现用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的硬橡胶棒都具有吸引轻小物体的性质，处于这种特殊状态的物体就被称为带电体，或说物体带上了电荷。使物体带电叫作起电，用摩擦的方法使物体带电叫做摩擦起电。实验发现，自然界中只存在两种性质不同的电荷，一种叫正电荷，另一种叫负电荷。电荷与电荷之间存在相互作用力，同号电荷相互排斥，异号电荷相互吸引。物体中所带电荷的多少，叫做电量。根据物质的电结构可知，组成物质的原子是由带正电的原子核和带负电的电子所构成，通常原子核所带的正电荷和所有核外电子带的负电荷是相等的，原子呈电中性。所以，在正常情况下物体呈电中性。当由于某种原因破坏了物体的电中性（获得电子或失去电子）状态时，物体就带上了负电荷或正电荷。

根据伏特——亥姆霍兹假说及柯恩提出的学说，可把摩擦起电的机理分为三个种类。首先便是接触起电过程：带电符号被认为是这个过程产生的；其次就是分离起电过程：已接触的两个物体的分离过程。此时，伴随着两物体间电容量的减少，电位升高。这是决定带电量多少的阶段；最后便是摩擦的效果：摩擦实际上是两个物体不同接触点之间连续不断的进行接触与分离的过程。

构成物质的本身就包括了带电粒子，带正电的质子和不带电的中子构成原子核，核外有带负电的电子。原子核的正电荷的数量与电子的负电荷的数量相同，所以整个原子对外表现为电中性。原子核内部的质子和中子被核力紧密地束缚在一起。核力来源于强相互作用，所以原子核的结构一般是很稳定的。核外的电子靠质子的吸引力维系在原子核附近。通常离原子核较远的电子受到的束缚较弱，容易受到外界的作用而脱离原子。当两个物体互相摩擦时，一些束缚得不紧的电子往往可以从一个物体转移到另一个物体，于是原来电中性的物体由于得到电子而带负电，失去电子的物体则带正电，这就是摩擦起电的原因。例如，用丝绸摩擦玻璃棒时，玻璃棒上有些电子跑到丝绸上了，玻璃棒因缺少电子而带正电，丝绸因得到电子而带负电。实验表明：相互摩擦的两个物体是同时带电的，而且所带的电荷等量异号。

摩擦后的玻璃杯可吸附碎纸

在自然界中所观察到的一切过程中，各个物体所带的电荷可以改变，但参与此过程的所有物体所带的电荷的总和是不变的，即电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分，也就是说在任何物理过程中，电荷的代数和是守恒的，这就是电荷守恒定律。电荷守恒定律是从大量实验中概括总结出来的自然界的基本规律，对宏观和微观都成立。它是物理学中重要的基本定律之一。例如，毛皮摩擦橡胶棒，毛皮失去电子带正电，橡胶棒得到电子带负电，但是所带电荷的代数和为零，既所带电荷的总量没变，只是电子从毛皮转移到橡胶棒上了。

库仑定律（Coulomb'slaw），法国物理学家查尔斯·库仑于1785年在《电力定律》一文中提出，是电学发展史上的第一个定量规律。因此，电学的研究从定性进入定量阶段，是电学史中的一块重要的里程碑。真空中两个点电荷之间相互作用力，跟它们的电荷量的乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上，这个规律叫作库仑定律。电荷间的这种相互作用力叫作静电力或库仑力。其表达式为：

.式中

是

对

的作用力，

是由

指向

的单位矢量，

是真空介电常数，它的值近似等于

.

人们发现一些经过摩擦的物体能够吸引轻小之物，处于这种特殊状态的物体就被称为带电体，或者说物体带上了电荷，简称带电。如果把丝绸摩擦过的一根玻璃棒悬挂起来，再将另一根同样被丝绸摩擦过的玻璃棒去靠近它的一端，如示例图所示，将会发现两根玻璃棒相互排斥；若用一根毛皮摩擦过的硬橡胶棒去接近该悬挂着的玻璃棒，那末两者将互相吸引。但如果使两根被毛皮摩擦过的硬橡胶棒互相靠近，它们之间又会相互排斥。这说明用丝绸摩擦过的玻璃棒上所带的电荷与用毛皮摩擦过的硬橡胶棒上所带的电荷是两种性质不同的电荷。为了区别这两种性质不同的电荷，历史上曾规定在室温条件下，被丝绸摩擦的玻璃棒上所带的电荷称为正电荷，通常用“+”号来表示；而硬橡胶棒被毛皮摩擦后所带的电荷称为负电荷，用“-”号表示。这些规定一直沿用至现代。

示例图：带电玻璃棒之间的相互排斥

此实验不仅表明电荷有两种，而且表明电荷之间存在着相互作用：同号电荷相互排斥；异号电荷相互吸引。大量的实验进一步表明：一切物体不论用什么方法使之带电后，不是与丝绸摩擦过的玻璃棒相斥（或与毛皮摩擦过的硬橡胶棒相吸），就是与丝绸摩擦过的玻璃棒相吸（或与毛皮摩擦过的硬橡胶棒相斥）。这说明它们所带的不是正电荷，就是负电荷。自然界里只存在正、负两种电荷。电荷的数量称为电量。将带有等量异号电荷的物体放在一起时，由于正、负电荷的数量相等，它们对外既显不出带正电，也显不出带负电，或者说呈电中性。这种现象称为电中和。大量的正、负电荷中和时，往往会发生火花，并伴有劈啪声，形成火花放电。

粉尘爆炸

摩擦起电也存在一定危害。如，油罐车的车尾有一条拖地的铁链。这是由于油罐车在行驰时，汽油不断地晃动，结果使汽油和油槽不断地发生碰撞、摩擦而发生摩擦起电。因为汽车轮胎是绝缘体，所以电荷不能通过轮胎传到地面。如果没有铁链，电荷就会积累起来，甚至发生火花放电而引起爆炸。而利用铁链可以把自由电荷传到地面，使电荷不能积累，避免爆炸的危险。飞机的螺旋桨由于在动时与空气剧烈摩擦会带上电荷，这些电荷在中和时引起的火花放电要干扰飞机上的无线电通讯。火花放电在一定的条件下还会引起爆炸。在通过管道输送干燥的糖、面粉等粉末状物质时，就可能会由于摩擦产生的正，负电荷中和而引起爆炸。

油罐车

摩擦起电多用于工业方面，如，静电除尘器就是利用静电力（库仑力）将气体中的粉尘或液滴分离出来的除尘设备，也称电除尘器、电收尘器。静电除尘器在冶金、水泥、煤气、电站锅炉、硫酸、造纸等工业中得到了广泛应用。

摩擦起电也会应用于生活方面，如人们会用丝绸布来擦拭眼镜的镜片，就是因为丝绸和玻璃的摩擦会产生静电荷，可以更有利于清除灰尘等轻小物体。还有在采茶工业上，在茶叶和茶叶梗彼此摩擦后，两者将分别带上异号电荷，令带电的茶叶和茶叶梗通过一对带正、负电荷的极板，由于同性相斥，异性相吸，两者分别被吸至带相反电荷的极板处，自动地完成了茶叶和叶梗的分拣。

丝绸擦拭眼镜