只有这套高中物理教科书解释了:在摩擦起电中,摩擦到底起什么作用?

科学的故事 2024-12-05 16:54:12

人类是从摩擦起电开始电学研究的。人们在学校学习电学,也是从摩擦起电开始:通过摩擦起电现象认识到电荷和电荷之间的力的存在;接着,将物体分为导体与绝缘体两大类(再加上半导体);随后就开始了对电流和电路的研究,这是中学物理课中电学知识的重点――至于摩擦起电呢?就像只在电视剧的第一集露了一次面的角色,后来再没有出现了。而且留下一个问题:摩擦为什么会使物体带上电呢?虽然书上告诉我们,摩擦起电的实质是电子从一个物体向另一个物体发生转移,可是,为了使电子转移,为什么需要摩擦呢?这难道不是一个神秘的问题吗?摩擦在这里到底起什么作用呢?

两种物质接触时发生的电子俘获

当任何两种不同物质A和B(对,任何两种不同物质,无论它们是绝缘体还是导体,是固体、液体还是气体)互相接触时,其中一种物质――假设是A――上的一部分电子(电子带负电荷)会向另一种物质B移动一小段距离,当把A、B互相分开后,发生了移动的那部分电子不会跟随A,而是留在B上,就像是这部分电子被B“俘获”或“捕获”一样。这样,分开以后,B上的电子数目比正常情况下要多,所以显出带负电,因为电子带负电;而A上的电子数目比正常情况下要少,所以显示带正电。

注意,我们上面说的是,“当任何两种不同物质互相接触时”,没说要摩擦。只要两种不同物质互相接触,其中一种物质中的一部分电子就会向另一种物质移动一小段距离,被对方俘获(至于为什么会这样,我本人就不清楚了。这问题可能非常深奥和复杂)。并不需要摩擦。

“接触”的含义

但是有一点要注意:怎么才叫接触呢?“接触”这个词本身并没有特别明确的含义;在不同情况下,它具有不同的含义。比如,以前两个人相亲,介绍人说,“先互相接触一下”,可绝不是叫两个人互相接触对方身上哪个部位;实际上两个人要隔开相当一段距离,但也叫“接触”,因为他俩原来可能连面都没见过呢。等到某一天,两个人互相拉手了,这又是一种接触。

我们一般把这时候的接触看成是这个词的本义,而把“两个人互相接触一下”的接触看成是引申义。但是,如果从原子(和分子)的观点看[注:为了避免啰嗦,下文不区分原子和分子,统统用“原子”一词],当两个人的手拉到一起时,两只手的绝大部分原子其实还互相离得老远,因为手的表面不是绝对光滑和平整(即使我们会说这位女生的皮肤很光滑);两只手只有很少很少部位的原子离得比较近。发生电子俘获的条件是:双方原子的距离达到每只手上相邻原子之间的距离那么小。

“摩擦起电”的叫法是错的

有些人这时可能已经猜到摩擦在摩擦起电中到底起什么作用了。比如,当我们让丝绸紧紧围住玻璃棒时,由于“放大”以后看,玻璃棒和丝绸的表面其实都是凹凸不平、起起伏伏的,只有很少很少一些地方,玻璃棒中的原子与丝绸中的原子紧密接触,也就是,双方原子的间距达到了各自相邻原子之间的间距那么小。在这些部位,玻璃上的一部分电子被丝绸俘获过去。如果将二者分离开,玻璃上的某些部位由于失去电子而显示带正电。但是,由于失去电子的区域非常非常小,玻璃棒显出的电性非常弱,比如,不足以把小纸屑吸起来,我们也就察觉不出它这时带了电。

当我们用丝绸摩擦玻璃棒时,一方面要用力把它们压在一起,另一方面不停地改变它们相互“对准”的情况,先是某些部位互相密切接触,然后换一些部位密切接触,再换一些部位密切接触……摩擦大大增加了丝绸与玻璃棒双方的原子发生亲密接触的机会,这样,玻璃棒被丝绸俘获的电子数目大大地增加了,拿开以后,玻璃棒(以及丝绸)的电性变得很强,能够吸起小纸屑,使我们发现它这时获得了原先没有的能力。

所以,摩擦的作用并不是“起电”,而是增加起电(电子俘获)的机会,使物体显出的电性更强。因此,所谓摩擦“起电”的叫法,其实是错的。

进一步的验证

既然两种不同物质只要密切接触就可以起电,如果我们能够实现一种条件,不需要经过摩擦,两种物质便能有很大的机会发生密切接触,那么就可以不使用摩擦,而使两种物质显出较强的电性。

可以用液体呀!

把石蜡球在蒸馏水中浸一下,再取出来,然后用验电器检验(验电器比用纸屑检验物体是否带电的方法更灵敏),会发现石蜡球带电了!

这完全是由石蜡球与蒸馏水接触而产生的结果。

有人会想(这样想是对的!):石蜡球在进入水中和从水中取出时,会与水发生摩擦,这里的起电会不会还是由摩擦引起的呢?

实验证明不是,因为,不管是把石蜡球刚刚浸没到水里,还是把它浸没到水下很深的地方(后一种情况下经过的摩擦更多),不管是石蜡球只在水中浸一下,还是让它在水下上下左右拖动很多来回(这时它受到的摩擦更多),把石蜡球拿出来用验电器检验时,它的带电情况都没有分别。这证明石蜡球带的电与摩擦没有关系。

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