摘"要：摩擦生電的影響因素眾多，研究團(tuán)隊使用乳膠氣球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究氣球表面電荷規(guī)律、氣球電勢與應(yīng)變的關(guān)系。闡述我國科學(xué)家進(jìn)行摩擦電荷密度測量的過程，揭示不同材料摩擦?xí)r獲得或損失電子的能力。引導(dǎo)學(xué)生克服畏難心理開展科學(xué)研究。關(guān)鍵詞：摩擦生電；乳膠氣球；物理實(shí)驗(yàn)；科學(xué)研究0"引言人們很早就發(fā)現(xiàn)了摩擦生電的現(xiàn)象。早在古希臘時期，泰勒斯（公元前625—前547）就觀察到用羊毛摩擦后的琥珀能吸引樹葉等輕小物體；公元1世紀(jì)，我國東漢的王充在《論衡》中記載了“頓牟掇芥”現(xiàn)象。1757年，約翰·卡爾·威爾克（JohanCarlWilcke）發(fā)表了第一個靜電序列表，根據(jù)不同材料摩擦產(chǎn)生靜電的極性，將多種物質(zhì)依次排列。迄今已有巴盧（Ballou）、赫什（Hersh）、萊密克（Lchmicke）和史密森物理學(xué)數(shù)表等多個靜電序列量表問世[1]。1"乳膠氣球摩擦生電實(shí)驗(yàn)乳膠氣球的主要成分是天然乳膠，容易通過充氣和放氣改變體積大小，經(jīng)常被用于娛樂或慶典活動中。大家很熟悉氣球與其他物體摩擦生電，兩個相同材料的氣球摩擦后也會產(chǎn)生不同極性的電荷。1986年LOWELL等[2]發(fā)現(xiàn)同種絕緣物質(zhì)相互摩擦?xí)a(chǎn)生電荷，并將這種現(xiàn)象命名為自發(fā)摩擦生電（spontaneoustriboelectrification）。使用三個相同品牌和生產(chǎn)批次的氣球，分別吹氣到直徑10㎝、20㎝和30㎝。把這三個原本中性的氣球與毛皮摩擦，用非接觸式靜電電壓表測試氣球表面的電勢。非接觸式靜電電壓表采用高靈敏度傳感器，通過檢測空氣中的電場強(qiáng)度來獲取靜電電壓數(shù)值，這種方式無需直接接觸被測物體，只需將探頭靠近物體即可完成測量。檢測結(jié)果顯示氣球表面都帶有負(fù)電荷。繼而，任意選擇其中兩個氣球相互摩擦，檢測結(jié)果表明體積較大的氣球表面帶有負(fù)電荷，體積較小的氣球表面帶有正電荷，摩擦接觸后體積較小的氣球表面電荷極性發(fā)生逆轉(zhuǎn)，電荷轉(zhuǎn)移方向發(fā)生變化。2"乳膠氣球表面電荷來源實(shí)驗(yàn)將兩個相同品牌和顏色的氣球，充氣到相同大小，用酒精清洗去除表面油污，以圓周運(yùn)動對稱地摩擦氣球。兩個氣球表面產(chǎn)生異號電荷，相互吸引使得下方氣球懸浮在空中。使用電壓表測試氣球表面的電勢，摩擦后距離氣球表面5㎝的地方顯示正極性，電勢大于3000V，另外一個氣球表面產(chǎn)生負(fù)電荷。同一個氣球表面電荷極性的出現(xiàn)是隨機(jī)的，用酒精再次清潔和干燥氣球，氣球摩擦接觸后表面出現(xiàn)新的電荷，與該氣球之前的電荷極性沒有明顯相關(guān)性。用絕緣材料制作的氣球相互摩擦，表面為什么會出現(xiàn)不同極性的電荷？科學(xué)家認(rèn)為這些電荷主要來源于空氣中的帶電離子，包括更高遷移率或活躍程度的陰離子和流動性較低的陽離子。研究人員用氦氣給兩個相同生產(chǎn)批次的氣球充氣。氦氣是惰性氣體，很難與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)之前用酒精和紙巾清洗氣球，在干燥過程中避免氣球接觸其他物體表面。實(shí)驗(yàn)表明兩個內(nèi)部充滿空氣或者氦氣的氣球，在空氣中相互摩擦?xí)a(chǎn)生電荷，但是在氦氣中摩擦不會產(chǎn)生電荷。兩種不同材料的物質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生電荷，不會受到周圍的氣體影響，例如，氣球和棉花或紙張摩擦，無論在空氣中還是氦氣中都會產(chǎn)生電荷。在惰性氣體中相同材料的物質(zhì)之間難以摩擦生電，表明絕緣體表面的電荷主要來自空氣，物體表面與空氣相互作用導(dǎo)致空氣中的離子通過放電發(fā)生分解。為了直觀顯示氣球表面電荷分布規(guī)律，研究人員將氣球摩擦后暴露在帶電碳粉中，由于異號電荷相互吸引，碳粉附著在氣球表面帶電相反的區(qū)域。在金屬罐里放入適量紫紅色碳粉，充分搖晃使碳粉與金屬罐摩擦，碳粉帶正電荷。兩個氣球清潔干燥后，擠壓摩擦氣球做30次循環(huán)圓周運(yùn)動，把帶電的氣球暴露在紫紅色碳粉中。乳膠氣球表面會出現(xiàn)兩種不同的圖案，一個氣球表面出現(xiàn)橢圓斑點(diǎn)，另一個氣球表面出現(xiàn)條紋圖案，斑點(diǎn)主要出現(xiàn)在帶正電荷的氣球表面，條紋主要出現(xiàn)在帶負(fù)電荷的氣球表面。3"乳膠氣球電勢與應(yīng)變性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一種給定材料在靜電序列表中的位置取決于材料表面是粗糙還是光滑，這可能是材料表面不同的應(yīng)變狀態(tài)所致。1910年，JAMIESON[3]發(fā)現(xiàn)相同材料的纖維素薄片接觸，產(chǎn)生的電荷類型與材料表面的應(yīng)變程度有關(guān)系，被拉伸的纖維素薄片表面帶正電荷，而被擠壓的纖維素薄片表面帶負(fù)電荷。聚四氟乙烯（PTFE）的介電常數(shù)很小，具有良好的絕緣性能。研究人員分別將膨脹的充氣氣球和松弛的放氣氣球與PTFE平板表面接觸，以分析PTFE平板表面產(chǎn)生的電荷，同時避免氣球體積變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)在嚴(yán)格控制環(huán)境條件的氮?dú)馐痔紫淅镞M(jìn)行，每次均使用新鮮清洗的樣品。實(shí)驗(yàn)操作包括與充氣氣球或者放氣氣球進(jìn)行10次摩擦接觸，然后測量PTFE平板表面的電勢。共進(jìn)行112次實(shí)驗(yàn)，一半與放氣氣球接觸，一半與充氣氣球接觸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與充氣氣球摩擦后的PTFE平板表面帶負(fù)電荷，而與放氣氣球摩擦后的PTFE平板表面帶正電荷，這表明材料應(yīng)變對摩擦生電起主導(dǎo)作用，并控制兩個物體表面之間電荷轉(zhuǎn)移的方向。為了定量研究應(yīng)變對氣球摩擦電荷轉(zhuǎn)移的影響，研究人員制作了一個直徑為19mm的聚四氟乙烯（PTFE）球，并將其與厚度為0.254mm的乳膠片進(jìn)行摩擦接觸。乳膠片通過O形密封圈均勻拉伸后套在空心圓柱體頂端，然后用塑料拉繩帶固定。為了確定乳膠片的應(yīng)變大小及其空間均勻性，研究人員在其背面印制了一個十字符號，十字符號不與PTFE球接觸。乳膠片的應(yīng)變系數(shù)e由拉伸后符號長度（L）和原來長度（L0）計算得出，公式為e=（L-L0）/L0，并通過兩個正交方向的e值評估應(yīng)變均勻性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，即使應(yīng)變系數(shù)e高達(dá)150%，乳膠片仍然具有高度各向同性的應(yīng)變性質(zhì)。盡管制造過程中乳膠片也會產(chǎn)生一定程度的應(yīng)變，但是任何外力施加的應(yīng)變都遠(yuǎn)大于材料最初內(nèi)部的應(yīng)變。如圖1所示，使用電壓計測量乳膠片表面電勢，探針需要放置在圓柱體內(nèi)部中心，距離乳膠片20mm。為了避免探針與固定其位置的金屬接觸，探針表面覆蓋了一層絕緣材料。探針、乳膠片和PTFE球都被固定在適當(dāng)位置。計算機(jī)控制的線性馬達(dá)以0.78mm/s的恒定速度將PTFE球移向乳膠片表面并進(jìn)行接觸，然后以相同速度離開乳膠片。PTFE球從乳膠片表面上方75mm移動到乳膠片表面下方4.8mm，擠壓乳膠片使其產(chǎn)生形變和應(yīng)力。每次實(shí)驗(yàn)，接觸過程重復(fù)多次，接觸PTFE球和乳膠片的金屬通過導(dǎo)線連接到一個接地法拉第籠，以避免外部電場的干擾[4]。每次實(shí)驗(yàn)前，所有材料都要仔細(xì)清洗：乳膠片在丙酮浴中超聲波清洗20分鐘后儲存于干燥器中，且每個乳膠片只用于一次實(shí)驗(yàn)；PTFE球用500目碳化硅砂紙進(jìn)行拋光和打磨，并在丙酮浴中超聲波清洗20分鐘，去除之前可能轉(zhuǎn)移的殘留物質(zhì)；所有材料表面用甲醇沖洗，并用離子槍中和物體表面的電荷。實(shí)驗(yàn)在充滿氮?dú)獾氖痔紫鋬?nèi)進(jìn)行，相對濕度控制在13%以下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，乳膠片沒有發(fā)生應(yīng)變，即e=0時，表面電勢小于0，約為-1700V；e=25%時，表面電勢為0；e=80%時，表面電勢大于0；e=140%時，表面電勢大于2440V。研究人員指出，材料應(yīng)變可以控制電荷轉(zhuǎn)移的程度和方向。如果兩種材料在靜電序列表中很接近，應(yīng)變可以充分改變材料的性質(zhì)，導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移過程發(fā)生逆轉(zhuǎn)。具體表現(xiàn)為：如果電子是相關(guān)的來源，應(yīng)變可能會扭曲化學(xué)鍵，增加與這些鍵相關(guān)的電子能量，使它們更容易轉(zhuǎn)移；如果離子是相關(guān)的來源，應(yīng)變可以改變吸附離子在聚合物表面的結(jié)合能，改變它們轉(zhuǎn)移的容易程度。此外，研究人員還指出，靜電序列表存在局限性。材料摩擦生電能力的經(jīng)驗(yàn)順序在不同的實(shí)驗(yàn)條件下會發(fā)生變化。定量預(yù)測材料摩擦生電性能很困難，即使材料沒有發(fā)生宏觀層面的應(yīng)變，較小的納米空間尺度的局部應(yīng)變依然存在。材料表面存在正負(fù)電荷共存的馬賽克區(qū)域，可能就是受到表面固有的局部應(yīng)變影響。4"我國科學(xué)家做的摩擦電荷密度測量實(shí)驗(yàn)中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊定義了新的摩擦電荷密度（triboelectricchargedensity，簡稱TECD），并研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)測量方法，定量測量了材料的摩擦起電特性。2019年，其科研團(tuán)隊的研究成果《Quantifyingthetriboelectricseries》發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然—通訊》（NatureCommunications）上。TECD的測量原理是接觸帶電和靜電感應(yīng)過程（圖2），其具體過程如下。1）測試材料與液態(tài)金屬汞接觸，然后定期分離。電表正極與汞柱連接，負(fù)極與銅電極連接。汞具有很強(qiáng)的形狀適應(yīng)性和表面張力，能夠使接觸面積最大化，及時與接觸材料分離（見圖2a）。2）當(dāng)系統(tǒng)處于開路條件下，接觸起電引起材料間的電荷轉(zhuǎn)移，電荷在同一平面上重合。該系統(tǒng)無凈電荷，無電位差（見圖2b）。3）聚合物具有很強(qiáng)的電子吸收能力，當(dāng)材料被分離時，聚合物帶有負(fù)電荷，汞帶有正電荷，兩個部分之間產(chǎn)生電位差，從而在兩個電極之間產(chǎn)生電壓（見圖2c）。4）當(dāng)間隙達(dá)到一定距離L時，電勢達(dá)到最大值，銅電極被聚合物表面電荷的電場影響（見圖2d）。5）當(dāng)聚合物接近汞時，兩個電場的共同作用導(dǎo)致電壓下降；當(dāng)完全接觸后兩個電極之間沒有電壓，系統(tǒng)回到b狀態(tài)（見圖2e）。6）當(dāng)系統(tǒng)處于短路條件下，兩種材料完全接觸，無電位差（見圖2f）。7）當(dāng)材料分離時，聚合物表面負(fù)電荷在銅中感應(yīng)正電荷，銅和汞通過導(dǎo)線連接，汞的正電荷流向銅（見圖2g）。8）當(dāng)間隙達(dá)到一定距離L時，絕大部分電荷都到達(dá)銅，達(dá)到平衡電位差（見圖2h）。9）當(dāng)樣品接近汞時，聚合物表面的負(fù)電荷在汞中感應(yīng)到正電荷，正電荷從銅流向汞；當(dāng)完全接觸后電荷在內(nèi)部中和，系統(tǒng)回到f狀態(tài)（見圖2i）。實(shí)驗(yàn)設(shè)置在一個充滿高純度氮?dú)獾氖痔紫渲校诜€(wěn)定的溫度、壓力和濕度下進(jìn)行。線性馬達(dá)安裝在一個高負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)室千斤頂上，測試樣品接觸液態(tài)金屬汞的高度通過千斤頂和馬達(dá)進(jìn)行微小調(diào)整。靜態(tài)部分以液態(tài)金屬汞作為電極；運(yùn)動部分由被試樣品組成，線性馬達(dá)控制一個連接在末端的丙烯酸底座，一塊磁鐵鑲嵌在丙烯酸底座上，吸引刻在樣品基板上的另一塊磁鐵。每個樣品由磁鐵、電極、被測試材料組成，微型平臺上的雙軸傾斜和旋轉(zhuǎn)平臺調(diào)整樣品和液態(tài)金屬水平。為了限制外界電場的影響，樣品在一個連接到地面的法拉第籠中進(jìn)行測量。科研團(tuán)隊總結(jié)了50多種材料的測量結(jié)果，包括常見的乳膠橡膠、聚四氟乙烯等，揭示了不同材料接觸帶電后獲得或損失電子的能力，為材料基因組計劃在能量收集、傳感和人機(jī)交互等領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力支撐[5]。5"結(jié)束語《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，可利用日常用品和材料來替代實(shí)驗(yàn)材料，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、直觀，或者利用這些材料創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，開發(fā)出低成本、高質(zhì)量的物理實(shí)驗(yàn)。摩擦生電是一種