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初中物理学的静电，其实令物理学家困惑几百年

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人们都知道摩擦起电，静电有时是正电，有时是负电——如果得到电子，就带负电；反之，失去电子就带正电。但是，摩擦过程中，究竟是什么决定了电子的得到或失去呢？

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撰文 | 罗会仟（中国科学院物理研究所）
静电对大家来说或许并不陌生，冬天黑夜里脱毛衣的噼里啪啦，走过地毯后摸门把手的瞬间刺痛，拆快递时候粘手上怎么也甩不掉的泡沫颗粒，等等。这都是静电惹的祸。
我们都知道，静电是电荷在物体之间转移的结果。但是，百余年来，科学家一直没搞明白，为什么静电有时候是正电，有时候是负电？究竟是谁决定了摩擦或接触之后的电荷种类？最近，奥地利的科学家们经过反复实验，终于搞明白了这个问题的关键。今天我们一起聊聊静电这个话题，依据实验事实告诉你，到底是谁决定了摩擦之后带的什么电。
电是自然界最常见的现象之一，人类最早的科学记录就是摩擦起电。大约在公元前600多年，古希腊的泰勒斯就记录了琥珀摩擦之后可以吸引轻小物体的现象。不过，科学意义上对电学的研究是从近代开始。18世纪初，荷兰莱顿大学的彼得·穆森布罗克（Pieter van Musschenbroeck）发明了储存静电的装置——莱顿瓶，由一个玻璃瓶带个橡胶塞，外面包裹一层锡箔，里面插一根带铁链的金属棒等装置组成。其实这就是一个最简单的“电容器”，静电可以通过露在外面金属棒头导入瓶中，并存储起来。有了莱顿瓶，科学家们从此研究静电，不再需要每次都那么麻烦地摩擦又摩擦，而且可以定量测量电荷之间的相互作用。1600年，英国医生吉尔伯特（William Gilbert）发现静电并非只有通过琥珀摩擦才能产生，其他摩擦过程也可能有静电。不过他仍然用拉丁语“electricus”命名了“电”，起源于希腊文的“琥珀”（希腊语“ήλεκτρον”或对应拉丁文“elektron”）。
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莱顿瓶
如今，我们知道：用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电，用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，静电的存在就是因为电荷从一个物体转移到了另一个物体，造成了物体中正负电荷数量不对等或电荷分布不均匀。这个电荷的正负，其实是人为的规定，是来自美国的富兰克林（Benjamin Franklin）的杰作。富兰克林利用莱顿瓶研究静电之间的相互作用时候发现，它们有时候相斥，有时候相吸，类比于磁铁的南北极同性相斥、异性相吸，富兰克林认为电荷也存在两类电荷，分别是正电荷和负电荷，同种电荷相斥、异种电荷相吸。
后来，库仑精确测定了电荷之间的相互作用，安培、法拉第、麦克斯韦等研究了电荷运动的问题，直到1897年安德森发现电荷的主要载体之一是电子。1909年密立根的油滴实验证实了电荷具有最小单元，也就是元电荷，一个电子所携带的电荷数量就等于一个负的元电荷。至此，人们终于清楚材料携带正负电荷主要是和电子有关，一个本来不带电的物体，如果得到电子，就带负电；反之，失去电子就带正电。
但是，这又回到了摩擦起电这个古老的问题：摩擦过程究竟是什么决定了电子的得到或失去呢？
我们知道摩擦起电，实际上就是两个物体反复接触，导致电荷偷偷转移到了另一个物体。而且，无论是毛皮摩擦橡胶棒，还是丝绸摩擦玻璃棒，都是绝缘体之间的接触，如果用金属棒来摩擦，反而因为它们属于电的良导体而很难留住静电。到了20世纪50年代，人们已经能够很好地解释金属的接触起电机制，因为金属的“电负性”，也就是原子吸引其他电子的能力，存在一定的差异。常见金属大致的排序是：铝>铍>镁>钙>锂>钠>钾，或者说：元素周期表从左到右，元素的电负性逐渐变大；周期表从上到下，元素的电负性逐渐变小。从量子力学的角度来看，其实就是核外电子的电离能和亲和能的差异，就是原子最外层的电子的能量决定了它“拉拢”其他电子或“逃逸”原子核的束缚的能力。但是，对于摩擦起电用到的绝缘体而言，这种电负性差异的解释远远不够。科学家们于是提出了摩擦电序列的概念，根据材料交换电荷的正负性对其进行排序，就像玻璃对陶瓷带正电，陶瓷对木头也带正电，那玻璃对木头多半也是正的，形成所谓的“摩擦起电序”。然而，不管科学家怎么对材料排好序，一做实验，结果就是一团混乱，设想的和实际的总是对不上。哪怕用两个一模一样的材料互相接触，也有可能发生电荷交换，科学家们有点懵。
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金属电离能排序
最近奥地利科学家通过成百上千次实验，终于发现静电正负的秘密——它们并非随机混乱，而是由材料接触历史决定，接触次数决定了电荷的正负！
这篇最新发表在《自然》[Nature 638, 664–669 (2025)]期刊上的论文采用了一个简单的方案。他们选了一种透明的绝缘体——硅基聚合物PDMS，制成大小相同的塑料块。他们最初觉得，摩擦起电的正负性可能由材料表面的细微差异决定了，可实验结果还是乱七八糟。可是，当他们拿用过的样本反复做实验时，渐渐地找到了特定的规律。也就是说，在接触几次的情形下，带正电或负电看似很随机，但是当接触达到了200次左右的时候，所携带的电荷就变得可预测了。结论非常简单：接触次数多的塑料块总是对接触次数少的塑料块带负电。而且，他们进一步统计发现，只要控制接触次数和实验顺序，塑料块还能按设计的起电序排列，真正意义上实现了“摩擦起电序”。
就这样，一个看似复杂混乱的古老科学问题，就在重复实验次数多了之后，有了相对准确的答案。有的时候，科学就需要一点耐心，再坚持一下，再重复几遍，也许就功到自然成了！

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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