初中物理學的靜電，其實令物理學家困惑幾百年_風聞

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

撰文 | 羅會仟（中國科學院物理研究所）

靜電對大家來説或許並不陌生，冬天黑夜裏脱毛衣的噼裏啪啦，走過地毯後摸門把手的瞬間刺痛，拆快遞時候粘手上怎麼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移的結果。但是，百餘年來，科學家一直沒搞明白，為什麼靜電有時候是正電，有時候是負電？究竟是誰決定了摩擦或接觸之後的電荷種類？最近，奧地利的科學家們經過反覆實驗，終於搞明白了這個問題的關鍵。今天我們一起聊聊靜電這個話題，依據實驗事實告訴你，到底是誰決定了摩擦之後帶的什麼電。

電是自然界最常見的現象之一，人類最早的科學記錄就是摩擦起電。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後可以吸引輕小物體的現象。不過，科學意義上對電學的研究是從近代開始。18世紀初，荷蘭萊頓大學的彼得·穆森布羅克（Pieter van Musschenbroeck）發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，裏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入瓶中，並存儲起來。有了萊頓瓶，科學家們從此研究靜電，不再需要每次都那麼麻煩地摩擦又摩擦，而且可以定量測量電荷之間的相互作用。1600年，英國醫生吉爾伯特（William Gilbert）發現靜電並非只有通過琥珀摩擦才能產生，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”，起源於希臘文的“琥珀”（希臘語“ήλεκτρον”或對應拉丁文“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移到了另一個物體，造成了物體中正負電荷數量不對等或電荷分佈不均勻。這個電荷的正負，其實是人為的規定，是來自美國的富蘭克林（Benjamin Franklin）的傑作。富蘭克林利用萊頓瓶研究靜電之間的相互作用時候發現，它們有時候相斥，有時候相吸，類比於磁鐵的南北極同性相斥、異性相吸，富蘭克林認為電荷也存在兩類電荷，分別是正電荷和負電荷，同種電荷相斥、異種電荷相吸。

後來，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動的問題，直到1897年安德森發現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量就等於一個負的元電荷。至此，人們終於清楚材料攜帶正負電荷主要是和電子有關，一個本來不帶電的物體，如果得到電子，就帶負電；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：摩擦過程究竟是什麼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覆接觸，導致電荷偷偷轉移到了另一個物體。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，反而因為它們屬於電的良導體而很難留住靜電。到了20世紀50年代，人們已經能夠很好地解釋金屬的接觸起電機制，因為金屬的“電負性”，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，或者説：元素週期表從左到右，元素的電負性逐漸變大；週期表從上到下，元素的電負性逐漸變小。從量子力學的角度來看，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，對於摩擦起電用到的絕緣體而言，這種電負性差異的解釋遠遠不夠。科學家們於是提出了摩擦電序列的概念，根據材料交換電荷的正負性對其進行排序，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，不管科學家怎麼對材料排好序，一做實驗，結果就是一團混亂，設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，也有可能發生電荷交換，科學家們有點懵。

金屬電離能排序

最近奧地利科學家通過成百上千次實驗，終於發現靜電正負的秘密——它們並非隨機混亂，而是由材料接觸歷史決定，接觸次數決定了電荷的正負！

這篇最新發表在《自然》[Nature 638, 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，製成大小相同的塑料塊。他們最初覺得，摩擦起電的正負性可能由材料表面的細微差異決定了，可實驗結果還是亂七八糟。可是，當他們拿用過的樣本反覆做實驗時，漸漸地找到了特定的規律。也就是説，在接觸幾次的情形下，帶正電或負電看似很隨機，但是當接觸達到了200次左右的時候，所攜帶的電荷就變得可預測了。結論非常簡單：接觸次數多的塑料塊總是對接觸次數少的塑料塊帶負電。而且，他們進一步統計發現，只要控制接觸次數和實驗順序，塑料塊還能按設計的起電序排列，真正意義上實現了“摩擦起電序”。

就這樣，一個看似複雜混亂的古老科學問題，就在重複實驗次數多了之後，有了相對準確的答案。有的時候，科學就需要一點耐心，再堅持一下，再重複幾遍，也許就功到自然成了！

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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