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利用乳胶气球开展摩擦生电的科学研究

摘要：摩擦生电的影响因素众多，研究团队使用乳胶气球进行实验，研究气球表面电荷规律、气球电势与应变的关系。阐述我国科学家进行摩擦电荷密度测量的过程，揭示不同材料摩擦时获得或损失电子的能力。引导学生克服畏难心理开展科学研究。

关键词：摩擦生电；乳胶气球；物理实验；科学研究

0引言

人们很早就发现了摩擦生电的现象。早在古希腊时期，泰勒斯（公元前625—前547）就观察到用羊毛摩擦后的琥珀能吸引树叶等轻小物体；公元1世纪，我国东汉的王充在《论衡》中记载了“顿牟掇芥”现象。1757年，约翰·卡尔·威尔克（JohanCarlWilcke）发表了第一个静电序列表，根据不同材料摩擦产生静电的极性，将多种物质依次排列。迄今已有巴卢（Ballou）、赫什（Hersh）、莱密克（Lchmicke）和史密森物理学数表等多个静电序列量表问世[1]。

1乳胶气球摩擦生电实验

乳胶气球的主要成分是天然乳胶，容易通过充气和放气改变体积大小，经常被用于娱乐或庆典活动中。大家很熟悉气球与其他物体摩擦生电，两个相同材料的气球摩擦后也会产生不同极性的电荷。1986年LOWELL等[2]发现同种绝缘物质相互摩擦会产生电荷，并将这种现象命名为自发摩擦生电（spontaneoustriboelectrification）。

使用三个相同品牌和生产批次的气球，分别吹气到直径10㎝、20㎝和30㎝。把这三个原本中性的气球与毛皮摩擦，用非接触式静电电压表测试气球表面的电势。非接触式静电电压表采用高灵敏度传感器，通过检测空气中的电场强度来获取静电电压数值，这种方式无需直接接触被测物体，只需将探头靠近物体即可完成测量。检测结果显示气球表面都带有负电荷。继而，任意选择其中两个气球相互摩擦，检测结果表明体积较大的气球表面带有负电荷，体积较小的气球表面带有正电荷，摩擦接触后体积较小的气球表面电荷极性发生逆转，电荷转移方向发生变化。

2乳胶气球表面电荷来源实验

将两个相同品牌和颜色的气球，充气到相同大小，用酒精清洗去除表面油污，以圆周运动对称地摩擦气球。两个气球表面产生异号电荷，相互吸引使得下方气球悬浮在空中。使用电压表测试气球表面的电势，摩擦后距离气球表面5㎝的地方显示正极性，电势大于3000V，另外一个气球表面产生负电荷。同一个气球表面电荷极性的出现是随机的，用酒精再次清洁和干燥气球，气球摩擦接触后表面出现新的电荷，与该气球之前的电荷极性没有明显相关性。用绝缘材料制作的气球相互摩擦，表面为什么会出现不同极性的电荷？科学家认为这些电荷主要来源于空气中的带电离子，包括更高迁移率或活跃程度的阴离子和流动性较低的阳离子。

研究人员用氦气给两个相同生产批次的气球充气。氦气是惰性气体，很难与其他物质发生化学反应。实验之前用酒精和纸巾清洗气球，在干燥过程中避免气球接触其他物体表面。实验表明两个内部充满空气或者氦气的气球，在空气中相互摩擦会产生电荷，但是在氦气中摩擦不会产生电荷。两种不同材料的物质相互摩擦产生电荷，不会受到周围的气体影响，例如，气球和棉花或纸张摩擦，无论在空气中还是氦气中都会产生电荷。在惰性气体中相同材料的物质之间难以摩擦生电，表明绝缘体表面的电荷主要来自空气，物体表面与空气相互作用导致空气中的离子通过放电发生分解。

为了直观显示气球表面电荷分布规律，研究人员将气球摩擦后暴露在带电碳粉中，由于异号电荷相互吸引，碳粉附着在气球表面带电相反的区域。在金属罐里放入适量紫红色碳粉，充分摇晃使碳粉与金属罐摩擦，碳粉带正电荷。两个气球清洁干燥后，挤压摩擦气球做30次循环圆周运动，把带电的气球暴露在紫红色碳粉中。乳胶气球表面会出现两种不同的图案，一个气球表面出现椭圆斑点，另一个气球表面出现条纹图案，斑点主要出现在带正电荷的气球表面，条纹主要出现在带负电荷的气球表面。

3乳胶气球电势与应变性质实验

一种给定材料在静电序列表中的位置取决于材料表面是粗糙还是光滑，这可能是材料表面不同的应变状态所致。1910年，JAMIESON[3]发现相同材料的纤维素薄片接触，产生的电荷类型与材料表面的应变程度有关系，被拉伸的纤维素薄片表面带正电荷，而被挤压的纤维素薄片表面带负电荷。聚四氟乙烯（PTFE）的介电常数很小，具有良好的绝缘性能。研究人员分别将膨胀的充气气球和松弛的放气气球与PTFE平板表面接触，以分析PTFE平板表面产生的电荷，同时避免气球体积变化对实验结果的影响。实验在严格控制环境条件的氮气手套箱里进行，每次均使用新鲜清洗的样品。实验操作包括与充气气球或者放气气球进行10次摩擦接触，然后测量PTFE平板表面的电势。共进行112次实验，一半与放气气球接触，一半与充气气球接触。实验结果显示，与充气气球摩擦后的PTFE平板表面带负电荷，而与放气气球摩