物体摩擦为什么会带电,粒子动能与电势关系

在上个世纪，人类的自然科学有了长足的发展，在前半叶占主导地位的是相对论和量子力学，这是两个基础理论，一个改变了人们对物质、能量、运动和时空关系的认识，一个改变人类对微观世界本质的认识。

到了后半叶，自然科学发展的势头并没有减弱，因为粒子物理学异军突起，让我们对这个世界的认识又提高了一个深度，粒子物理学说白了就是研究这个世界的组成成分，以及这些成分之间力的运作方式。

总结起来就是四个字：标准模型。它囊括了目前人类所知的所有基本粒子，以及它们之间相互作用的方式，可以说标准模型是人类目前最大的知识成就，也是人类400多年来物理知识的大成。

所以从这节课开始，我们就说亚原子粒子的发现，以及它们之间的相互作用，我们先说电子，因为它是第一个被人类识别出来的亚原子粒子。

我们现在知道，电子带负电，它所携带的电荷是1.6×10^-19库仑，那么库仑的定义是，1安培的电流在1秒种内，流过一根导线任一截面的电荷。

因此我们说的1安培就是每秒1库仑，根据电子所携带的电荷，我们就能知道1安培的电流其实就是每秒钟有6.25×10^18个电子流过。这个我们在后面说到电场力的时候会详细地说到。

那么在粒子物理学中，我们一般不太说电子具体的电荷是多少，而是会把电子所携带的电荷当作一个基本的电荷单位，就是1，我们会说一个物体携带了多少个电子电荷，这样使用起来非常方便。

我们现在还知道电子的质量是9.1094×10^-31千克，或者也可以说成是0.511Mev，之所以能这样说，是因为爱因斯坦的质能方程。

那么电子伏特是能量单位，它的定义是，一个电子在经过1伏特的电势差后所能获得的动能。1电子伏特等于1.602×10^-19焦耳，可以看出电子伏特是一个非常小的单位，是专门为表示粒子所携带的能量而创造的。

同时我们也可以看出来电子它的质量真的很小，是目前我们所知是除中微子以外，第二轻的基本粒子，是最轻的带电粒子。

但电子对我们来说是非常的重要，因为它质量很小，而且还非常稳定，且带有负电荷，因此电子是原子重要的组成部分，它在核外绕着带正电的原子核运行。

而其他所知的所有基本粒子没有一个可以胜任电子的工作，不是因为它们不稳定、就是因为它们不带电，例如缪子和中微子，这两个一个在2.19712×10^-6秒会发生衰变，另外一个为电中性，所以在原子中就不存在这些粒子。

因此我们在日常生活中看到的化学反应、生物学过程、电磁现象都跟电子有着直接的关系。这也是为什么电子是我们第一个发现的基本粒子。因为它做的事太多了，太重要了。

那么是谁发现了电子？英国物理学家J.J汤姆逊在卡文迪许实验室研究阴极射线的时候，测量了阴极射线粒子的荷质比，确定了原子中基本带电粒子，电子的存在。1897年，他把这些研究结果写成了三篇论文。

为了把这件事说得更详细一些，让大家都了解汤姆逊是怎样测量电子的荷质比的，我觉得在这之前还是要铺垫很多的基础知识。

这会涉及到电现象的发现、电场、电场力、磁场和磁场力，等等这些基础知识。好，那我们这节课的后半部分就说，人类是怎样发现电现象，以及对电现象研究的历史。

人类发现电现象其实非常的偶然，并不是我们想象地看到了雷电，就认为大自然有电现象，而是古时候的富人们一手拿着毛皮、一手拿着琥珀，在他们擦拭完琥珀以后，就发现被毛皮摩擦过的琥珀可以吸引细小的物体，比如一些毛发、碎屑之类的东西。

这个现在最早的记录出现在公元前4世纪柏拉图的对话集《蒂迈欧篇》当中，里面就描述了琥珀具有吸引力的现象。

到了16-17世纪，一位叫威廉·吉尔伯特的英国医生就发现，这种吸引力的现象其实非常的普遍，它也可以发生在像玻璃、石蜡、钻石、煤玉等等这些物质的身上，吉尔伯特也是第一个仿照琥珀的希腊字，创造了电的这个词（electricity）。

在这么多的物体上都发现了电吸引的现象，这就说明电这种奇怪的东西，并不是单个物体所特有的属性，而是当两个物体摩擦的时候产生的一种流质。

1729年，英国人斯蒂芬·格雷就发现把摩擦过的玻璃棒与其他物体接触以后，可以让这些物体具有吸引其他物体的能力，这说明电可以传递给别的东西。从而就验证了上面的说法，电是一种流质，不是某一个物体特有的属性。

随后人们就发现了电不仅有吸引力，还有排斥力，这一下让电的现象变得复杂了，发现这个现象的人叫弗朗西斯·豪克斯比，他说，用摩擦后的玻璃棒接触一些铜屑以后，这些铜屑之间竟然表现出了排斥力，和玻璃棒之间也有了排斥力。

到了1733年，这个现象就变得更加复杂了，因为法国科学家迪费就发现，和玻璃棒接触过的铜屑虽然互相排斥，但是它们却和与带电树脂接触过的铜屑，表现出了吸引力。

所以迪费得出结论，有两种完全不同的电，一种叫玻璃电，一种叫树脂电。玻璃电和玻璃电、树脂电和树脂电互相排斥，而玻璃电和树脂电互相吸引。

这样的结论就可以解释以上的现象了，当玻璃与丝绸摩擦以后，玻璃上会带玻璃电，丝绸上会带树脂电，当像琥珀这类树脂与毛皮摩擦以后，琥珀就会带树脂电，毛皮就会带玻璃电。

这种说法就是电的双流体理论，在很长一段时间内他符合我们的实验的观察，但是到了18世纪中期，人们就提出了一个全新的理论，叫单流体理论，相比于双流体它更加的简洁。

提出并发扬这个理论的人我们非常的熟悉，他是美国费城的著名学者：本杰明·富兰克林。他说，每一个物体本身都可以容纳一定的电，在没有摩擦的时候，这种电是满的，不缺也不多，所以物体不带电。

当摩擦以后，比如玻璃棒与丝绸摩擦，在这个过程中有一些电就会从丝绸上跑到玻璃上，这时玻璃上就会携带更多的电，叫盈余电，这种电跟费迪说的玻璃电是一样的。

但这时由于一部分电跑到了玻璃上，那么在丝绸上就会出现一些缺额，这些缺额就是迪费所说的树脂电。

同时富兰克林还发明了一些名词到今天仍在使用，比如说他把缺额，也就是树脂电叫负电，把盈余电，也就是玻璃电叫正电。

同时他也创造了电荷这个词语，用来描述物体上携带电的数量，提出了“电荷守恒”这个非常超前的基本假说，说的是，电荷不会被创造，只会从一个物体的身上上转移到另外一个物体的身上。

富兰克林的单流体理论也可以解释电现象的排斥和吸引，他假定有盈余电的物体相互排斥，但它们却可以吸引有电缺额的物体，而有电缺额的两个物体之间却会表现出互相排斥的现象。

那么到底是单流体理论还是双流体理论，这个问题直到电子发现以后才没有了争论，以我们现在掌握的知识来看，其实两种理论都是正确的。

你看，是这样的，我们可以认为电只有一种就是电子携带的负电荷，当玻璃棒与丝绸摩擦的时候，是玻璃棒上的电子跑到了丝绸的上面，玻璃棒有了缺额带了正电，丝绸有了盈余带了负电。

所以说单流体没有问题，但可以看出富兰克林当年把一件事给搞差了，他把缺额，也就是树脂电叫负电，把盈余，也就是玻璃电叫正电。

后来物理学家就沿用了一部分富兰克林的说法，把玻璃棒上的电荷就叫正电荷，把丝绸上的电荷就叫负电荷。

所以电子就带了负电，原子核就带了正电，正负完全是人为规定的。没有什么特殊的原因。那为什么说双流体理论也是正确的？

因为确实有正电荷的存在，确实有两种电荷，比如说在盐的溶液当中，我们就可以得到带负电的粒子流，和带正电的粒子流，这就是两种电荷的流体。

而且从更高的层面上说，带负电的电子还有一个反物质版本叫正电子，他跟电子的质量和自旋是一样的，但是电荷相反，所以双流体理论也是正确的。不过在一般情况下，单流体理论使用起来更加的方便。

可以看出人类对电的认识是从摩擦生电开始的，但是为什么摩擦会生电？为什么用丝绸摩擦玻璃棒，电子会从玻璃棒上跑到丝绸的上面？为什么毛皮上的电子会跑到琥珀的上面？

说起来也奇怪，看似简单常见的问题，其实我们并不知道其中的原因，而且摩擦生电也是人类第一个认识到的电现象。对此，我们没有一个详细完整的解释。

不过通过大量的研究，我们总结出了摩擦生电物质的顺序表，前面的物质倾向于失去电子，而后面的物质倾向于获得电子，也就是说，每种材料它们对电子的渴望程度不同，当两种材料相遇，一种容易失去电子，一种渴望获得电子，它们只要一接触就会传递电子。

其实并不是摩擦本身的原因，就算不摩擦也可以生电，比如说，一张塑料纸，你没有摩擦它，它都会粘在你的手上。

只不过摩擦是一个比较充分的、长时间的接触过程，所以才让我们产生了一个误区，认为是摩擦生电了，其实是接触就可以生电。

所以问题就变成了为什么不同材料的物体，它们对电子的渴望程度不同？这就涉及到了复杂物体表面的物理学问题了，这个分支学科的发展并不成熟。

而且有一点特别的重要，每一种材料对电子的渴望程度并不是固定的，随着温度的变化、空气湿度的变化都会影响它们对电子的态度，因此以上的这个摩擦生电顺序表中物质的相对顺序并不是固定了。所以加上影响因素比较多，摩擦生电的过程非常复杂，现在还没有一个详细合理的解释。

好了，今天的内容就到这里，下节课我们说人们对阴极射线的研究。

摩擦为什么能生电

　摩擦生电的原理：不同的物体所约束电子的能力不同所以在他们相互接触时会发生电子的转移而使二个物体带上等量的异种电核。
　　任何两个物体摩擦，都可以起电。18世纪中期，美国科学家富兰克林经过分析和研究，认为有两种性质不同的电，叫做正电和负电。物体因摩擦而带的电，不是正电就是负电。科学上规定：与用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电相同的，叫做正电；与用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电相同的，叫做负电。
　　摩擦起电只是一种现象。近代科学告诉我们：任何物体都是由原子构成的，而原子由带正电的原子核和带负电的电子所组成，电子绕着原子核运动。在通常情况下，原子核带的正电荷数跟核外电子带的负电荷数相等，原子不显电性，所以整个物体是中性的。原子核里正电荷数量很难改变，而核外电子却能摆脱原子核的束缚，转移到另一物体上，从而使核外电子带的负电荷数目改变。当物体失去电子时，它的电子带的负电荷总数比原子核的正电荷少，就显示出还正电；相反，本来是中性的物体，当得到电子时，它就显示出带负电。
　　两个物体互相摩擦时，其中必定有一个物体失去一些电子，另一个物体得到多余的电子。如用玻璃棒跟丝绸摩擦，玻璃棒的一些电子转移到丝绸上，玻璃奉因失去电子而带正电，丝绸因得到电子而带等负电。用橡胶棒跟毛皮摩擦，毛皮的一些电子转移到橡胶棒上，毛皮带正电，橡胶棒带着等量的负电。
　　同种材料摩擦起的原因。
　　利用一些容易起电的同种材料进行相互摩擦，两个摩擦表面就能够出现带电现象。通过进一步的实验表明：两个表面所带电荷为同性电荷，并且有的材料摩擦可以带同性正电荷，有的摩擦后可以带同性负电荷。在排除了外界的影响(如通过其它导体导走电荷等)之后，实验仍能得到相同的结果。
　　将介质表面污染考虑进去从而来解释此现象。
　　因为介质在未摩擦之前会在周围的环境中受到了一定程度的污染，污染的结果是介质和污染物之间因接触而产生了偶电层。摩擦会使一部分污染脱离介质表面，从而脱离部分的介质与污染之间的偶电层也随之分离使介质带上电荷。因为介质相同，且污染物也相同，这里偶电层也是相同的，故偶电层脱离时，介质上带上同种电荷

摩擦为什么会起电？

两个物体互相摩擦时，因为不同物体的原子核束缚核外电子的本领不同，所以其中必定有一个物体失去一些电子，另一个物体得到多余的电子。

如用玻璃棒跟丝绸摩擦，玻璃棒的一些电子转移到丝绸上，玻璃棒因失去电子而带正电，丝绸因得到电子而带着等量的负电。用橡胶棒跟毛皮摩擦，毛皮的一些电子转移到橡胶棒上，毛皮带正电，橡胶棒带着等量的负电。

扩展资料

摩擦起电的应用：

中美科学家联合开发出一种能从汽车车轮与地面的摩擦中收获能量的纳米发电机，有望将此前白白浪费掉的能源回收。据称，该装置能将车辆的燃油效率提高至少10%。

纳米发电机就依靠这种摩擦电效应，从路面和车辆车轮之间电位差的变化来获得电能。这种纳米发电机依靠集成到车轮上的分段电极来发电。

当这部分轮胎表面与路面接触时，两个表面的摩擦会因摩擦电效应产生电荷。它们将电极附着到玩具车的车轮上，当玩具车在地上行进的时候，就能点亮LED灯。实验显示，摩擦引起的电子运动产生的电能足以驱动LED灯，这些能量完全可以被收集和再利用。

参考资料来源：百度百科-摩擦起电