摩擦起电的应用

摘要：

本文主要围绕摩擦起电展开阐述，首先介绍什么是摩擦起电，之后简要介绍了摩擦起电的原因，然后对如何利用摩擦起电提出了一些设想，最后对这些设想的应用前景进行了简单的展望。

关键词：摩擦起电 发电 应用

摩擦起电是生活中常见的一种现象，如在干燥的天气脱毛衣会听到轻微的噼啪声，化纤做的衣服特别容易沾上灰尘，用塑料梳子梳头时头发会飘起，用被毛皮摩擦过的塑料棒靠近纸屑时纸屑会被吸起。那么什么是摩擦起电呢？

摩擦起电是电子由一个物体转移到另一个物体的结果，使两个物体带上了等量的电荷。得到电子的物体带负电，失去电子的物体带正电。物理学上规定丝绸摩擦过的玻璃棒带的电荷叫正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电荷叫负电荷。

尽管人们早就认识到摩擦起电这一现象，但对这一现象的解释时至今日仍没有一个令人满意的答案。

从原子物理的角度来考虑，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，就显示出带正电；相反，本来是中性的物体，当得到电子时，它就显示出带负电。当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，所以其中有一个物体失去一些电子，另一个物体得到多余的电子，于是两个物体带上等量异种电荷。

这种学说可以很好的解释不同种物体相互摩擦带电的现象，但实验表明即使是相同的材料相互摩擦也会发生电子的转移。针对这种结果人们又提出了“介质污染”等说法，但均未得到科学界的广泛认可，这里并不打算深入讨论这个问题，此处也不多加叙述。

我们关心的是，能否利用这种机制来做些什么。

图2

1880年，英国发明家詹姆斯·维姆胡斯特发明了静电感应起电机（如图1），转动摇柄，

使圆盘转动，电刷接触起电，正负电荷分别储存在两侧的莱顿瓶中。由于两莱顿瓶集聚不同种电荷，在两放电小球上就会被感应出不同种电荷，当两小球靠近时就会因放电而产生电火花。1928年，美国的范德格拉夫发明了可以产生上万伏高压的起电机（原理图如图2），其产生的高电势可以加速带电粒子，在核物理研究及半导体集成电路制造工艺中有着广泛的应用。 静电感应起电机和范式发电机虽然都可以产生较高的电压，但是输出电流很小，不能连续输出，体积庞大，不能作为小型电子器件的能源。 如下左图所示，我们给A,B两个物体加上金属电极，并通过外电路连接起来。两物体原本不带电，电路中也没有电流。发生接触时，二者的内表面摩擦起电，但是上下两个面的卖弄电荷数量相等，电路中仍没有电流通过。当把两个物体慢慢移开，电极上感应出异种电荷，电子移动形成电流。当A,B再次接触时，电子从A流向B。这样电子在外电路中随着两个物体的接触和分离来回流动，产生了交流电。 将上述装置做些许改动，如下右图所示，原理相同，当二者来回发生相对滑动时，电路中便产生了交流电。我们甚至可以这样做，将B极板接负载后直接接地，那么上方的带电体靠近和远离时，电极与接地端之间便会有电流来回流动。更进一步的，我们是否可以将滑动的轨迹设计成圆形，那么便可以省去移动与复位的过程，且始终有感应电流的产生。

上述的原理在实际应用中是否会产生一些问题，比如电极的移动需要外力做功，若是发出的电功率过小，是否会得不偿失，亦或者这样的发电机可以解决前面静电感应发电机和范式发电机不能应用于小型电子器件的问题吗？ 事实上，目前已经美国等国家包括中国在内已经研究出了摩擦纳米发电机，单从发电机的单位输出功率上来比较的话，传统的电磁发电机为0.36W/m3，而摩擦纳米发电机为3.11W/m3，也就是说，摩擦纳米发电机在发电效率上丝毫不逊色于传统发电机，甚至在一定程度上更胜于传统发电机。 我们可以想象在未来这种发电机的应用前景。如果将摩擦纳米发电机结合到传感器中，那么便可以解决一直以来困扰人们的为传感器换电池的问题了。也可以将这种设备装在展览馆或商店的地毯中，就可以知道某个展品或某个商品前有多少人走过了，甚至在那里逗留了多少时间。再比如，将此项技术应用于文物保护，那么只要盗贼移动展品，那么这个动作所产生的电流就足以触发报警设备了。我们有理由相信，在不远的未来，这项技术将会为我们的生活带来巨大的便利。