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，而与放气气球摩擦后的PTFE平板表面带正电荷，这表明材料应变对摩擦生电起主导作用，并控制两个物体表面之间电荷转移的方向。为了定量研究应变对气球摩擦电荷转移的影响，研究人员制作了一个直径为19mm的聚四氟乙烯（PTFE）球，并将其与厚度为0.254mm的乳胶片进行摩擦接触。乳胶片通过O形密封圈均匀拉伸后套在空心圆柱体顶端，然后用塑料拉绳带固定。为了确定乳胶片的应变大小及其空间均匀性，研究人员在其背面印制了一个十字符号，十字符号不与PTFE球接触。乳胶片的应变系数e由拉伸后符号长度（L）和原来长度（L0）计算得出，公式为e=（L-L0）/L0，并通过两个正交方向的e值评估应变均匀性。实验结果显示，即使应变系数e高达150%，乳胶片仍然具有高度各向同性的应变性质。尽管制造过程中乳胶片也会产生一定程度的应变，但是任何外力施加的应变都远大于材料最初内部的应变。如图1所示，使用电压计测量乳胶片表面电势，探针需要放置在圆柱体内部中心，距离乳胶片20mm。为了避免探针与固定其位置的金属接触，探针表面覆盖了一层绝缘材料。探针、乳胶片和PTFE球都被固定在适当位置。计算机控制的线性马达以0.78mm/s的恒定速度将PTFE球移向乳胶片表面并进行接触，然后以相同速度离开乳胶片。PTFE球从乳胶片表面上方75mm移动到乳胶片表面下方4.8mm，挤压乳胶片使其产生形变和应力。每次实验，接触过程重复多次，接触PTFE球和乳胶片的金属通过导线连接到一个接地法拉第笼，以避免外部电场的干扰[4]。每次实验前，所有材料都要仔细清洗：乳胶片在丙酮浴中超声波清洗20分钟后储存于干燥器中，且每个乳胶片只用于一次实验；PTFE球用500目碳化硅砂纸进行抛光和打磨，并在丙酮浴中超声波清洗20分钟，去除之前可能转移的残留物质；所有材料表面用甲醇冲洗，并用离子枪中和物体表面的电荷。实验在充满氮气的手套箱内进行，相对湿度控制在13%以下。实验结果表明，乳胶片没有发生应变，即e=0时，表面电势小于0，约为-1700V；e=25%时，表面电势为0；e=80%时，表面电势大于0；e=140%时，表面电势大于2440V。研究人员指出，材料应变可以控制电荷转移的程度和方向。如果两种材料在静电序列表中很接近，应变可以充分改变材料的性质，导致电荷转移过程发生逆转。具体表现为：如果电子是相关的来源，应变可能会扭曲化学键，增加与这些键相关的电子能量，使它们更容易转移；如果离子是相关的来源，应变可以改变吸附离子在聚合物表面的结合能，改变它们转移的容易程度。此外，研究人员还指出，静电序列表存在局限性。材料摩擦生电能力的经验顺序在不同的实验条件下会发生变化。定量预测材料摩擦生电性能很困难，即使材料没有发生宏观层面的应变，较小的纳米空间尺度的局部应变依然存在。材料表面存在正负电荷共存的马赛克区域，可能就是受到表面固有的局部应变影响。4"我国科学家做的摩擦电荷密度测量实验中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队定义了新的摩擦电荷密度（triboelectricchargedensity，简称TECD），并研发标准测量方法，定量测量了材料的摩擦起电特性。2019年，其科研团队的研究成果《Quantifyingthetriboelectricseries》发表在国际学术期刊《自然—通讯》（NatureCommunications）上。TECD的测量原理是接触带电和静电感应过程（图2），其具体过程如下。1）测试材料与液态金属汞接触，然后定期分离。电表正极与汞柱连接，负极与铜电极连接。汞具有很强的形状适应性和表面张力，能够使接触面积最大化，及时与接触材料分离（见图2a）。2）当系统处于开路条件下，接触起电引起材料间的电荷转移，电荷在同一平面上重合。该系统无净电荷，无电位差（见图2b）。3）聚合物具有很强的电子吸收能力，当材料被分离时，聚合物带有负电荷，汞带有正电荷，两个部分之间产生电位差，从而在两个电极之间产生电压（见图2c）。4）当间隙达到一定距离L时，电势达到最大值，铜电极被聚合物表面电荷的电场影响（见图2d）。5）当聚合物接近汞时，两个电场的共同作用导致电压下降；当完全接触后两个电极之间没有电压，系统回到b状态（见图2e）。6）当系统处于短路条件下，两种材料完全接触，无电位差（见图2f）。7）当材料分离时，聚合物表面负电荷在铜中感应正电荷，铜和汞通过导线连接，汞的正电荷流向铜（见图2g）。8）当间隙达到一定距离L时，绝大部分电荷都到达铜，达到平衡电位差（见图2h）。9）当样品接近汞时，聚合物表面的负电荷在汞中感应到正电荷，正电荷从铜流向汞；当完全接触后电荷在内部中和，系统回到f状态（见图2i）。实验设置在一个充满高纯度氮气的手套箱中，在稳定的温度、压力和湿度下进行。线性马达安装在一个高负荷的实验室千斤顶上，测试样品接触液态金属汞的高度通过千斤顶和马达进行微小调整。静态部分以液态金属汞作为电极；运动部分由被试样品组成，线性马达控制一个连接在末端的丙烯酸底座，一块磁铁镶嵌在丙烯酸底座上，吸引刻在样品基板上的另一块磁铁。每个样品由磁铁、电极、被测试材料组成，微型平台上的双轴倾斜和旋转平台调整样品和液态金属水平。为了限制外界电场的影响，样品在一个连接到地面的法拉第笼中进行测量。科研团队总结了50多种材料的测量结果，包括常见的乳胶橡胶、聚四氟乙烯等，揭示了不同材料接触带电后获得或损失电子的能力，为材料基因组计划在能量收集、传感和人机交互等领域的发展提供了有力支撑[5]。5"结束语《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》指出，可利用日常用品和材料来替代实验材料，使实验现象更明显、直观，或者利用这些材料创新物理实验，开发出低成本、高质量的物理实验。摩擦生电是一种