初中第一课学的静电，其实到现在科学家都没有搞懂原理

撰文 | 王昱

审校 | 不周‍‍

用玻璃棒摩擦丝绸，玻璃棒失电子带正电；毛皮摩擦橡胶棒，毛皮失电子，橡胶棒带负电。我们在中学接触电学，大多是从这样的描述开始的。老师们先从静电的正负电荷入手，然后再学习电压、电流，逐渐向我们展示驱动现代世界的电力——当然还有数不清的公式和充满恶意的出题人。

用验电器检验物体的带电情况。图片来源：wikipedia

经受过出题人的折磨过后，你或许会奇怪，电磁学明明涉及这么多精确计算，但对于一开始的静电，课本却只有概念性的描述。这可是物理，是一个能用计算重现整个世界的学科，怎么在电学的第一课却没有公式呢？

你可能会猜是静电的计算太过复杂，不适合刚开始接触电学的中学生。但实际上，静电一点也不简单，就连科学家都没弄彻底搞清楚静电的规律，以及摩擦起电的本质——接触起电（contact electrification）又是怎么一回事。

历史悠久的问题

历史上的科学家早就发现了静电。古希腊时期就有人发现，用羊毛摩擦琥珀，可以让琥珀吸引树叶或灰尘等小东西，这就是静电导致的现象。当然，这并不意味着那时的人们知道电是什么。随着历史的发展，人们逐渐知道了电的存在，美国科学家本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）也提出了正负电荷的概念。1757年，瑞典物理学家约翰·卡尔·维尔克（Johan Carl Wilcke）总结了一些常见材料接触起电的正负电性规律。比如，玻璃比纸更容易带正电，纸又比硫磺更容易带正电，文章开头对玻璃与丝绸、橡胶与毛皮的描述也位于其中，这被称为摩擦电序（triboelectric series）。

我们或许能按照摩擦电序标注不同物质对正电荷的吸引能力，不妨暂且将其称为φ，φ越大的材料越容易带正电。很自然可以想到，不同的物质具有不同的φ，将不同的材料之间相互摩擦，就能总结出各种物质的φ。这样，如果遇到两种没有相互摩擦过的物质，只要对比两者的φ，就能知道它们相互摩擦之后谁会带正电了。

但情况并没有预想的这么乐观。

实际上，后来的实验并不能总结出相对严格的摩擦电序列。甚至在不同研究人员、不同研究机构进行的实验之间，会产出彼此冲突的结果。在20世纪初，研究人员甚至在实验中发现，物质之间的电荷交换并不会严格遵从摩擦电序的顺序，有时在实验中，同一种物质甚至会有时倾向于带正电，有时带负电，形成一种“摩擦电序循环”。

更糟糕的是，1926年，有人发现同种物质之间的摩擦也能产生静电。摩擦电序很难解释这种现象：如果相互摩擦的两个物体是由相同的物质组成的，理论上它们对电荷的吸引能力应该是一样的，但其实他们之间的相互摩擦也能产生静电。在摩擦起电领域，物理学仿佛“不存在”了。

随着物理学的发展，科学家对物质、原子，还有电荷本身的认识越来越深入，却发现摩擦起电，这个堪称大多数人电学启蒙的现象，涉及的物理、化学问题越来越多。φ可能和物质的电子特性，酸碱度，亲水性，机械化学等诸多特质有关，但从未有人找到一个足够简洁、足够有力的证据说服所有人。在摩擦起电上，科学家陷入了一个“懂的越多，理解的就越少”的怪圈。

很多自然现象都涉及摩擦起电，比如闪电就是云层之间摩擦起电的后果。接触起电甚至可能和生命的起源也有关联，因为触发化学反应生成生命分子的机制也涉及静电的影响。一些现代工业流程甚至也和摩擦起电有关，比如数字印刷和静电除尘。看看办公室里的打印机，在出纸口上会有一些金属丝，它们的作用是为了释放打印纸上的静电，提升打印质量。但由于静电理论的不成熟，工业上对静电的处理仍多处在一种不太给力的状态——那能咋办，凑合着用呗！既然不知道摩擦产生的究竟是正电还是负电，那就只能把静电全接地，一股脑放掉，避免可能的影响。

曙光已现

近日，奥地利科学技术研究所（ISTA）的物理学家在《自然》（Nature）发表论文，给摩擦电序这个古老的问题带来了一缕新的曙光。他们发现此前接触起电实验结果不一致，可能源于材料接触次数的影响。

为了减少干扰因素，研究团队直接使用同种材料来研究接触起电。他们选择了杨氏模量较低，较为光滑的材料——聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行实验，这是一种基于硅的透明聚合物。他们将PDMS制成小块，用机器控制彼此之间的接触，让他们带上静电。摩擦起电本质上就是非常充分的接触起电，但摩擦本身也是一个复杂的学科，会引入很多变量，所以研究团队只让材料之间彼此接触，而不是摩擦。

实验团队制备的PDMS小块。图片来源：ISTA

在实验开始时，结果一如既往，同种材料之间相互接触产生的静电根本没有规律可循。研究团队尝试控制变量找一些规律，比如环境条件（温湿度），材料表面的洁净度等。结果依然是一无所获——不同条件下的PDMS在接触后究竟带正电还是负电，根本找不到可靠的规律。

不过，就在研究团队的一次次重复实验中，规律慢慢出现了。他们发现PDMS材料在经过约200次接触后，样本的行为变得高度可预测：接触次数较多的样本倾向于带负电；而崭新的样本更倾向于带正电。研究团队马上开始制备了接触次数不同的PDMS样本，结果发现，接触次数较多的样本，总是比接触次数较少的样本更容易带负电。在接触起电这个规律难寻的领域，研究团队终于找到了相对可靠的规律。

但只有规律还不行，但为什么接触次数多的材料就更容易带负电呢？研究团队怀疑是接触次数改变了材料的表面性质，他们便用各种手段观测了不同接触次数的样本，例如用高分辨率X射线光电子能谱（HR-XPS）观测材料的元素组成，用低能离子散射（LEIS）观测材料的表面特征，还有拉曼光谱、掠入射X射线散射，甚至他们还祭出了扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）这两项“神器”拍摄材料表面的显微图像。结果看起来，不同接触次数的材料表面，似乎彼此之间没有什么差异。

不过，一旦对原子力显微镜观测到的图像进行傅立叶变换，研究团队马上察觉到了可疑的线索：接触次数更多的材料，空间频率分布谱的高频分量更低——翻译成人话，就是接触次数更多的材料，在纳米级的尺度上更光滑。可以想像，接触次数更多的材料，表面的微小凸起会被“磨平”，所以也就更光滑。尽管尚不清楚这种程度的光滑如何影响电荷转移的方向，但这是研究唯一检测到的变化，因此被认为是关键线索。

研究团队表示，这或许能解释了历史上实验结果混乱的原因：研究者未考虑材料接触次数的差异。该研究首次在看似无序的接触起电中找到了确定性规律——在人类研究了数百年静电之后，静电的“物理学”终于出现了。

但也不要太过乐观，这项实验只得出了初步成果，也仅对PDMS一种材料进行了实验。“接触次数更多的材料更容易带负电”是在不同物质间通用的规律，还是仅局限于PDMS一种物质？都还有待后来的物理实验继续验证。也许在测试了更多材料之后，静电的“物理学”又会沉寂。

但如果后续情况更乐观的话，我们或许就能打开“静电学”的大门。继续深入研究接触起电背后的机制，科学家或许能借此解开更多受困于静电的科学难题；推广对静电的理解，甚至还能为工业上的静电控制提供新的思路（如半导体制造、3D打印等）。就让我们静候之后的成果吧。

参考链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08530-6

https://www.nature.com/articles/d41586-025-00298-7

https://www.eurekalert.org/news-releases/1073787