静电 - johanzumimvon/2 GitHub Wiki

静电是电荷在物质系统中的不平衡分布产生的现象, 比如氟化钠(NaF)、金化铯(CsAu)、铂化二铯(Cs₂Pt)等等离子化合物中, 金属元素或者铵等等阳离子带正电, 非金属元素或者某些电负性强的金属元素或者酸根离子带负电.

另外, 静电也可以提摩擦起电引起的带电现象.

用毛皮摩擦琥珀、丝绸摩擦玻璃棒等方法均能使物体带电. 物体带电后, 电荷会保持在物体上, 除非被其他物体移走, 所以称之为静电.

摩擦起电 | triboelectrification

摩擦起电是摩擦和界面电荷转移全过程的总称,是基础的电学现象之一。事实上,二种物质无需摩擦,接触即可起电。对接触起电(contact electrification)的文献记载最早可追溯到2600年前的古希腊(コライキア)

只有在斥力区才有接触起电现象。这意味着,只有当两个归属于不同材料的原子之间的距离小于平衡距离,电子云发生交叠,才会发生电荷转移。这就是王中林院士提出的电子云势阱模型。电子云势阱模型可能是一个揭示接触起电机理的普适性模型。据此,王中林院士预测:两种绝缘体接触引起的电子转移可能以光子发射、等离振子激发或者光激发的形式释放能量。

对于相同的材料之间存在的接触起电现象可能归因于表面曲率引起的表面能的差异。

关于温度对接触起电的影响的研究,过去鲜有报道。最近,王中林院士团队利用TENG以及KPFM等手段,通过调控两种材料的温度,观测接触起电量以及电荷衰减的情况发现:电子倾向于从热端传递到冷端;高温下,接触起电现象会减弱甚至消失。这些实验结果与热电子发射模型一致。由此证明:接触起电的根源是电子转移.

光照对表面静电荷也有影响。王中林院士团队用紫外光照射AFM探针摩擦过的绝缘体表面,结果发现,紫外光波长越短,或者功率越高,表面摩擦静电荷的衰减越快。这一实验结果与光电子发射模型一致。由此进一步证明:接触起电的根源是电子转移.

对于固液接触起电现象,王中林院士提出:电子转移而非双电层才是固-液接触起电的根源。如图15所示,在原始阶段,液体和固体表面皆不带电。随后在外部驱动下,液体产生流动。毗邻固体表面的液体分子与固体表面的原子产生电子云交叠,实现电子转移(每3万个表面原子中可能有1个原子参与电子转移),使得固体表面带电。之后,液体分子将在带电固体表面形成双电层结构。也就是说,起始阶段的固液电子转移是双电层形成的根本原因。

结论

接触起电的根源是电子而非离子转移有以下依据:

1, 表面电荷的释放过程遵循电子热发射模型;如果是离子转移,依据Boltzmann分布,高温时摩擦电荷量更大,这与实验结果严重不符。

2, 依据离子转移机理,水分子起着至关重要的作用;但是,实验结果证实:环境湿度越低,转移电荷量越大,且油中也存在接触起电现象。

3, 623K温度下,也就是350℃,固体表面几乎不存在与水有关的离子,但是依然存在接触起电现象。

4, 0.0001333近似真空环境下的接触起电量是常压下的5倍。

$0.0001333\approx\frac{1}{7500}$

5, 金属、绝缘体、半导体点接触系统可以产生持续性隧穿电流。

这表明,水分子并非接触起电所必需,接触起电是电子主导的电荷转移过程。当原子间距过近,处于斥力区,电子云发生交叠,电子才会在两种物质间发生转移。升温引起的表面放电现象遵循电子热发射模型。通过施加电场,转移电荷的电性可以发生反转。进一步的研究发现,分开两个带电表面所需要的功与材料的断裂能相当,这表明接触起电与电子云的相互作用有关,即接触起电与电子云交叠有着很强的关联性,从而否定了离子转移机理。最后,任意表面间的接触行为都涉及到键的形成和断裂,从而外化为接触起电。

结合理论和已有的实验结果,王中林院士推断:所有物质接触起电的根源都是电子云交叠。雨滴带负电源于由空气分子转移到水滴中的电子。液滴穿过悬浮液膜可被制成TENG。另外,p型和n型半导体接触时,n型半导体表面态中的电子会转移到p型半导体的空穴中,使得p型半导体带负电,n型半导体带正电。

摩擦起电的历史

用摩擦的方法使物体带电叫做摩擦起电。两种不同物质相互摩擦时,电子在物体之间发生转移,是摩擦起电的实质。两种物质接触时,由于两者的电子逸出功不同,电子会从低逸出功的物质流向高逸出功的物质。这是由于两物体接触点电势相同,高逸出功的物质对应电子能量更低。失去电子的物质逐渐带上正电,得到电子的物质逐渐带上负电,最终正负电荷建立的反向电场与使电子流动的效应抵消,电子的转移停止。

正负电荷的定义是由摩擦起电产生的。用丝绸摩擦过的玻璃棒上所带的电荷是正电荷,用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷是负电荷。这种命名法由本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin, ベチャ゙ミㇴ·ㇷラㇰリㇴ)首先提出,一直沿用到现在。

静电感应

静电感应是物体内的电荷因受外界电荷的影响而重新分布。这个现象由英国科学家约翰·坎通(John Canton, ヨㇴ·カㇴトㇴ)和瑞典科学家约翰·卡尔·维尔克(johan carl wilcke, ヨハㇴ·カーㇻ·ヰーㇰ)分别在1753年和1762年发现。

当带正电的物体C被移近右边的导体时,导体内部能自由移动的电荷受到C产生的电场影响,左侧A端聚集负电荷,右侧B端聚集正电荷。此时若将此导体从中间切开,则A、B两部分分别带上等量的负电荷和正电荷。使A、B两部分重新接触后,它们所带电荷全部消失,回复原先的电中性状态。

摩擦带电序列

正是因为不同物质的电负性不同, 所以才会导致摩擦起电.

以下是摩擦起电序列.

钙单质, 镁单质, 人体, 兔毛, 醋酸钠, 氯化钠, 氧化镁, 玻璃, 云母等等硅酸盐材料(除了玻璃), 头髮与鬍鬚, 尼龙, 铅, 丝绸, 铝, 纤维素或者棉, 铁单质, 木材, 镍单质, 铜单质, 银单质, 金单质, 硫磺, 聚酯, 硝化纤维素(Celluloid, 世璐露, 世璐例, セルレㇳ, セルロ), 聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃, acrylic, アㇰリーリㇰ, 噁利力), 聚氨酯, 聚丙烯, 聚乙烯, 取四氟乙烯, 氟气. 

玻璃之所以容易带正电, 是因为玻璃中含有偏硅酸钠、偏硅酸钙.