看不见的电场：摩擦起电与电荷间的作用

电荷有两种：正电荷和负电荷。同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。每个电荷周围都存在一个看不见的“电场”，它决定了其他电荷会受到怎样的力。这篇指南用最简单的摩擦起电实验，把这些抽象概念变成能看到的现象。

安全提醒（先读这一段）

• 本实验是安全的静电现象，电量极小，不会电伤人；但请在干燥环境下进行，潮湿天气不易起电。
• 不要在靠近易燃气体、酒精的地方摩擦起电；实验与家庭电路、插座毫无关系，切勿用插座尝试。

材料与器材

• 气球一两个，或塑料尺、塑料笔杆；
• 撕成小片的碎纸屑（越轻越好）；
• 干燥的头发或一块羊毛/化纤布；
• 可选：细细的自来水流。

先看三个现象

现象一：吸起纸屑。把塑料尺在头发上快速摩擦十几下，再靠近碎纸屑，纸屑会跳起来被吸附。

现象二：让水流拐弯。把摩擦过的尺子或气球靠近（不接触）一股很细的自来水流，水流会明显偏向尺子。

现象三：同种电荷相斥。把两个气球都在头发上摩擦，再用线挂起来靠近，它们会互相推开。

现象记录

这个实验不用秒表也不用尺子，但要把观察结果一条条写下来，因为它们分别对应三条不同的结论：

• 纸屑跳起来的高度与摩擦次数有关。摩擦十几下和摩擦三五下，效果差别很明显，摩擦越充分，转移的电子越多，带的电量越大。
• 纸屑吸上去以后又弹开了。学生普遍以为自己做失败了，其实这就是最精彩的一幕：纸屑接触尺子后分到了同种电荷，于是从“被吸引”变成“被排斥”。请把这个先吸后弹的过程完整记下来。
• 水流只是偏转，不会被吸断。水不带电，是被带电体“极化”后吸过去的，所以偏转角度随距离迅速减小，把尺子从 1 cm 挪到 5 cm，偏转几乎就看不见了，说明电荷间的作用力随距离衰减得很快。
• 两个气球排斥的角度，会在一两分钟内慢慢变小。电荷正在通过空气和悬线悄悄漏掉，天气越潮湿漏得越快。

原理解释：电荷与电场

自然界只有两种电荷。用丝绸摩擦过的玻璃棒带的电荷规定为正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电荷为负电荷。它们之间的规律是：

• 同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引；
• 带电体能吸引轻小的、不带电的物体（如纸屑、水流）；
• 电荷之间的作用力，距离越近越强。

为了描述“电荷如何隔空对别的电荷施力”，物理学引入了电场：电荷周围的空间存在电场，另一个电荷放进去就会受到电场力。电场是有方向的，规定正电荷在该点受力的方向为电场方向，所以电场线总是从正电荷出发、指向负电荷。上面模拟里的每个箭头，画的就是那一点的电场方向。

摩擦到底“创造”了电吗？没有。摩擦起电的实质是电子的转移：两个物体紧密接触时，对电子束缚较弱的那个会失去一些电子而带正电，得到电子的那个带负电。整个系统的电荷总量始终不变，这叫电荷守恒。所以起电的两个物体带的电，一定是等量异种的，用尺子摩擦头发，尺子带负电时，头发就带上了等量的正电。

怎么判断一个物体带的是哪种电

光看“能吸纸屑”是分不出正负的，因为正电和负电都能吸引轻小物体。实验室的办法是先做一个已知电性的“标准”，再用排斥来判断：

1. 用毛皮摩擦橡胶棒，按规定它带负电；
2. 把待测物体靠近这根橡胶棒（都用线悬挂），如果互相排斥，说明待测物体也带负电；
3. 如果互相吸引，则说明它带正电，或者根本不带电。这一步必须再用一根带正电的玻璃棒复核。

记住这条判据：排斥一定是同种电荷，吸引却有两种可能。所以物理上判断带电体的电性，只能靠“排斥”，不能靠“吸引”。学校里的验电器也是同一个道理：带电体接触金属球后，电荷传到下面两片金属箔上，两片箔带了同种电荷就互相排斥而张开，张角越大表示电量越多。

生活中的静电

• 秋冬脱毛衣时的“噼啪”声和小火花；开车门被“电”一下，也是身体与座椅摩擦积累的电荷在放电；
• 梳头后头发飘起、互相排斥，每根头发都带了同种电荷；
• 复印机、静电除尘和喷漆，都利用了电荷间的吸引；
• 反过来，加油站严禁用化纤衣物摩擦、油罐车要拖一条接地铁链，都是为了及时把静电导走，防止火花引燃油气。静电电量很小但电压很高，遇到易燃气体就危险了。

三个最容易搞错的地方

• “摩擦生出了电。”电荷不会凭空产生，只是从一个物体转移到另一个物体。两个物体所带电荷等量异种，总量为零。
• “被吸引就说明带了异种电荷。”不一定。不带电的轻小物体（纸屑、水流、头发）同样会被带电体吸引。只有排斥才能确定是同种电荷。
• “静电和家里插座的电是一回事。”不是。静电的电量极小，只有短暂的瞬间放电；插座输出的是持续的强电流，绝不能拿来做实验。这个实验里所有现象都发生在几毫米到几厘米的范围内，与家庭电路毫无关系。

给老师和家长的组织建议

• 课时与分组：20 分钟，干燥天气效果最好；可全班同时做。
• 动手前先说清楚：远离酒精等易燃物；与家庭电路无关，须讲明。

最容易被跳过的一步。南方梅雨季基本做不成，可提前用吹风机吹干器材，或改在空调房里做。纸屑「先吸后弹」那一幕务必让学生看到并记录，那是接触带电的直接证据。

怎么判断真的懂了。能说出「排斥一定同种电荷、吸引有两种可能」，并解释摩擦起电是电子转移而非产生电荷，即达标。

拓展一下

• 在模拟里把两个电荷都设成正号，观察电场箭头如何“互相推开”，再对比一正一负时的分布。
• 比较干燥和潮湿天气里摩擦起电的效果，想想为什么湿度会有影响。（提示：潮湿空气中的水分子让电荷更容易漏走。）
• 做一个简易验电器：把两小片铝箔挂在一根回形针的下端，回形针穿过塑料瓶盖插进空塑料瓶里，露在外面的一端弯成小钩。用摩擦过的尺子碰一下小钩，看铝箔片张开。
• 试试不接触的隔空实验：把摩擦过的气球贴在墙上，它能挂住好一会儿。想一想墙并不带电，为什么还能“吸”住气球？

当学生能用“正负电荷、相互作用、电场方向”解释气球为什么能吸纸屑，这个实验就算做懂了。