يتعلم معظم الأطفال عن تأثير الاحتكاك الكهربائي قبل أن يصبحوا على دراية بالمصطلح. إذا سبق لك فرك بالون على شعرك وشاهدت تأثير كهرباء ساكنة - شد شعرك نحو البالون ، ومن المحتمل أن تكون قويًا بما يكفي لإلصاق البالون برأسك - ثم تفهم أساسيات تأثير كهرباء الاحتكاك.
إنه في الأساس شكل من أشكال "كهربة التلامس" ، حيث تتحرك الشحنة الكهربائية ، على شكل إلكترونات من كائن إلى آخر ، مما يؤدي إلى تراكم الشحنة السالبة على كائن واحد وعجز في آخر. إن البالون المطاطي وشعر الإنسان مجرد مثالين على الأشياء التي تظهر هذه الظاهرة الشائعة إلى حد ما.
تعرف على التفاصيل حول تأثير كهرباء الاحتكاك ، وكيف يعمل ، وما الذي يسببه ، وما يمكنك اكتشافه من تساعدك سلسلة كهرباء الاحتكاك على فهم والتنبؤ بما سيحدث في المواقف التي تنطوي على نقل الكهرباء الشحنة.
ما هو تأثير كهرباء الاحتكاك؟
كان تأثير الاحتكاك الكهربائي معروفًا للبشر منذ 600 قبل الميلاد على الأقل ، عندما كان طاليس يونانيًا وجد الفيلسوف أنه يمكنك فرك الكهرمان وتجعله يجذب الزغب والورق وغيرها من الضوء شاء. مصطلح تأثير كهرباء الاحتكاك مشتق من الكلمة اليونانية "فرك" و "كهرمان" ، بسبب هذا التاريخ لاكتشاف التأثير. بالطبع ، لدى العلماء اليوم فهم أفضل بكثير لأسباب تأثير الاحتكاك الكهربائي وطبيعة الشحنة الكهربائية بشكل عام.
يسمى تأثير كهرباء الاحتكاك بالكهرباء الملامسة لأنه عملية اتصال الأشياء - خاصة الاحتكاك بكل منها أخرى ، مثل البالون المطاطي ضد شعر الإنسان أو قدمك عبر السجادة ، مما يؤدي إلى تراكم الشحنات السطحية التي تخلق تأثير.
الشحنة الكهربائية - على شكل إلكترونات ، مكونات الذرات الحاملة للشحنة السالبة - تنتقل من جسم إلى آخر أثناء عملية الاحتكاك. يعني نقل الشحنة الذي يحدث أن أحد الأشياء يكتسب إلكترونات وبالتالي شحنة سالبة صافية ، بينما يفقد الآخر إلكترونات وبالتالي ينتهي بشحنة موجبة صافية.
يترك تراكم الإلكترونات هذا شحنة صافية على كلا الجسمين ، ومن هذه النقطة فصاعدًا تتصرف مثل أي شحنتين. كائنات: مثل الشحنات سوف تتنافر ، وعلى عكس الشحنات (مثل الاثنين المستخدم لإنشاء التأثير) ستجذب واحدة اخر. يعتمد مدى حدوث ذلك على المواد نفسها وفي النهاية إجمالي الشحنات على كل كائن بعد حدوث الاحتكاك.
أسباب تأثير كهرباء التريبوكهربائي
في النهاية ، تحدث ظاهرة الاحتكاك الكهربائي بسبب الاحتكاك: عندما يتم فرك مادة واحدة ضدها آخر ، يتم "تجريد" الإلكترونات بشكل فعال من أحد الأشياء ، وينتهي الأمر الآخر بوفرة من الكهرباء الشحنة.
ومع ذلك ، لفهم هذه الظاهرة حقًا وأسبابها ، عليك التفكير في بنية الذرات. نواة صغيرة معبأة بشكل كثيف تحتوي على بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات خالية من الشحن ، مع "سحابة" من الإلكترونات سالبة الشحنة حولها ، وعادة ما توازن الشحنة الموجبة من نواة. يؤدي الاحتكاك إلى نقل الشحنة ، مع أخذ بعض الإلكترونات سالبة الشحنة من مادة واحدة.
تسمى الدرجة التي تأخذ بها المادة الإلكترونات من مادة أخرى الإلكترون تقارب أو تقارب تهمة. إذا كانت ذرات مادة ما لها تقارب إلكترون أعلى من المادة الأخرى ، فإنها ستميل إلى ذلك يأخذ الإلكترونات (وبالتالي تكوِّن شحنة سالبة) من المادة الأخرى (التي تعاني بعد ذلك من عجز في الإلكترونات وتنتج صافي شحنة موجبة). بالإضافة إلى بالون مطاطي وشعر بشري وأقدام وسجاد وعنبر وقطعة قماش ، هناك مثال كلاسيكي آخر على هذه الظاهرة وهو التفلون وفراء الأرانب.
باختصار ، تختلف كمية مواد الاحتكاك الكهربية المعروضة باختلاف المواد ، نتيجة لإلكترونها المحدد أو تقارب الشحنة. هذا هو السبب في أن العلماء وضعوا قائمة بالمواد مرتبة حسب ميلهم لاكتساب أو فقدان الإلكترونات ، تسمى سلسلة الاحتكاك الكهربائي.
سلسلة Triboelectric
سلسلة كهرباء الاحتكاك عبارة عن قائمة بالأشياء مرتبة حسب ميلها للحصول على شحنة موجبة صافية أو شحنة سالبة صافية عند ملامستها لبعضها البعض.
من المرجح أن تتخلى المواد الموجودة في الجزء العلوي من سلسلة كهرباء الاحتكاك عن الإلكترونات عند التلامس (وتتطور صافٍ شحنة موجبة) ، ومن المرجح أن تكتسب المواد باتجاه الأسفل إلكترونات (وسالبة جدًا الشحنة).
في الظروف المثالية - إذا كان كل شيء جافًا - فإن الأشياء الموضوعة أعلى في سلسلة كهرباء الاحتكاك تميل إلى ذلك يستسلم الإلكترونات إلى العناصر الموجودة في أسفل القائمة ، وستصبح موجبة الشحنة. كلما زادت المسافة بين مادتين مختلفتين في سلسلة كهرباء الاحتكاك ، زاد تأثير كهرباء الاحتكاك عند حكهما معًا.
مخطط سلسلة Triboelectric
يمكنك العثور على مثال رائع لمخطط سلسلة كهرباء الاحتكاك هنا، والتي استندت إلى الاختبارات التي أجراها بيل لي في AlphaLab ، inc. يقدم هذا الجدول تفاصيل حول كيفية اختبار المواد بالإضافة إلى قيود القياسات.
القيم الواردة في الجدول هي nC / J ، والتي تعني nanocoulombs لكل جول ، مع كون كولوم هو الوحدة القياسية للشحن ، والجول هو وحدة الطاقة المرتبطة بالاحتكاك. تمثل الإشارة الموجبة أو السالبة احتمالية التقاط شحنات موجبة أو سالبة على التوالي.
على سبيل المثال ، يلتقط المطاط اللاتكس 105 نانو شحنة لكل جول من الطاقة المستثمرة في عملية الاحتكاك ، وتخبرك علامة الطرح أنه يلتقط صافي شحنة سالبة. من ناحية أخرى ، الجلد الجاف له قيمة +30 nC / J ، مما يعني أنه سيفقد الإلكترونات ، لذلك ينتهي به الأمر بشحنة موجبة قدرها 30 nC لكل جول من الطاقة التي تدخل في عملية الاحتكاك.
أخيرًا ، ستلاحظ أن معظم المواد المختلفة في القائمة (على سبيل المثال ، مطاط السيليكون والـ PVC) هي عوازل ، لذلك لا يمكنها حمل تيار كهربائي في المواقف العادية. هذا تذكير مهم بأن كهرباء الاحتكاك يعمل بشكل مختلف تمامًا عن الكهرباء العادية ، وبشكل عام ، تعمل العوازل أفضل من الموصلات في حمل هذا النوع من الشحنات الساكنة.
مولدات فان دي جراف
مولدات Van de Graaff هي قطعة معروفة من المعدات التي تستخدم تأثير الاحتكاك الكهربائي لإنتاج تراكم أو مخزن شحنة يمكنك قياسه كفرق محتمل باستخدام الفولتميتر.
في معظم مولدات Van de Graaff ، يُفرك حزام مطاطي مقابل "مشط" معدني في الجزء السفلي ، والذي يسحب الإلكترونات من الحزام ويتركه بشحنة موجبة صافية. ثم يتم التقاط هذا بواسطة مشط مطابق في الجزء العلوي لنشر الشحنة على القبة المعدنية في الجزء العلوي من المولد.
بالطبع ، الإلكترونات هي حاملات الشحنة المتنقلة ، لذلك يفقد الحزام الإلكترونات في الأسفل ثم يلتقطها الإلكترونات من المشط والقبة في الأعلى ، مما يتركها مع عجز في الإلكترونات وبالتالي صافي موجب الشحنة.
يمكن أن يتجاوز فرق الجهد الهائل الناتج عن هذه العملية 100000 فولت وغالبًا ما يستخدم في عرض الفصل الدراسي الكلاسيكي حيث يقف شعره على شخص على اتصال بالمولد نهاية. وذلك لأن خيوط الشعر جميعها تكتسب شحنة مطابقة (إيجابية) وبالتالي تبدأ في التنافر.