Повечето деца научават за трибоелектричен ефект много преди да се запознаят с термина. Ако някога сте търкали балон върху косата си и сте били свидетели на ефекта от статично електричество - дърпате косата си към балона и потенциално сте достатъчно здрави, за да залепите балона на главата си - тогава разбирате основите на трибоелектричния ефект.
По същество това е форма на „контактна електрификация“, при която електрическият заряд под формата на електрони се движи от един обект на друг, което води до натрупване на отрицателен заряд върху един обект и дефицит на други. Гумен балон и човешка коса са само два примера за обекти, които показват това доста често срещано явление.
Научаване на подробности за трибоелектричния ефект, как работи, какво го причинява и какво можете да разберете от трибоелектричните серии ви помагат да разберете и да предвидите какво ще се случи в ситуации, свързани с прехвърляне на електрически зареждане.
Какво представлява трибоелектричният ефект?
Трибоелектричният ефект е известен на хората поне от 600 г. пр. Н. Е., Когато Талес, грък философ откри, че можете да търкате кехлибар и да го накарате да привлича пух, хартия и други малки, леки обекти. Терминът трибоелектричен ефект идва от гръцки за „триене“ и „кехлибар“, поради тази история на откриването на ефекта. Разбира се, учените днес имат много по-добро разбиране за причините за трибоелектричния ефект и природата на електрическия заряд като цяло.
Трибоелектричният ефект се нарича контактна електрификация, тъй като това е процесът на обекти, осъществяващи контакт - особено триене срещу всеки други, като гумения балон срещу човешка коса или краката ви по килим, което води до натрупване на повърхностен заряд, който създава ефект.
Електрическият заряд - под формата на електрони, носещите отрицателен заряд компоненти на атомите - се прехвърля от един обект на друг по време на процеса на триене. Преносът на заряд, който се осъществява, означава, че единият обект получава електрони и по този начин нетен отрицателен заряд, докато другият губи електрони и следователно завършва с нетен положителен заряд.
Това натрупване на електрони оставя чист заряд и на двата обекта и от този момент нататък те се държат като всеки два заредени обекти: Подобните заряди ще се отблъскват, а за разлика от зарядите (като двата използвани за създаване на ефект) ще привличат един друг. Степента, до която това се случва, зависи от самите материали и в крайна сметка от общите заряди върху всеки обект след извършване на триенето.
Причини за трибоелектричния ефект
В крайна сметка феноменът на трибоелектричността се причинява от триенето: когато един материал се търка друга, електроните ефективно се „отнемат“ от единия обект, а другият завършва с изобилие от електричество зареждане.
За да разберете истински феномена и какво го причинява, трябва да помислите за структурата на атомите. Малко, плътно натъпкано ядро съдържа положително заредени протони и неутрони без заряд, с a "Облак" от отрицателно заредени електрони около него, обикновено балансиращ положителния заряд от ядро. Триенето води до прехвърляне на заряда, отнемайки някои от отрицателно заредените електрони от един материал.
Степента, до която даден материал ще вземе електрони от друг материал, се нарича това електронен афинитет или афинитет на заряда. Ако атомите на единия материал имат по-висок електронен афинитет от другия материал, тогава той ще има тенденция да предприеме електрони (и по този начин натрупват отрицателен заряд) от другия материал (който след това има дефицит на електрони и развива нетен положителен заряд). Освен гумен балон и човешка коса, крака и килим и кехлибар и кърпа, друг класически пример за явлението е предоставен от тефлонова и заешка козина.
Накратко, количеството на показваните трибоелектрични материали се различава при различните материали в резултат на техния специфичен афинитет към електрон или заряд. Ето защо учените са създали списък с материали, класирани според тяхната склонност към придобиване или загуба на електрони, наречени трибоелектрични серии.
Серията Triboelectric
Трибоелектричната серия е списък на обектите, класирани според тяхната склонност да придобиват нетен положителен заряд или нетен отрицателен заряд, когато са в контакт помежду си.
По-вероятно е материалите към върха на трибоелектричната серия да се откажат от електроните при контакт (и да се развият нетен положителен заряд), а материалите към дъното са по-склонни да получат електрони (и така отрицателни зареждане).
В идеални условия - ако всичко е сухо - обектите, поставени по-високо в трибоелектричната серия, ще имат тенденция предавам се електрони към елементи по-долу в списъка и те ще се зареждат положително. Колкото по-голямо е разстоянието между два различни материала в трибоелектричната серия, толкова по-голям е трибоелектричният ефект, когато те се трият заедно.
Диаграма на трибоелектричните серии
Можете да намерите чудесен пример за трибоелектрична серийна диаграма тук, която се основава на тестове, извършени от Бил Лий в AlphaLab, Inc. Тази таблица дава подробности за това как са тествани материалите, както и ограничения на измерванията.
Стойностите в таблицата са в nC / J, което означава нанокуломи на джаул, като Coulomb е стандартната единица за зареждане, а Joules е единицата за енергията, свързана с триенето. Положителният или отрицателният знак представлява тяхната вероятност да вземат съответно положителни или отрицателни заряди.
Така например, латексният каучук улавя 105 nC заряд на джаул енергия, вложена в процеса на триене, а знакът минус ви казва, че приема нетен отрицателен заряд. От друга страна, сухата кожа има стойност от +30 nC / J, което означава, че ще загуби електрони, така че завършва с положителен заряд от 30 nC на джаул енергия, който преминава в процеса на триене.
И накрая, ще забележите, че повечето от различните материали в списъка (например силиконова гума и PVC) са изолатори, така че те не могат да носят електрически ток в нормални ситуации. Това е важно напомняне, че трибоелектричеството работи съвсем различно от обикновеното електричество и обикновено изолаторите са такива По-добре отколкото проводниците при задържане на този тип статичен заряд.
Генератори на Van De Graaff
Генераторите на Van de Graaff са добре познато оборудване, което използва трибоелектричния ефект за създаване на натрупване или запас от заряд, който можете да измерите като потенциална разлика, използвайки a волтметър.
В повечето генератори на Ван де Грааф гумен колан се втрива в метален „гребен“ отдолу, който изтегля електрони от колана и го оставя с нетен положителен заряд. След това се улавя от подходящ гребен в горната част, за да се разпространи зарядът до металния купол в горната част на генератора.
Разбира се, електроните са мобилните носители на заряд, така че коланът губи електрони отдолу и след това се улавя електрони от гребена и купола в горната част, оставяйки ги с дефицит на електрони и така нетно положително зареждане.
Огромната потенциална разлика, създадена от този процес, може да надхвърли 100 000 волта и често се използва в класически дисплей в класната стая, където някой, който е в контакт с генератора, е с коса край. Това е така, защото нишките на косата получават съвпадащ (положителен) заряд и следователно започват да се отблъскват.