Triboelektrický efekt a řada: Definice, příčiny (s grafem materiálů)

Většina dětí se o tom dozví triboelektrický jev ještě předtím, než se s tímto pojmem seznámí. Pokud jste si někdy otírali balón o vlasy a byli jste svědky účinku statická elektřina - přitáhnete si vlasy k balónu a budete dostatečně silní, abyste si balón přilepili k hlavě - pak pochopíte základy triboelektrického jevu.

Je to v podstatě forma „kontaktní elektrifikace“, kde se pohybuje elektrický náboj ve formě elektronů z jednoho objektu do druhého, což vede k hromadění záporného náboje na jednom objektu a deficitu na jiný. Gumový balón a lidské vlasy jsou jen dva příklady předmětů, které ukazují tento poměrně běžný jev.

Naučte se podrobnosti o triboelektrickém efektu, o tom, jak funguje, co jej způsobuje a co můžete zjistit z triboelektrická řada vám pomůže pochopit a předvídat, co se stane v situacích zahrnujících přenos elektrické energie nabít.

Triboelektrický jev je lidem znám nejméně od roku 600 př. N. L., Kdy byl Thales, Řek filozof zjistil, že můžete třást jantar a přimět ho, aby přilákal chmýří, papír a další malé, lehké předměty. Termín triboelektrický efekt pochází z řečtiny pro „tření“ a „jantar“, vzhledem k této historii objevu tohoto efektu. Samozřejmě, vědci dnes mnohem lépe chápou příčiny triboelektrického jevu a podstatu elektrického náboje obecně.

Triboelektrický jev se nazývá kontaktní elektrifikace, protože jde o proces navazování kontaktů objektů - zejména tření o každý z nich jiné, jako je gumový balón proti lidským vlasům nebo vašim nohám přes koberec, který vede k hromadění povrchového náboje, který vytváří účinek.

Elektrický náboj - ve formě elektronů, složek atomů nesoucích záporný náboj - se během tření přenáší z jednoho objektu do druhého. Probíhající přenos náboje znamená, že jeden objekt získává elektrony a tím čistý záporný náboj, zatímco druhý ztrácí elektrony, a proto končí s čistým kladným nábojem.

Toto nahromadění elektronů zanechává na obou objektech síťový náboj a od tohoto okamžiku se chovají jako jakékoli dva nabité objekty: Poplatky typu Like se navzájem odpuzují a na rozdíl od poplatků (jako jsou dva použité k vytvoření efektu) jeden přitáhne další. Rozsah, v jakém se to stane, závisí na samotných materiálech a nakonec na celkových nábojích každého předmětu po tření.

Fenomén triboelektřiny je nakonec způsoben třením: Když se jeden materiál otírá jiný, elektrony jsou účinně „odizolovány“ z jednoho objektu a druhý končí s množstvím elektřiny nabít.

Chcete-li však skutečně pochopit jev a to, co ho způsobuje, musíte přemýšlet o struktuře atomů. Malé hustě zabalené jádro obsahuje pozitivně nabité protony a neutrony bez náboje s a „Oblak“ záporně nabitých elektronů kolem něj, obvykle vyrovnávající kladný náboj z jádro. Tření vede k přenosu náboje, přičemž z jednoho materiálu odebírá některé záporně nabité elektrony.

Míra, do jaké materiál vezme elektrony z jiného materiálu, se nazývá to elektronová afinita nebo spřažení poplatků. Pokud mají atomy jednoho materiálu vyšší afinitu k elektronům než druhý materiál, bude to mít tendenci vzít elektrony (a tím vytvářejí záporný náboj) z jiného materiálu (který pak má deficit elektronů a vyvíjí čistý kladný náboj). Stejně jako gumový balón a lidské vlasy, nohy a koberec a jantar a tkanina, další klasický příklad tohoto fenoménu poskytuje teflonová a králičí srst.

Stručně řečeno, množství triboelektrických materiálů se liší pro různé materiály v důsledku jejich specifické afinity elektronu nebo náboje. To je důvod, proč vědci vytvořili seznam materiálů seřazených podle jejich tendence získávat nebo ztrácet elektrony, nazývaný triboelektrická řada.

Triboelektrická řada je seznam objektů seřazených podle jejich sklonu k získání čistého kladného náboje nebo čistého záporného náboje při vzájemném kontaktu.

Materiály směrem k vrcholu triboelektrické řady se s větší pravděpodobností vzdávají elektronů při kontaktu (a vyvíjejí se) čistý kladný náboj) a materiály směrem ke dnu pravděpodobněji získají elektrony (a tak negativní) nabít).

Za ideálních podmínek - pokud je vše suché - budou mít předměty umístěné výše v triboelektrické řadě tendenci vzdát se elektrony k položkám dále v seznamu a stanou se kladně nabitými. Čím větší je vzdálenost mezi dvěma různými materiály v triboelektrické řadě, tím větší je triboelektrický efekt, když jsou třeny dohromady.

Můžete najít skvělý příklad grafu triboelektrické řady tady, který byl založen na testech provedených Billem Lee ve společnosti AlphaLab, Inc. Tato tabulka uvádí podrobnosti o tom, jak byly materiály testovány, jakož i omezení měření.

Hodnoty v tabulce jsou v nC / J, což znamená nanocoulomby na joule, přičemž standardní jednotkou náboje je Coulomb a jednotkou pro energii spojenou s třením je Joules. Kladné nebo záporné znaménko představuje jejich pravděpodobnost vyzvednutí kladných nebo záporných nábojů.

Například latexová guma nabírá 105 nC náboje za joule energie investované do procesu tření a znaménko mínus vám říká, že sbírá čistý záporný náboj. Na druhou stranu má suchá kůže hodnotu +30 nC / J, což znamená, že ztratí elektrony, takže skončí s kladným nábojem 30 nC na Joule energie, která jde do třecího procesu.

Nakonec si všimnete, že většina různých materiálů na seznamu (například silikonový kaučuk a PVC) jsou izolátory, takže za normálních situací nemohou nést elektrický proud. To je důležitá připomínka, že triboelektřina funguje úplně jinak než běžná elektřina a obecně to platí pro izolátory lepší než vodiče při udržování tohoto typu statického náboje.

Generátory Van de Graaff jsou dobře známá zařízení, která využívají triboelektrický jev k vytvoření nahromadění nebo akumulace náboje, které můžete měřit jako potenciální rozdíl pomocí a voltmetr.

U většiny generátorů Van de Graaff se gumový pás tře o kovový „hřeben“ ve spodní části, který odtahuje elektrony z pásu a zanechává jej se síťovým kladným nábojem. To je poté zachyceno odpovídajícím hřebenem nahoře, aby se náboj rozšířil do kovové kopule v horní části generátoru.

Elektrony jsou samozřejmě mobilními nosiči nábojů, takže pás ztrácí elektrony dole a poté se zvedne elektrony z hřebenu a kopule nahoře, což jim zanechává deficit elektronů a tedy čistou kladnou hodnotu nabít.

Velký rozdíl potenciálů vytvořený tímto procesem může překročit 100 000 voltů a je často používán na klasickém displeji ve třídě, kde má někdo v kontaktu s generátorem zapnuté vlasy konec. Důvodem je, že všechny prameny vlasů získají odpovídající (kladný) náboj, a proto se začnou navzájem odpuzovat.