Statická elektřina: definice, jak to funguje, fakta (s příklady)

Elektrický náboj je všude kolem vás, ale opravdu si ho všimnete jen výjimečně, jako když vám vlasy začnou končit sundáte si klobouk nebo když se ostře zapnete, když se dotknete něčeho poté, co si otřete nohy podél koberec.

Tyto dva jevy jsou příkladystatická elektřina, o čem jste se pravděpodobně dozvěděli, když jste byli dítě. Jak ale statické náboje způsobí, že vám vlasy začnou končit a proč vám mohou způsobit statický šok?

Co se vlastně děje na atomové úrovni, která produkuje tyto univerzální zážitky? Když se naučíte podrobnosti o statické elektřině, získáte mnohem podrobnější pohled na tuto fascinující vlastnost hmoty.

Elektrický náboj je základní vlastností hmoty. Je rozdělen na kladné a záporné náboje, a přestože některé částice jsou elektricky neutrální - například neutron - se ve skutečnosti skládají z ještě zásadnějších částice, kterédělatnést elektrický náboj.

Dvě nejdůležitější nabité částice, o kterých byste měli vědět, když se dozvíte o statické elektřině, jsou dvě hlavní složky atomu: protony a elektrony.

Protony jsou kladně nabité, s nábojem +E, zatímco elektrony jsou záporně nabité na -E, kdeE​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C zde znamenácoulombs, což je jednotka SI pro elektrický náboj. 10. den⁻¹⁹ říká, že nabité částice majívelmi maléhodnoty náboje ve srovnání s jedním coulombem - dva náboje pouhého 1 C oddělené metrem by generovaly sílu větší než tah startovacího tahu rakety Saturn V!

Základním pravidlem fungování elektrického náboje je to, že opačné náboje přitahují a podobné odpuzují. Takže pokud jste přivedli elektron blízko jiného elektronu, roztržili by se od sebe, zatímco kdybyste přivedli elektron blízko protonu, přitahoval by ho.

Na nejzákladnější úrovni statická elektřina jednoduše označuje náboje, které se nepohybují. Existuje však mnohem více než to! Klíčovou věcí statické elektřiny je to, že k ní dochází při nerovnováze náboje a tato nerovnováha v podstatě vytváříelektrický potenciál, což znamená, že existuje potenciál pro tok elektrického proudu (k vyvážení náboje) kvůli pozicím částic nesoucích náboj.

V atomech a rozšířením většiny každodenních předmětů existuje rovnováha mezi kladným a záporným náboje (tj. mezi protony a elektrony), takže jsou elektricky neutrální, jsou-li považovány za všechny spolu.

Pokud byste tedy přivedli jeden atom k druhému, nebyla by mezi nimi žádná elektrická síla, protože všichni kladných nábojů je vyváženo zápornými náboji, takže neexistuje žádný čistý náboj pro generování a platnost.

I když je to opravdu trochu komplikovanější než toto (protože elektrony se vždy pohybují, takže nevždyblokuje kladný náboj z protonů), tato neutrální situace vytváří jasný kontrast s tím, co se stane, když dojde k nahromadění statického náboje.

V podstatě, když předmět (jako vaše vlasy po otření balónku o něj) získá přebytek nebo nedostatek náboje (tak více nebo méně elektronů než v běžném stavu), pak již není neutrální a může generovat to, co nazýváte statické elektřina. Oproti tomu běžná elektřina je anepřetržitý pohybnáboje (ve formě elektronů v elektrickém proudu), zatímco statická elektřina nezahrnuje pohybdokudpoplatky se navzájem vyvažují - a možná vám při tom udělají ostrý zásah!

Statická elektřina zásadně závisí na nerovnováze mezi kladnými a zápornými náboji, ale k vytvoření této nerovnováhy se ve skutečnosti pohybují pouze elektrony.

V atomu jsou protony pevně vázány v jádru (spolu s neutrony) a oba jsou podstatně těžší než záporně nabité elektrony, které zůstávají v „oblaku“ kolem vnějšku jádro.

Protože tyto lehčí částice jsou na vnější straně, když jeden objekt přijde do kontaktu s druhým, je to on elektrony, které se mezi nimi mohou přenášet, a jejich vzájemné tření zvyšuje rychlost nabíjení vybudovat. Takže pokud objekt zachytí další elektrony, stane se záporně nabitým, zatímco pokud ztratí elektrony, stane se kladně nabitým.

Izolační materiály dobře drží statický náboj, zatímco dobrý vodič udrží statický náboj pouze v určitých situacích. Vodič, kterému jsou přidány další elektrony, nedrží statický náboj, protože elektrony mohou volně proudit materiálem (což je definice dobrého vodiče).

Jakýkoli nárůst náboje se tedy příliš rychle rozptýlí, aby vytvořil znatelnou statickou elektřinu, a může se přenášet do dalších objektů, pokud není zcela izolován od zbytku prostředí. Vzhledem k tomu, že v izolátoru nemůže proudit proud, statická akumulace rychle vytváří významnou nerovnováhu náboje a tím generuje statickou elektřinu.

Protože jako odpuzují náboje a přitahují opačné náboje, když má něco statický náboj, bude se držet opačně nabitých předmětů a také to může někdypolarizovatatomy v jinak neutrálním předmětu a držte se ho také - způsob, jakým se balón lepí na zeď poté, co si ho otřete o hlavu.

Pokud je nárůst náboje dostatečně velký a je dosaženo relativně vysokého napětí mezi dvěma povrchy nebo objekty, náboj může přeskakovat z jednoho objektu na druhý. To je důvod, proč můžete ze statického výboje zasáhnout, když si třete nohy po podlaze a poté se dotknete kliky.

Existuje mnoho příkladů statické elektřiny, s nimiž se setkáte v každodenním životě, i když si nemusíte nutně myslet na roli, kterou při jejich provozu hraje statický náboj.

Zvláště běžným příkladem je statické přilnutí k oděvu, zejména po použití sušičky, která udržuje ideální podmínky vyvíjet statickou elektřinu a zahrnuje také tření oděvů o sebe a potenciální sbírání dalších elektronů na internetu způsob. Statický šok z takto nabitého oblečení má tendenci být docela malý, ale určitě si ho stále všimnete, až ho dostanete!

Kopírky jsou skvělým příkladem toho, jak lze dobře využít statickou elektřinu. Jasné světlo, které skenuje dokument, vytváří elektrický „stín“ obrazu na fotovodivé (tj. pás citlivý na světlo) a při otáčení pásu zachycuje záporně nabité částice toneru kvůli statické elektřině nabít.

Další pás pod sebou přináší list papíru, což mu dává silný pozitivní statický náboj v procesu. Když se záporné náboje z toneru setkají s kladnými náboji na papíře, toner se vytiskne sám na kousek papíru, ve stejném vzoru jako stín zachycený fotovodivým materiálem pás.

Další příklad by vás měl vrátit ke hodině fyziky ve škole: Generátor Van de Graaff a klasická ukázka, kdy někdo, kdo se dotýká koule, má vlasy na konci. Generátor pracuje na základě pohybu statických elektrických nábojů, přičemž pohyblivý pás běží po celé délce zařízení a dva kovové „hřebeny“ pro ovládání statického náboje.

Kladně nabitý hřeben ve spodní části (připojený k přívodu elektřiny) čerpá elektrony z pásu a opouští jej se síťovým kladným nábojem a tento náboj je zachycen hřebenem nahoře, který jej rozprostírá do velké kopule na horní. Pokud se během procesu nabíjení dotknete kopule, jednotlivé prameny vašich vlasů zachytí odpovídající náboje a navzájem se odpudí, takže se postaví na konec!

Blesky jsou velmi dramatickou ukázkou síly statické elektřiny a Benjamin Franklin to dokázal jedna z nejznámějších vědeckých demonstrací všech dob tím, že se během bouřky přivázal klíč k řetězci mokrého draka.

I když je mýtus, že draka skutečně zasáhl blesk (pravděpodobně by to zabilo Franklina), elektrické pole z bouři zachytila ​​struna, která - podobně jako ukázka klasického generátoru Van de Graaffa - způsobila, že prameny vlákna stály na konec. Nakonec Franklin stiskl klíč a ucítil prudký výboj statické elektřiny, který jasně ukazoval souvislost mezi elektřinou a bleskem.

Vědci samozřejmě vyplnili mnoho dalších podrobností o procesu od dob Benjamina Franklina. Stejně jako oděvy, které se o sebe třou v sušičce, nebo balón o vlasy, statický náboj který vytváří blesk pochází z tření az ledových krystalů ve studeném vzduchu, které se setkávají s kapičkami vody z teplého vzduchu Hmotnost.

Nabíjení se hromadí na různých místech v cloudu a v případě dostatečně vysokého rozdílu elektrický potenciál mezi těmito místy (tj. dostatečně vysoké napětí), uvolňuje se ve formě a Blesk. K tomu obvykle docházív rámcimraky nebo mezi dvěma mraky, ale občas šroub zasáhne zem.

Nahromadění statického náboje způsobené třením a třením se odborně nazývá triboelektrický efekt a na základě tohoto článku už znáte podrobnosti toho, co to způsobuje jak to funguje. Objekty přicházející do vzájemného kontaktu vedou k tomu, že jeden z nich zachytí další elektrony (všechny nesoucí záporné náboje) a další vytvářející deficit elektronů, a tedy kladnou síť nabít.

Avšak míra, do jaké různé materiály zachycují záporný náboj nebo ztrácejí elektrony a získávají kladný náboj, se liší v závislosti na vlastnostech materiálu. Zatímco izolátory jsou obecně lepší v zachycování statického náboje, různé izolátory ho zachycují různými rychlostmi.

Například většina druhů kaučuku, zejména teflon, sbírá elektrony velmi snadno a jako takové jsou skvělé pro demonstrace a technologie závislé na statické elektřině. Materiály se liší na základě své „elektronegativity“, což v zásadě znamená jejich elektronovou afinitu nebo tendenci je vyzvedávat od jiných objektů.

Triboelektrická řada dává do pořádku různé materiály na základě jejich schopnosti zachytit kladný nebo záporný statický náboj. Položky umístěné směrem k horní části triboelektrické řady jsou náchylné k vyzvednutí kladného náboje, zatímco u dna je větší pravděpodobnost, že získají elektrony a zachytí záporný náboj jako a výsledek. Čím větší je oddělení mezi dvěma položkami v triboelektrické řadě, tím větší je jejich vzájemné tření vytvoří v obou statický náboj.

Zatímco většina demonstrací statické elektřiny jsou zábavné displeje nebo drobné kuriozity, které jste setkat v každodenním životě, je důležité si uvědomit, že nežádoucí statický náboj může mít vážné následky důsledky.

Například jediná jiskra ze statické elektřiny může zapálit hořlavé kapaliny nebo plyny a potenciálně vést k výbuchu. Statický nános klouzání po autosedačce může dokonce potenciálně způsobit problém přijde doplnit benzín, a proto byste se měli před plněním vždy dotknout kovové části vozu nahoru.

Samozřejmě,většinačasu je statická elektřina opravdu jen zajímavý jev, ale pochopení jejího fungování vám může v některých situacích pomoci vyhnout se katastrofě.