De fleste børn lærer om triboelektrisk effekt længe før de bliver fortrolige med udtrykket. Hvis du nogensinde har gnides en ballon på dit hår og været vidne til effekten af statisk elektricitet - trække dit hår mod ballonen og potentielt være stærk nok til at holde ballonen fast i dit hoved - så forstår du det grundlæggende i den triboelektriske effekt.
Det er dybest set en form for "kontaktelektrificering", hvor elektrisk ladning i form af elektroner bevæger sig fra et objekt til et andet, hvilket fører til en opbygning af negativ ladning på et objekt og et underskud på Andet. En gummiballon og menneskehår er blot to eksempler på genstande, der viser dette ret almindelige fænomen.
At lære detaljerne om den triboelektriske effekt, hvordan den fungerer, hvad der forårsager den, og hvad du kan finde ud af fra triboelektriske serier hjælper dig med at forstå og forudsige, hvad der vil ske i situationer, der involverer overførsel af elektrisk oplade.
Hvad er den triboelektriske effekt?
Den triboelektriske effekt har været kendt for mennesker siden mindst 600 f.Kr., da Thales, en græker filosof fandt ud af, at du kunne gnide rav og få det til at tiltrække fnug, papir og andet lille, let genstande. Udtrykket triboelektrisk effekt kommer fra græsk for "gnidning" og "rav" på grund af denne historie med opdagelsen af effekten. Naturligvis har forskere i dag en meget bedre forståelse af årsagerne til den triboelektriske effekt og arten af elektrisk ladning generelt.
Den triboelektriske effekt kaldes kontaktelektrificering, fordi det er processen med genstande, der kommer i kontakt - især gnides mod hver andet, som gummiballonen mod menneskehår eller dine fødder over et tæppe, der fører til ophobning af overfladeladning, der skaber effekt.
Den elektriske ladning - i form af elektroner, de negative ladningsbærende komponenter i atomer - overføres fra et objekt til et andet under gnidningsprocessen. Den ladningsoverførsel, der finder sted, betyder, at det ene objekt får elektroner og derved en netto negativ ladning, mens den anden mister elektroner og derfor ender med en nettopositiv ladning.
Denne ophobning af elektroner efterlader en nettoladning på begge genstande, og fra dette tidspunkt opfører de sig som to ladede objekter: Lignende ladninger frastøder hinanden, og i modsætning til ladninger (som de to, der bruges til at skabe effekten) vil tiltrække en en anden. I hvilket omfang dette sker afhænger af materialerne selv og i sidste ende de samlede ladninger på hver genstand efter gnidningen finder sted.
Årsager til den triboelektriske effekt
I sidste ende skyldes fænomenet triboelektricitet friktion: Når et materiale gnides mod for det andet “fjernes” elektroner effektivt fra det ene objekt, og det andet ender med en overflod af elektrisk oplade.
Men for virkelig at forstå fænomenet og hvad der forårsager det, er du nødt til at tænke på atomernes struktur. En lille, tætpakket kerne indeholder positivt ladede protoner og opladningsfrie neutroner med en "Sky" af negativt ladede elektroner omkring det, som regel afbalancerer den positive ladning fra kerne. Friktionen fører til overførsel af ladning og tager nogle af de negativt ladede elektroner fra et materiale.
I hvilken grad et materiale tager elektroner fra et andet materiale kaldes det elektronaffinitet eller lad affinitet. Hvis atomerne i det ene materiale har en højere elektronaffinitet end det andet materiale, vil det have tendens til at tage elektroner (og derved opbygger en negativ ladning) fra det andet materiale (som derefter har et underskud på elektroner og udvikler en netto positiv ladning). Ud over en gummiballon og menneskehår, fødder og et tæppe og rav og en klud er et andet klassisk eksempel på fænomenet leveret af teflon og kaninpels.
Kort sagt, mængden af display af triboelektricitetsmaterialer adskiller sig for forskellige materialer som et resultat af deres specifikke elektron- eller ladningsaffinitet. Dette er grunden til, at forskere har oprettet en liste over materialer, der er klassificeret efter deres tendens til at vinde eller miste elektroner, kaldet den triboelektriske serie.
Triboelektrisk serie
Den triboelektriske serie er en liste over objekter, der er klassificeret efter deres tilbøjelighed til at erhverve en nettopositiv ladning eller en nettonegativ ladning, når de bringes i kontakt med hinanden.
Materialer mod toppen af triboelektriske serier er mere tilbøjelige til at opgive elektroner ved kontakt (og udvikle sig en positiv nettoladning), og materialer mod bunden er mere tilbøjelige til at få elektroner (og så negative oplade).
Under ideelle forhold - hvis alt er tørt - vil genstande placeret højere i triboelektriske serier have tendens til at gøre det give op elektroner til emner længere nede på listen, og de bliver positivt ladede. Jo mere afstand mellem to forskellige materialer i den triboelektriske serie, jo større er den triboelektriske effekt, når de gnides sammen.
Triboelektrisk seriekort
Du kan finde et godt eksempel på et triboelektrisk seriekort her, som var baseret på tests udført af Bill Lee hos AlphaLab, Inc. Denne tabel giver detaljer om, hvordan materialerne blev testet, samt begrænsninger af målingerne.
Værdierne i tabellen er i nC / J, som står for nanokoulomber pr. Joule, hvor en Coulomb er standardladningsenheden, og Joules er enheden for den energi, der er forbundet med friktionen. Det positive eller negative tegn repræsenterer deres sandsynlighed for at tage henholdsvis positive eller negative ladninger.
Så fx opfanger latexgummi 105 nC ladning pr. Joule energi investeret i gnidningsprocessen, og minustegnet fortæller dig, at det optager en negativ nettoladning. På den anden side har tør hud en værdi på +30 nC / J, hvilket betyder at den mister elektroner, så den ender med en positiv ladning på 30 nC pr. Joule energi, der går ind i gnidningsprocessen.
Endelig vil du bemærke, at de fleste af de forskellige materialer på listen (for eksempel silikongummi og PVC) er isolatorer, så de ikke kan bære en elektrisk strøm i normale situationer. Dette er en vigtig påmindelse om, at triboelektricitet fungerer helt anderledes end almindelig elektricitet, og generelt er isolatorer det bedre end ledere, der holder denne type statisk ladning.
Van De Graaff generatorer
Van de Graaff-generatorer er et velkendt udstyr, der gør brug af den triboelektriske effekt at producere en opbygning eller oplagring af afgift, som du kan måle som en potentiel forskel ved hjælp af en voltmeter.
I de fleste Van de Graaff-generatorer gnides et gummibælte mod en metallisk "kam" i bunden, der trækker elektroner fra bæltet og efterlader det med en nettopositiv ladning. Dette samles derefter op af en matchende kam øverst for at sprede ladningen til den metalliske kuppel øverst på generatoren.
Selvfølgelig er elektroner de mobile ladebærere, så båndet mister elektroner i bunden og tager derefter op elektroner fra kammen og kuppelen øverst, hvilket efterlader dem med et underskud på elektroner og således et nettopositivt oplade.
Den enorme potentielle forskel skabt af denne proces kan overstige 100.000 volt og bruges ofte i et klassisk klasseværelsesdisplay, hvor nogen i kontakt med generatoren har håret på ende. Dette skyldes, at hårstrengene alle får en matchende (positiv) ladning og derfor begynder at afvise hinanden.