Statisk elektricitet: definition, hvordan det fungerer, fakta (med eksempler)

Elektrisk opladning er overalt omkring dig, men du bemærker det kun rigtig sjældent, som når dit hår står på ende efter du tager en hat af, eller når du får en skarp zap, når du rækker ud for at røre ved noget, når du har gnides dine fødder langs tæppe.

Disse to fænomener er eksempler påstatisk elektricitet, noget du sandsynligvis lærte om, da du var barn. Men hvordan får statisk opladning dit hår til at holde på, og hvorfor kan det give dig et statisk chok?

Hvad sker der faktisk på atomniveau, der producerer disse universelle oplevelser? At lære detaljerne om statisk elektricitet giver dig et meget mere detaljeret indblik i denne fascinerende egenskab ved materie.

Elektrisk opladning er en grundlæggende egenskab ved materie. Det er adskilt i positive ladninger og negative ladninger, og selvom nogle partikler er elektrisk neutralt - såsom neutronen - disse er faktisk sammensat af endnu mere grundlæggende partikler, somgørbære en elektrisk ladning.

De to vigtigste ladede partikler at vide om, når du lærer om statisk elektricitet, er to af hovedkomponenterne i et atom: protoner og elektroner.

Protoner er positivt ladede med en afgift på +e, mens elektroner er negativt ladet til -e, hvore​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C her står forcoulombs, som er SI-enheden til elektrisk opladning. De 10⁻¹⁹ fortæller dig, at ladede partikler harmeget lilleladningsværdier sammenlignet med en coulomb - to ladninger på kun 1 C adskilt af en meter ville generere en kraft, der er større end stødet fra Saturn V-raketens affyringskraft!

Den grundlæggende regel for, hvordan elektrisk ladning fungerer, er, at modsatte ladninger tiltrækker og lignende afgifter afviser. Så hvis du bragte en elektron nær en anden elektron, ville de skubbe sig fra hinanden, mens hvis du bragte en elektron nær et proton, ville det blive tiltrukket af det.

På det mest basale niveau refererer statisk elektricitet simpelthen til afgifter, der ikke bevæger sig. Der er dog meget mere end det! Det centrale ved statisk elektricitet er, at det opstår, når der er en ubalance i ladningen, og denne ubalance skaber i det væsentligeelektrisk potentiale, hvilket betyder, at der er potentiale for elektrisk strøm til at strømme (til at genbalancere ladningen) på grund af positionerne for ladningsbærende partikler.

I atomer og som udvidelse de fleste hverdagsgenstande er der en balance mellem det positive og det negative ladninger (dvs. mellem protonerne og elektronerne), så de er elektrisk neutrale, når de betragtes som alle sammen.

Så hvis du bragte et atom tæt på et andet, ville der ikke være nogen elektrisk kraft mellem dem, fordi alle af de positive ladninger balanceres med negative ladninger, så der er ingen nettogebyr til at generere en kraft.

Selvom det virkelig er lidt mere kompliceret end dette (fordi elektroner altid bevæger sig, så de ikke gør detaltidblokere den positive ladning fra protonerne), skaber denne neutrale situation en klar kontrast til hvad der sker, når der opbygges statisk ladning.

I det væsentlige, når en genstand (som dit hår efter at have gnides en ballon på den) får et overskud eller et underskud på ladningen (så mere eller færre elektroner end i normal tilstand), så er den ikke længere neutral og kan generere det, du kalder statisk elektricitet. I modsætning hertil er almindelig elektricitet enkontinuerlig bevægelseaf ladning (i form af elektroner i en elektrisk strøm), mens statisk elektricitet ikke involverer bevægelseså længeafgifterne balancerer hinanden - og muligvis giver jer en skarp zap i processen!

Statisk elektricitet afhænger grundlæggende af en ubalance mellem positive ladninger og negative ladninger, men egentlig er det kun elektronerne, der rent faktisk bevæger sig for at skabe denne ubalance.

I et atom er protonerne tæt bundet i kernen (sammen med neutronerne), og begge disse er betydeligt tungere end de negativt ladede elektroner, der forbliver i en "sky" omkring ydersiden af kerne.

Fordi disse lettere partikler er på ydersiden, når det ene objekt kommer i kontakt med et andet, er det det elektroner, der kan overføre mellem dem, og at gnide dem sammen øger opladningshastigheden Byg op. Så hvis en genstand opfanger ekstra elektroner, bliver den negativt ladet, mens hvis den mister elektroner, bliver den positivt ladet.

Isolerende materialer holder en statisk ladning godt, mens en god leder kun vil opretholde en statisk ladning i visse situationer. En leder, der får ekstra elektroner, holder ikke en statisk ladning, fordi elektronerne kan strømme frit gennem materialet (hvilket er definitionen på en god leder).

Så enhver opladning spredes for hurtigt til at skabe mærkbar statisk elektricitet, og den kan overføres til andre genstande, medmindre den er helt isoleret fra resten af ​​miljøet. Da strøm ikke kan strømme i en isolator, skaber den statiske opbygning hurtigt en bemærkelsesværdig opladningsbalance og genererer derved statisk elektricitet.

Fordi ligesom afgifter frastøder, og modsatte afgifter tiltrækker, når noget har en statisk ladning, vil det holde sig til modsat ladede genstande, og det kan også nogle gangepolariseratomer i en ellers neutral genstand og hold dig også til den - den måde en ballon holder fast på en væg på, når du gnider den på dit hoved.

Hvis opladningen er stor nok, og der opnås en relativt høj spænding mellem de to overflader eller objekter, kan opladningen springe fra et objekt til et andet. Dette er grunden til, at du kan få en zap af det statiske stød, hvis du gnider dine fødder over gulvet og derefter rører ved en dørhåndtag.

Der er mange eksempler på statisk elektricitet, som du vil støde på i hverdagen, selvom du ikke nødvendigvis tænker på den rolle, som statisk ladning spiller i deres drift.

Et særligt almindeligt eksempel er statisk klæbning i tøj, især efter brug af tørretumbleren, hvilket holder de ideelle betingelser for statisk elektricitet til at udvikle sig, og involverer også tøj, der gnides mod hinanden og potentielt opsamler ekstra elektroner på vej. Det statiske chok fra tøj, der oplades på denne måde, har tendens til at være ret lille, men du bemærker det stadig, når du får et!

Kopimaskiner er et godt eksempel på, hvordan statisk elektricitet kan udnyttes godt. Det stærke lys, der scanner dokumentet, skaber en elektrisk "skygge" af billedet på en fotoledende (dvs. lysfølsomt) bælte, og når bæltet roterer, opfanger det negativt ladede tonerpartikler på grund af statisk oplade.

Under dette bringer et andet bælte et ark papir rundt, hvilket giver det en stærk positiv statisk ladning i processen. Når de negative ladninger fra toneren møder de positive ladninger på papiret, trykkes toneren ned sig selv på papiret, i samme mønster som skyggen, der optages af det fotoledende bælte.

Et andet eksempel skal tage dig tilbage til en fysikklasse i skolen: Van de Graaff-generatoren og den klassiske demonstration, hvor nogen, der rører ved sfæren, har håret på enden. Generatoren fungerer baseret på bevægelse af statiske elektriske ladninger med et bevægeligt bælte, der løber langs enhedens længde og to metalliske "kamme" for at kontrollere den statiske ladning.

En positivt ladet kam i bunden (forbundet med en strømforsyning) trækker elektroner fra bæltet og efterlader den med en positiv nettoladning, og denne ladning samles op af en kam øverst, som spreder den ud til den store kuppel ved top. Hvis du berører kuplen under opladningsprocessen, opfanger de enkelte hårstrenge matchende opladninger og afviser hinanden og får det til at stå på enden!

Lynbolte er en meget dramatisk demonstration af kraften i statisk elektricitet, og Benjamin Franklin beviste dette i en af ​​de mest kendte videnskabelige demonstrationer nogensinde ved at binde en nøgle til en våd dragesnor under tordenvejr.

Selv om det er en myte, at drageren faktisk blev ramt af en lyn (dette ville sandsynligvis have dræbt Franklin), blev det elektriske felt fra storm blev plukket op af strengen, som - ligesom den klassiske Van de Graaff generator demonstration - fik strengene til garnet til at stå på ende. Endelig berørte Franklin nøglen og følte zappen af ​​et statisk chok, hvilket tydeligt demonstrerede forbindelsen mellem elektricitet og lyn.

Naturligvis har forskere udfyldt mange flere detaljer om processen siden Benjamin Franklins dage. Meget som tøj, der gnides mod hinanden i tørretumbleren eller en ballon, der gnider mod dit hår, den statiske ladning der skaber lyn kommer fra friktion, og fra iskrystaller i kold luft, der møder vanddråber fra en varm luft masse.

Opladning opbygges forskellige steder i skyen, og når der er en tilstrækkelig høj forskel i elektrisk potentiale mellem disse steder (dvs. en tilstrækkelig høj spænding) frigives det i form af en lyn. Dette sker normaltinden forskyer eller mellem to skyer, men lejlighedsvis rammer bolten jorden.

Opbygningen af ​​statisk ladning forårsaget af friktion og gnidning kaldes teknisk triboelektrisk effekt, og baseret på denne artikel kender du allerede detaljerne om, hvad der forårsager dette og hvordan det virker. Objekter, der kommer i kontakt med hinanden, fører til, at en af ​​dem opfanger ekstra elektroner (alle bærer negative ladninger) og den anden udvikler et underskud på elektroner og derfor et positivt netto oplade.

Imidlertid varierer graden, i hvilken forskellige materialer optager negativ ladning eller mister elektroner og får en positiv ladning, afhængigt af materialets egenskaber. Mens isolatorer generelt er bedre til at optage statisk ladning, samler forskellige isolatorer den op i forskellige hastigheder.

For eksempel samler de fleste typer gummi og især teflon elektroner meget let op, og som sådan er de gode til demonstrationer og teknologier, der er afhængige af statisk elektricitet. Materialer adskiller sig på baggrund af deres "elektronegativitet", hvilket grundlæggende betyder deres elektronaffinitet eller deres tendens til at samle dem op fra andre objekter.

Den triboelektriske serie sætter forskellige materialer i rækkefølge baseret på deres evne til at opfange en positiv eller en negativ statisk ladning. Elementer placeret øverst i triboelektriske serier er tilbøjelige til at optage en positiv ladning, mens de i bunden er mere tilbøjelige til at få elektroner og opfange en negativ ladning som en resultat. Jo større adskillelsen mellem to genstande i den triboelektriske serie er, desto mere vil gnidning af dem skabe en statisk ladning i dem begge.

Mens de fleste demonstrationer af statisk elektricitet er sjove skærme eller mindre nysgerrigheder, som du møder i det daglige liv, er det vigtigt at huske, at uønsket statisk opladning kan have alvorlig effekt konsekvenser.

For eksempel kan en enkelt gnist fra statisk elektricitet antænde brandfarlige væsker eller gasser og potentielt resultere i en eksplosion. Den statiske opbygning fra at glide over dit bilsæde kan endda muligvis forårsage et problem, når det kommer til at genopfylde din gas, og så skal du altid røre ved metaldelen af ​​bilen, inden du fylder den op.

Selvfølgelig,mestfor tiden er statisk elektricitet virkelig et interessant fænomen, men det at forstå, hvordan det fungerer, kan hjælpe dig med at undgå katastrofe i nogle situationer.