Die meisten Kinder lernen über die triboelektrischer Effekt bevor sie sich mit dem Begriff vertraut machen. Wenn Sie jemals einen Luftballon über Ihr Haar gerieben und die Wirkung des statische Elektrizität – Ziehen Sie Ihre Haare in Richtung des Ballons und sind Sie möglicherweise stark genug, um den Ballon an Ihren Kopf zu kleben – dann verstehen Sie die Grundlagen des triboelektrischen Effekts.
Es ist im Grunde eine Form der „Kontaktelektrisierung“, bei der sich elektrische Ladung in Form von Elektronen bewegt von einem Objekt zum anderen, was zu einem Aufbau einer negativen Ladung auf einem Objekt und einem Defizit auf dem andere. Ein Gummiballon und menschliches Haar sind nur zwei Beispiele für Objekte, die dieses recht häufige Phänomen zeigen.
Erfahren Sie mehr über den triboelektrischen Effekt, wie er funktioniert, was ihn verursacht und was Sie aus dem. erfahren können Die triboelektrische Serie hilft Ihnen zu verstehen und vorherzusagen, was in Situationen mit elektrischer Übertragung passieren wird aufladen.
Was ist der triboelektrische Effekt?
Der triboelektrische Effekt ist dem Menschen seit mindestens 600 v. Chr. bekannt, als Thales, ein Grieche Der Philosoph fand heraus, dass man Bernstein reiben und damit Flusen, Papier und andere kleine Lichter anziehen kann Objekte. Der Begriff triboelektrischer Effekt stammt aus dem Griechischen für „reiben“ und „bernstein“ aufgrund dieser Entdeckungsgeschichte des Effekts. Natürlich haben Wissenschaftler heute ein viel besseres Verständnis der Ursachen des triboelektrischen Effekts und der Natur der elektrischen Ladung im Allgemeinen.
Der triboelektrische Effekt wird als Kontaktelektrisierung bezeichnet, da es sich um den Vorgang handelt, bei dem Gegenstände Kontakt aufnehmen – insbesondere aneinander reiben andere, wie der Gummiballon gegen menschliches Haar oder Ihre Füße über einen Teppich, der zum Aufbau von Oberflächenladungen führt, die den bewirken.
Die elektrische Ladung – in Form von Elektronen, den negativen Ladungsträgern der Atome – wird beim Reiben von einem Objekt auf ein anderes übertragen. Durch die stattfindende Ladungsübertragung erhält ein Objekt Elektronen und damit eine negative Nettoladung, während das andere Elektronen verliert und somit eine positive Nettoladung erhält.
Diese Ansammlung von Elektronen hinterlässt eine Nettoladung auf beiden Objekten, und von diesem Punkt an verhalten sie sich wie zwei beliebige geladene Objekte: Gleiche Ladungen stoßen sich gegenseitig ab und ungleiche Ladungen (wie die beiden, die verwendet wurden, um den Effekt zu erzeugen) ziehen eine an Ein weiterer. Inwieweit dies geschieht, hängt von den Materialien selbst und letztendlich von der Gesamtladung jedes Objekts nach dem Reiben ab.
Ursachen des triboelektrischen Effekts
Letztendlich entsteht das Phänomen der Triboelektrizität durch Reibung: Wenn ein Material aneinander gerieben wird zum anderen werden Elektronen effektiv von einem Objekt „abgestreift“ und das andere endet mit einer Fülle von elektrischem aufladen.
Um das Phänomen und seine Ursachen wirklich zu verstehen, müssen Sie jedoch über die Struktur von Atomen nachdenken. Ein kleiner, dicht gepackter Kern enthält positiv geladene Protonen und ladungsfreie Neutronen, mit a „Wolke“ aus negativ geladenen Elektronen um ihn herum, die normalerweise die positive Ladung von der ausgleicht Kern. Die Reibung führt zum Ladungstransfer, bei dem ein Teil der negativ geladenen Elektronen einem Material entnommen wird.
Der Grad, in dem ein Material Elektronen von einem anderen Material aufnimmt, wird als bezeichnet Elektronenaffinität oder Gebührenaffinität. Wenn die Atome eines Materials eine höhere Elektronenaffinität haben als das andere Material, dann neigt es zu nehmen Elektronen (und bauen dadurch eine negative Ladung auf) aus dem anderen Material (das dann ein Elektronendefizit hat und eine positive Nettoladung entwickelt). Neben einem Gummiballon und Menschenhaar, Füßen und einem Teppich und Bernstein und einem Tuch sind Teflon und Kaninchenfell ein weiteres klassisches Beispiel für das Phänomen.
Kurz gesagt, die Menge an Triboelektrizitätsmaterialien unterscheidet sich für verschiedene Materialien aufgrund ihrer spezifischen Elektronen- oder Ladungsaffinität. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler eine Liste von Materialien erstellt, die nach ihrer Tendenz zur Aufnahme oder zum Verlust von Elektronen geordnet sind, die als triboelektrische Reihe bezeichnet wird.
Die triboelektrische Serie
Die triboelektrische Reihe ist eine Liste von Objekten, geordnet nach ihrer Neigung, eine positive Nettoladung oder eine negative Nettoladung anzunehmen, wenn sie miteinander in Kontakt gebracht werden.
Materialien am oberen Ende der triboelektrischen Reihe geben bei Kontakt eher Elektronen ab (und entwickeln eine positive Nettoladung), und Materialien nach unten nehmen eher Elektronen auf (und damit negativ so aufladen).
Unter idealen Bedingungen – wenn alles trocken ist – neigen höher platzierte Objekte in der triboelektrischen Reihe dazu, Gib auf Elektronen auf Elemente weiter unten in der Liste, und sie werden positiv geladen. Je größer der Abstand zwischen zwei verschiedenen Materialien in der triboelektrischen Reihe ist, desto größer ist der triboelektrische Effekt beim Aneinanderreiben.
Triboelektrische Reihentabelle
Sie können ein großartiges Beispiel für ein triboelektrisches Reihendiagramm finden Hier, die auf Tests basiert, die von Bill Lee bei AlphaLab, Inc. durchgeführt wurden. Diese Tabelle enthält Details darüber, wie die Materialien getestet wurden, sowie Einschränkungen der Messungen.
Die Werte in der Tabelle sind in nC/J angegeben, was für Nanocoulomb pro Joule steht, wobei Coulomb die Standardeinheit der Ladung ist und Joule die Einheit für die mit der Reibung verbundene Energie ist. Das positive oder negative Vorzeichen stellt ihre Wahrscheinlichkeit dar, positive bzw. negative Ladungen aufzunehmen.
Latexgummi nimmt zum Beispiel 105 nC Ladung pro Joule Energie auf, die in den Reibeprozess investiert wird, und das Minuszeichen sagt Ihnen, dass es eine negative Nettoladung aufnimmt. Auf der anderen Seite hat trockene Haut einen Wert von +30 nC/J, was bedeutet, dass sie Elektronen verliert, sodass sie am Ende eine positive Ladung von 30 nC pro Joule Energie hat, die in den Reibeprozess fließt.
Schließlich werden Sie feststellen, dass die meisten der verschiedenen Materialien auf der Liste (z. B. Silikonkautschuk und PVC) Isolatoren sind, sodass sie in normalen Situationen keinen elektrischen Strom führen können. Dies ist eine wichtige Erinnerung daran, dass Triboelektrizität völlig anders funktioniert als gewöhnliche Elektrizität, und im Allgemeinen sind Isolatoren besser als Leiter beim Halten dieser Art von statischer Aufladung.
Van De Graaff Generatoren
Van-de-Graaff-Generatoren sind ein bekanntes Gerät, das den triboelektrischen Effekt nutzt um einen Ladungsaufbau oder einen Ladungsspeicher zu erzeugen, den Sie als Potentialdifferenz mit a. messen können Voltmeter.
Bei den meisten Van-de-Graaff-Generatoren wird ein Gummiriemen unten an einem metallischen „Kamm“ gerieben, der Elektronen aus dem Riemen zieht und ihn mit einer positiven Nettoladung hinterlässt. Dieser wird dann oben von einem passenden Kamm aufgenommen, um die Ladung auf die Metallkuppel oben am Generator zu verteilen.
Natürlich sind Elektronen die beweglichen Ladungsträger, also verliert der Gürtel unten Elektronen und nimmt sie dann wieder auf Elektronen aus dem Kamm und der Kuppel an der Spitze, wodurch ein Elektronendefizit und damit ein Nettopositiv übrig bleibt aufladen.
Die durch diesen Prozess erzeugte massive Potenzialdifferenz kann 100.000 Volt überschreiten und wird oft verwendet in einem klassischen Klassenzimmer-Display, bei dem jemand, der mit dem Generator in Kontakt kommt, seine Haare aufgesetzt hat Ende. Dies liegt daran, dass die Haarsträhnen alle eine übereinstimmende (positive) Ladung erhalten und sich daher gegenseitig abstoßen.