Τα περισσότερα παιδιά μαθαίνουν για το τριβοηλεκτρικό αποτέλεσμα πολύ πριν εξοικειωθούν με τον όρο. Εάν έχετε τρίψει ποτέ ένα μπαλόνι στα μαλλιά σας και έχετε δει την επίδραση του ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ - τραβώντας τα μαλλιά σας προς το μπαλόνι και ενδεχομένως να είστε αρκετά ισχυροί για να κολλήσετε το μπαλόνι στο κεφάλι σας - τότε καταλαβαίνετε τα βασικά του τριβοηλεκτρικού αποτελέσματος.
Είναι βασικά μια μορφή «ηλεκτροδότησης επαφής», όπου κινείται το ηλεκτρικό φορτίο, με τη μορφή ηλεκτρονίων από ένα αντικείμενο σε άλλο, οδηγώντας σε συσσώρευση αρνητικής φόρτισης σε ένα αντικείμενο και έλλειμμα στο άλλα. Ένα λαστιχένιο μπαλόνι και ανθρώπινα μαλλιά είναι μόνο δύο παραδείγματα αντικειμένων που δείχνουν αυτό το αρκετά κοινό φαινόμενο.
Μαθαίνοντας τις λεπτομέρειες για το τριβοηλεκτρικό εφέ, πώς λειτουργεί, τι προκαλεί και τι μπορείτε να μάθετε από το Η τριβοηλεκτρική σειρά σας βοηθά να κατανοήσετε και να προβλέψετε τι θα συμβεί σε καταστάσεις που περιλαμβάνουν τη μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος χρέωση.
Τι είναι το Triboelectric Effect;
Η τριβοηλεκτρική επίδραση είναι γνωστή στους ανθρώπους από τουλάχιστον το 600 π.Χ., όταν ο Θαλής, Έλληνας Ο φιλόσοφος βρήκε ότι θα μπορούσατε να τρίψετε το κεχριμπάρι και να το κάνετε να προσελκύσει χνούδι, χαρτί και άλλα μικρά, ελαφριά αντικείμενα. Ο όρος τριβοηλεκτρικό εφέ προέρχεται από τα ελληνικά για «τρίψιμο» και «κεχριμπάρι», λόγω αυτής της ιστορίας της ανακάλυψης του φαινομένου. Φυσικά, οι επιστήμονες σήμερα έχουν πολύ καλύτερη κατανόηση των αιτιών του τριβοηλεκτρικού φαινομένου και της φύσης του ηλεκτρικού φορτίου γενικά.
Το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο ονομάζεται ηλεκτροδότηση επαφής επειδή είναι η διαδικασία των αντικειμένων που έρχονται σε επαφή - ειδικά τρίβονται σε κάθε ένα άλλο, όπως το μπαλόνι από καουτσούκ στα ανθρώπινα μαλλιά ή τα πόδια σας σε ένα χαλί, που οδηγεί στη δημιουργία επιφανειακής φόρτισης που δημιουργεί αποτέλεσμα.
Το ηλεκτρικό φορτίο - με τη μορφή ηλεκτρονίων, τα αρνητικά στοιχεία που φέρουν φορτία των ατόμων - μεταφέρεται από το ένα αντικείμενο στο άλλο κατά τη διαδικασία τριβής. Η μεταφορά φορτίου που λαμβάνει χώρα σημαίνει ότι ένα αντικείμενο κερδίζει ηλεκτρόνια και επομένως ένα καθαρό αρνητικό φορτίο, ενώ το άλλο χάνει ηλεκτρόνια και συνεπώς καταλήγει με ένα καθαρό θετικό φορτίο.
Αυτή η συσσώρευση ηλεκτρονίων αφήνει καθαρό φορτίο και στα δύο αντικείμενα, και από αυτό το σημείο και μετά συμπεριφέρονται όπως και τα δύο φορτισμένα αντικείμενα: Όπως οι χρεώσεις θα απωθήσουν ο ένας τον άλλον, και σε αντίθεση με τις χρεώσεις (όπως οι δύο που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία του εφέ) θα προσελκύσουν ένα αλλο. Ο βαθμός στον οποίο αυτό συμβαίνει εξαρτάται από τα ίδια τα υλικά και τελικά από τις συνολικές χρεώσεις σε κάθε αντικείμενο μετά το τρίψιμο.
Αιτίες του Triboelectric Effect
Τελικά, το φαινόμενο της τριβοηλεκτρικής ενέργειας προκαλείται από τριβή: Όταν ένα υλικό τρίβεται Ένα άλλο, τα ηλεκτρόνια απογυμνώνονται ουσιαστικά από το ένα αντικείμενο και το άλλο καταλήγει με μια αφθονία ηλεκτρικού χρέωση.
Ωστόσο, για να κατανοήσετε πραγματικά το φαινόμενο και τι το προκαλεί, πρέπει να σκεφτείτε τη δομή των ατόμων. Ένας μικρός πυκνός πυρήνας περιέχει θετικά φορτισμένα πρωτόνια και νετρόνια χωρίς φορτίο, με α «Σύννεφο» αρνητικών φορτισμένων ηλεκτρονίων γύρω από αυτό, συνήθως εξισορροπώντας το θετικό φορτίο από το πυρήνας. Η τριβή οδηγεί στη μεταφορά φορτίου, λαμβάνοντας μερικά από τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια από ένα υλικό.
Ο βαθμός στον οποίο ένα υλικό θα πάρει ηλεκτρόνια από άλλο υλικό ονομάζεται συγγένεια ηλεκτρονίων ή χρέωση συνάφειας. Εάν τα άτομα ενός υλικού έχουν μεγαλύτερη συγγένεια ηλεκτρονίων από τα άλλα υλικά, τότε θα τείνει παίρνω ηλεκτρόνια (και έτσι δημιουργεί αρνητικό φορτίο) από το άλλο υλικό (το οποίο τότε έχει έλλειμμα ηλεκτρονίων και αναπτύσσει καθαρό θετικό φορτίο). Εκτός από ένα λαστιχένιο μπαλόνι και ανθρώπινα μαλλιά, πόδια και χαλί και κεχριμπάρι και ένα πανί, ένα άλλο κλασικό παράδειγμα του φαινομένου παρέχεται από τη γούνα Teflon και κουνέλι.
Εν ολίγοις, η ποσότητα των υλικών τριβοηλεκτρικής ενέργειας διαφέρει για διαφορετικά υλικά, ως αποτέλεσμα της ειδικής συγγένειας ηλεκτρονίων ή φορτίου. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι επιστήμονες δημιούργησαν μια λίστα υλικών που ταξινομούνται ανάλογα με την τάση τους να κερδίζουν ή να χάνουν ηλεκτρόνια, που ονομάζεται τριβοηλεκτρική σειρά.
Η Σειρά Triboelectric
Η τριβοηλεκτρική σειρά είναι μια λίστα αντικειμένων που κατατάσσονται ανάλογα με την τάση τους να αποκτήσουν ένα καθαρό θετικό φορτίο ή ένα καθαρό αρνητικό φορτίο όταν έρχονται σε επαφή μεταξύ τους.
Τα υλικά προς την κορυφή των τριβοηλεκτρικών σειρών είναι πιο πιθανό να εγκαταλείψουν τα ηλεκτρόνια σε επαφή (και να αναπτυχθούν ένα καθαρό θετικό φορτίο) και τα υλικά προς τα κάτω είναι πιο πιθανό να κερδίσουν ηλεκτρόνια (και τόσο αρνητικά χρέωση).
Σε ιδανικές συνθήκες - αν όλα είναι στεγνά - τα αντικείμενα που τοποθετούνται ψηλότερα στην τριβοηλεκτρική σειρά θα τείνουν παραιτούμαι ηλεκτρόνια σε αντικείμενα πιο κάτω στη λίστα, και θα φορτιστούν θετικά. Όσο μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ δύο διαφορετικών υλικών στην τριβοηλεκτρική σειρά, τόσο μεγαλύτερη είναι η τριβοηλεκτρική επίδραση όταν τρίβονται μαζί.
Διάγραμμα Triboelectric Series
Μπορείτε να βρείτε ένα εξαιρετικό παράδειγμα γραφήματος τριβοηλεκτρικών σειρών εδώ, η οποία βασίστηκε σε δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν από τον Bill Lee στην AlphaLab, inc. Αυτός ο πίνακας παρέχει λεπτομέρειες σχετικά με τον τρόπο δοκιμής των υλικών καθώς και τους περιορισμούς των μετρήσεων.
Οι τιμές στον πίνακα είναι σε nC / J, που σημαίνει νανοκουλοβόμπες ανά joule, με το Coulomb να είναι η τυπική μονάδα φόρτισης και το Joules να είναι η μονάδα για την ενέργεια που σχετίζεται με την τριβή. Το θετικό ή αρνητικό σύμβολο αντιπροσωπεύει την πιθανότητά τους να λαμβάνουν θετικές ή αρνητικές χρεώσεις, αντίστοιχα.
Έτσι, για παράδειγμα, το λαστιχένιο λάστιχο παίρνει 105 nC φόρτισης ανά joule ενέργειας που επενδύεται στη διαδικασία τριβής και το σύμβολο μείον σας λέει ότι παίρνει ένα καθαρό αρνητικό φορτίο. Από την άλλη πλευρά, το ξηρό δέρμα έχει τιμή +30 nC / J, που σημαίνει ότι θα χάσει ηλεκτρόνια, οπότε καταλήγει με θετικό φορτίο 30 nC ανά Joule ενέργειας που πηγαίνει στη διαδικασία τριβής.
Τέλος, θα σημειώσετε ότι τα περισσότερα από τα διαφορετικά υλικά της λίστας (για παράδειγμα, καουτσούκ σιλικόνης και PVC) είναι μονωτές, επομένως δεν μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα σε κανονικές συνθήκες. Αυτή είναι μια σημαντική υπενθύμιση ότι η τριβοηλεκτρική ενέργεια λειτουργεί εντελώς διαφορετικά από την κανονική ηλεκτρική ενέργεια και γενικά οι μονωτές καλύτερα από τους αγωγούς που κρατούν αυτόν τον τύπο στατικού φορτίου.
Γεννήτριες Van De Graaff
Οι γεννήτριες Van de Graaff είναι ένα γνωστό κομμάτι εξοπλισμού που χρησιμοποιεί το τριβοηλεκτρικό εφέ για να δημιουργήσετε μια συσσώρευση ή ένα κατάστημα χρέωσης που μπορείτε να μετρήσετε ως πιθανή διαφορά χρησιμοποιώντας ένα βολτόμετρο.
Στις περισσότερες γεννήτριες Van de Graaff, ένας λαστιχένιος ιμάντας τρίβεται πάνω σε ένα μεταλλικό χτένα στο κάτω μέρος, το οποίο αντλεί ηλεκτρόνια από τον ιμάντα και το αφήνει με καθαρό θετικό φορτίο. Αυτό στη συνέχεια συλλέγεται από μια χτένα που ταιριάζει στην κορυφή για να εξαπλωθεί το φορτίο στον μεταλλικό θόλο στην κορυφή της γεννήτριας.
Φυσικά, τα ηλεκτρόνια είναι οι κινητοί φορείς φόρτισης, οπότε ο ιμάντας χάνει ηλεκτρόνια στο κάτω μέρος και μετά παίρνει ηλεκτρόνια από τη χτένα και το θόλο στην κορυφή, αφήνοντάς τα με έλλειμμα ηλεκτρονίων και επομένως θετικό χρέωση.
Η τεράστια διαφορά δυναμικού που δημιουργείται από αυτήν τη διαδικασία μπορεί να ξεπεράσει τα 100.000 βολτ και χρησιμοποιείται συχνά σε μια κλασική οθόνη στην τάξη όπου κάποιος που έρχεται σε επαφή με τη γεννήτρια έχει σταθεί τα μαλλιά του τέλος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι όλα τα σκέλη των μαλλιών κερδίζουν αντίστοιχη (θετική) φόρτιση και επομένως αρχίζουν να απωθούν μεταξύ τους.