Το ηλεκτρικό φορτίο είναι γύρω σας, αλλά το παρατηρείτε μόνο σε σπάνιες περιπτώσεις, όπως όταν τα μαλλιά σας στέκονται στο τέλος βγάζετε ένα καπέλο ή όταν παίρνετε ένα έντονο ζάπ όταν φτάνετε να αγγίξετε κάτι αφού τρίψετε τα πόδια σας κατά μήκος του χαλί.
Αυτά τα δύο φαινόμενα είναι παραδείγματαΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ, κάτι για το οποίο πιθανώς μάθατε όταν ήσασταν παιδί. Αλλά πώς η στατική φόρτιση κάνει τα μαλλιά σας σταματημένα και γιατί μπορεί να σας προκαλέσει στατικό σοκ;
Τι συμβαίνει πραγματικά στο ατομικό επίπεδο που παράγει αυτές τις καθολικές εμπειρίες; Η εκμάθηση των λεπτομερειών σχετικά με τον στατικό ηλεκτρισμό σας δίνει μια πολύ πιο λεπτομερή εικόνα για αυτήν την συναρπαστική ιδιότητα της ύλης.
Τα βασικά της ηλεκτρικής φόρτισης
Το ηλεκτρικό φορτίο είναι θεμελιώδης ιδιοκτησία της ύλης. Διαχωρίζεται σε θετικά φορτία και αρνητικά φορτία, και παρόλο που ορισμένα σωματίδια είναι ηλεκτρικά ουδέτερο - όπως το νετρόνιο - αυτά αποτελούνται στην πραγματικότητα από ακόμη πιο θεμελιώδη σωματίδια τα οποίακάνωφέρει ηλεκτρικό φορτίο.
Τα δύο πιο σημαντικά φορτισμένα σωματίδια που πρέπει να γνωρίζετε όταν μαθαίνετε για τον στατικό ηλεκτρισμό είναι δύο από τα κύρια συστατικά ενός ατόμου: πρωτόνια και ηλεκτρόνια.
Τα πρωτόνια φορτίζονται θετικά, με χρέωση +μι, ενώ τα ηλεκτρόνια φορτίζονται αρνητικά στο -μι, όπουμι = 1.602 × 10−19 ΝΤΟ. Το C εδώ σημαίνεικουλόμπ, η οποία είναι η μονάδα SI για ηλεκτρικό φορτίο. Τα 10−19 σας λέει ότι τα φορτισμένα σωματίδια έχουνπολύ μικρότιμές φόρτισης σε σύγκριση με ένα coulomb - δύο φορτία μόλις 1 C που διαχωρίζονται με έναν μετρητή θα δημιουργούσαν μια δύναμη μεγαλύτερη από την ώθηση της ώθησης εκτόξευσης του πυραύλου Saturn V!
Ο θεμελιώδης κανόνας για το πώς λειτουργεί το ηλεκτρικό φορτίο είναι ότι τα αντίθετα φορτία προσελκύουν και όπως τα φορτία απωθούν. Αν λοιπόν φέρετε ένα ηλεκτρόνιο κοντά σε ένα άλλο ηλεκτρόνιο, θα ξεδιπλώνονταν, ενώ αν φέρατε ένα ηλεκτρόνιο κοντά σε ένα πρωτόνιο, θα προσελκύονταν σε αυτό.
Ορισμός του στατικού ηλεκτρισμού
Στο πιο βασικό επίπεδο, ο στατικός ηλεκτρισμός αναφέρεται απλώς σε φορτία που δεν κινούνται. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά περισσότερα από αυτό! Το βασικό πράγμα για τον στατικό ηλεκτρισμό είναι ότι συμβαίνει όταν υπάρχει ανισορροπία φόρτισης και αυτή η ανισορροπία δημιουργεί ουσιαστικάηλεκτρικό δυναμικό, που σημαίνει ότι υπάρχει πιθανότητα ροής ηλεκτρικού ρεύματος (για εξισορρόπηση του φορτίου) λόγω των θέσεων των σωματιδίων που φέρουν φορτίο.
Στα άτομα, και κατ 'επέκταση τα περισσότερα καθημερινά αντικείμενα, υπάρχει μια ισορροπία μεταξύ του θετικού και του αρνητικού φορτίζει (δηλαδή μεταξύ των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων), οπότε είναι ηλεκτρικά ουδέτερα όταν θεωρούνται όλα μαζί.
Αν λοιπόν φέρνατε ένα άτομο κοντά στο άλλο, δεν θα υπήρχε ηλεκτρική δύναμη μεταξύ τους γιατί όλα των θετικών χρεώσεων εξισορροπούνται από αρνητικές χρεώσεις, οπότε δεν υπάρχει καθαρή χρέωση για τη δημιουργία α δύναμη.
Ενώ είναι πραγματικά λίγο πιο περίπλοκο από αυτό (επειδή τα ηλεκτρόνια κινούνται πάντα, έτσι δεν το κάνουνπάνταμπλοκάρετε το θετικό φορτίο από τα πρωτόνια), αυτή η ουδέτερη κατάσταση δημιουργεί μια σαφή αντίθεση με αυτό που συμβαίνει όταν υπάρχει συσσώρευση στατικού φορτίου.
Στην ουσία, όταν ένα αντικείμενο (όπως τα μαλλιά σας μετά το τρίψιμο ενός μπαλονιού) κερδίζει υπερβολικό ή έλλειμμα φόρτισης (τόσο περισσότερο ή λιγότερα ηλεκτρόνια από ό, τι στην κανονική του κατάσταση), τότε δεν είναι πλέον ουδέτερο και μπορεί να παράγει αυτό που ονομάζετε στατικό ηλεκτρική ενέργεια. Σε αντίθεση, η συνηθισμένη ηλεκτρική ενέργεια είναισυνεχής κίνησηφόρτισης (με τη μορφή ηλεκτρονίων σε ηλεκτρικό ρεύμα), ενώ ο στατικός ηλεκτρισμός δεν περιλαμβάνει κίνησημέχριοι χρεώσεις ισορροπούν ο ένας τον άλλον - και πιθανώς σας δίνουν ένα απότομο zap στη διαδικασία!
Πώς λειτουργεί ο στατικός ηλεκτρισμός
Ο στατικός ηλεκτρισμός εξαρτάται ουσιαστικά από μια ανισορροπία μεταξύ θετικών και αρνητικών φορτίων, αλλά στην πραγματικότητα μόνο τα ηλεκτρόνια κινούνται για να δημιουργήσουν αυτήν την ανισορροπία.
Σε ένα άτομο, τα πρωτόνια είναι στενά συνδεδεμένα στον πυρήνα (μαζί με τα νετρόνια) και τα δύο αυτά είναι πολύ βαρύτερο από τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια που παραμένουν σε ένα "σύννεφο" γύρω από το εξωτερικό του πυρήνας.
Επειδή αυτά τα ελαφρύτερα σωματίδια βρίσκονται στο εξωτερικό, όταν ένα αντικείμενο έρχεται σε επαφή με ένα άλλο είναι το ηλεκτρόνια που μπορούν να μεταφερθούν μεταξύ τους και το τρίψιμό τους αυξάνει το ρυθμό φόρτισης συσσώρευση. Έτσι, εάν ένα αντικείμενο παίρνει επιπλέον ηλεκτρόνια, φορτίζεται αρνητικά, ενώ αν χάσει ηλεκτρόνια, φορτίζεται θετικά.
Τα μονωτικά υλικά διατηρούν καλά ένα στατικό φορτίο, ενώ ένας καλός αγωγός διατηρεί μόνο ένα στατικό φορτίο σε ορισμένες περιπτώσεις. Ένας αγωγός που δίνει επιπλέον ηλεκτρόνια δεν έχει στατικό φορτίο επειδή τα ηλεκτρόνια μπορούν να ρέουν ελεύθερα σε όλο το υλικό (που είναι ο ορισμός ενός καλού αγωγού).
Έτσι, κάθε συσσώρευση φόρτισης εξαφανίζεται πολύ γρήγορα για να δημιουργήσει αξιοσημείωτο στατικό ηλεκτρισμό και μπορεί να μεταφερθεί σε άλλα αντικείμενα, εκτός εάν είναι πλήρως μονωμένο από το υπόλοιπο περιβάλλον. Επειδή το ρεύμα δεν μπορεί να ρέει σε μονωτή, η στατική συσσώρευση δημιουργεί γρήγορα μια αξιοσημείωτη ανισορροπία φόρτισης και έτσι παράγει στατικό ηλεκτρισμό.
Επειδή όπως οι χρεώσεις απωθούν και οι αντίθετες χρεώσεις προσελκύουν, όταν κάτι έχει στατική φόρτιση, θα κολλήσει σε αντίθετα φορτισμένα αντικείμενα και μπορεί επίσης μερικές φορέςπολώάτομα σε ένα κατά τα άλλα ουδέτερο αντικείμενο και κολλήστε σε αυτό - με τον τρόπο που ένα μπαλόνι κολλάει σε έναν τοίχο αφού το τρίψετε στο κεφάλι σας.
Εάν η συσσώρευση φόρτισης είναι αρκετά μεγάλη και επιτυγχάνεται σχετικά υψηλή τάση μεταξύ των δύο επιφανειών ή αντικειμένων, η φόρτιση μπορεί να μεταπηδά από το ένα αντικείμενο στο άλλο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μπορείτε να πάρετε ένα ζάπ από το στατικό σοκ εάν τρίψετε τα πόδια σας στο πάτωμα και μετά αγγίξετε ένα πόμολο.
Παραδείγματα στατικού ηλεκτρισμού
Υπάρχουν πολλά παραδείγματα στατικού ηλεκτρισμού που θα συναντήσετε στην καθημερινή ζωή, ακόμα κι αν δεν σκέφτεστε απαραίτητα για το ρόλο που παίζει η στατική φόρτιση στη λειτουργία τους.
Ένα ιδιαίτερα κοινό παράδειγμα είναι η στατική προσκόλληση στα ρούχα, ειδικά μετά τη χρήση του στεγνωτηρίου, η οποία διατηρεί τις ιδανικές συνθήκες για να αναπτυχθεί στατικός ηλεκτρισμός, και περιλαμβάνει επίσης ρούχα που τρίβονται το ένα με το άλλο και ενδεχομένως να πάρει επιπλέον ηλεκτρόνια στο τρόπος. Το στατικό σοκ από ρούχα που φορτίζονται με αυτόν τον τρόπο τείνει να είναι αρκετά μικρό, αλλά σίγουρα θα το παρατηρήσετε όταν το παίρνετε!
Τα φωτοτυπικά μηχανήματα είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα για το πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί σωστά ο στατικός ηλεκτρισμός. Το έντονο φως που σαρώνει το έγγραφο δημιουργεί μια ηλεκτρική «σκιά» της εικόνας σε μια φωτοαγωγική (δηλ. ευαίσθητο στο φως) ιμάντα, και καθώς ο ιμάντας περιστρέφεται, παίρνει αρνητικά φορτισμένα σωματίδια γραφίτη λόγω στατικού χρέωση.
Κάτω από αυτό, μια άλλη ζώνη φέρνει ένα φύλλο χαρτιού γύρω του, δίνοντάς του μια ισχυρή θετική στατική φόρτιση στη διαδικασία. Όταν τα αρνητικά φορτία από τον τόνερ πληρούν τις θετικές χρεώσεις στο χαρτί, ο γραφίτης αποτυπώνει πάνω στο κομμάτι χαρτί, με το ίδιο μοτίβο με τη σκιά που πήρε το φωτοαγωγό ζώνη.
Ένα άλλο παράδειγμα θα πρέπει να σας οδηγήσει πίσω σε μια τάξη φυσικής στο σχολείο: Η γεννήτρια Van de Graaff και η κλασική επίδειξη όπου κάποιος αγγίζει τη σφαίρα έχει τη στάση των μαλλιών του στο τέλος. Η γεννήτρια λειτουργεί με βάση την κίνηση στατικών ηλεκτρικών φορτίων, με έναν κινούμενο ιμάντα να τρέχει μέχρι το μήκος της συσκευής και δύο μεταλλικές «χτένες» για τον έλεγχο του στατικού φορτίου.
Μια θετικά φορτισμένη χτένα στο κάτω μέρος (συνδεδεμένη με παροχή ηλεκτρικού ρεύματος) αντλεί ηλεκτρόνια από τη ζώνη, αφήνοντάς την με καθαρή θετική φόρτιση, και αυτή η χρέωση παραλαμβάνεται από μια χτένα στην κορυφή, η οποία απλώνεται στον μεγάλο θόλο στο μπλουζα. Εάν αγγίξετε τον θόλο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης, μεμονωμένα σκέλη των μαλλιών σας παίρνουν ταιριαστά φορτία και απωθούν το ένα το άλλο, κάνοντάς το να σταθεί στο τέλος!
Πείραμα Kite του Benjamin Franklin
Οι κεραυνοί είναι μια πολύ δραματική απόδειξη της ισχύος του στατικού ηλεκτρισμού, και ο Μπέντζαμιν Φράνκλιν το απέδειξε μία από τις πιο γνωστές επιστημονικές επιδείξεις όλων των εποχών, δένοντας ένα κλειδί σε μια υγρή χορδή χαρταετού κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας.
Ενώ είναι ένας μύθος ότι ο χαρταετός χτυπήθηκε πραγματικά από ένα κεραυνό (αυτό πιθανότατα θα σκότωνε τον Φράνκλιν), το ηλεκτρικό πεδίο από το η καταιγίδα πήρε τη σειρά, η οποία - όπως και η κλασική επίδειξη της γεννήτριας Van de Graaff - έκανε τα σκέλη του νήματος τέλος. Τέλος, ο Φράνκλιν άγγιξε το κλειδί και ένιωσε το αίσθημα του στατικού σοκ, αποδεικνύοντας σαφώς τη σχέση μεταξύ ηλεκτρικής ενέργειας και κεραυνού.
Φυσικά, οι επιστήμονες έχουν συμπληρώσει πολλές περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τη διαδικασία από τις ημέρες του Μπέντζαμιν Φράνκλιν. Όπως τα ρούχα που τρίβονται το ένα στο άλλο στο στεγνωτήριο ή ένα μπαλόνι που τρίβει στα μαλλιά σας, το στατικό φορτίο που δημιουργεί αστραπές προέρχεται από τριβή και από κρύσταλλα πάγου σε κρύο αέρα που συναντούν σταγονίδια νερού από ζεστό αέρα μάζα.
Η φόρτιση συσσωρεύεται σε διαφορετικά μέρη στο σύννεφο και όταν υπάρχει μια αρκετά υψηλή διαφορά στο ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ αυτών των θέσεων (δηλ. μια αρκετά υψηλή τάση), απελευθερώνεται με τη μορφή a κεραυνός. Αυτό συμβαίνει συνήθωςστα πλαίσιασύννεφα ή μεταξύ δύο σύννεφων, αλλά περιστασιακά το μπουλόνι θα χτυπήσει το έδαφος.
Η Σειρά Triboelectric
Η συσσώρευση στατικού φορτίου που προκαλείται από τριβή και τρίψιμο ονομάζεται τεχνικά το τριβοηλεκτρικό αποτέλεσμα, και με βάση αυτό το άρθρο γνωρίζετε ήδη τις λεπτομέρειες για το τι προκαλεί αυτό και πως δουλεύει. Τα αντικείμενα που έρχονται σε επαφή μεταξύ τους οδηγούν σε ένα από αυτά να πάρει επιπλέον ηλεκτρόνια (όλα φέρει αρνητικά φορτία) και το άλλο αναπτύσσει έλλειμμα ηλεκτρονίων και συνεπώς θετικό δίχτυ χρέωση.
Ωστόσο, ο βαθμός στον οποίο διαφορετικά υλικά λαμβάνουν αρνητικό φορτίο ή χάνουν ηλεκτρόνια και αποκτούν θετικό φορτίο ποικίλλει ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του υλικού. Ενώ οι μονωτές είναι γενικά καλύτεροι στη λήψη στατικής φόρτισης, διαφορετικοί μονωτές το παίρνουν σε διαφορετικές τιμές.
Για παράδειγμα, οι περισσότεροι τύποι καουτσούκ, και ιδίως το Teflon, παίρνουν ηλεκτρόνια πολύ εύκολα και ως εκ τούτου είναι ιδανικοί για επιδείξεις και κομμάτια τεχνολογίας που εξαρτώνται από τον στατικό ηλεκτρισμό. Τα υλικά διαφέρουν ανάλογα με την «ηλεκτροναγνητικότητα» τους, που ουσιαστικά σημαίνει τη συγγένεια των ηλεκτρονίων τους ή την τάση τους να τα παίρνουν από άλλα αντικείμενα.
Η τριβοηλεκτρική σειρά τακτοποιεί διαφορετικά υλικά με βάση την ικανότητά τους να λαμβάνουν θετικό ή αρνητικό στατικό φορτίο. Τα αντικείμενα που τοποθετούνται στην κορυφή των τριβοηλεκτρικών σειρών είναι επιρρεπείς σε μια θετική φόρτιση, ενώ αυτά στο κάτω μέρος είναι πιο πιθανό να κερδίσουν ηλεκτρόνια και να πάρουν αρνητικό φορτίο ως αποτέλεσμα. Όσο μεγαλύτερος είναι ο διαχωρισμός μεταξύ δύο αντικειμένων στην τριβοηλεκτρική σειρά, τόσο περισσότερο το τρίψιμο μεταξύ τους θα δημιουργήσει ένα στατικό φορτίο και στα δύο.
Οι κίνδυνοι της στατικής ηλεκτρικής ενέργειας
Ενώ οι περισσότερες από τις επιδείξεις στατικού ηλεκτρισμού είναι διασκεδαστικές οθόνες ή μικρές περιέργειες που εσείς συναντήσετε στην καθημερινή ζωή, είναι σημαντικό να θυμάστε ότι η ανεπιθύμητη στατική φόρτιση μπορεί να έχει σοβαρή συνέπειες.
Για παράδειγμα, ένα μόνο σπινθήρα από στατικό ηλεκτρισμό μπορεί να αναφλέξει εύφλεκτα υγρά ή αέρια και ενδεχομένως να οδηγήσει σε έκρηξη. Η στατική συσσώρευση από την ολίσθηση στο κάθισμα του αυτοκινήτου σας θα μπορούσε ενδεχομένως να προκαλέσει πρόβλημα όταν το κάνει έρχεται να ξαναγεμίσει το αέριο σας, και έτσι πρέπει πάντα να αγγίζετε το μεταλλικό μέρος του αυτοκινήτου πριν το γεμίσετε πάνω.
Φυσικά,πλέοναπό καιρό ο στατικός ηλεκτρισμός είναι πραγματικά ένα ενδιαφέρον φαινόμενο, αλλά η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της μπορεί να σας βοηθήσει να αποφύγετε την καταστροφή σε ορισμένες περιπτώσεις.
