Triboelektriline efekt ja seeria: määratlus, põhjused (materjalide tabeliga)

Enamik lapsi õpib triboelektriline efekt tublisti enne, kui nad mõistega tuttavaks saavad. Kui olete kunagi oma õhupalli juustele hõõrunud ja selle mõju näinud staatiline elekter - tõmmates juukseid õhupalli poole ja olles potentsiaalselt piisavalt tugev, et õhupalli pea külge kleepida - siis mõistate triboelektrilise efekti põhitõdesid.

Põhimõtteliselt on see „kontaktelektrifitseerimise” vorm, kus elektrilaeng elektroni kujul liigub ühelt objektilt teisele, mis toob kaasa negatiivse laengu kogunemise ühele objektile ja defitsiidi muud. Kummist õhupall ja inimese juuksed on vaid kaks näidet objektidest, mis näitavad seda üsna tavalist nähtust.

Õppides üksikasju triboelektrilise efekti kohta, kuidas see töötab, mis seda põhjustab ja mida saate teada saada triboelektriline seeria aitab teil mõista ja ennustada, mis juhtub olukordades, mis hõlmavad elektrienergia ülekannet tasuta.

Triboelektriline efekt on inimestele teada olnud vähemalt 600 eKr, kui kreeklane Thales filosoof leidis, et võite merevaiku hõõruda ja muuta see kohevaks, paberiks ja muuks väikeseks, kergeks objektid. Mõiste triboelektriline efekt tuleneb kreeka keelest „hõõrumisest“ ja „merevaigust“, seda mõju avastamise ajaloo tõttu. Muidugi mõistavad teadlased tänapäeval palju paremini triboelektrilise efekti põhjuseid ja elektrilaengu olemust üldiselt.

Triboelektrilist efekti nimetatakse kontakti elektrifitseerimiseks, kuna see on objektide kontaktide loomise protsess - eriti hõõrudes igaühte vastu muu, näiteks kummist õhupall vastu juukseid või jalgu üle vaiba, mis viib pinnalaengu moodustumiseni, mis tekitab mõju.

Elektrilaeng - elektronide kujul, aatomite negatiivseid laengut kandvaid komponente - kandub hõõrumisprotsessi käigus ühelt objektilt teisele. Toimuv laenguülekanne tähendab, et üks objekt saab elektrone ja seeläbi negatiivse netolaengu, teine ​​aga kaotab elektronid ja lõpeb seetõttu positiivse netolaenguga.

See elektronide kogunemine jätab mõlemale objektile netolaengu ja alates sellest hetkest käituvad nad nagu kõik kaks laetud objektid: sarnaselt laengud tõrjuvad üksteist ja erinevalt laengud (nagu need, mida kasutatakse efekti loomiseks) meelitavad ühte teine. Kui palju see juhtub, sõltub materjalidest endast ja lõppkokkuvõttes iga objekti koguhulk pärast hõõrdumist.

Lõppkokkuvõttes põhjustab triboelektri nähtuse hõõrdumine: kui ühte materjali hõõrutakse teine ​​- eemaldatakse elektronid ühelt objektilt tõhusalt ja teine ​​jõuab elektriarvudeni tasuta.

Nähtuse ja selle põhjustajate tõeliseks mõistmiseks peate siiski mõtlema aatomite struktuurile. Väike, tihedalt pakitud tuum sisaldab positiivselt laetud prootoneid ja laenguvabu neutrone, koos a Selle ümber paiknev negatiivselt laetud elektronide „pilv”, mis tavaliselt tasakaalustab positiivse laengu tuum. Hõõrdumine viib laengu ülekandeni, võttes ühest materjalist osa negatiivselt laetud elektronidest.

Seda, mil määral materjal teisest materjalist elektrone võtab, nimetatakse selleks elektronide afiinsus või laengu afiinsus. Kui ühe materjali aatomitel on suurem elektroni afiinsus kui teisel materjalil, siis see kipub võtma elektronid (ja seeläbi kogunevad negatiivne laeng) teisest materjalist (millel on siis elektronide defitsiit ja mis arendab positiivse netolaengu). Lisaks kummist õhupallile ja inimese juustele, jalgadele, vaibale ja merevaigule ning riidele pakuvad selle nähtuse veel ühe klassikalise näite teflon ja küüliku karusnahk.

Lühidalt, triboelektriliste materjalide hulk erineb erinevate materjalide puhul nende konkreetse elektroni või laengu afiinsuse tõttu. Seetõttu on teadlased loonud materjalide loetelu, mis on järjestatud nende kalduvuse järgi elektrone omandada või kaotada, mida nimetatakse triboelektrilisteks seeriateks.

Triboelektriline seeria on loetelu objektidest, mis on järjestatud nende kalduvuse järgi saada positiivne netolaeng või negatiivne netolaeng üksteisega kokkupuutel.

Triboelektrilise seeria ülaosas olevad materjalid loobuvad kokkupuutel (ja arenevad) tõenäolisemalt elektronidest positiivne netolaeng) ja põhja poole jäävad materjalid saavad elektrone suurema tõenäosusega (ja nii negatiivsed) tasuta).

Ideaalsetes tingimustes - kui kõik on kuiv - kipuvad triboelektriliste seeriatesse kõrgemale paigutatud objektid alla andma elektronid loendis veelgi allpool asuvatele üksustele ja need laetakse positiivselt. Mida suurem on triboelektriliste seeriate kahe erineva materjali vaheline kaugus, seda suurem on triboelektriline efekt, kui need kokku hõõrutakse.

Siit leiate suurepärase näite triboelektrilise seeria diagrammist siin, mis põhines Bill Lee poolt AlphaLab, inc. Selles tabelis on toodud üksikasjad materjalide testimise kohta ja mõõtmiste piirangud.

Tabelis olevad väärtused on esitatud nC / J-des, mis tähistab nanokulombe joule kohta, kusjuures standardlaenguühik on Coulomb ja hõõrdumisega seotud energiaühik on Joule. Positiivne või negatiivne märk tähistab nende tõenäosust vastavalt positiivsete või negatiivsete laengute kogumiseks.

Nii võtab latekskumm näiteks 105 nC laengu hõõrdumisprotsessi investeeritud joule energia kohta ja miinusmärk ütleb teile, et see kogub negatiivse netolaengu. Teiselt poolt on kuiva naha väärtus +30 nC / J, see tähendab, et see kaotab elektrone, nii et selle positiivne laeng on 30 nC joule energia kohta, mis läheb hõõrumisprotsessi.

Lõpuks märkite, et enamik loendis olevatest erinevatest materjalidest (näiteks silikoonkummist ja PVC-st) on isolaatorid, seega ei saa nad tavaolukorras elektrivoolu kanda. See on oluline meeldetuletus, et triboelekter töötab täiesti erinevalt kui tavaline elekter ja üldiselt isolaatorid seda teevad parem kui dirigendid seda tüüpi staatilise laengu hoidmisel.

Van de Graaffi generaatorid on tuntud seade, mis kasutab triboelektrilist efekti selleks, et luua kogunemist või laopinda, mida saate mõõta potentsiaalse erinevusena a abil voltmeeter.

Enamikus Van de Graaffi generaatoritest hõõrutakse kummivöö vastu allosas olevat metallilist “kammi”, mis tõmbab vööst elektronid ja jätab selle positiivse positiivse laenguga. Seejärel korjatakse see ülalt sobiva kammiga, et laeng levitada generaatori ülaosas olevale metallkuplile.

Muidugi on elektronid mobiilsed laengukandjad, nii et vöö kaotab põhjas olevad elektronid ja võtab siis kätte elektronid kammi ja kupli ülaosast, jättes neile elektronide defitsiidi ja seega positiivse netovõrgu tasuta.

Selle protsessi tekitatud tohutu potentsiaalide erinevus võib ületada 100 000 volti ja seda kasutatakse sageli klassikalises klassiruumis, kus kellelgi generaatoriga kokku puutunud inimesel on juuksed püsti lõpp. Selle põhjuseks on asjaolu, et kõik juuksekarvad saavad kokku sobiva (positiivse) laengu ja hakkavad seetõttu üksteist tõrjuma.