Staatiline elekter: määratlus, kuidas see töötab, faktid (koos näidetega)

Elektrilaeng on teie ümber, kuid märkate seda tõepoolest vaid harvadel juhtudel, näiteks kui juuksed pärast püsti tõusevad võtate mütsi maha või kui pärast jalgade piki hõõrumist sirutate käe midagi puudutama, saate terava lõhe vaip.

Need kaks nähtust on näitedstaatiline elekter, millest said tõenäoliselt teada juba lapsena. Kuid kuidas staatiline laeng teie juuksed püsti ajab ja miks see võib teile staatilise šoki anda?

Mis tegelikult toimub aatomi tasandil, mis neid universaalseid kogemusi tekitab? Staatilise elektri üksikasjade õppimine annab teile selle aine põnevast omadusest palju üksikasjalikuma ülevaate.

Elektrilaeng on aine põhiomadus. See on jagatud positiivseteks ja negatiivseteks laenguteks ja kuigi mõned osakesed on elektriliselt neutraalsed - näiteks neutron - koosnevad need tegelikult veelgi fundamentaalsematest osakesed, mistegemakandma elektrilaengut.

Kaks kõige olulisemat laetud osakest, millest staatilise elektri tundmaõppimisel teada saada, on aatomi kaks peamist komponenti: prootonid ja elektronid.

Prootonid on positiivselt laetud, laenguga +e, samal ajal kui elektronid on negatiivselt laetud -e, kuse​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C tähistab siinkulombid, mis on elektrilaengu SI ühik. 10⁻¹⁹ ütleb, et laetud osakestel onväga väikelaengu väärtused võrreldes ühe kulomiga - kaks vaid 1 C laengut, mis on eraldatud meetriga, tekitaks suurema jõu kui raketi Saturn V tõukejõu tõukejõud!

Elektrilaengu toimimise põhireegel on see, et vastupidised laengud meelitavad ja sarnased laengud tõrjuvad. Nii et kui tooksite elektroni teise elektroni lähedale, suruksid nad ennast üksteisest lahku, kui aga tuua elektron prootoni lähedale, siis see tõmbaks teda.

Kõige põhilisemal tasemel viitab staatiline elekter lihtsalt tasudele, mis ei liigu. Selles on siiski palju enamat! Staatilise elektri puhul on peamine see, et see tekib laengu tasakaalustamatuse korral ja see tasakaalutus sisuliselt tekitabelektriline potentsiaal, mis tähendab, et elektrivoolu liikumine (laengu tasakaalustamiseks) on laengut kandvate osakeste asendi tõttu potentsiaalne.

Aatomites ja enamikus igapäevastes esemetes on tasakaal positiivse ja negatiivse vahel laengud (s.t prootonite ja elektronide vahel), seega on need kõik elektriliselt neutraalsed koos.

Nii et kui tooksite ühe aatomi teise lähedale, ei oleks nende vahel elektrilist jõudu, sest kõik positiivsetest laengutest tasakaalustatakse negatiivsete laengutega, seega a genereerimiseks pole netolaengut jõud.

Kuigi see on tõesti natuke keerulisem kui see (kuna elektronid liiguvad alati, nii et nad ei liigualatiblokeerivad prootonite positiivse laengu), loob see neutraalne olukord selge kontrasti sellega, mis juhtub staatilise laengu kuhjumisel.

Sisuliselt, kui objektil (nagu teie juuksed pärast õhupalliga hõõrumist) tekib ülejääk või defitsiit (nii rohkem või vähem elektrone kui tavalises olekus), siis pole see enam neutraalne ja suudab tekitada staatiliseks nimetatava elekter. Seevastu tavaline elekter on apidev liikumine(elektrivoolus olevate elektronide kujul), samas kui staatiline elekter ei hõlma liikumistaastanilaengud tasakaalustavad üksteist - ja annavad teile selle käigus terava lõhe!

Staatiline elekter sõltub põhimõtteliselt positiivsete ja negatiivsete laengute tasakaalustamatusest, kuid tegelikult liiguvad selle tasakaaluhäire tekitamiseks ainult elektronid.

Aatomis on prootonid tuumas tihedalt seotud (koos neutronitega) ja mõlemad on tunduvalt raskemad kui negatiivselt laetud elektronid, mis jäävad „pilve” ümber selle väliskülje tuum.

Kuna need kergemad osakesed on välisküljel, siis kui üks objekt puutub teisega kokku, on see elektronid, mis võivad nende vahel üle kanduda, ja nende kokku hõõrumine suurendab laengu kiirust üles ehitama. Nii et kui objekt võtab endale täiendavaid elektrone, laetakse see negatiivselt, samas kui elektronide kaotamisel laetakse positiivselt.

Isolatsioonimaterjalid hoiavad staatilist laengut hästi, samas kui hea juht säilitab staatilist laengut ainult teatud olukordades. Juht, kellele antakse täiendavaid elektrone, ei hoia staatilist laengut, kuna elektronid saavad kogu materjalis vabalt voolata (mis on hea juhi määratlus).

Seega hajub laengu kogunemine märgatava staatilise elektri tekitamiseks liiga kiiresti ja see võib kanduda teistesse objektidesse, kui see pole ülejäänud keskkonnast täielikult isoleeritud. Kuna vool ei saa isolaatoris voolata, tekitab staatiline kogunemine kiiresti märkimisväärse tasakaalu tasakaalustamatuse ja tekitab seeläbi staatilist elektrit.

Kuna nagu laengud tõrjuvad ja vastupidised laengud meelitavad, siis kui millelgi on staatiline laeng, jääb see vastupidiselt laetud esemete külge ja võib mõnikordpolariseerumaaatomid muidu neutraalses objektis ja hoia seda ka kinni - see, kuidas õhupall seina külge kleepub pärast seda, kui selle peaga hõõrud.

Kui laengu kogunemine on piisavalt suur ja kahe pinna või objekti vahel saavutatakse suhteliselt kõrge pinge, võib laeng hüpata ühelt objektilt teisele. Sellepärast võite staatilise šoki eest vabaneda, kui hõõrute jalgu üle põranda ja puudutate seejärel uksepooli.

Staatilise elektri kohta võib leida palju näiteid, mida saate igapäevaelus kohata, isegi kui te ei mõtle tingimata sellele, millist rolli staatiline laeng nende toimimisel mängib.

Üks eriti levinud näide on staatiline klammerdumine riietesse, eriti pärast kuivati ​​kasutamist, mis hoiab ideaalsed tingimused staatiline elekter areneda ja see hõlmab ka riideid üksteise vastu hõõrumist ja potentsiaalselt ekstra elektronide korjamist tee. Sellisel viisil laetud riiete staatiline šokk kipub olema üsna väike, kuid kindlasti märkate seda ikkagi, kui selle saate!

Koopiamasinad on suurepärane näide sellest, kuidas staatilist elektrit saab hästi kasutada. Hele valgus, mis skaneerib dokumenti, loob fotojuhtivale (st. valgustundlik) vöö ja rihma pöörlemisel võtab staatilise mõjuga üles negatiivselt laetud tooneriosakesed tasuta.

Selle all toob teine ​​vöö paberilehe ümber, andes sellele protsessis tugeva positiivse staatilise laengu. Kui tooneri negatiivsed laengud vastavad paberil olevale positiivsele laengule, prinditakse tooner sisse ise paberitükile, sama mustriga nagu fotojuhtivuse poolt üles võetud vari vöö.

Teine näide peaks viima teid tagasi kooli füüsikatundi: Van de Graaffi generaator ja klassikaline meeleavaldus, kus sfääri puudutaval inimesel on juuksed püsti. Generaator töötab staatiliste elektrilaengute liikumisel, liikuva rihma abil, mis kulgeb seadme pikkuses, ja kahe metallilise "kammiga" staatilise laengu juhtimiseks.

Altpoolt positiivselt laetud kamm (ühendatud elektrivarustusega) tõmbab vööst elektronid, jättes selle maha positiivse laenguga ja selle laengu võtab üles ülaosas olev kamm, mis laotab selle suurde kuplisse välja üles. Kui puudutate laadimise ajal kuplit, võtavad üksikud juuksekarvad kokku sobivad laengud ja tõrjuvad üksteist, muutes selle püsti!

Piksenooled on väga dramaatiline staatilise elektri jõu demonstreerimine ja Benjamin Franklin tõestas seda ka aastal üks kõigi aegade tuntumaid teaduslikke demonstratsioone, sidudes äikese ajal võtme märja lohe nöörile.

Kuigi see on müüt, et lohe tabas tegelikult välk (see oleks tõenäoliselt Franklini tapnud), tormi võttis üles nöör, mis pani sarnaselt klassikalisele Van de Graaffi generaatori demonstratsioonile nööride kiud seisma lõpp. Lõpuks puudutas Franklin klahvi ja tundis staatilise šoki häireid, näidates selgelt elektri ja välgu seost.

Muidugi on teadlased selle protsessi kohta palju üksikasju lisanud juba Benjamin Franklini päevilt. Sarnaselt riietega, mis hõõrduvad üksteise vastu kuivatis, või õhupall, mis hõõrub juukseid, staatiline laeng välku tekitav hõõrdumine ja külma õhu jääkristallid, mis kohtuvad sooja õhuga veepiiskadega mass.

Laeng koguneb pilve erinevates kohtades ja siis, kui pilves on piisavalt suur erinevus elektriline potentsiaal nende kohtade vahel (st piisavalt kõrge pinge), vabastatakse see a kujul pikse nool. See juhtub tavaliseltjooksulpilvede vahel või kahe pilve vahel, kuid aeg-ajalt lööb polt vastu maad.

Staatilise laengu kogunemist, mida põhjustab hõõrdumine ja hõõrumine, nimetatakse tehniliselt triboelektriline efekt ja selle artikli põhjal teate juba üksikasju, mis seda põhjustab ja kuidas see töötab. Teineteisega kokku puutuvad objektid viivad selleni, et üks neist korjab ekstra elektrone (kõik kandes negatiivseid laenguid) ja teisel tekib elektronide defitsiit ja seetõttu positiivne netovõrk tasuta.

Kuid see, mil määral erinevad materjalid võtavad üles negatiivse laengu või kaotavad elektronid ja saavad positiivse laengu, varieerub sõltuvalt materjali omadustest. Kui isolaatorid suudavad staatilist laengut tavaliselt paremini kätte saada, siis erinevad isolaatorid seda erineva kiirusega.

Näiteks võtab enamik kummitüüpe ja eriti teflon elektrone väga lihtsalt üles ja on sellisena suurepärane staatilisest elektrist sõltuvate demonstratsioonide ja tehnoloogiatükkide jaoks. Materjalid erinevad nende „elektronegatiivsuse” alusel, mis tähendab põhimõtteliselt nende elektronide afiinsust või kalduvust neid teistelt objektidelt korjata.

Triboelektriline seeria paneb erinevad materjalid korda, lähtudes nende võimest võtta vastu positiivne või negatiivne staatiline laeng. Triboelektrilise seeria ülaosasse paigutatud esemed on altid positiivse laengu kogumisele, samas kui põhjas olijad saavad elektrone suurema tõenäosusega ja võtavad negatiivse laengu üles kui a tulemus. Mida suurem on triboelektriliste seeriate kahe elemendi vahe, seda rohkem tekitab nende kokku hõõrumine staatilise laengu mõlemas.

Ehkki enamik staatilise elektri demonstratsioone on lõbusad väljapanekud või väiksemad kurioosumid, mida teie ise olete igapäevaelus, on oluline meeles pidada, et soovimatu staatiline laeng võib olla tõsine tagajärjed.

Näiteks võib staatilise elektrienergia üks säde süttida tuleohtlikke vedelikke või gaase ja põhjustada potentsiaalselt plahvatuse. Staatiline kogunemine üle turvatooli libisemisest võib selle tekitamisel isegi probleeme tekitada on vaja gaasi uuesti täita ja seega peaksite enne selle täitmist alati puudutama auto metallosa üles.

Muidugi,kõige rohkemstaatiline elekter on tegelikult lihtsalt huvitav nähtus, kuid selle toimimise mõistmine aitab teil mõnes olukorras katastroofi vältida.