Useimmat lapset oppivat triboelektrinen vaikutus hyvin ennen kuin he tutustuvat termiin. Jos olet koskaan hieronut ilmapalloa hiuksiisi ja nähnyt staattinen sähkö - vetämällä hiuksiasi kohti ilmapalloa ja olet mahdollisesti riittävän vahva tarttamaan ilmapallo päähän - ymmärrät triboelektrisen vaikutuksen perusteet.
Se on pohjimmiltaan eräänlainen "kontaktisähköistys", jossa sähkövaraus elektronien muodossa liikkuu objektista toiseen, mikä johtaa negatiivisen varauksen kertymiseen yhteen esineeseen ja alijäämään muut. Kumipallo ja hiukset ovat vain kaksi esimerkkiä esineistä, jotka osoittavat tämän melko yleisen ilmiön.
Oppia yksityiskohtia triboelektrisestä vaikutuksesta, miten se toimii, mikä aiheuttaa sen ja mitä voit selvittää triboelektrinen sarja auttaa sinua ymmärtämään ja ennustamaan, mitä tapahtuu tilanteissa, joihin liittyy sähkön siirto veloittaa.
Mikä on triboelektrinen vaikutus?
Triboelektrinen vaikutus on ollut ihmisten tiedossa ainakin 600 eaa., Jolloin kreikkalainen Thales filosofi huomasi, että voit hieroa meripihkaa ja saada sen houkuttelemaan nukkaa, paperia ja muita pieniä, kevyitä esineitä. Termi triboelektrinen vaikutus tulee kreikan kielestä "hankaus" ja "keltainen" tämän vaikutuksen löytämisen historian vuoksi. Tietysti tiedemiehet ymmärtävät nykyään paljon paremmin triboelektrisen vaikutuksen syyt ja yleisesti sähkövarauksen luonteen.
Triboelektristä vaikutusta kutsutaan kontaktisähköistykseksi, koska se on esineiden prosessi, joka saa kosketuksen - varsinkin hankaa kutakin jokin muu, kuten kumipallo vasten hiuksia tai jalkoja maton poikki, johtaa pintavarauksen muodostumiseen, joka luo vaikutus.
Sähkövaraus - elektronien muodossa, atomien negatiivisia varauksia kantavia komponentteja - siirtyy esineestä toiseen hankausprosessin aikana. Suoritettava varauksen siirto tarkoittaa, että yksi esine saa elektronit ja siten negatiivisen negatiivisen varauksen, kun taas toinen menettää elektroneja ja pääsee siten positiiviseen nettovaraukseen.
Tämä elektronien kertyminen jättää nettovarauksen molemmille esineille, ja tästä eteenpäin ne käyttäytyvät kuten kaikki kaksi varautunutta esineet: Kuten varaukset karkottavat toisiaan, ja toisin kuin varaukset (kuten kaksi, joita käytetään vaikutuksen luomiseen) houkuttelevat yhtä toinen. Se, missä määrin tämä tapahtuu, riippuu itse materiaaleista ja lopulta kunkin esineen kokonaismaksusta hankauksen jälkeen.
Triboelectric Effectin syyt
Viime kädessä triboelektrisen ilmiön aiheuttaa kitka: Kun yhtä materiaalia hierotaan toisessa, elektronit "riisutaan" tehokkaasti yhdestä esineestä, ja toisessa loppuu runsaasti sähköä veloittaa.
Kuitenkin, jotta ymmärrät ilmiön ja sen syyt todella, sinun on mietittävä atomien rakennetta. Pieni, tiheästi pakattu ydin sisältää positiivisesti varautuneita protoneja ja varauksettomia neutroneja, joissa on a "Pilvi" negatiivisesti varautuneista elektronista sen ympärillä, yleensä tasapainottaen positiivisen varauksen ydin. Kitka johtaa varauksen siirtoon, jolloin osa negatiivisesti varautuneista elektroneista saadaan yhdestä materiaalista.
Asteelle, johon materiaali ottaa elektroneja toisesta materiaalista, kutsutaan sitä elektroni-affiniteetti tai latauksen affiniteetti. Jos yhden materiaalin atomeilla on suurempi elektroniaffiniteetti kuin toisella materiaalilla, niin sillä on taipumus ota elektronit (ja siten muodostavat negatiivisen varauksen) toisesta materiaalista (jolla on sitten elektronivaje ja joka kehittää positiivisen nettovarauksen). Kumipallon, hiusten, jalkojen, maton, meripihkan ja kankaan lisäksi toisen klassisen esimerkin ilmiöstä ovat teflon ja kanin turkki.
Lyhyesti sanottuna triboelektristen materiaalien näyttöerot eroavat eri materiaaleille niiden spesifisen elektronin tai varauksen affiniteetin seurauksena. Siksi tutkijat ovat luoneet luettelon materiaaleista, jotka on järjestetty niiden taipumuksen mukaan saada tai menettää elektroneja, nimeltään triboelektrinen sarja.
Triboelectric -sarja
Triboelektrinen sarja on luettelo esineistä, jotka on järjestetty niiden taipumuksen mukaan saada positiivinen nettovaraus tai negatiivinen negatiivinen varaus, kun ne joutuvat kosketuksiin toistensa kanssa.
Triboelektrisen sarjan yläosaa kohti olevat materiaalit luopuvat todennäköisemmin elektroneista kosketuksessa (ja kehittyvät positiivinen nettovaraus), ja pohjaa kohti olevat materiaalit saavat todennäköisemmin elektroneja (ja niin negatiivisia) lataus).
Ihanteellisissa olosuhteissa - jos kaikki on kuivaa - triboelektriseen sarjaan korkeammalle sijoitetut esineet pyrkivät luovuttaa elektroneja luettelon alapuolella oleviin kohteisiin, ja ne latautuvat positiivisesti. Mitä enemmän etäisyyttä kahden eri materiaalin välillä on triboelektrisissä sarjoissa, sitä suurempi on triboelektrinen vaikutus, kun ne hierotaan yhteen.
Triboelectric -sarjakaavio
Löydät upean esimerkin triboelektrisestä sarjakaaviosta tässä, joka perustui Bill Lee: n tekemiin testeihin AlphaLab, inc. Tässä taulukossa on tietoja materiaalien testaamisesta ja mittausten rajoituksista.
Taulukon arvot ovat nC / J: ssä, joka tarkoittaa nanokulombeja joulea kohti, Coulombin ollessa standardi varausyksikkö, ja Jouleina on kitkaan liittyvän energian yksikkö. Positiivinen tai negatiivinen merkki edustaa niiden todennäköisyyttä poimia positiiviset tai negatiiviset varaukset.
Joten esimerkiksi lateksikumi kerää 105 nC varauksen hankausprosessiin investoitua joulea kohti energiaa, ja miinusmerkki kertoo, että se nostaa negatiivisen negatiivisen varauksen. Toisaalta kuivan ihon arvo on +30 nC / J, mikä tarkoittaa, että se menettää elektroneja, joten lopputuloksena on positiivinen varaus 30 nC energiajoulea kohti, joka menee hankausprosessiin.
Lopuksi huomaat, että suurin osa luettelossa olevista materiaaleista (esimerkiksi silikonikumi ja PVC) ovat eristimiä, joten ne eivät voi kuljettaa sähkövirtaa normaalitilanteissa. Tämä on tärkeä muistutus siitä, että triboelektrinen sähkö toimii täysin eri tavalla kuin tavallinen sähkö, ja yleensä eristimet ovat paremmin kuin johtimet pitämään tällaista staattista varausta.
Van De Graaff -generaattorit
Van de Graaff -generaattorit ovat tunnettu laite, joka käyttää triboelektristä vaikutusta tuottaa kertymän tai varauksen, jonka voit mitata potentiaalisena erona a-arvon avulla voltimittari.
Useimmissa Van de Graaff -generaattoreissa kumivyötä hierotaan pohjassa olevaa metallista "kammaa" vasten, joka vetää elektroneja hihnasta ja jättää positiivisen nettovarauksen. Tämä nostetaan sitten vastaavalla kammalla ylhäältä, jotta varaus levitetään generaattorin yläosassa olevaan metallikupoliin.
Tietysti elektronit ovat liikkuvia varauksen kantajia, joten vyö menettää elektroneja pohjassa ja sitten nousee elektronit kampasta ja kupolista ylhäältä, jättäen heille elektronivaje ja siten nettopositiivinen veloittaa.
Tämän prosessin aiheuttama valtava potentiaaliero voi ylittää 100000 volttia, ja sitä käytetään usein klassisessa luokkahuoneen näytössä, jossa jonkun, joka on kosketuksessa generaattorin kanssa, hiukset seisovat loppuun. Tämä johtuu siitä, että hiusnauhat saavat kaikki vastaavan (positiivisen) varauksen ja alkavat sen vuoksi torjua toisiaan.