Staattinen sähkö: Määritelmä, miten se toimii, tosiasiat (esimerkkeineen)

Sähkövaraus on kaikkialla ympärilläsi, mutta huomaat sen todella vain harvoissa tilanteissa, kuten silloin, kun hiuksesi seisoivat sen jälkeen otat hatun pois tai kun saat terävän aukon, kun ojennat koskettaa jotain sen jälkeen, kun hankaat jalkasi pitkin matto.

Nämä kaksi ilmiötä ovat esimerkkejästaattinen sähkö, josta olet todennäköisesti oppinut lapsena. Mutta kuinka staattinen varaus saa hiuksesi seisomaan ja miksi se voi aiheuttaa staattisen shokin?

Mitä itse asiassa tapahtuu atomitasolla, joka tuottaa nämä universaalit kokemukset? Staattisen sähkön yksityiskohtien oppiminen antaa sinulle paljon yksityiskohtaisemman käsityksen tästä kiehtovasta aineominaisuudesta.

Sähkövaraus on aineen perusominaisuus. Se on jaettu positiivisiksi varauksiksi ja negatiivisiksi varauksiksi, ja vaikka jotkut hiukkasetkin ovat sähköisesti neutraalit - kuten neutronit - nämä koostuvat itse asiassa vielä perustavanlaatuisemmista hiukkasia, jotkatehdäkuljettaa sähkövarausta.

Kaksi tärkeintä varautunutta hiukkaa, joista on tiedettävä, kun opit staattisesta sähköstä, ovat kaksi atomin pääkomponenttia: protonit ja elektronit.

Protonit ovat positiivisesti varautuneita + -varauksellae, kun taas elektronit ovat negatiivisesti varattu -e, missäe​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C tarkoittaa tässäcoulombs, joka on SI-yksikkö sähkövaraukselle. 10⁻¹⁹ kertoo, että varautuneilla hiukkasilla onhyvin pienilatausarvot verrattuna yhteen coulombiin - kaksi vain 1 C: n latausta metrillä erotettuna tuottaisi voiman, joka on suurempi kuin Saturn V -raketin laukaisuvoiman työntövoima!

Perussääntö sähkön varauksen toiminnalle on, että vastakkaiset varaukset houkuttelevat ja samanlaiset varaukset hylkivät. Joten jos tuot elektronin toisen elektronin lähelle, he työntävät itsensä erilleen, kun taas jos tuot elektronin lähellä protonia, se houkuttelee sitä.

Perustasolla staattinen sähkö viittaa vain maksuihin, jotka eivät liiku. Siinä on kuitenkin paljon enemmän! Staattisen sähkön keskeinen asia on, että se tapahtuu, kun varauksen epätasapaino on olemassa, ja tämä epätasapaino luo pohjimmiltaansähköpotentiaali, mikä tarkoittaa, että sähkövirta voi kulkea (varauksen tasapainottamiseksi uudelleen) varauksia kantavien hiukkasten sijainnin vuoksi.

Atomeissa ja laajemmin useimmissa arjen esineissä on tasapaino positiivisen ja negatiivisen välillä varaukset (eli protonien ja elektronien välillä), joten ne ovat sähköisesti neutraaleja, kun ne kaikki otetaan huomioon yhdessä.

Joten jos tuot yhden atomin lähelle toista, niiden välillä ei olisi sähkövoimaa, koska kaikki positiivisista varauksista tasapainotetaan negatiivisilla varauksilla, joten a: n tuottamiseen ei ole nettovarausta pakottaa.

Vaikka se on todella hieman monimutkaisempi kuin tämä (koska elektronit liikkuvat aina, joten eivätainaestää positiivisen varauksen protoneista), tämä neutraali tilanne luo selkeän kontrastin siihen, mitä tapahtuu, kun staattinen varaus muodostuu.

Pohjimmiltaan, kun esine (kuten hiuksesi sen jälkeen, kun hankaa palloa siihen) saa ylimääräisen tai alijäämäisen varauksen (niin enemmän tai vähemmän elektroneja kuin tavallisessa tilassaan), se ei ole enää neutraali ja voi tuottaa staattiseksi sähköä. Sitä vastoin tavallinen sähkö on ajatkuva liikestaattinen sähkö ei sisällä liikettäsiihen asti kunlataukset tasapainottavat toisiaan - ja mahdollisesti antavat sinulle terävän zap-prosessin!

Staattinen sähkö riippuu olennaisesti epätasapainosta positiivisten ja negatiivisten varausten välillä, mutta oikeastaan ​​vain elektronit liikkuvat tosiasiallisesti luomaan tämän epätasapainon.

Atomissa protonit ovat tiukasti sitoutuneet ytimeen (yhdessä neutronien kanssa), ja molemmat ovat huomattavasti raskaampia kuin negatiivisesti varautuneet elektronit, jotka pysyvät "pilvessä" sen ulkopuolella ydin.

Koska nämä kevyemmät hiukkaset ovat ulkopuolella, kun yksi esine joutuu kosketuksiin toisen kanssa, se on elektronit, jotka voivat siirtyä niiden välillä, ja niiden hankaaminen yhdessä lisää latausnopeutta rakentaa. Joten jos esine kerää ylimääräisiä elektroneja, se varautuu negatiivisesti, kun taas menetettäessä elektroneja se latautuu positiivisesti.

Eristemateriaaleilla on staattinen varaus hyvin, kun taas hyvä johdin säilyttää staattisen varauksen vain tietyissä tilanteissa. Johtimella, jolla on ylimääräisiä elektroneja, ei ole staattista varausta, koska elektronit voivat virrata vapaasti koko materiaalissa (mikä on hyvän johtimen määritelmä).

Joten kaikki varauksen kertyminen haihtuu liian nopeasti havaittavan staattisen sähkön luomiseksi, ja se voi siirtyä muihin esineisiin, ellei se ole täysin eristetty muusta ympäristöstä. Koska virta ei voi virrata eristimessä, staattinen kertyminen aiheuttaa nopeasti huomattavan varauksen epätasapainon ja tuottaa siten staattista sähköä.

Koska kuten lataukset hylkäävät ja vastakkaiset lataukset houkuttelevat, kun jollain on staattinen varaus, se tarttuu vastakkaisesti ladattuihin esineisiin ja voipolarisoituuatomit muuten neutraalissa esineessä ja pidä siitä kiinni - tapaa, jolla ilmapallo tarttuu seinään sen jälkeen, kun hieroit sitä päähän.

Jos varauksen muodostuminen on riittävän suuri ja kahden pinnan tai kohteen välillä saavutetaan suhteellisen korkea jännite, varaus voi hypätä yhdestä esineestä toiseen. Siksi voit saada staattisen iskun aukon, jos hierot jalkoja lattian yli ja kosketat sitten ovenkahvaa.

Staattisesta sähköstä on monia esimerkkejä, joita kohtaat jokapäiväisessä elämässä, vaikka et välttämättä ajattelekaan staattisen varauksen roolia niiden toiminnassa.

Yksi erityisen yleinen esimerkki on staattinen tarttuminen vaatteisiin, varsinkin kuivaajan käytön jälkeen, mikä pitää ihanteelliset olosuhteet staattinen sähkö kehittyy, ja siihen sisältyy myös vaatteiden hieromista toisiaan vastaan ​​ja mahdollisesti ylimääräisten elektronien keräämistä tapa. Tällä tavoin ladattujen vaatteiden staattinen isku on yleensä melko pieni, mutta huomaat silti varmasti, kun saat sellaisen!

Kopiokoneet ovat hieno esimerkki staattisen sähkön hyödyntämisestä. Kirkas valo, joka skannaa asiakirjan, luo kuvan sähköisen "varjon" valojohteelle (ts. valoherkkä) ja hihnan pyöriessä se poimii negatiivisesti varautuneita väriainehiukkasia staattisen vaikutuksen vuoksi veloittaa.

Tämän alla toinen hihna tuo paperiarkin ympäri, mikä antaa sille vahvan positiivisen staattisen varauksen prosessissa. Kun väriaineen negatiiviset varaukset vastaavat paperin positiivisia varauksia, väriaine tulostuu itse paperinpalalle samalla kuviolla kuin valojohtavan poimima varjo vyö.

Toisen esimerkin pitäisi viedä sinut takaisin fysiikan luokkaan koulussa: Van de Graaff -generaattori ja klassinen esittely, jossa palloa koskettavan henkilön hiukset seisovat. Generaattori toimii staattisten sähkövarausten liikkeen perusteella, liikkuvan hihnan ollessa laitteen pituudelta ja kahdella metallisella "kammalla" staattisen varauksen hallitsemiseksi.

Pohjassa oleva positiivisesti varautunut kampa (kytketty sähkönsyöttöön) vetää elektroneja hihnasta jättäen sen positiivisella nettovarauksella, ja tämän varauksen nostaa yläosassa oleva kampa, joka levittää sen suurelle kupolille alkuun. Jos kosketat kupolia latausprosessin aikana, yksittäiset hiusnauhat poimivat sopivat lataukset ja hylkäävät toisiaan saaden sen seisomaan!

Salamat ovat erittäin dramaattinen osoitus staattisen sähkön voimasta, ja Benjamin Franklin todisti sen yksi kaikkien aikojen tunnetuimmista tieteellisistä mielenosoituksista sitomalla avain märään leijajonoon ukkosen aikana.

Vaikka on myytti, että leija todella iski salamaniskulla (tämä olisi todennäköisesti tappanut Franklinin), myrsky otettiin narusta, joka - aivan kuten klassinen Van de Graaff -generaattorin esittely - sai langan säikeet seisomaan loppuun. Lopuksi Franklin kosketti avainta ja tunsi staattisen sokin kynnyksen, mikä osoittaa selvästi sähkön ja salaman välisen yhteyden.

Tietenkin tiedemiehet ovat täyttäneet paljon enemmän yksityiskohtia prosessista Benjamin Franklinin päivistä lähtien. Aivan kuten vaatteet, jotka hierovat toisiaan kuivausrummussa, tai ilmapallo, joka hieroo hiuksiasi, staattinen varaus salaman luominen syntyy kitkasta ja kylmän ilman jääkiteistä, jotka kohtaavat vesipisaroita lämpimästä ilmasta massa.

Lataus kertyy pilven eri paikkoihin ja kun siinä on riittävän suuri ero sähköpotentiaali näiden paikkojen välillä (ts. riittävän korkea jännite), se vapautuu a: n muodossa salama. Tämä tapahtuu yleensäsisälläpilvien välissä tai kahden pilven välissä, mutta toisinaan pultti osuu maahan.

Kitkan ja hankauksen aiheuttaman staattisen varauksen muodostumista kutsutaan teknisesti triboelektrinen vaikutus, ja tämän artikkelin perusteella tiedät jo yksityiskohdat, mikä aiheuttaa tämän ja kuinka se toimii. Toistensa kanssa kosketuksiin joutuvat esineet johtavat siihen, että toinen heistä kerää ylimääräisiä elektroneja (kaikki negatiiviset varaukset) ja muulla kehittyy elektronivaje ja siten positiivinen netto veloittaa.

Kuitenkin se, missä määrin eri materiaalit ottavat vastaan ​​negatiivisen varauksen tai menettävät elektroneja ja saavat positiivisen varauksen, vaihtelee materiaalin ominaisuuksien mukaan. Vaikka eristeet erottavat staattisen varauksen yleensä paremmin, eri eristeet ottavat sen vastaan ​​eri nopeuksilla.

Esimerkiksi suurin osa kumityypeistä ja erityisesti teflon imee elektroneja helposti ja ovat sinänsä erinomaisia ​​esittelyissä ja staattisesta sähköstä riippuvaisissa tekniikoissa. Materiaalit eroavat toisistaan ​​niiden "elektronegatiivisuuden" perusteella, mikä tarkoittaa periaatteessa niiden elektroniaffiniteettia tai taipumusta poimia niitä muista esineistä.

Triboelektrinen sarja asettaa eri materiaalit järjestykseen niiden kyvyn perusteella noutaa positiivinen tai negatiivinen staattinen varaus. Triboelektrisen sarjan yläosaan sijoitetut tuotteet ovat alttiita noutamaan positiivinen varaus, kun taas pohjassa olevat todennäköisemmin hankkivat elektroneja ja ottavat negatiivisen varauksen a: ksi tulos. Mitä suurempi ero kahden triboelektrisen sarjan kohteen välillä on, sitä enemmän niiden yhteen hierominen luo staattisen varauksen molempiin.

Vaikka suurin osa staattisen sähkön esittelyistä on hauskoja näytöksiä tai pieniä uteliaisuuksia kohtaaminen jokapäiväisessä elämässä, on tärkeää muistaa, että ei-toivotulla staattisella varauksella voi olla vakava seuraukset.

Esimerkiksi yksi staattisen sähkön kipinä voi sytyttää palavia nesteitä tai kaasuja ja johtaa mahdollisesti räjähdykseen. Staattinen kertyminen liukumasta turvaistuimen yli voi jopa aiheuttaa ongelman tulee lisätä kaasua, joten sinun tulee aina koskettaa auton metalliosaa ennen täyttämistä ylös.

Tietysti,suurin osastaattinen sähkö on tosiaan vain mielenkiintoinen ilmiö, mutta sen toiminnan ymmärtäminen voi auttaa välttämään katastrofeja joissakin tilanteissa.