La plupart des enfants apprennent le effet triboélectrique bien avant de se familiariser avec le terme. Si vous avez déjà frotté un ballon sur vos cheveux et été témoin de l'effet de la électricité statique – tirer vos cheveux vers le ballon et être potentiellement assez fort pour coller le ballon à votre tête – alors vous comprenez les bases de l'effet triboélectrique.
C'est essentiellement une forme d'"électrification de contact", où la charge électrique, sous forme d'électrons, se déplace d'un objet à un autre, entraînant une accumulation de charge négative sur un objet et un déficit sur le autre. Un ballon en caoutchouc et des cheveux humains ne sont que deux exemples d'objets qui montrent ce phénomène assez courant.
Apprendre les détails de l'effet triboélectrique, son fonctionnement, ses causes et ce que vous pouvez découvrir à partir du la série triboélectrique vous aide à comprendre et à prédire ce qui se passera dans des situations impliquant le transfert d'électricité charger.
Qu'est-ce que l'effet triboélectrique?
L'effet triboélectrique est connu de l'homme depuis au moins 600 av. philosophe a découvert que vous pouviez frotter l'ambre et le faire attirer des peluches, du papier et d'autres petits, légers objets. Le terme effet triboélectrique vient du grec pour « frotter » et « ambre », en raison de cette histoire de la découverte de l'effet. Bien sûr, les scientifiques ont aujourd'hui une bien meilleure compréhension des causes de l'effet triboélectrique et de la nature de la charge électrique en général.
L'effet triboélectrique est appelé électrification de contact car c'est le processus par lequel les objets entrent en contact - en particulier en se frottant contre chacun. autre, comme le ballon en caoutchouc contre les cheveux humains ou vos pieds sur un tapis, qui conduit à l'accumulation de charge de surface qui crée le effet.
La charge électrique - sous forme d'électrons, les composants porteurs de charge négative des atomes - est transférée d'un objet à un autre au cours du processus de frottement. Le transfert de charge qui a lieu signifie qu'un objet gagne des électrons et donc une charge négative nette, tandis que l'autre perd des électrons et se retrouve donc avec une charge positive nette.
Cette accumulation d'électrons laisse une charge nette sur les deux objets, et à partir de ce moment, ils se comportent comme deux objets chargés. objets: des charges similaires se repousseront et des charges différentes (comme les deux utilisées pour créer l'effet) en attireront une une autre. La mesure dans laquelle cela se produit dépend des matériaux eux-mêmes et, en fin de compte, des charges totales sur chaque objet après le frottement.
Causes de l'effet triboélectrique
En fin de compte, le phénomène de triboélectricité est causé par le frottement: lorsqu'un matériau est frotté contre un autre, les électrons sont effectivement "dépouillés" d'un objet, et l'autre se retrouve avec une abondance d'électricité charger.
Cependant, pour vraiment comprendre le phénomène et ses causes, vous devez réfléchir à la structure des atomes. Un petit noyau densément compacté contient des protons chargés positivement et des neutrons sans charge, avec un « nuage » d'électrons chargés négativement autour de lui, équilibrant généralement la charge positive du noyau. Le frottement conduit au transfert de charge, prenant une partie des électrons chargés négativement d'un matériau.
Le degré auquel un matériau prendra des électrons d'un autre matériau s'appelle c'est affinité électronique ou alors affinité de charge. Si les atomes d'un matériau ont une affinité électronique plus élevée que l'autre matériau, alors il aura tendance à prendre électrons (et accumulent ainsi une charge négative) de l'autre matériau (qui a alors un déficit d'électrons et développe une charge positive nette). Outre un ballon en caoutchouc et des cheveux humains, des pieds et un tapis et de l'ambre et un tissu, un autre exemple classique du phénomène est fourni par le téflon et la fourrure de lapin.
En bref, la quantité d'affichage des matériaux triboélectriques diffère pour différents matériaux, en raison de leur affinité spécifique pour les électrons ou les charges. C'est pourquoi les scientifiques ont créé une liste de matériaux classés selon leur tendance à gagner ou à perdre des électrons, appelée série triboélectrique.
La série triboélectrique
La série triboélectrique est une liste d'objets classés selon leur propension à acquérir une charge nette positive ou une charge nette négative lorsqu'ils sont mis en contact les uns avec les autres.
Les matériaux vers le haut de la série triboélectrique sont plus susceptibles de céder des électrons au contact (et de développer une charge positive nette), et les matériaux vers le bas sont plus susceptibles de gagner des électrons (et donc négatifs charger).
Dans des conditions idéales - si tout est sec - les objets placés plus haut dans la série triboélectrique auront tendance à abandonner électrons aux éléments plus bas dans la liste, et ils deviendront chargés positivement. Plus la distance entre deux matériaux différents de la série triboélectrique est grande, plus l'effet triboélectrique est important lorsqu'ils sont frottés l'un contre l'autre.
Tableau des séries triboélectriques
Vous pouvez trouver un excellent exemple de graphique en série triboélectrique ici, qui était basé sur des tests effectués par Bill Lee chez AlphaLab, inc. Ce tableau donne des détails sur la façon dont les matériaux ont été testés ainsi que les limites des mesures.
Les valeurs du tableau sont en nC/J, ce qui signifie nanocoulombs par joule, un Coulomb étant l'unité standard de charge et le Joules étant l'unité d'énergie associée au frottement. Le signe positif ou négatif représente leur probabilité de ramasser des charges positives ou négatives, respectivement.
Ainsi, par exemple, le caoutchouc latex absorbe 105 nC de charge par joule d'énergie investie dans le processus de frottement, et le signe moins vous indique qu'il absorbe une charge négative nette. D'autre part, la peau sèche a une valeur de +30 nC/J, ce qui signifie qu'elle perdra des électrons, elle se retrouve donc avec une charge positive de 30 nC par Joule d'énergie qui entre dans le processus de frottement.
Enfin, vous remarquerez que la plupart des différents matériaux de la liste (par exemple, le caoutchouc de silicone et le PVC) sont des isolants, ils ne peuvent donc pas transporter de courant électrique dans des situations normales. Ceci est un rappel important que la triboélectricité fonctionne complètement différemment de l'électricité ordinaire, et généralement, les isolants sont mieux que les conducteurs pour retenir ce type de charge statique.
Groupes électrogènes Van De Graaff
Les générateurs Van de Graaff sont un équipement bien connu qui utilise l'effet triboélectrique pour produire une accumulation ou une réserve de charge que vous pouvez mesurer en tant que différence potentielle à l'aide d'un voltmètre.
Dans la plupart des générateurs Van de Graaff, une courroie en caoutchouc est frottée contre un "peigne" métallique au fond, qui attire les électrons de la courroie et la laisse avec une charge positive nette. Celle-ci est ensuite récupérée par un peigne assorti au sommet pour répartir la charge sur le dôme métallique au sommet du générateur.
Bien sûr, les électrons sont les porteurs de charge mobiles, de sorte que la ceinture perd des électrons en bas puis en ramassant. électrons du peigne et du dôme au sommet, les laissant avec un déficit d'électrons et donc un net positif charger.
L'énorme différence de potentiel créée par ce processus peut dépasser 100 000 volts et est souvent utilisée dans un affichage classique en classe où une personne en contact avec le générateur a ses cheveux debout finir. En effet, les mèches de cheveux acquièrent toutes une charge correspondante (positive) et commencent donc à se repousser.