Većina djece uči o triboelektrični efekt znatno prije nego što se upoznaju s tim pojmom. Ako ste ikad trljali balon na kosu i svjedočili učinku statična struja - povlačenjem kose prema balonu i potencijalno dovoljno snažnim da ga zalijepite za glavu - tada razumijete osnove triboelektričnog efekta.
U osnovi je to oblik "kontaktne elektrifikacije", gdje se električni naboj, u obliku elektrona, kreće s jednog predmeta na drugi, što dovodi do nakupljanja negativnog naboja na jednom objektu i manjka na drugo. Gumeni balon i ljudska kosa samo su dva primjera predmeta koji pokazuju ovaj prilično čest fenomen.
Učenje detalja o triboelektričnom efektu, kako on djeluje, što ga uzrokuje i što možete saznati iz triboelektrične serije pomažu vam razumjeti i predvidjeti što će se dogoditi u situacijama koje uključuju prijenos električne energije naplatiti.
Što je triboelektrični efekt?
Triboelektrični učinak poznat je ljudima barem od 600. g. Pr. Kr., Kada je Tales, Grk filozof je otkrio da jantar možete trljati i privlačiti paperje, papir i ostalo malo svjetlo predmeta. Izraz triboelektrični efekt potječe od grčkog za "trljanje" i "jantar", zahvaljujući ovoj povijesti otkrića učinka. Naravno, današnji znanstvenici puno bolje razumiju uzroke triboelektričnog učinka i prirodu električnog naboja općenito.
Triboelektrični efekt naziva se elektrifikacija kontakata, jer je to postupak uspostavljanja kontakata predmeta - posebno trljanja o svaki drugo, poput gumenog balona o ljudsku kosu ili stopala preko tepiha, što dovodi do nakupljanja površinskog naboja koji stvara posljedica.
Električni naboj - u obliku elektrona, negativnih komponenti atoma koji nose negativni naboj - prenosi se s jednog predmeta na drugi tijekom procesa trljanja. Prijenos naboja koji se događa znači da jedan objekt dobiva elektrone i time neto negativni naboj, dok drugi gubi elektrone i stoga završava s neto pozitivnim nabojem.
Ova nakupina elektrona ostavlja neto naboj na oba objekta i od ove se točke nadalje ponašaju kao bilo koja dva nabijena objekti: Poput naboja odbijat će se, a za razliku od naboja (poput onih koji se koriste za stvaranje efekta) privući će jedan još. U kojoj se mjeri to događa ovisi o samim materijalima i u konačnici o ukupnim nabojima na svakom predmetu nakon trljanja.
Uzroci triboelektričnog efekta
U konačnici, fenomen triboelektričnosti uzrokovan je trenjem: kada se jedan materijal trlja o njega drugo, elektroni se učinkovito "oduzimaju" od jednog predmeta, a drugi završava s obiljem električnog naplatiti.
Međutim, da biste doista razumjeli fenomen i što ga uzrokuje, morate razmisliti o strukturi atoma. Mala, gusto zbijena jezgra sadrži pozitivno nabijene protone i neutrone bez naboja, sa "Oblak" negativno nabijenih elektrona oko njega, obično uravnotežujući pozitivni naboj iz jezgra. Trenje dovodi do prijenosa naboja, uzimajući neke negativno nabijene elektrone iz jednog materijala.
Stupanj u kojem će materijal uzimati elektrone iz drugog materijala naziva se to afinitet prema elektronu ili afinitet naboja. Ako atomi jednog materijala imaju veći elektronski afinitet od drugog materijala, tada će to težiti uzeti elektroni (i na taj način grade negativni naboj) iz drugog materijala (koji tada ima deficit elektrona i razvija neto pozitivni naboj). Osim gumenog balona i ljudske kose, stopala i tepiha i jantara i tkanine, još jedan klasičan primjer fenomena pružaju teflon i zečje krzno.
Ukratko, količina prikazanih materijala triboelektričnosti razlikuje se za različite materijale, što je rezultat njihovog specifičnog afiniteta prema elektronu ili naboju. Zbog toga su znanstvenici stvorili popis materijala rangiranih prema njihovoj tendenciji dobivanja ili gubljenja elektrona, nazvan triboelektrični niz.
Triboelektrična serija
Triboelektrična serija je popis objekata rangiranih prema njihovoj sklonosti stjecanju neto pozitivnog naboja ili neto negativnog naboja kada se dovedu u kontakt jedni s drugima.
Vjerojatnije je da će materijali prema vrhu triboelektrične serije odustati od elektrona u kontaktu (i razviti se neto pozitivan naboj), a materijali prema dnu vjerojatnije će dobiti elektrone (i tako negativne naplatiti).
U idealnim uvjetima - ako je sve suho - težit će objektima smještenim više u triboelektričnom nizu odustati elektrona na stavke dalje na popisu i oni će postati pozitivno nabijeni. Što je veća udaljenost između dva različita materijala u triboelektričnoj seriji, to je veći triboelektrični efekt kada se trljaju.
Grafikon triboelektrične serije
Možete pronaći izvrstan primjer grafikona triboelektrične serije ovdje, koja se temeljila na testovima koje je Bill Lee izvršio u AlphaLab, inc. Ova tablica daje detalje o načinu ispitivanja materijala kao i ograničenja mjerenja.
Vrijednosti u tablici su u nC / J, što znači nanokulome po džulu, pri čemu je Coulomb standardna jedinica naboja, a Joules jedinica za energiju povezanu s trenjem. Pozitivni ili negativni znak predstavlja vjerojatnost da će pokupiti pozitivne, odnosno negativne naboje.
Tako, na primjer, lateks guma uzima 105 nC naboja po džulu energije uložene u proces trljanja, a znak minus govori vam da poprima neto negativni naboj. S druge strane, suha koža ima vrijednost od +30 nC / J, što znači da će izgubiti elektrone, pa na kraju završi s pozitivnim nabojem od 30 nC po džulu energije koji ide u proces trljanja.
Na kraju ćete primijetiti da je većina različitih materijala s popisa (na primjer, silikonska guma i PVC) izolatori, tako da u normalnim situacijama ne mogu provesti električnu struju. Ovo je važan podsjetnik da triboelektričnost djeluje potpuno drugačije od uobičajene električne energije, i općenito, izolatori jesu bolje nego vodiči koji drže ovu vrstu statičkog naboja.
Van De Graaff generatori
Van de Graaffovi generatori dobro su poznata oprema koja koristi triboelektrični efekt stvoriti nakupine ili zalihe naboja koje možete izmjeriti kao potencijalnu razliku pomoću a voltmetar.
U većini Van de Graaff generatora gumeni se pojas trlja o metalni "češalj" na dnu, koji izvlači elektrone iz pojasa i ostavlja ga s neto pozitivnim nabojem. Zatim se podudara odgovarajućim češljem na vrhu kako bi se naboj proširio na metalnu kupolu na vrhu generatora.
Naravno, elektroni su mobilni nosači naboja, pa pojas gubi elektrone na dnu, a zatim ih podiže elektroni iz češlja i kupole na vrhu, ostavljajući im deficit elektrona i tako neto pozitivan naplatiti.
Ogromna potencijalna razlika stvorena ovim postupkom može premašiti 100 000 volti i često se koristi u klasičnom prikazu u učionici na kojem netko tko je u kontaktu s generatorom ima kosu kraj. To je zato što svi pramenovi kose dobivaju odgovarajući (pozitivni) naboj i stoga se počinju odbijati.