Statička električna energija: definicija, način rada, činjenice (s primjerima)

Električno punjenje je svugdje oko vas, ali zaista ga primijetite samo u rijetkim prilikama, na primjer kada vam se kosa nakostriješi skinete kapu ili kad oštro zapnete kad ispružite ruku da dodirnete nešto nakon trljanja nogu po tepih.

Ova su dva fenomena primjeristatična struja, nešto o čemu ste vjerojatno naučili dok ste bili dijete. Ali kako se zbog statičkog naboja kosa naježi i zašto vam može zadati statički šok?

Što se zapravo događa na atomskoj razini koja proizvodi ta univerzalna iskustva? Učenje detalja o statičkom elektricitetu daje vam puno detaljniji uvid u ovo fascinantno svojstvo materije.

Električni naboj je osnovno svojstvo materije. Odvojen je na pozitivne i negativne naboje, a iako neke čestice jesu električki neutralni - poput neutrona - oni se zapravo sastoje od još temeljnijih čestice koječininose električni naboj.

Dvije najvažnije nabijene čestice koje trebate znati kada naučite o statičkom elektricitetu dvije su glavne komponente atoma: protoni i elektroni.

Protoni su pozitivno nabijeni, s nabojem od +e, dok su elektroni negativno nabijeni pri -e, gdjee​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. Ovdje stoji Ckuloni, što je SI jedinica za električni naboj. 10⁻¹⁹ govori vam da nabijene čestice imajujako malovrijednosti naboja u usporedbi s jednim kulonom - dva naboja od samo 1 C odvojena metrom stvorila bi silu veću od potiska lansirnog potiska rakete Saturn V!

Temeljno pravilo kako djeluje električni naboj jest da se suprotni naboji privlače i poput naboja odbijaju. Dakle, ako dovedete elektron blizu drugog elektrona, oni bi se odgurnuli, dok biste, ako ste donijeli elektron blizu protona, bili privučeni.

Na najosnovnijoj razini, statički elektricitet jednostavno se odnosi na naboje koji se ne kreću. Međutim, tu je i puno više od toga! Ključna stvar kod statičkog elektriciteta je da se on javlja kada postoji neravnoteža naboja, a ta neravnoteža u osnovi stvaraelektrični potencijal, što znači da postoji potencijal protoka električne struje (radi uravnoteženja naboja) zbog položaja čestica koje nose naboj.

U atomima, pa tako i većini svakodnevnih predmeta, postoji ravnoteža između pozitivnog i negativnog naboja (tj. između protona i elektrona), pa su električno neutralni kad se sve razmotre zajedno.

Dakle, ako približite jedan atom drugom, među njima ne bi bilo električne sile jer svi pozitivnih naboja uravnotežuju negativni naboji, tako da nema neto naboja koji bi generirao a sila.

Iako je to stvarno malo složenije od ovoga (jer se elektroni uvijek kreću, pa se i ne krećustalnoblokiraju pozitivni naboj iz protona), ova neutralna situacija stvara jasan kontrast s onim što se događa kada se nakuplja statički naboj.

U osnovi, kada predmet (poput vaše kose nakon što na njega protrljate balon) dobije višak ili manjak naboja (pa više ili manje elektrona nego u svom uobičajenom stanju), tada više nije neutralan i može generirati ono što vi nazivate statičkim struja. Suprotno tome, obična električna energija jekontinuirano kretanjenaboja (u obliku elektrona u električnoj struji), dok statički elektricitet ne uključuje kretanjedonaboji se međusobno uravnotežuju - i možda će vam oštro napasti postupak!

Statički elektricitet u osnovi ovisi o neravnoteži između pozitivnih i negativnih naboja, ali zapravo samo se elektroni kreću da stvore ovu neravnotežu.

U atomu su protoni čvrsto povezani u jezgri (zajedno s neutronima), a oba su znatno teži od negativno nabijenih elektrona koji se zadržavaju u "oblaku" oko vanjske strane jezgra.

Budući da su ove lakše čestice izvana, kada jedan objekt uspostavi kontakt s drugim, to je ono elektroni koji se mogu prenositi između njih i njihovo trljanje povećava brzinu naboja izgraditi. Dakle, ako objekt pokupi dodatne elektrone, on postaje negativno nabijen, dok ako izgubi elektrone postaje pozitivno nabijen.

Izolacijski materijali dobro drže statički naboj, dok će dobar vodič održavati statički naboj samo u određenim situacijama. Provodnik kojem su dani dodatni elektroni ne zadržava statički naboj, jer elektroni mogu slobodno teći kroz materijal (što je definicija dobrog vodiča).

Dakle, svako nakupljanje naboja rasprši se prebrzo da bi stvorilo zamjetni statički elektricitet i može se prenijeti u druge predmete ukoliko nije potpuno izolirano od ostatka okoliša. Budući da struja ne može teći u izolatoru, statičko nakupljanje brzo stvara osjetnu neravnotežu naboja i time stvara statički elektricitet.

Jer poput naboja koji se odbijaju, a suprotni naboji privlače, kad nešto ima statički naboj, zalijepit će se za suprotno nabijene predmete, a ponekad se možepolariziratiatoma u inače neutralnom objektu i zalijepite se za njega - način na koji se balon lijepi za zid nakon što ga protrljate po glavi.

Ako je nakupljanje naboja dovoljno veliko i postigne se relativno visok napon između dvije površine ili predmeta, naboj može skočiti s jednog predmeta na drugi. Zbog toga možete zapamtiti od statičkog udara ako trljate nogama po podu, a zatim dodirnete kvaku.

Mnogo je primjera statičkog elektriciteta s kojim ćete se susresti u svakodnevnom životu, čak i ako ne mislite nužno na ulogu koju statički naboj igra u njihovom radu.

Jedan od osobito čestih primjera je statično prianjanje u odjeći, posebno nakon upotrebe sušilice, koja zadržava idealne uvjete za statički elektricitet da se razvije, a također uključuje odjeću koja se trlja jedna o drugu i potencijalno skuplja dodatni elektron na put. Statički šok od odjeće nabijene na ovaj način obično je prilično malen, ali definitivno ga još uvijek primijetite kad ga nabavite!

Fotokopirni uređaji izvrstan su primjer kako se statički elektricitet može dobro iskoristiti. Jaka svjetlost koja skenira dokument stvara električnu "sjenu" slike na fotokonduktivu (tj. svjetlosno osjetljiv) remen, a kako se remen okreće, skuplja negativno nabijene čestice tonera zbog statičnosti naplatiti.

Ispod ovog, drugi remen donosi list papira, dajući mu snažan pozitivan statički naboj u procesu. Kada negativni naboji tonera naiđu na pozitivne na papiru, toner se utisne na papir, u istom uzorku kao i sjena koju je uzeo fotoprovodnik pojas.

Još jedan primjer trebao bi vas vratiti na nastavu fizike u školi: Van de Graaffov generator i klasičnu demonstraciju gdje se nekome tko dodirne kuglu digne kosa. Generator radi na temelju kretanja statičkih električnih naboja, s pokretnim remenom koji prolazi dužinom uređaja i dva metalna "češlja" za kontrolu statičkog naboja.

Pozitivno nabijeni češalj na dnu (spojen na opskrbu električnom energijom) izvlači elektrone iz pojasa, ostavljajući ga s neto pozitivnim nabojem, a taj naboj podiže češalj na vrhu, koji ga širi prema velikoj kupoli na vrh. Ako dodirnete kupolu tijekom postupka punjenja, pojedini pramenovi vaše kose podižu odgovarajuće naboje i međusobno se odbijaju, čineći da stoji na glavi!

Munja je vrlo dramatična demonstracija snage statičkog elektriciteta, a Benjamin Franklin to je dokazao u jedna od najpoznatijih znanstvenih demonstracija svih vremena vezivanjem ključa za mokri niz zmajeva tijekom oluje s grmljavinom.

Iako je mit da je zmaja zapravo pogodio grom (to bi vjerojatno ubilo Franklina), električno polje od oluju je pokupila žica, koja je - slično klasičnoj demonstraciji generatora Van de Graaffa - učinila da niti kanapa stoje na kraj. Napokon, Franklin je dodirnuo ključ i osjetio pucanje statičkog udara, jasno demonstrirajući vezu između električne energije i munje.

Naravno, znanstvenici su ispunili mnogo više detalja o procesu još od dana Benjamina Franklina. Slično kao što se odjeća trlja jedna o drugu u sušilici ili balon koji se trlja o vašu kosu, statički naboj koja stvara munju dolazi od trenja i od kristala leda na hladnom zraku koji se susreću s kapljicama vode iz toplog zraka masa.

Naboj se nakuplja na različitim mjestima u oblaku i kada postoji dovoljno velika razlika u električni potencijal između tih mjesta (tj. dovoljno visok napon), oslobađa se u obliku munja. To se obično događaunutaroblaka ili između dva oblaka, ali povremeno vijak udari o tlo.

Stvaranje statičkog naboja uzrokovano trenjem i trljanjem tehnički se naziva triboelektrični efekt, a na temelju ovog članka već znate detalje što uzrokuje to i kako radi. Objekti koji dolaze u kontakt jedni s drugima dovode do toga da jedan od njih pokupi dodatne elektrone (svi noseći negativne naboje), a drugi razvija deficit elektrona i prema tome pozitivnu mrežu naplatiti.

Međutim, stupanj do kojeg različiti materijali uzimaju negativni naboj ili gube elektrone i dobivaju pozitivan naboj varira ovisno o karakteristikama materijala. Iako su izolatori općenito bolji u prikupljanju statičkog naboja, različiti ga izolatori prikupljaju različitim brzinama.

Na primjer, većina vrsta gume, a posebno teflon, vrlo lako uzima elektrone i kao takvi izvrsni su za demonstracije i dijelove tehnologije koji ovise o statičkom elektricitetu. Materijali se razlikuju na temelju njihove „elektronegativnosti“, što u osnovi znači njihov afinitet prema elektronu ili sklonost da ih pokupe s drugih predmeta.

Triboelektrična serija stavlja različite materijale u red na temelju njihove sposobnosti da prihvate pozitivan ili negativan statički naboj. Predmeti postavljeni prema vrhu triboelektrične serije skloni su pobiranju pozitivnog naboja, dok je vjerojatnije da će oni na dnu dobiti elektrone i pokupiti negativni naboj kao a proizlaziti. Što je veće razdvajanje dvaju predmeta u triboelektričnoj seriji, to će više trljanjem stvoriti statički naboj u obje.

Iako su većina demonstracija statičkog elektriciteta zabavni prikazi ili manje zanimljivosti koje vi susret u svakodnevnom životu, važno je zapamtiti da neželjeni statički naboj može imati ozbiljnih posljedice.

Na primjer, jedna iskra iz statičkog elektriciteta može zapaliti zapaljive tekućine ili plinove i potencijalno rezultirati eksplozijom. Statična nakupina od klizanja preko vaše autosjedalice čak bi potencijalno mogla stvoriti problem u njoj dolazi do punjenja benzina i zato uvijek trebate dodirnuti metalni dio automobila prije punjenja gore.

Naravno,najvišetada je statički elektricitet zaista zanimljiv fenomen, ali razumijevanje njegovog načina rada može vam pomoći da izbjegnete katastrofu u nekim situacijama.