A legtöbb gyerek megismeri a triboelektromos hatás még jóval azelőtt, hogy megismernék a kifejezést. Ha valaha is ballont dörzsölt a hajára, és tanúja volt a statikus elektromosság - húzza a haját a lufi felé, és potenciálisan elég erős ahhoz, hogy a ballont a fejéhez tapassza - akkor megértette a triboelektromos hatás alapjait.
Ez alapvetően a "kontakt villamosítás" egyik formája, ahol az elektromos töltés elektronok formájában mozog egyik objektumból a másikba, ami negatív töltés felhalmozódását eredményezi az egyik objektumon és hiányt okoz az objektumon Egyéb. A gumiléggömb és az emberi haj csak két példa olyan tárgyakra, amelyek ezt a meglehetősen gyakori jelenséget mutatják be.
Ismerje meg a triboelektromos hatás részleteit, hogyan működik, mi okozza és mit tudhat meg a a triboelektromos sorozatok segítenek megérteni és megjósolni, mi fog történni olyan helyzetekben, amelyek elektromos átvitelt jelentenek díj.
Mi a triboelektromos hatás?
A triboelektromos hatást az emberek legalább Kr. E. 600 óta ismerik, amikor Thales görög filozófus úgy találta, hogy megdörzsölheti a borostyánt, és vonzza a pihe, a papír és más apró, könnyű fényt tárgyakat. A triboelektromos hatás kifejezés a görög „dörzsölésről” és „borostyánról” származik, a hatás felfedezésének e története miatt. Természetesen a tudósok manapság sokkal jobban megértik a triboelektromos hatás okait és általában az elektromos töltés jellegét.
A triboelektromos hatást kontakt elektrifikációnak nevezzük, mert ez a tárgyak folyamata, amelyek kapcsolatba lépnek - különösen súrolják őket más, mint például az emberi hajon vagy a szőnyegen lévő lábain lévő gumiléggömb, amely a felszíni töltet felhalmozódásához vezet, amely létrehozza a hatás.
Az elektromos töltés - elektronok, az atomok negatív töltést hordozó komponensei formájában - a dörzsölési folyamat során egyik tárgyról a másikra kerül. A megtörtént töltésátadás azt jelenti, hogy az egyik tárgy elektronokat és ezáltal nettó negatív töltést nyer, míg a másik elektronokat veszít, és ezért nettó pozitív töltéssel rendelkezik.
Ez az elektronfelhalmozódás mindkét objektumon nettó töltést hagy maga után, és ettől kezdve úgy viselkednek, mint bármelyik két töltés tárgyak: A töltések hasonlóan taszítják egymást, és a töltésekkel ellentétben (mint például a hatás létrehozásához használt kettő) vonzanak egyet egy másik. Ennek mértéke függ magától az anyagtól és végső soron az egyes tárgyak összköltségétől a dörzsölés után.
A triboelektromos hatás okai
Végül a triboelektromosság jelenségét a súrlódás okozza: Ha egy anyagot dörzsölnek egy másik, az elektronokat hatékonyan „lehúzzák” az egyik tárgyról, a másik végén pedig rengeteg elektromos áram keletkezik díj.
Ahhoz azonban, hogy valóban megértsük a jelenséget és annak okait, gondolkodnunk kell az atomok szerkezetéről. Egy kicsi, sűrűn csomagolt mag pozitív töltésű protonokat és töltésmentes neutronokat tartalmaz, a Negatív töltésű elektronok „felhője” körülötte, általában kiegyenlítve a pozitív töltést atommag. A súrlódás töltésátvitelhez vezet, és a negatív töltésű elektronok egy részét elveszi egy anyagból.
Azt a mértéket, ameddig egy anyag elektronokat vesz egy másik anyagból, annak nevezzük elektron affinitás vagy töltési affinitás. Ha az egyik anyag atomjának nagyobb az elektron affinitása, mint a másik anyagnak, akkor ez hajlamos lesz vesz elektronok (és ezáltal negatív töltést építenek fel) a másik anyagból (amelynek ekkor elektronhiánya van és nettó pozitív töltés alakul ki). A teflon és a nyúlszőrme mellett a gumi léggömb és az emberi haj, a lábak, a szőnyeg, a borostyán és a ruha egy másik klasszikus példáját szolgáltatja.
Röviden: a triboelektromos anyagok mennyisége a különféle anyagok esetében eltér a sajátos elektron- vagy töltési affinitásuk következtében. A tudósok ezért készítettek egy listát azokról az anyagokról, amelyeket az elektronszerzésre vagy -vesztésre való hajlamuk szerint rangsorolnak, triboelektromos sorozatnak.
A triboelektromos sorozat
A triboelektromos sorozat azoknak a tárgyaknak a listája, amelyek rangsorolásuk szerint nettó pozitív töltést vagy nettó negatív töltetet szereznek, ha egymással érintkezésbe kerülnek.
A triboelektromos sorozat teteje felé vezető anyagok érintkezéskor nagyobb valószínűséggel feladják az elektronokat (és fejlődnek) nettó pozitív töltés), és a fenék felé eső anyagok nagyobb valószínűséggel nyernek elektronokat (és így negatívak) díj).
Ideális körülmények között - ha minden száraz - a triboelektromos sorozatban magasabbra helyezett tárgyak hajlamosak lesznek felad az elektronok a listán lejjebb található elemekhez, és pozitív töltésűek lesznek. Minél nagyobb a távolság a triboelektromos sorozat két különböző anyaga között, annál nagyobb a triboelektromos hatás, ha összedörzsöljük őket.
Triboelektromos sorozat diagram
Remek példát találhat egy triboelektromos sorozat diagramra itt, amely Bill Lee által az AlphaLab, Inc.-nél végzett teszteken alapult. Ez a táblázat részleteket tartalmaz az anyagok teszteléséről, valamint a mérések korlátairól.
A táblázat értékei nC / J-ben vannak megadva, ami a joule / nanokulombát jelenti, a Coulomb a standard töltési egység, és a Joule a súrlódáshoz kapcsolódó energia mértékegysége. A pozitív vagy negatív jel jelzi a pozitív vagy negatív töltések felvételének valószínűségét.
Így például a latexgumi 105 nC töltést vesz fel a dörzsölési folyamatba fektetett joule energiánként, és a mínuszjel azt mondja, hogy felveszi a negatív negatív töltést. Másrészt a száraz bőr értéke +30 nC / J, vagyis elveszíti az elektronokat, így a dörzsölési folyamatba kerülő Joule energiánként 30 nC pozitív töltéssel zárul.
Végül megjegyezzük, hogy a felsorolásban szereplő különféle anyagok többsége (például szilikonkaucsuk és PVC) szigetelő, ezért normál körülmények között nem képesek elektromos áramot továbbítani. Ez fontos emlékeztető arra, hogy a triboelektromosság teljesen másképpen működik, mint a szokásos elektromosság, és általában a szigetelők jobb mint a vezetők az ilyen típusú statikus töltés tartásakor.
Van De Graaff Generátorok
A Van de Graaff generátorok jól ismert berendezések, amelyek felhasználják a triboelektromos hatást felhalmozódás vagy raktár készítéséhez, amelyet potenciális különbségként mérhet az a használatával voltmérő.
A legtöbb Van de Graaff generátornál gumiszalagot dörzsölnek az alján lévő fémes „fésűhöz”, amely elektronokat von le az övből, és nettó pozitív töltéssel rendelkezik. Ezt aztán egy illeszkedő fésű veszi fel a tetején, hogy a töltetet a generátor tetején lévő fém kupola felé terjessze.
Természetesen az elektronok a mobil töltéshordozók, így az öv alul elveszíti az elektronokat, majd felveszi a fésű és a kupola elektronjai a tetején, így elektronhiány és így nettó pozitív marad díj.
Az e folyamat által létrehozott hatalmas potenciálkülönbség meghaladhatja a 100 000 voltot, és gyakran használják egy klasszikus tantermi kijelzőn, ahol valakinek, aki kapcsolatban áll a generátorral, a haja áll vége. Ez azért van, mert a hajszálak mind megfelelő (pozitív) töltést nyernek, és ezért elkezdik taszítani egymást.