Az elektromos töltés körülötted van, de ezt csak ritkán veszed észre, például amikor a hajad feláll levesz egy kalapot, vagy amikor éles védőrésszel találkozik, amikor kinyúl, hogy megérintsen valamit, miután végigdörzsölte a lábát szőnyeg.
Ez a két jelenség példastatikus elektromosság, amiről valószínűleg gyerekkorodban tanultál. De hogyan állítja a statikus töltés a haját és miért okozhat statikus sokkot?
Mi történik valójában az atomi szinten, ami ezeket az egyetemes élményeket produkálja? A statikus elektromosság részleteinek megismerése sokkal részletesebb betekintést enged az anyag e lenyűgöző tulajdonságába.
Az elektromos töltés alapjai
Az elektromos töltés az anyag alapvető tulajdonsága. Pozitív töltésekre és negatív töltésekre oszlik, és bár egyes részecskék igen elektromosan semleges - például a neutron - ezek valójában még alapvetőbbekből állnak részecskék, amelyekcsinálnihordozzon elektromos töltést.
A két legfontosabb töltött részecske, amelyről tudni kell, amikor megismeri a statikus elektromosságot, az atom két fő alkotóeleme: protonok és elektronok.
A protonok pozitív töltésűek, + töltéssele, miközben az elektronok negatív töltésűek -e, hole = 1.602 × 10−19 C. A C jelentése ittcoulombs, amely az elektromos töltés SI egysége. A 10−19 elmondja, hogy a töltött részecskék rendelkezneknagyon kicsitöltésértékek egy coulombhoz viszonyítva - két, mindössze 1 C-os töltés méterrel elválasztva nagyobb erőt generálna, mint a Saturn V rakéta kilövő tolóerejének tolóereje!
Az elektromos töltés működésének alapvető szabálya az, hogy az ellentétes töltések vonzzák, és hasonlóan taszítják a töltéseket. Tehát, ha elektronot vinnél egy másik elektron közelébe, akkor szétnyomnák magukat, míg ha egy elektront vinnél egy proton közelébe, az vonzódna hozzá.
A statikus elektromosság meghatározása
A legalapvetőbb szinten a statikus elektromosság egyszerűen nem mozgó töltésekre utal. Ennél azonban sokkal többről van szó! A statikus elektromosság szempontjából az a legfontosabb, hogy akkor fordul elő, ha a töltés egyensúlyhiánya van, és ez az egyensúly lényegében létrehozzaelektromos potenciál, ami azt jelenti, hogy a töltést hordozó részecskék helyzete miatt fennáll az elektromos áram áramlásának lehetősége (a töltés egyensúlyának helyreállítására).
Az atomokban és a legtöbb mindennapi tárgyban egyensúly van a pozitív és a negatív között töltések (azaz a protonok és az elektronok között), tehát elektromosan semlegesek, ha mindet figyelembe vesszük együtt.
Tehát, ha az egyik atomot közel hozza a másikhoz, nem lenne elektromos erő közöttük, mert mind a pozitív töltések negatív töltésekkel vannak kiegyenlítve, így nincs nettó töltés az a létrehozására Kényszerítés.
Bár ez egy kicsit bonyolultabb ennél (mert az elektronok mindig mozognak, tehát nemmindigblokkolja a protonok pozitív töltését), ez a semleges helyzet egyértelmű kontrasztot teremt azzal, ami történik, ha statikus töltés halmozódik fel.
Lényegében, amikor egy tárgy (például a hajad, miután egy ballont dörzsölt rá) felesleget vagy hiányt kap (így több vagy kevesebb elektron, mint normál állapotában), akkor már nem semleges, és generálhatja azt, amit statikusnak nevez elektromosság. Ezzel szemben a közönséges villamos energia afolyamatos mozgástöltés (elektromos áramban lévő elektronok formájában), míg a statikus elektromosság nem jár mozgássalamíga töltések újra egyensúlyba hozzák egymást - és közben éles zavart adhatnak neked!
Hogyan működik a statikus elektromosság
A statikus elektromosság alapvetően a pozitív töltések és a negatív töltések közötti egyensúlyhiánytól függ, de valójában csak az elektronok mozognak, hogy létrehozzák ezt az egyensúlyhiányt.
Egy atomban a protonok szorosan kötődnek a maghoz (a neutronokkal együtt), és mindkettő lényegesen nehezebbek, mint a negatív töltésű elektronok, amelyek egy „felhőben” maradnak a külső rész körül atommag.
Mivel ezek a könnyebb részecskék kívül vannak, amikor az egyik tárgy kapcsolatba lép a másikkal, az az az elektronok, amelyek át tudnak szállni közöttük, és összedörzsölve növeli a töltés sebességét felépít. Tehát, ha egy tárgy extra elektronokat vesz fel, negatív töltésűvé válik, míg ha elveszíti az elektronokat, akkor pozitív töltésűvé válik.
A szigetelőanyagok jól tartják a statikus töltést, míg a jó vezető csak bizonyos helyzetekben képes fenntartani a statikus töltést. Az extra elektronokat kapó vezetőnek nincs statikus töltése, mert az elektronok szabadon áramolhatnak az anyagban (ami a jó vezető meghatározása).
Tehát bármilyen töltésfelhalmozódás túl gyorsan oszlik el ahhoz, hogy észrevehető statikus elektromosság keletkezzen, és átvihet más objektumokba, hacsak nincs teljesen elszigetelve a környezet többi részétől. Mivel az áram nem tud folyni egy szigetelőben, a statikus felhalmozódás gyorsan jelentős töltési egyensúlyhiányt hoz létre, és ezáltal statikus elektromosságot generál.
Mert mint a töltések taszítják, és az ellentétes töltések vonzzák, ha valaminek statikus töltése van, akkor az ellentétesen töltött elemekhez tapad, és néhapolározatomok egy egyébként semleges tárgyban, és ragaszkodjanak hozzá is - ahogyan a ballon a falhoz tapad, miután a fejére dörzsölte.
Ha a töltés felépítése elég nagy és viszonylag nagy feszültséget ér el a két felület vagy tárgy között, a töltés egyik tárgyról a másikra ugorhat. Ezért kaphat zakót a statikus sokktól, ha végigdörzsöli a lábát a padlón, majd megérint egy kilincset.
Példák a statikus elektromosságra
Számos példa van a statikus elektromosságra, amellyel a mindennapi életben találkozhat, még akkor is, ha nem feltétlenül gondolkodik azon a szerepen, amelyet a statikus töltés játszik működésük során.
Különösen gyakori példa a statikus ragaszkodás a ruhákba, különösen a szárító használata után, amely megtartja az ideális feltételeket a statikus elektromosság kialakulásához, és magában foglalja a ruhák egymáshoz dörzsölését, és esetlegesen extra elektronok felvételét a ruhán út. Az ily módon feltöltött ruhák statikus sokkja meglehetősen kicsi, de mindenképpen észreveszi, ha ilyet kap!
A fénymásolók nagyszerű példa arra, hogy a statikus elektromosságot jól lehet használni. A dokumentumot beolvasó erős fény a kép elektromos „árnyékát” hozza létre egy fényvezető (azaz fényérzékeny) öv, és ahogy az öv forog, a statikus miatt felveszi a negatív töltésű festékrészecskéket díj.
Ez alatt egy másik öv egy papírlapot hoz körül, ami erős pozitív statikus töltetet ad a folyamatnak. Amikor a festék negatív töltése megfelel a papír pozitív töltésének, akkor a festék kinyomtatódik a papírdarabra, ugyanolyan mintával, mint a fényvezető által felvett árnyék öv.
Egy másik példa visszavezet az iskolai fizikaórára: a Van de Graaff generátorra, és a klasszikus bemutatóra, ahol a gömböt megérintő embernek feláll a haja. A generátor a statikus elektromos töltések mozgása alapján működik, mozgó szalaggal, amely végigfut a készülék hosszában, és két fémes „fésűvel” szabályozva a statikus töltetet.
Az alján lévő pozitív töltésű fésű (áramellátáshoz csatlakozik) az övből vonja el az elektronokat, és otthagyja azt nettó pozitív töltéssel, és ezt a töltetet a tetején lévő fésű veszi fel, amely kiterjeszti a tetejére. Ha a töltési folyamat során megérinti a kupolát, a haj egyes szálai felveszik a hozzá tartozó töltéseket, és taszítják egymást, így a végére állnak!
Benjamin Franklin Sárkánykísérlete
A villámok nagyon drámai módon demonstrálják a statikus elektromosság erejét, és ezt Benjamin Franklin be is bizonyította Minden idők egyik legismertebb tudományos bemutatója, amikor zivatar idején egy nedves sárkányhúrhoz kötöttek egy kulcsot.
Bár mítosz, hogy a sárkányt valóban villámcsapás érte (ez valószínűleg megölte volna Franklint), a vihart vett fel a húr, ami - hasonlóan a klasszikus Van de Graaff generátor bemutatóhoz - a zsineg szálait állította fel vége. Végül Franklin megérintette a kulcsot, és érezte a statikus sokk zűrzavarát, amely egyértelműen megmutatta az áram és a villám közötti kapcsolatot.
Természetesen a tudósok még sok részletet kitöltöttek a folyamatról Benjamin Franklin napja óta. Hasonlóan a szárítóban egymáshoz dörzsölődő ruhákhoz vagy a hajadhoz dörzsölődő lufihoz, a statikus töltéshez ami villámokat hoz létre, a súrlódásból származik, és a hideg levegő jégkristályaiból a meleg levegőből érkező vízcseppekbe tömeg.
A töltés a felhő különböző helyein halmozódik fel, és ha kellően nagy a különbség a felhőben elektromos potenciál ezek között a helyek között (azaz kellően nagy feszültség), ez felszabadul a formájában villám. Ez általában bekövetkezikbelülfelhők között vagy két felhő között, de időnként a csavar a földre csapódik.
A triboelektromos sorozat
A súrlódás és a dörzsölés által okozott statikus töltet felépítését technikailag " triboelektromos hatás, és e cikk alapján már ismeri a részleteket, hogy mi okozza ezt és hogyan működik. Az egymással érintkezésbe kerülő tárgyak oda vezetnek, hogy egyikük extra elektronokat (mindet) vesz fel negatív töltéseket hordozó), a másik pedig elektronhiányt és ezért pozitív nettót eredményez díj.
Azonban az, hogy a különböző anyagok milyen mértékben veszik fel a negatív töltést, vagy veszítik el az elektronokat és kapnak pozitív töltést, az anyag jellemzőitől függően változik. Míg a szigetelők általában jobban veszik fel a statikus töltést, a különböző szigetelők különböző sebességgel veszik fel.
Például a legtöbb gumi, és különösen a teflon, nagyon könnyen felveszi az elektronokat, és mint ilyen, kiválóan alkalmas demonstrációkra és a statikus elektromosságtól függő technológiai darabokra. Az anyagok „elektronegativitásuk” alapján különböznek egymástól, ami alapvetően az elektron affinitásukat vagy azt a hajlamot jelenti, hogy más tárgyaktól vegyék fel őket.
A triboelektromos sorozatok különbözõ anyagokat tesznek rendbe annak alapján, hogy képesek-e felvenni egy pozitív vagy egy negatív statikus töltést. A triboelektromos sorozat teteje felé helyezett elemek hajlamosak pozitív töltést felvenni, míg az aluliak nagyobb valószínűséggel nyernek elektronokat és negatív töltést vesznek fel a-ként eredmény. Minél nagyobb a különbség a triboelektromos sorozat két eleme között, annál inkább az, hogy összedörzsölve statikus töltést hoz létre mindkettőben.
A statikus elektromosság veszélyei
Míg a statikus elektromosság bemutatóinak többsége szórakoztató megjelenítés vagy kisebb érdekesség, amit Ön a mindennapi életben fontos megjegyezni, hogy a nem kívánt statikus töltés súlyos lehet következményei.
Például a statikus elektromosság egyetlen szikrája gyúlékony folyadékokat vagy gázokat képes meggyújtani, és robbanást okozhat. Az autósülésen történő csúszásból származó statikus felépülés akár problémát is okozhat a benzin újratöltése, ezért mindig töltse meg az autó fémrészét fel.
Természetesen,a legtöbba statikus elektromosság valóban csak egy érdekes jelenség, de annak működésének megértése segíthet elkerülni a katasztrófát bizonyos helyzetekben.