La maggior parte dei bambini impara a conoscere il effetto triboelettrico ben prima che acquisiscano familiarità con il termine. Se ti sei mai strofinato un palloncino sui capelli e hai assistito all'effetto del elettricità statica – tirare i capelli verso il palloncino ed essere potenzialmente abbastanza forte da attaccare il palloncino alla testa – allora capisci le basi dell'effetto triboelettrico.
È fondamentalmente una forma di "elettrificazione a contatto", in cui la carica elettrica, sotto forma di elettroni, si muove da un oggetto all'altro, portando ad un accumulo di carica negativa su un oggetto e un deficit sul altro. Un palloncino di gomma e capelli umani sono solo due esempi di oggetti che mostrano questo fenomeno abbastanza comune.
Imparare i dettagli sull'effetto triboelettrico, come funziona, cosa lo causa e cosa puoi scoprire dal La serie triboelettrica ti aiuta a capire e prevedere cosa accadrà in situazioni che comportano il trasferimento di energia elettrica caricare.
Che cos'è l'effetto triboelettrico?
L'effetto triboelettrico è noto all'uomo almeno dal 600 a.C., quando Talete, un greco il filosofo scoprì che si poteva strofinare l'ambra e farla attirare lanugine, carta e altri piccoli, leggeri oggetti. Il termine effetto triboelettrico deriva dal greco per "sfregamento" e "ambra", a causa di questa storia della scoperta dell'effetto. Naturalmente, oggi gli scienziati hanno una comprensione molto migliore delle cause dell'effetto triboelettrico e della natura della carica elettrica in generale.
L'effetto triboelettrico è chiamato elettrificazione del contatto perché è il processo di contatto tra oggetti, in particolare lo sfregamento contro ciascuno di essi. altro, come il palloncino di gomma contro i capelli umani o i tuoi piedi su un tappeto, che porta all'accumulo di carica superficiale che crea il effetto.
La carica elettrica, sotto forma di elettroni, i componenti portatori di carica negativa degli atomi, viene trasferita da un oggetto all'altro durante il processo di sfregamento. Il trasferimento di carica che avviene significa che un oggetto guadagna elettroni e quindi una carica netta negativa, mentre l'altro perde elettroni e quindi finisce con una carica netta positiva.
Questo accumulo di elettroni lascia una carica netta su entrambi gli oggetti e da questo punto in poi si comportano come due cariche qualsiasi oggetti: le cariche simili si respingono e a differenza delle cariche (come le due usate per creare l'effetto) ne attireranno una un altro. La misura in cui ciò accade dipende dai materiali stessi e, in definitiva, dalle cariche totali su ciascun oggetto dopo lo sfregamento.
Cause dell'effetto triboelettrico
In definitiva, il fenomeno della triboelettricità è causato dall'attrito: quando un materiale viene sfregato contro un altro, gli elettroni vengono effettivamente "strappati" da un oggetto e l'altro finisce con un'abbondanza di energia elettrica caricare.
Tuttavia, per comprendere veramente il fenomeno e cosa lo causa, è necessario pensare alla struttura degli atomi. Un piccolo nucleo denso contiene protoni carichi positivamente e neutroni privi di carica, con a, "nuvola" di elettroni con carica negativa intorno ad esso, di solito bilanciando la carica positiva dal nucleo. L'attrito porta al trasferimento di carica, prendendo alcuni degli elettroni caricati negativamente da un materiale.
Il grado in cui un materiale prenderà elettroni da un altro materiale è chiamato è affinità elettronica o affinità di carica. Se gli atomi di un materiale hanno un'affinità elettronica maggiore rispetto all'altro materiale, allora tenderà a prendere elettroni (e quindi accumula una carica negativa) dall'altro materiale (che quindi ha un deficit di elettroni e sviluppa una carica netta positiva). Oltre a un palloncino di gomma e capelli umani, piedi e un tappeto e ambra e un panno, un altro classico esempio del fenomeno è fornito dal teflon e dalla pelliccia di coniglio.
In breve, la quantità di triboelettricità visualizzata dai materiali differisce per i diversi materiali, a causa della loro specifica affinità di elettroni o carica. Questo è il motivo per cui gli scienziati hanno creato un elenco di materiali classificati in base alla loro tendenza a guadagnare o perdere elettroni, chiamato serie triboelettrica.
La serie Triboelettrica
La serie triboelettrica è un elenco di oggetti classificati in base alla loro propensione ad acquisire una carica netta positiva o una carica netta negativa quando vengono messi in contatto tra loro.
I materiali verso la parte superiore della serie triboelettrica hanno maggiori probabilità di cedere elettroni al contatto (e svilupparsi). una carica netta positiva) e i materiali verso il basso hanno maggiori probabilità di acquisire elettroni (e quindi negativi caricare).
In condizioni ideali – se tutto è asciutto – gli oggetti posti più in alto nella serie triboelettrica tenderanno a abbandonare elettroni agli elementi più in basso nell'elenco e diventeranno carichi positivamente. Maggiore è la distanza tra due materiali diversi nella serie triboelettrica, maggiore è l'effetto triboelettrico quando vengono strofinati insieme.
Tabella delle serie triboelettriche
Puoi trovare un ottimo esempio di grafico della serie triboelettrica Qui, che si basava sui test eseguiti da Bill Lee presso AlphaLab, inc. Questa tabella fornisce dettagli su come sono stati testati i materiali e sui limiti delle misurazioni.
I valori nella tabella sono in nC/J, che sta per nanocoulomb per joule, dove Coulomb è l'unità di carica standard e Joule è l'unità dell'energia associata all'attrito. Il segno positivo o negativo rappresenta la loro probabilità di raccogliere cariche positive o negative, rispettivamente.
Quindi, ad esempio, la gomma di lattice assorbe 105 nC di carica per joule di energia investita nel processo di sfregamento e il segno meno ti dice che raccoglie una carica netta negativa. D'altra parte, la pelle secca ha un valore di +30 nC/J, il che significa che perderà elettroni, quindi finisce con una carica positiva di 30 nC per Joule di energia che va nel processo di sfregamento.
Infine, noterai che la maggior parte dei diversi materiali nell'elenco (ad esempio gomma siliconica e PVC) sono isolanti, quindi non possono trasportare corrente elettrica in situazioni normali. Questo è un importante promemoria che la triboelettricità funziona in modo completamente diverso dall'elettricità ordinaria e, in generale, gli isolanti sonoulator meglio rispetto ai conduttori a trattenere questo tipo di carica statica.
Generatori Van De Graaff
I generatori Van de Graaff sono un noto apparecchio che sfrutta l'effetto triboelettrico per produrre un accumulo o un deposito di carica che è possibile misurare come differenza potenziale utilizzando a voltmetro.
Nella maggior parte dei generatori Van de Graaff, una cintura di gomma viene sfregata contro un "pettine" metallico nella parte inferiore, che attira gli elettroni dalla cintura e la lascia con una carica netta positiva. Questo viene quindi raccolto da un pettine abbinato nella parte superiore per diffondere la carica sulla cupola metallica nella parte superiore del generatore.
Naturalmente, gli elettroni sono i portatori di carica mobili, quindi la cintura perde elettroni in basso e poi si riprende elettroni dal pettine e dalla cupola in alto, lasciandoli con un deficit di elettroni e quindi un netto positivo caricare.
L'enorme differenza di potenziale creata da questo processo può superare i 100.000 volt e viene spesso utilizzata in una classica esposizione in classe in cui qualcuno a contatto con il generatore ha i capelli attaccati fine. Questo perché le ciocche di capelli ottengono tutte una carica corrispondente (positiva) e quindi iniziano a respingersi a vicenda.