אפקט וסדרה טריבואלקטרית: הגדרה, סיבות (א / תרשים חומרים)

רוב הילדים לומדים על אפקט טריבואלקטרי הרבה לפני שהם מכירים את המונח. אם אי פעם התחככת בבלון על שיערך והיית עד להשפעה של חשמל סטטי - משיכת שיערך לכיוון הבלון ואולי חזק מספיק כדי להדביק את הבלון לראשך - אז אתה מבין את יסודות האפקט הטריבואלקטרי.

זו בעצם סוג של "חישמול מגע", שבו מטען חשמלי, בצורה של אלקטרונים, נע מאובייקט אחד לאחר, מה שמוביל להצטברות של מטען שלילי על אובייקט אחד וגרעון על אַחֵר. בלון גומי ושיער אנושי הם רק שתי דוגמאות לחפצים המציגים תופעה שכיחה למדי.

לימוד הפרטים על האפקט הטריבו-אלקטרי, כיצד הוא עובד, מה גורם לו ומה אתה יכול לגלות מה- סדרה טריבואלקטרית עוזרת לך להבין ולחזות מה יקרה במצבים הכוללים העברת חשמל לחייב.

האפקט הטריבואלקטרי היה ידוע לבני האדם מאז לפחות 600 לפני הספירה, אז תאלס, יווני הפילוסוף מצא שאפשר לשפשף ענבר ולגרום לו למשוך מוך, נייר ושאר אור, קטן חפצים. המונח אפקט טריבואלקטרי מקורו ביוונית "שפשוף" ו"ענבר ", בשל היסטוריה זו של גילוי האפקט. כמובן שלמדענים כיום יש הבנה הרבה יותר טובה של הגורמים לאפקט הטריבואלקטרי ואת אופי המטען החשמלי בכלל.

האפקט הטריבואלקטרי נקרא חישמול מגע מכיוון שזהו תהליך של חפצים שיוצרים מגע - במיוחד מתחככים בכל אחד מהם אחר, כמו בלון הגומי על שיער האדם או כפות הרגליים על פני שטיח, שמוביל להצטברות מטען פני השטח שיוצר את השפעה.

המטען החשמלי - בצורה של אלקטרונים, המרכיבים נושאי המטען השליליים של אטומים - מועבר מאובייקט אחד למשנהו במהלך תהליך השפשוף. העברת המטען המתרחשת פירושה שאובייקט אחד צובר אלקטרונים ובכך מטען שלילי נטו, ואילו השני מאבד אלקטרונים ולכן מסתיים במטען חיובי נטו.

הצטברות אלקטרונים זו משאירה מטען נטו על שני האובייקטים, ומנקודה זו ואילך הם מתנהגים כמו כל שניים טעונים אובייקטים: כמו מטענים דוחים זה את זה, ובניגוד למטענים (כמו השניים המשמשים ליצירת האפקט) ימשכו אחד אַחֵר. המידה בה זה קורה תלויה בחומרים עצמם ובסופו של דבר במטענים הכוללים על כל אובייקט לאחר שהשיפשוף מתרחש.

בסופו של דבר, תופעת הטריואלקטריות נגרמת על ידי חיכוך: כאשר משפשפים נגד חומר אחד אחר, אלקטרונים "מופשטים" למעשה מאובייקט אחד, והשני מסתיים בשפע של חשמל לחייב.

עם זאת, כדי להבין באמת את התופעה ומה גורם לה, עליכם לחשוב על מבנה האטומים. גרעין קטן וארוז בצפיפות מכיל פרוטונים טעונים חיוביים ונויטרונים נטולי טעינה, עם a "ענן" של אלקטרונים טעונים שלילית סביבו, בדרך כלל מאזן את המטען החיובי מה- גַרעִין. החיכוך מוביל להעברת המטען, תוך לקיחת חלק מהאלקטרונים הטעונים שלילית מחומר אחד.

המידה בה חומר ייקח אלקטרונים מחומר אחר מכונה זה משיכת אלקטרון אוֹ זיקה טעינה. אם לאטומים של חומר אחד יש זיקה אלקטרונית גבוהה יותר מאשר לחומר האחר, אז זה יטה לקחת אלקטרונים (ובכך בונים מטען שלילי) מהחומר האחר (שיש לו אז גירעון אלקטרונים ומפתח מטען חיובי נטו). כמו גם בלון גומי ושיער אדם, רגליים ושטיח וענבר ובד, דוגמה קלאסית נוספת לתופעה מספקת פרוות טפלון וארנב.

בקיצור, כמות חומרי החשמל הטריבואלית שונה מבחינת חומרים שונים, כתוצאה מהזיקה הספציפית של האלקטרון או המטען שלהם. זו הסיבה מדענים יצרו רשימת חומרים המדורגים לפי נטייתם לצבור או לאבד אלקטרונים, הנקראת סדרת הטריבו-אלקטריה.

הסדרה הטריבואלקטרית היא רשימה של אובייקטים המדורגים לפי נטייתם לרכוש מטען חיובי נטו או מטען שלילי נטו כאשר הם באים במגע אחד עם השני.

חומרים שבראש הסדרה הטריבואלקטרית נוטים יותר לוותר על אלקטרונים במגע (ולהתפתח מטען חיובי נטו), וחומרים לכיוון התחתון נוטים יותר לצבור אלקטרונים (ולכן שליליים לחייב).

בתנאים אידיאליים - אם הכל יבש - חפצים הממוקמים גבוה יותר בסדרה הטריבואלקטרית נוטים לוותר אלקטרונים לפריטים בהמשך הרשימה, והם יהיו טעונים חיובי. ככל שמרחק רב יותר בין שני חומרים שונים בסדרה הטריואלקטרית, כך האפקט הטריבואלקטרי גדול יותר כאשר הם מתחככים זה בזה.

אתה יכול למצוא דוגמה מצוינת לטבלת סדרות טריבואלקטריות פה, שהתבסס על בדיקות שערך ביל לי ב- AlphaLab, inc. טבלה זו מפרטת כיצד נבדקו החומרים וכן מגבלות המדידות.

הערכים בטבלה הם ב- nC / J, שמייצג ננו-קולומבויות לכל ג'ול, כאשר קולומב הוא יחידת המטען הסטנדרטית, וג'ול הוא יחידת האנרגיה הקשורה לחיכוך. הסימן החיובי או השלילי מייצג את הסבירות שלהם להעלות מטענים חיוביים או שליליים, בהתאמה.

כך לדוגמא, גומי לטקס תופס טעינה של 105 nC לכל ג'אול אנרגיה שהושקעה בתהליך ההתחככות, וסימן המינוס אומר לך שהוא קולט מטען שלילי נטו. מצד שני, לעור יבש יש ערך של +30 nC / J, כלומר הוא יאבד אלקטרונים, ולכן הוא מסתיים במטען חיובי של 30 nC לכל ג'ול אנרגיה שעובר לתהליך השפשוף.

לבסוף, נציין שרוב החומרים השונים ברשימה (למשל, גומי סיליקון ו- PVC) הם מבודדים, כך שהם אינם יכולים לשאת זרם חשמלי במצבים רגילים. זוהי תזכורת חשובה לכך שהחשמל הטריאלי פועל באופן שונה לחלוטין מחשמל רגיל, ובאופן כללי מבודדים כן טוב יותר מאשר מוליכים בהחזקת מטען סטטי מסוג זה.

גנרטורים של ואן דה גראף הם ציוד ידוע העושה שימוש באפקט הטריבואלקטרי לייצר הצטברות או מאגר מטען שתוכל למדוד כהבדל פוטנציאלי באמצעות מד מתח.

ברוב הגנרטורים של ואן דה גראף, חגורת גומי נמרחת נגד "מסרק" מתכתי בתחתית, השואב אלקטרונים מהחגורה ומשאיר אותה עם מטען חיובי נטו. זה נאסף על ידי מסרק תואם בחלקו העליון כדי להפיץ את המטען לכיפה המתכתית בחלק העליון של הגנרטור.

כמובן, אלקטרונים הם נושאי המטען הניידים, ולכן החגורה מאבדת אלקטרונים בתחתית ואז מרימה אלקטרונים מהמסרק והכיפה בחלקו העליון, ומשאירים אותם עם גירעון אלקטרונים וכך נטו חיובי לחייב.

ההבדל הפוטנציאלי המסיבי שנוצר בתהליך זה יכול לחרוג מ- 100,000 וולט והוא משמש לעתים קרובות בתצוגה קלאסית בכיתה שבה מישהו שנמצא במגע עם הגנרטור עומד על שיערו סוֹף. הסיבה לכך היא כי קווצות השיער כולן מקבלות מטען תואם (חיובי) ולכן מתחילות להדוף זו את זו.