מטען חשמלי נמצא מסביבך, אבל אתה באמת שם לב אליו רק במקרים נדירים, כמו כאשר השיער שלך עומד אחריו אתה מוריד כובע או כשאתה מקבל זאפ חד כשאתה מושיט יד כדי לגעת במשהו אחרי שאתה משפשף את הרגליים לאורך שָׁטִיחַ.
שתי תופעות אלו הן דוגמאותחשמל סטטי, משהו שכנראה למדת עליו כשהיית ילד. אבל איך מטען סטטי גורם לשיער שלך להסתדר ולמה זה יכול לתת לך הלם סטטי?
מה קורה בפועל ברמה האטומית המייצרת את החוויות האוניברסליות הללו? לימוד הפרטים על חשמל סטטי מעניק לכם תובנה מפורטת הרבה יותר בנוגע למאפיין המרתק הזה של החומר.
יסודות המטען החשמלי
מטען חשמלי הוא רכוש מהותי של החומר. הוא מופרד למטענים חיוביים ומטענים שליליים, ולמרות שחלקיקים מסוימים כן ניטרלי חשמלי - כגון הנויטרון - אלה מורכבים למעשה מהיסוד עוד יותר חלקיקים אשרלַעֲשׂוֹתלשאת מטען חשמלי.
שני החלקיקים הטעונים החשובים ביותר שיש לדעת עליהם כאשר לומדים על חשמל סטטי הם שני המרכיבים העיקריים של אטום: פרוטונים ואלקטרונים.
פרוטונים טעונים חיובי, עם תשלום של +ה, בעוד אלקטרונים טעונים שלילית ב -ה, איפהה = 1.602 × 10−19 ג. ה- C כאן מייצגקולומבות, שהיא יחידת SI למטען חשמלי. ה -10
הכלל הבסיסי לאופן הפעולה של מטען חשמלי הוא שמטענים מנוגדים מושכים מטענים דומים. אז אם הייתם מביאים אלקטרון ליד אלקטרון אחר, הם היו דוחפים את עצמם זה מזה, ואילו אם הייתם מביאים אלקטרון ליד פרוטון, זה היה נמשך אליו.
הגדרת חשמל סטטי
ברמה הבסיסית ביותר, חשמל סטטי פשוט מתייחס לחיובים שאינם זזים. עם זאת, יש בזה הרבה יותר מזה! הדבר המרכזי בחשמל סטטי הוא שהוא מתרחש כשיש חוסר איזון במטען, וחוסר איזון זה בעצם יוצרפוטנציאל חשמלי, כלומר קיים פוטנציאל של זרם חשמלי לזרום (לאזן מחדש את המטען) בגלל המיקומים של חלקיקים נושאי מטען.
באטומים, ובהרחבה רוב האובייקטים היומיומיים, יש איזון בין החיובי לשלילי מטענים (כלומר בין הפרוטונים לאלקטרונים), ולכן הם ניטרלים חשמלית כאשר הם נחשבים לכולם יַחַד.
אז אם היית מקרב אטום אחד למשנהו, לא היה כוח חשמלי ביניהם כי כולם מהמטענים החיוביים מאוזנים במטענים שליליים, כך שאין חיוב נטו לייצר a כּוֹחַ.
זה אמנם קצת יותר מסובך מזה (כי אלקטרונים תמיד נעים, אז הם לאתמידלחסום את המטען החיובי מהפרוטונים), מצב נייטרלי זה יוצר ניגוד ברור למה שקורה כשיש הצטברות של מטען סטטי.
בעיקרו של דבר, כאשר אובייקט (כמו שיערך לאחר שפשפת עליו בלון) צובר עודף או גירעון מטען (כך עוד או פחות אלקטרונים מאשר במצבו הרגיל), אז הוא כבר לא ניטרלי ויכול לייצר את מה שאתה מכנה סטטי חַשְׁמַל. לעומת זאת, חשמל רגיל הוא אתנועה רציפהשל מטען (בצורה של אלקטרונים בזרם חשמלי), בעוד שחשמל סטטי אינו כרוך בתנועהעדהאישומים מאזנים מחדש זה את זה - ואולי נותנים לכם זאפ חד בתהליך!
איך עובד חשמל סטטי
חשמל סטטי תלוי מיסודו בחוסר איזון בין מטענים חיוביים למטענים שליליים, אך באמת רק האלקטרונים נעים ליצור את חוסר האיזון הזה.
באטום הפרוטונים קשורים היטב בגרעין (יחד עם הנויטרונים), ושני אלה הם כבד משמעותית מהאלקטרונים הטעונים שלילית שנשארים ב"ענן "סביב החלק החיצוני של השטח גַרעִין.
מכיוון שחלקיקים קלים יותר הם מבחוץ, כאשר אובייקט אחד יוצר קשר עם אחר זה הוא אלקטרונים שיכולים להעביר ביניהם, ושפשוף אותם יחד מגביר את קצב הטעינה לבנות. אז אם אובייקט קולט אלקטרונים נוספים, הוא הופך להיות טעון שלילית, ואילו אם הוא מאבד אלקטרונים הוא הופך לטעון באופן חיובי.
חומרי בידוד מחזיקים מטען סטטי היטב, ואילו מוליך טוב ישמור על מטען סטטי רק במצבים מסוימים. מוליך שניתן אלקטרונים נוספים אינו מחזיק מטען סטטי מכיוון שהאלקטרונים יכולים לזרום בחופשיות בכל החומר (שזו ההגדרה של מוליך טוב).
כך שכל הצטברות מטען מתפוגגת מהר מדי כדי ליצור חשמל סטטי מורגש, והיא יכולה להעביר לאובייקטים אחרים אלא אם כן היא מבודדת לחלוטין משאר הסביבה. מכיוון שהזרם אינו יכול לזרום במבודד, ההצטברות הסטטית יוצרת במהירות חוסר איזון מטען בולט ובכך מייצר חשמל סטטי.
כי כמו מטענים דוחים, ומטענים מנוגדים מושכים, כאשר למשהו יש מטען סטטי הוא ייצמד לפריטים טעונים הפוכים, וזה יכול לפעמים גםלְקַטֵבאטומים באובייקט ניטרלי אחר ונדבק גם אליו - הדרך שבה בלון נדבק לקיר אחרי שאתה משפשף אותו על הראש.
אם הצטברות המטען גדולה מספיק ומושג מתח גבוה יחסית בין שני המשטחים או האובייקטים, המטען יכול לקפוץ מאובייקט אחד לאחר. זו הסיבה שאתה יכול לקבל זאפ מההלם הסטטי אם אתה מחכך את הרגליים על הרצפה ואז נוגע בידית הדלת.
דוגמאות לחשמל סטטי
ישנן דוגמאות רבות לחשמל סטטי שתיתקל בו בחיי היומיום, גם אם אינך בהכרח חושב על התפקיד שמטען סטטי ממלא בתפעולן.
דוגמה נפוצה במיוחד היא היצמדות סטטית בבגדים, במיוחד לאחר השימוש במייבש, השומר על התנאים האידיאליים עבור חשמל סטטי להתפתח, וכולל גם בגדים שמתחככים זה בזה ואולי מלקטים אלקטרונים נוספים על המכשיר דֶרֶך. ההלם הסטטי מהבגדים הטעונים בדרך זו נוטה להיות די קטן, אבל אתה בהחלט עדיין שם לב אליו כשאתה מקבל כזה!
מכונות צילום הן דוגמה מצוינת לאופן השימוש בחשמל סטטי. האור הבוהק הסורק את המסמך יוצר "צל" חשמלי של התמונה על גבי פוטו-מוליך (כלומר. חגורה רגישה לאור, וכשהחגורה מסתובבת, היא קולטת חלקיקי טונר טעונים שלילית בגלל סטטי לחייב.
מתחת לכך, חגורה אחרת מביאה דף נייר מסביב, ומעניקה לה מטען סטטי חיובי חזק בתהליך. כאשר המטענים השליליים מהטונר עומדים במטענים החיוביים על הנייר, הטונר מטביע את עצמו על פיסת הנייר, באותה תבנית כמו הצל שהגיב המוליך חֲגוֹרָה.
דוגמה נוספת צריכה להחזיר אותך לשיעור בפיזיקה בבית הספר: הגנרטור של ואן דה גראף, וההפגנה הקלאסית שבה מישהו שנוגע בכדור השיער עומד. הגנרטור עובד על בסיס תנועה של מטענים חשמליים סטטיים, עם חגורה נעה לאורך המכשיר ושתי "מסרקות" מתכתיות לשליטה במטען הסטטי.
מסרק טעון חיובי בתחתית (מחובר לאספקת חשמל) שואב אלקטרונים מהחגורה ומשאיר אותה עם מטען חיובי נטו, ומטען זה נאסף על ידי מסרק בחלקו העליון, המפיץ אותו אל הכיפה הגדולה שב חלק עליון. אם אתה נוגע בכיפה במהלך תהליך הטעינה, קווצות בודדות של השיער שלך מרימות מטענים תואמים ודוחות זו את זו, מה שהופך אותו לעומד על הקצה!
ניסוי העפיפונים של בנג'מין פרנקלין
ברקים הם הפגנה דרמטית מאוד לכוחו של החשמל הסטטי, ובנג'מין פרנקלין הוכיח זאת אחת ההפגנות המדעיות הידועות בכל הזמנים על ידי קשירת מפתח למיתר עפיפונים רטוב במהלך סופת רעמים.
זה אמנם מיתוס שהעפיפון נפגע ממש על ידי ברק (סביר להניח שזה היה הורג את פרנקלין), אבל השדה החשמלי סערה נאספה על ידי המיתר, שבדומה להפגנת הגנרטור הקלאסית של ואן דה גראף - הפך את גדילי החוט לעמוד על סוֹף. לבסוף, פרנקלין נגע במקש והרגיש את הזעזוע של הלם סטטי, והדגים בבירור את הקשר בין חשמל לברק.
כמובן שמדענים מילאו פרטים רבים נוספים על התהליך עוד מימיו של בנג'מין פרנקלין. בדומה לבגדים שמתחככים זה בזה במייבש או בלון שמתחכך בשיער שלך, המטען הסטטי שיוצר ברק נובע מחיכוך, ומגבישי קרח באוויר קר שפוגשים טיפות מים מאוויר חם מסה.
המטען מצטבר במקומות שונים בענן, וכאשר יש הבדל מספיק גבוה ב פוטנציאל חשמלי בין המקומות הללו (כלומר מתח גבוה מספיק), הוא משוחרר בצורה של ברק. זה קורה בדרך כללבְּתוֹךעננים או בין שני עננים, אך מדי פעם הבריח יפגע בקרקע.
הסדרה הטריבואלקטרית
הצטברות המטען הסטטי הנגרמת מחיכוך ושפשוף נקראת טכנית אפקט טריבואלקטרי, ועל סמך מאמר זה אתה כבר יודע את הפרטים מה גורם לזה ול איך זה עובד. אובייקטים שבאים במגע אחד עם השני מובילים לכך שאחד מהם קולט אלקטרונים נוספים (הכל נושאת מטענים שליליים) והשנייה מפתחת גירעון אלקטרונים ולכן רשת חיובית לחייב.
עם זאת, המידה בה חומרים שונים תופסים מטען שלילי או מאבדים אלקטרונים ומקבלים מטען חיובי משתנה בהתאם למאפייני החומר. בעוד שבודדים בדרך כלל טובים יותר בהעלאת מטען סטטי, מבודדים שונים קולטים אותו בקצב שונה.
לדוגמא, רוב סוגי הגומי, ובמיוחד הטפלון, קולטים אלקטרונים בקלות רבה וככאלה הם מעולים להפגנות ולפיסות טכנולוגיה התלויות בחשמל סטטי. החומרים נבדלים על סמך "האלקטרוני שלילי" שלהם, שמשמעותו בעצם זיקתם האלקטרונית, או הנטייה שלהם לאסוף אותם מאובייקטים אחרים.
הסדרה הטריבואלקטרית מכניסה סדר לחומרים שונים על סמך יכולתם להעלות מטען סטטי חיובי או שלילי. פריטים המוצבים לראש הסדרה הטריבואלקטרית נוטים להעלות מטען חיובי, ואילו אלה שנמצאים בתחתית נוטים יותר לצבור אלקטרונים ולקחת מטען שלילי כ- תוֹצָאָה. ככל שההפרדה בין שני פריטים בסדרה הטריבואלקטרית גדולה יותר, כך שפשוף ביניהם יצור מטען סטטי בשניהם.
הסכנות של חשמל סטטי
בעוד שרוב ההפגנות של חשמל סטטי הן תצוגות מהנות או סקרנות מינורית שאתה מפגש בחיי היום יום, חשוב לזכור כי מטען סטטי לא רצוי יכול להיות חמור השלכות.
לדוגמא, ניצוץ יחיד מחשמל סטטי יכול להצית נוזלים דליקים או גזים ועלול לגרום לפיצוץ. הצטברות סטטית מהחלקה על מושב הרכב שלך עשויה אפילו לגרום לבעיה כאשר היא מגיע למילוי הדלק שלך, ולכן עליך לגעת תמיד בחלק המתכתי של המכונית לפני מילוי לְמַעלָה.
כמובן,רובבאותה תקופה חשמל סטטי הוא באמת רק תופעה מעניינת, אך הבנת אופן פעולתו יכולה לעזור לכם להימנע מאסון במצבים מסוימים.