Dauguma vaikų sužino apie triboelektrinis efektas gerokai anksčiau nei jie susipažins su terminu. Jei kada nors patrinote balioną ant plaukų ir matėte statinė elektra - traukdami plaukus baliono link ir galėdami būti pakankamai stiprūs, kad priliptumėte prie galvos - tada jūs suprantate triboelektrinio efekto pagrindus.
Iš esmės tai yra „kontaktinio elektrifikavimo“ forma, kai juda elektrinis krūvis elektronų pavidalu iš vieno objekto į kitą, o tai lemia neigiamą vieno objekto krūvį ir deficito susidarymą kita. Guminis balionas ir žmogaus plaukai yra tik du objektų pavyzdžiai, parodantys šį gana dažną reiškinį.
Sužinokite daugiau apie triboelektrinį efektą, kaip jis veikia, kas jį sukelia ir ką galite sužinoti iš triboelektrinės serijos padeda suprasti ir nuspėti, kas nutiks situacijose, susijusiose su elektros perdavimo perdavimu mokestis.
Kas yra triboelektrinis efektas?
Triboelektrinis poveikis žmonėms buvo žinomas nuo mažiausiai 600 m. Pr. Kr., Kai graikas Thalesas filosofas nustatė, kad jūs galite patrinti gintarą ir priversti jį pritraukti pūkų, popieriaus ir kitų mažų, lengvų objektai. Terminas triboelektrinis poveikis iš graikų kalbos reiškia „trynimą“ ir „gintarą“ dėl šios efekto atradimo istorijos. Žinoma, šiandien mokslininkai daug geriau supranta triboelektrinio efekto priežastis ir apskritai elektros krūvio pobūdį.
Triboelektrinis efektas vadinamas kontaktine elektrifikacija, nes tai objektų, kurie kontaktuoja, procesas - ypač trina juos į kiekvieną kita, pavyzdžiui, guminis balionas ant žmogaus plaukų ar kojų ant kilimo, dėl kurio susidaro paviršiaus krūvis, kuris sukuria poveikis.
Elektrinis krūvis - elektronų, neigiamų krūvį nešančių atomų komponentų pavidalu - trina perduodamas iš vieno objekto į kitą. Vykstantis krūvio perkėlimas reiškia, kad vienas objektas įgyja elektronus ir tuo pačiu neigiamą grynąjį krūvį, o kitas praranda elektronus ir dėl to susidaro grynasis teigiamas krūvis.
Šis elektronų kaupimasis palieka abiejų objektų grynąjį krūvį ir nuo to laiko jie elgiasi kaip bet kurie du įkrauti objektai: panašiai kaip krūviai atbaidys vienas kitą, o skirtingai nei krūviai (kaip du, naudojami efektui sukurti) pritrauks vieną kitas. Kiek tai atsitiks, priklauso nuo pačių medžiagų ir galiausiai bendrų kiekvieno objekto krūvių po trynimo.
Triboelektrinio efekto priežastys
Galų gale triboelektrikos reiškinį sukelia trintis: kai viena medžiaga yra trinama Kita vertus, elektronai yra efektyviai „nuplėšti“ nuo vieno objekto, o kitame gale gausu elektros mokestis.
Tačiau norint iš tikrųjų suprasti reiškinį ir jo priežastis, reikia galvoti apie atomų struktūrą. Mažame, tankiai supakuotame branduolyje yra teigiamai įkrautų protonų ir be krūvio neutronų, kurių a Neigiamai įkrautų elektronų „debesis“ aplink jį, paprastai subalansuojantis teigiamą krūvį iš branduolys. Trintis lemia krūvio perdavimą, paimdama iš vienos medžiagos kai kuriuos neigiamai įkrautus elektronus.
Tai, kiek medžiaga paims elektronus iš kitos medžiagos, vadinama elektronų giminingumas arba įkrauti giminingumą. Jei vienos medžiagos atomai turi didesnį elektronų afinitetą nei kita medžiaga, tada ji linkusi imk elektronai (ir tokiu būdu susidaro neigiamą krūvį) iš kitos medžiagos (kurios elektronų deficitas tada sukuria grynąjį teigiamą krūvį). Be guminio baliono ir žmogaus plaukų, kojų, kilimo ir gintaro bei audinio, dar vieną klasikinį šio reiškinio pavyzdį pateikia teflonas ir triušio kailis.
Trumpai tariant, triboelektrinės medžiagos kiekis, rodomas skirtingoms medžiagoms, skiriasi dėl jų specifinio elektrono ar krūvio afiniteto. Štai kodėl mokslininkai sukūrė medžiagų, suskirstytų pagal jų polinkį įgyti ar prarasti elektronus, sąrašą, vadinamą triboelektrinėmis serijomis.
Triboelektrinė serija
Triboelektrinė serija yra objektų sąrašas, suskirstytas pagal jų polinkį įgyti grynąjį teigiamą krūvį arba grynąjį neigiamą krūvį, kontaktuojant tarpusavyje.
Medžiagos link triboelektrinės serijos viršaus labiau linkusios atsisakyti elektronų (ir išsivystyti) grynasis teigiamas krūvis), o medžiagos, esančios link dugno, labiau linkusios įgyti elektronus (ir taip neigiamos mokestis).
Idealiomis sąlygomis - jei viskas sausa - objektai, esantys triboelektrinėse, bus linkę pasiduoti elektronai į elementus, esančius toliau sąraše, ir jie bus teigiamai įkrauti. Kuo didesnis atstumas tarp dviejų skirtingų triboelektrinių serijų medžiagų, tuo didesnis yra triboelektrinis poveikis, kai jos trinamos kartu.
Triboelektrinės serijos diagrama
Galite rasti puikų triboelektrinės serijos diagramos pavyzdį čia, kuris buvo pagrįstas Billo Lee atliktais bandymais AlphaLab, inc. Šioje lentelėje pateikiama išsami informacija apie medžiagų bandymą ir matavimų apribojimai.
Lentelėje pateiktos vertės yra nC / J, tai reiškia nanokulombas viename džaulyje, o Coulombas yra standartinis įkrovos vienetas, o Džauliai yra energijos, susijusios su trintimi, vienetas. Teigiamas arba neigiamas ženklas rodo jų tikimybę paimti atitinkamai teigiamus ar neigiamus krūvius.
Pavyzdžiui, latekso guma paima 105 nC įkrovą už vieną džaulį energijos, investuotos į trynimo procesą, o minuso ženklas nurodo, kad jis surenka grynąjį neigiamą krūvį. Kita vertus, sausos odos vertė yra +30 nC / J, tai reiškia, kad ji praras elektronus, todėl galiausiai susidaro teigiamas 30 nC krūvis vienai joulei energijos, kuri eina į trynimo procesą.
Galiausiai pastebėsite, kad dauguma skirtingų sąraše esančių medžiagų (pavyzdžiui, silikoninė guma ir PVC) yra izoliatoriai, todėl įprastomis situacijomis jie negali vykdyti elektros srovės. Tai yra svarbus priminimas, kad triboelektrika veikia visiškai kitaip nei įprasta elektra, ir paprastai izoliatoriai yra geriau nei laidininkai laikydami tokio tipo statinį krūvį.
Van De Graaff generatoriai
„Van de Graaff“ generatoriai yra gerai žinoma įranga, naudojanti triboelektrinį efektą sukurti kaupimą ar įkrovos atsargą, kurią galite įvertinti kaip potencialų skirtumą naudodami a voltmetras.
Daugumoje „Van de Graaff“ generatorių guminis diržas trinamas prie metalinės „šukos“ apačioje, kuri iš diržo traukia elektronus ir palieka grynąjį teigiamą krūvį. Tada tai pasiima viršuje esančios derančios šukos, kad paskirstytų krūvį į metalinį kupolą generatoriaus viršuje.
Žinoma, elektronai yra mobilūs krūvininkų nešikliai, todėl diržas praranda elektronus apačioje ir tada pakyla elektronai iš šukos ir kupolo viršuje, paliekant jiems elektronų deficitą ir todėl grynasis teigiamas mokestis.
Šio proceso sukurtas didžiulis potencialų skirtumas gali viršyti 100 000 voltų ir yra dažnai naudojamas klasikiniame klasės ekrane, kur kažkas, turintis kontaktą su generatoriumi, turi plaukus galas. Taip yra todėl, kad visos plaukų sruogos įgyja derantį (teigiamą) krūvį ir todėl pradeda viena kitą atstumti.