Statinė elektra: apibrėžimas, kaip tai veikia, faktai (su pavyzdžiais)

Elektrinis įkrovimas yra visur aplink jus, tačiau jį pastebite tik retais atvejais, pavyzdžiui, kai plaukai atsistoja po to nusiimate skrybėlę arba kai gausite aštrią spragą, kai pasieksite ką nors paliesti, kai trinsite kojas palei kilimas.

Šie du reiškiniai yra pavyzdžiaistatinė elektra, apie ką tikriausiai sužinojai būdamas vaikas. Bet kaip statinis krūvis priverčia plaukus atsistoti ir kodėl tai gali sukelti statinį šoką?

Kas iš tikrųjų vyksta atominiame lygmenyje, kuris sukuria šias visuotines patirtis? Sužinoję išsamią informaciją apie statinę elektrą, galite gauti daug išsamesnę informaciją apie šią įspūdingą materijos savybę.

Elektros krūvis yra pagrindinė materijos savybė. Jis yra padalintas į teigiamus ir neigiamus krūvius, ir nors kai kurios dalelės yra elektriniu požiūriu neutralūs - pavyzdžiui, neutronas - jie iš tikrųjų susideda iš dar svarbesnių dalelės, kuriospadarytinešti elektros krūvį.

Dvi svarbiausios įkrautos dalelės, apie kurias reikia žinoti, kai sužinosite apie statinę elektrą, yra dvi pagrindinės atomo sudedamosios dalys: protonai ir elektronai.

Protonai yra teigiamai įkrauti, o jų krūvis yra +e, o elektronai neigiamai įkraunami -e, kure​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C reiškiakulonkos, kuris yra SI įkrovos vienetas. 10⁻¹⁹ pasakoja, kad įelektrintos dalelės turilabai mažasįkrovos vertės, palyginti su vienu kulonu - du tik 1 C krūviai, atskirti metru, sukeltų jėgą, didesnę nei „Saturn V“ raketos paleidimo trauka!

Pagrindinė elektros krūvio veikimo taisyklė yra ta, kad priešingi krūviai traukia ir panašūs į krūvius. Taigi, jei jūs atneštumėte elektroną šalia kito elektrono, jie atsiskirtų, o jei jūs atneštumėte elektroną šalia protono, jis jį pritrauktų.

Esminiu lygiu statinė elektra tiesiog reiškia nejudančius mokesčius. Tačiau yra daug daugiau nei tai! Pagrindinis statinės elektros dalykas yra tai, kad ji atsiranda, kai yra disbalansas, ir šis disbalansas iš esmės sukuriaelektrinis potencialas, o tai reiškia, kad dėl įkrovą nešančių dalelių padėties gali tekėti elektros srovė (atstatyti krūvį).

Atomuose ir, be kita ko, daugumoje kasdienių daiktų, yra pusiausvyra tarp teigiamo ir neigiamo krūvius (t. y. tarp protonų ir elektronų), todėl, jei visi laikomi, jie yra elektriškai neutralūs kartu.

Taigi, jei priartintumėte vieną atomą šalia kito, tarp jų nebūtų jokios elektros jėgos, nes visi teigiamų krūvių yra subalansuoti neigiamais krūviais, todėl nėra grynojo krūvio generuoti a jėga.

Nors tai tikrai šiek tiek sudėtingiau nei šis (nes elektronai visada juda, todėl nevisadablokuoja teigiamą protonų krūvį), ši neutrali situacija sukuria aiškų kontrastą su tuo, kas atsitinka, kai susidaro statinis krūvis.

Iš esmės, kai daiktas (pvz., Plaukai, patepę ant jo balioną) įgyja perkrovą arba trūkumą (taigi daugiau arba mažiau elektronų nei įprastoje būsenoje), tada jis nebėra neutralus ir gali generuoti tai, ką jūs vadinate statiniu elektros. Priešingai, įprasta elektra yra anepertraukiamas judesysįkrovos (elektronų pavidalu elektros srovėje), tuo tarpu statinė elektra nėra susijusi su judėjimuikimokesčiai iš naujo subalansuoja vienas kitą - ir galbūt suteiks jums staigų trūkumą proceso metu!

Statinė elektra iš esmės priklauso nuo pusiausvyros tarp teigiamų krūvių ir neigiamų krūvių, tačiau iš tikrųjų tik elektronai juda, kad sukurtų šį disbalansą.

Atome protonai yra tvirtai surišti branduolyje (kartu su neutronais), ir abu jie yra žymiai sunkesni už neigiamai įkrautus elektronus, kurie lieka „debesyje“ aplink jų išorę branduolys.

Kadangi šios lengvesnės dalelės yra išorėje, kai vienas objektas kontaktuoja su kitu, tai yra elektronai, kurie gali pernešti tarp jų, ir trinant juos kartu padidėja įkrovos greitis pastatyti. Taigi, jei daiktas pasiima papildomų elektronų, jis tampa neigiamai įkrautas, o pametęs elektronus - teigiamai.

Izoliacinės medžiagos gerai išlaiko statinį krūvį, o geras laidininkas palaiko statinį krūvį tik tam tikrose situacijose. Laidininkas, gavęs papildomų elektronų, nelaiko statinio krūvio, nes elektronai gali laisvai tekėti visoje medžiagoje (o tai yra gero laidininko apibrėžimas).

Taigi bet koks krūvio susidarymas per greitai išsisklaido, kad būtų sukurta pastebima statinė elektra, ir jis gali pereiti į kitus objektus, nebent jis būtų visiškai izoliuotas nuo likusios aplinkos. Kadangi srovė negali tekėti izoliatoriuje, statinis kaupimasis greitai sukuria pastebimą krūvio disbalansą ir taip generuoja statinę elektrą.

Kadangi panašūs mokesčiai atbaido, o priešingi mokesčiai pritraukia, kai kažkas turi statinį krūvį, jis laikysis priešingai įkrautų daiktų ir kartais galipoliarizuotisatomus kitaip neutraliame objekte ir laikykitės jo - taip, kaip balionas prilimpa prie sienos, kai jį patrinsite ant galvos.

Jei krūvio kaupimasis yra pakankamai didelis ir tarp dviejų paviršių ar objektų pasiekiama gana aukšta įtampa, krūvis gali šokinėti nuo vieno objekto prie kito. Štai kodėl galite patirti statinio šoko trūkumą, jei patrinsite kojas per grindis ir paliesite durų rankeną.

Yra daugybė statinės elektros pavyzdžių, su kuriais susidursite kasdieniame gyvenime, net jei nebūtinai galvojate apie statinio krūvio vaidmenį jų veikime.

Vienas iš ypač paplitusių pavyzdžių yra statinis prilipimas prie drabužių, ypač panaudojus džiovyklę, kuri palaiko idealias sąlygas statinė elektra vystytis, be to, drabužiai trinasi vienas į kitą ir potencialiai surenka papildomus elektronus būdu. Statiškas šokas nuo tokiu būdu įkrautų drabužių būna gana mažas, tačiau jį gavę tikrai pastebite!

Fotokopijavimo aparatai yra puikus pavyzdys, kaip statinę elektrą galima tinkamai panaudoti. Ryški šviesa, skenuojanti dokumentą, sukuria elektrinį vaizdo „šešėlį“ ant fotolaidumo (t. Y. šviesai jautrus) diržas, o diržas sukasi, dėl statinio jis pasiima neigiamai įkrautas dažų daleles mokestis.

Po juo kitas diržas atneša popieriaus lapą, suteikdamas jam stiprų teigiamą statinį krūvį. Kai neigiami dažų krūviai atitinka teigiamus popieriaus krūvius, dažai atspausdinami pati ant popieriaus lapo tuo pačiu raštu, kaip šešėlis, kurį pakėlė fotolaidus diržas.

Kitas pavyzdys turėtų jus sugrąžinti į fizikos pamoką mokykloje: „Van de Graaff“ generatorius ir klasikinė demonstracija, kai kam nors, liečiančiam sferą, plaukai stovi. Generatorius veikia remdamasis statinių elektrinių krūvių judesiu, judančiu diržu, einančiu per visą prietaiso ilgį, ir dviem metalinėmis „šukomis“ statiniam krūviui valdyti.

Teigiamai įkrauta šukelė apačioje (prijungta prie elektros energijos tiekimo) traukia elektronus iš diržo, palikdama jį su grynuoju teigiamu krūviu, o šį krūvį pasiima viršuje esančios šukos, paskleidusios jį iki didžiojo kupolo ties viršuje. Jei įkrovimo metu paliesite kupolą, atskiros plaukų sruogos surenka atitinkamus krūvius ir atstumia vienas kitą, todėl jie stovi ant galo!

Žaibai yra labai dramatiškas statinės elektros jėgos demonstravimas, ir tai įrodė Benjaminas Franklinas vienas žinomiausių visų laikų mokslinių demonstracijų, perkūnijos metu pririšant raktą prie šlapios aitvaro stygos.

Nors tai mitas, kad aitvarą iš tikrųjų trenkė žaibas (tai greičiausiai būtų nužudęs Frankliną), elektrinis laukas iš audra buvo pakelta virvelės, kuri, panašiai kaip klasikinė Van de Graaffo generatoriaus demonstracija, privertė virvelės sruogas stovėti galas. Galiausiai Franklinas palietė klavišą ir pajuto statinio šoko trūkumą, aiškiai parodydamas elektros ir žaibo ryšį.

Žinoma, nuo Benjamino Franklino laikų mokslininkai pateikė daug daugiau informacijos apie šį procesą. Panašiai kaip drabužiai, besitrinantys vienas prieš kitą džiovintuve, arba balionas, trinantis plaukus - statinis krūvis kuris sukuria žaibą, kyla iš trinties ir iš ledo kristalų šaltame ore, patenkančiuose vandens lašus iš šilto oro masės.

Įkrovimas kaupiasi skirtingose ​​debesies vietose ir kai yra pakankamai didelis skirtumas elektrinis potencialas tarp šių vietų (t. y. pakankamai aukšta įtampa), jis išleidžiamas a pavidalu žaibas. Tai dažniausiai įvykstaperdebesų arba tarp dviejų debesų, tačiau kartais varžtas atsitrenkia į žemę.

Statinio krūvio, atsirandančio dėl trinties ir trinties, kaupimasis techniškai vadinamas triboelektrinis efektas, ir remdamiesi šiuo straipsniu jūs jau žinote išsamią informaciją, kas tai sukelia kaip tai veikia. Objektai, kurie liečiasi vienas su kitu, veda į tai, kad vienas iš jų surenka papildomus elektronus (visus turinčių neigiamus krūvius), o kitam susidaro elektronų deficitas, taigi ir teigiamas tinklas mokestis.

Tačiau laipsnis, kuriuo skirtingos medžiagos pasiima neigiamą krūvį arba praranda elektronus ir įgyja teigiamą krūvį, priklauso nuo medžiagos savybių. Nors izoliatoriai paprastai geriau pasiima statinį krūvį, skirtingi izoliatoriai jį pasiima skirtingu greičiu.

Pavyzdžiui, dauguma gumos rūšių, ypač teflonas, labai lengvai pasiima elektronus, todėl puikiai tinka demonstracijoms ir nuo statinės elektros priklausančioms technologijoms. Medžiagos skiriasi pagal „elektronegatyvumą“, kuris iš esmės reiškia jų elektronų giminingumą arba polinkį jas pasiimti iš kitų objektų.

Triboelektrinė serija sutvarko skirtingas medžiagas, atsižvelgdama į jų sugebėjimą pasiimti teigiamą arba neigiamą statinį krūvį. Daiktai, išdėstyti triboelektrinės serijos viršaus link, gali pasiimti teigiamą krūvį, tuo tarpu apačioje esantys labiau linkę įgyti elektronų ir paimti neigiamą krūvį kaip a rezultatas. Kuo didesnis skirtumas tarp dviejų elementų triboelektrinėse serijose, tuo labiau juos trinant bus sukurtas statinis krūvis abiejuose.

Nors dauguma statinės elektros energijos demonstracijų yra įdomūs rodymai ar nedideli įdomumai kasdieniame gyvenime, svarbu nepamiršti, kad nepageidaujamas statinis krūvis gali turėti rimtą padarinius.

Pavyzdžiui, viena statinės elektros kibirkštis gali uždegti degius skysčius ar dujas ir sukelti sprogimą. Statinis susikaupimas slystant per jūsų automobilio kėdutę netgi gali sukelti problemų reikia pripildyti degalų, todėl prieš pripildydami visada turėtumėte paliesti metalinę automobilio dalį aukštyn.

Žinoma,daugumalaiko statinė elektra iš tikrųjų yra tik įdomus reiškinys, tačiau supratimas, kaip ji veikia, gali padėti išvengti katastrofos kai kuriose situacijose.