Lielākā daļa bērnu uzzina par triboelektriskais efekts krietni pirms viņi ir iepazinušies ar šo terminu. Ja jūs kādreiz esat paberzējis balonu uz matiem un esat bijis liecinieks statiskā elektrība - pavelkot matus balona virzienā un, iespējams, pietiekami spēcīgi, lai pieliptu balonu pie galvas, tad jūs saprotat triboelektriskā efekta pamatus.
Tas būtībā ir “kontakta elektrifikācijas” veids, kur elektriskais lādiņš elektronu veidā pārvietojas no viena objekta uz otru, kas noved pie negatīva lādiņa uzkrāšanās uz vienu objektu un deficīta uz objektu cits. Gumijas balons un cilvēka mati ir tikai divi objektu piemēri, kas parāda šo diezgan izplatīto parādību.
Uzzinot sīkāku informāciju par triboelektrisko efektu, kā tas darbojas, kas to izraisa un ko jūs varat uzzināt no triboelektriskās sērijas palīdz jums saprast un paredzēt, kas notiks situācijās, kas saistītas ar elektriskās strāvas nodošanu maksas.
Kāds ir triboelektriskais efekts?
Triboelektriskais efekts cilvēkiem ir zināms kopš vismaz 600. gada p.m.ē., kad grieķis Taliss filozofs atklāja, ka jūs varat berzt dzintaru un padarīt to pievilcīgu, papīru un citu mazu, vieglu objektiem. Termins triboelektriskais efekts no grieķu valodas nāk no “berzes” un “dzintars”, pateicoties šai efekta atklāšanas vēsturei. Protams, šodien zinātniekiem ir daudz labāka izpratne par triboelektriskā efekta cēloņiem un elektriskā lādiņa būtību kopumā.
Triboelektrisko efektu sauc par kontakta elektrifikāciju, jo tas ir objektu process, kas nonāk saskarē - it īpaši berzes pret katru cits, piemēram, gumijas balons pret cilvēka matiem vai jūsu kājas pāri paklājam, kas noved pie virsmas lādiņa uzkrāšanās, kas rada efekts.
Elektriskā lādiņa - elektronu formā, negatīvās atomu lādiņu nesošās sastāvdaļas - berzes procesā tiek pārnesta no viena objekta uz otru. Notiekošā lādiņa nodošana nozīmē, ka viens objekts iegūst elektronus un līdz ar to neto negatīvo lādiņu, bet otrs zaudē elektronus un līdz ar to nonāk ar pozitīvo neto lādiņu.
Šī elektronu uzkrāšanās atstāj neto lādiņu abiem objektiem, un no šī brīža tie izturas tāpat kā visi divi uzlādētie objekti: tāpat kā lādiņi viens otru atgrūdīs, un atšķirībā no lādiņiem (piemēram, abiem, ko izmanto efekta radīšanai) viens piesaistīs cits. Tas, cik tas notiek, ir atkarīgs no pašiem materiāliem un galu galā no katra objekta kopējās maksas pēc berzes.
Triboelektriskā efekta cēloņi
Galu galā triboelektriskuma fenomenu izraisa berze: kad tiek berzēts viens materiāls Otrkārt, elektroni tiek efektīvi “noņemti” no viena priekšmeta, un otrs galu galā ir ar lielu elektrības daudzumu maksas.
Tomēr, lai patiesi saprastu fenomenu un tā izraisītājus, jādomā par atomu struktūru. Neliels, blīvi iesaiņots kodols satur pozitīvi lādētus protonus un neuzlādējamus neitronus ar a Ap to negatīvi lādētu elektronu “mākonis”, kas parasti izlīdzina pozitīvo lādiņu no kodols. Berze noved pie lādiņa pārneses, no viena materiāla paņemot dažus negatīvi lādētos elektronus.
To, cik lielā mērā materiāls no cita materiāla paņems elektronus, sauc par to elektronu afinitāte vai maksas afinitāte. Ja viena materiāla atomiem ir lielāka elektronu afinitāte nekā citam materiālam, tad tam būs tendence ņemt elektroni (un tādējādi izveido negatīvu lādiņu) no cita materiāla (kam pēc tam ir elektronu deficīts un rodas pozitīvais neto lādiņš). Papildus gumijas balonam un cilvēka matiem, kājām, paklāju, dzintaru un audumu, vēl vienu klasisku parādības piemēru nodrošina teflona un trušu kažokādas.
Īsāk sakot, triboelektrisko materiālu parādīšanas daudzums dažādiem materiāliem atšķiras to specifiskā elektrona vai lādiņa afinitātes dēļ. Tāpēc zinātnieki ir izveidojuši materiālu sarakstu, kas sakārtoti pēc viņu tieksmes iegūt vai zaudēt elektronus, ko sauc par triboelektriskām sērijām.
Triboelektriskā sērija
Triboelektriskā sērija ir objektu saraksts, kas sakārtots pēc to tieksmes iegūt neto pozitīvu lādiņu vai neto negatīvu lādiņu, nonākot saskarē viens ar otru.
Materiāli, kas atrodas triboelektrisko virkņu augšdaļā, visticamāk, kontaktā nodod elektronus (un attīstās pozitīvais lādiņš), un materiāli, kas atrodas apakšā, visticamāk iegūst elektronus (un tik negatīvus maksa).
Ideālos apstākļos - ja viss ir sauss - objekti, kas novietoti augstāk triboelektriskajā sērijā, mēdz padoties elektroni uz priekšmetiem, kas atrodas tālāk sarakstā, un tie kļūs pozitīvi uzlādēti. Jo lielāks attālums starp diviem dažādiem materiāliem triboelektriskajā sērijā, jo lielāks ir triboelektriskais efekts, kad tos berzē kopā.
Triboelektriskās sērijas diagramma
Jūs varat atrast lielisku triboelektrisko sēriju diagrammas piemēru šeit, kuras pamatā bija Bila Lī veiktie testi AlphaLab, inc. Šajā tabulā sniegta informācija par materiālu testēšanu, kā arī mērījumu ierobežojumi.
Vērtības tabulā ir izteiktas nC / J, kas apzīmē nanokulombas uz džoulu, ar standarta lādiņa vienību Kulons, bet ar berzi saistītās enerģijas vienību - Džouls. Pozitīvā vai negatīvā zīme norāda viņu iespējamību attiecīgi uzņemt pozitīvos vai negatīvos lādiņus.
Tā, piemēram, lateksa gumija uzņem 105 nC uzlādi par vienu džoulu enerģijas, kas ieguldīta berzes procesā, un mīnus zīme norāda, ka tā uzņem neto negatīvo lādiņu. No otras puses, sausai ādai ir vērtība +30 nC / J, tas nozīmē, ka tā zaudēs elektronus, tāpēc tas beidzas ar pozitīvu lādiņu 30 nC uz katru džoulu enerģijas, kas nonāk berzes procesā.
Visbeidzot, jūs ievērosiet, ka lielākā daļa dažādu materiālu sarakstā (piemēram, silikona gumija un PVC) ir izolatori, tāpēc normālos apstākļos tie nevar pārvadāt elektrisko strāvu. Tas ir svarīgs atgādinājums, ka triboelektroenerģija darbojas pilnīgi savādāk nekā parasta elektrība, un parasti izolatori ir labāk nekā vadītāji, turot šāda veida statisko lādiņu.
Van De Graaff ģeneratori
Van de Graaff ģeneratori ir plaši pazīstama iekārta, kas izmanto triboelektrisko efektu lai izveidotu lādiņu vai lādiņu, kuru varat izmērīt kā potenciālu starpību, izmantojot a voltmetrs.
Lielākajā daļā Van de Graaff ģeneratoru gumijas josta tiek noberzta pret metāla “ķemmi” apakšā, kas izvelk elektronus no jostas un atstāj to ar tīro pozitīvo lādiņu. Pēc tam to paņem ar atbilstošu ķemmi augšpusē, lai uzlādētu lādiņu uz metāla kupolu ģeneratora augšpusē.
Protams, elektroni ir mobilie lādiņu nesēji, tāpēc josta apakšā zaudē elektronus un pēc tam paceļas elektroni no ķemmes un kupola augšpusē, atstājot tos ar elektronu deficītu un tādējādi neto pozitīvu maksas.
Šī procesa radītā potenciālā masveida atšķirība var pārsniegt 100 000 voltu, un to bieži izmanto klasiskajā klases displejā, kur kādam, kas kontaktējas ar ģeneratoru, ir mati beigas. Tas ir tāpēc, ka matu šķipsnas visi iegūst atbilstošu (pozitīvu) lādiņu un tāpēc sāk viens otru atgrūst.