Statiskā elektrība: definīcija, kā tā darbojas, fakti (ar piemēriem)

Elektriskais lādiņš ir visapkārt jums, taču jūs to patiešām pamanāt tikai retos gadījumos, piemēram, kad pēc tam mati pieceļas jūs noņemat cepuri vai kad saņemat asu spraugu, kad sasniedzat roku, lai kaut ko pieskartos pēc tam, kad esat noberzis kājas gar paklājs.

Šīs divas parādības ir piemērsstatiskā elektrība, kaut ko, iespējams, uzzinājāt, kad bijāt bērns. Bet kā statiskais lādiņš liek matiem piecelties un kāpēc tas var izraisīt statisku šoku?

Kas patiesībā notiek atomu līmenī, kas rada šo universālo pieredzi? Uzzinot sīkāku informāciju par statisko elektrību, jūs saņemat daudz detalizētāku ieskatu šajā aizraujošajā matērijas īpašumā.

Elektriskā lādiņa ir matērijas pamatīpašība. Tas ir sadalīts pozitīvajos un negatīvajos lādiņos, un, kaut arī dažas daļiņas ir elektriski neitrāli - piemēram, neitroni - tos faktiski veido vēl fundamentālāki daļiņas, kurasdarītnēsāt elektrisko lādiņu.

Divas vissvarīgākās uzlādētās daļiņas, par kurām jāzina, uzzinot par statisko elektrību, ir divas galvenās atoma sastāvdaļas: protoni un elektroni.

Protoni ir pozitīvi uzlādēti, ar +e, kamēr elektroni ir negatīvi lādēti pie -e, kure​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C šeit apzīmēkulonas, kas ir SI vienība elektriskai uzlādei. 10⁻¹⁹ stāsta, ka uzlādētajām daļiņām irļoti mazslādēšanas vērtības salīdzinājumā ar vienu kulonu - divi tikai 1 C lādiņi, kas atdalīti ar metru, radītu spēku, kas lielāks par Saturn V raķetes palaišanas vilces spēku!

Elektrisko lādiņu darbības pamatnoteikums ir tāds, ka pretēji lādiņi piesaista un līdzīgi lādiņiem atgrūž. Tātad, ja jūs nogādātu elektronu pie cita elektrona, viņi izstumtu sevi, turpretī, ja jūs pievestu elektronu pie protona, tas to piesaistītu.

Pamata līmenī statiskā elektrība vienkārši attiecas uz lādiņiem, kas nemainās. Tomēr tajā ir daudz vairāk! Statiskās elektrības galvenais ir tas, ka tā rodas, ja pastāv lādiņa nelīdzsvarotība, un šī nelīdzsvarotība būtībā radaelektriskais potenciāls, kas nozīmē, ka ir iespējama elektriskās strāvas plūsma (lai līdzsvarotu lādiņu) lādiņu nesošo daļiņu stāvokļa dēļ.

Atomos un līdz ar to lielākajā daļā ikdienas priekšmetu ir līdzsvars starp pozitīvo un negatīvo lādiņi (t.i. starp protoniem un elektroniem), tāpēc, ja tos uzskata par visiem, tie ir elektriski neitrāli kopā.

Tātad, ja jūs tuvinātu vienu atomu citam, starp tiem nebūtu elektriskā spēka, jo visi no pozitīvajiem lādiņiem ir līdzsvaroti ar negatīvajiem lādiņiem, tāpēc nav a spēks.

Lai gan tas patiešām ir mazliet sarežģītāk nekā šis (jo elektroni vienmēr pārvietojas, tāpēc viņi to nedaravienmērbloķē pozitīvo lādiņu no protoniem), šī neitrālā situācija rada skaidru kontrastu ar to, kas notiek, kad notiek statiskā lādiņa uzkrāšanās.

Būtībā, kad priekšmets (piemēram, jūsu mati pēc tam, kad tam uzberat balonu) iegūst lādiņu pārpalikumu vai deficītu (tātad vairāk vai mazāk elektronu nekā parastajā stāvoklī), tad tas vairs nav neitrāls un var radīt to, ko jūs saucat par statisku elektrība. Turpretī parastā elektrība ir anepārtraukta kustībalādiņa (elektronu formā elektriskā strāva), bet statiskā elektrība nav saistīta ar kustībulīdzlādiņi atjauno līdzsvaru un, iespējams, šajā procesā sniedz jums asu trūkumu!

Statiskā elektrība būtībā ir atkarīga no nelīdzsvarotības starp pozitīvajiem lādiņiem un negatīvajiem lādiņiem, bet patiesībā tikai tie elektroni pārvietojas, lai radītu šo nelīdzsvarotību.

Atomā protoni ir cieši saistīti kodolā (kopā ar neitroniem), un abi šie ir ievērojami smagāki nekā negatīvi lādētie elektroni, kas paliek “mākonī” ap ārpusi kodols.

Tā kā šīs šķiltavas atrodas ārpusē, tad, kad viens objekts nonāk saskarē ar citu, tas ir elektroni, kas var pāriet starp tiem, un, tos berzējot kopā, palielinās uzlādes ātrums uzkrāšanās. Tātad, ja objekts uzņem papildu elektronus, tas kļūst negatīvi uzlādēts, turpretī, ja tas zaudē elektronus, tas kļūst pozitīvi uzlādēts.

Izolācijas materiāli labi iztur statisko lādiņu, turpretī labs vadītājs saglabā statisko lādiņu tikai noteiktās situācijās. Vadītājam, kuram tiek piešķirti papildu elektroni, nav statiska lādiņa, jo elektroni var brīvi plūst visā materiālā (kas ir laba vadītāja definīcija).

Tātad jebkura lādiņa uzkrāšanās pārāk ātri izkliedējas, lai radītu pamanāmu statisko elektrību, un tā var pāriet uz citiem objektiem, ja vien tā nav pilnībā izolēta no pārējās vides. Tā kā strāva nevar plūst izolatorā, statiskā uzkrāšanās ātri rada ievērojamu lādiņa nelīdzsvarotību un tādējādi ģenerē statisko elektrību.

Tā kā lādiņi atgrūž un pretēji lādiņi piesaista, tad, kad kaut kam ir statisks lādiņš, tas pielīp pie pretēji uzlādētiem priekšmetiem, un dažreiz tas varpolarizētatomiem citādi neitrālā priekšmetā un turieties arī pie tā - kā balons pielīp pie sienas pēc tam, kad to noberžat uz galvas.

Ja lādiņa uzkrāšanās ir pietiekami liela un starp abām virsmām vai objektiem tiek sasniegts samērā augsts spriegums, lādiņš var pāriet no viena objekta uz otru. Tāpēc jūs varat iegūt statiskā šoka trūkumu, ja jūs noberzat kājas pāri grīdai un pēc tam pieskaraties durvju rokturim.

Pastāv daudzi statiskās elektrības piemēri, ar kuriem jūs sastopaties ikdienā, pat ja ne vienmēr domājat par statiskā lādiņa lomu to darbībā.

Viens īpaši izplatīts piemērs ir statiska pieķeršanās drēbēs, īpaši pēc žāvētāja lietošanas, kas nodrošina ideālus apstākļus statiskā elektrība, kas attīstās, un tā ietver arī drēbes, kas berzējas viena pret otru un, iespējams, uzņem papildu elektronus uz veidā. Statiskais šoks no šādā veidā uzlādētām drēbēm mēdz būt diezgan mazs, taču jūs noteikti to pamanāt, kad to iegūstat!

Fotokopētāji ir lielisks piemērs tam, kā statisko elektrību var lietderīgi izmantot. Spilgtā gaisma, kas skenē dokumentu, attēla elektrisko “ēnu” rada uz fotovadītspēju (t.i. gaismai jutīga) josta, un, rotējot to, statiskās dēļ tā uzņem negatīvi lādētas tonera daļiņas maksas.

Zem tā cita josta rada papīra lapu, dodot tai spēcīgu pozitīvu statisko lādiņu procesā. Kad negatīvie lādiņi no tonera atbilst pozitīvajiem lādiņiem uz papīra, toneris tiek uzdrukāts pati uz papīra gabala tādā pašā zīmējumā kā ēna, ko uztver fotovadītspēja josta.

Citam piemēram vajadzētu atgriezties fizikas stundā skolā: Van de Graaff ģenerators un klasiskā demonstrācija, kur kādam, kurš pieskaras sfērai, ir mati. Ģenerators darbojas, balstoties uz statisko elektrisko lādiņu kustību, ar kustīgu siksnu, kas iet uz augšu ierīces garumā, un divām metāla “ķemmītēm”, lai kontrolētu statisko lādiņu.

Pozitīvi uzlādēta ķemme apakšā (savienota ar elektroenerģijas padevi) izvelk elektronus no jostas, atstājot to ar tīro pozitīvo lādiņu, un šo lādiņu uztver augšpusē esošā ķemme, kas to izplata līdz lielajam kupolam augšpusē. tops. Ja uzlādes procesā pieskaraties kupolam, atsevišķi matu pavedieni uzņem atbilstošus lādiņus un atgrūž viens otru, liekot tiem stāvēt uz augšu!

Zibens spēriens ir ļoti dramatisks statiskās elektrības spēka demonstrējums, un Benjamins Franklins to pierādīja viena no visu laiku pazīstamākajām zinātniskajām demonstrācijām, pērkona negaisa laikā piesienot atslēgu mitrai pūķa auklai.

Lai gan tas ir mīts, ka pūķi patiešām sita zibens (tas, iespējams, būtu nogalinājis Franklinu), elektriskais lauks no vētru pacēla aukla, kas, līdzīgi kā klasiskā Van de Graaff ģeneratora demonstrācija, lika auklas pavedieniem stāvēt beigas. Visbeidzot, Franklins pieskārās taustiņam un sajuta statiskā šoka trūkumu, skaidri parādot saikni starp elektrību un zibeni.

Protams, kopš Benjamina Franklina laikiem zinātnieki ir ievadījuši daudz vairāk detaļu par procesu. Līdzīgi kā drēbes, kas berzējas viena pret otru žāvētājā, vai balons, kas berzē matus, statiskais lādiņš kas rada zibens, rodas no berzes un no ledus kristāliem aukstā gaisā, kas no silta gaisa satiek ūdens pilienus masa.

Lādiņš uzkrājas dažādās mākoņa vietās un tad, kad ir pietiekami liela atšķirība elektriskais potenciāls starp šīm vietām (t.i., pietiekami augsts spriegums), tas tiek izlaists a formā zibens. Parasti tas notiekietvarosmākoņi vai starp diviem mākoņiem, bet reizēm skrūve ietriecas zemē.

Statiskās lādiņa uzkrāšanos, ko izraisa berze un berze, tehniski sauc par triboelektriskais efekts, un, pamatojoties uz šo rakstu, jūs jau zināt detaļas par to, kas to izraisa un Kā tas strādā. Objekti, kas nonāk saskarē viens ar otru, noved pie tā, ka viens no viņiem uzņem papildu elektronus (visus nesot negatīvus lādiņus), un otram rodas elektronu deficīts un līdz ar to pozitīvs tīkls maksas.

Tomēr pakāpe, kādā dažādi materiāli uztver negatīvo lādiņu vai zaudē elektronus un iegūst pozitīvu lādiņu, mainās atkarībā no materiāla īpašībām. Lai gan izolatori parasti labāk uztver statisko lādiņu, dažādi izolatori to uzņem ar dažādu ātrumu.

Piemēram, lielākā daļa gumijas veidu, it īpaši teflons, ļoti viegli uztver elektronus, un tādējādi tie ir lieliski piemēroti demonstrācijām un no statiskās elektrības atkarīgiem tehnoloģiskiem izstrādājumiem. Materiāli atšķiras, pamatojoties uz to “elektronegativitāti”, kas būtībā nozīmē to elektronu afinitāti vai tieksmi tos paņemt no citiem objektiem.

Triboelektriskās sērijas sakārto dažādus materiālus, pamatojoties uz to spēju uzņemt pozitīvu vai negatīvu statisko lādiņu. Priekšmeti, kas novietoti triboelektrisko sēriju augšdaļā, ir pakļauti pozitīvas lādiņa uzņemšanai, kamēr apakšā esošie, visticamāk, iegūst elektronus un uzņem negatīvu lādiņu kā a rezultāts. Jo lielāks ir divu elementu atdalījums triboelektriskajā sērijā, jo vairāk, tos berzējot, abos tiks izveidots statisks lādiņš.

Lai gan lielākā daļa statiskās elektrības demonstrāciju ir jautri displeji vai nelieli kuriozi, ko jūs ikdienas dzīvē, ir svarīgi atcerēties, ka nevēlama statiskā lādiņa var būt nopietna sekas.

Piemēram, viena statiskās elektrības dzirksts var aizdedzināt viegli uzliesmojošus šķidrumus vai gāzes un potenciāli izraisīt sprādzienu. Statiskā uzkrāšanās, slīdot pāri automašīnas sēdeklim, pat varētu radīt problēmas nākas uzpildīt degvielu, un tāpēc pirms uzpildīšanas jums vienmēr jāpieskaras automašīnas metāla daļai uz augšu.

Protams,lielākā daļastatiskā elektrība patiešām ir tikai interesanta parādība, taču izpratne par tās darbību var palīdzēt izvairīties no katastrofām dažās situācijās.