De meeste kinderen leren over de tribo-elektrisch effect lang voordat ze vertrouwd raken met de term. Als je ooit een ballon over je haar hebt gewreven en getuige bent geweest van het effect van de statische elektriciteit – je haar naar de ballon trekken en mogelijk sterk genoeg zijn om de ballon aan je hoofd te plakken – dan begrijp je de basis van het tribo-elektrisch effect.
Het is eigenlijk een vorm van "contactelektrificatie", waarbij elektrische lading, in de vorm van elektronen, beweegt van het ene object naar het andere, wat leidt tot een opeenhoping van negatieve lading op het ene object en een tekort aan het andere. Een rubberen ballon en mensenhaar zijn slechts twee voorbeelden van objecten die dit vrij veel voorkomende fenomeen laten zien.
De details leren over het tribo-elektrisch effect, hoe het werkt, waardoor het wordt veroorzaakt en wat u kunt vinden uit de tribo-elektrische serie helpt u te begrijpen en te voorspellen wat er zal gebeuren in situaties met de overdracht van elektrische of in rekening brengen.
Wat is het tribo-elektrisch effect?
Het tribo-elektrisch effect is bij de mens bekend sinds ten minste 600 voor Christus, toen Thales, een Griek, filosoof ontdekte dat je barnsteen kon wrijven en het pluisjes, papier en andere kleine, lichte dingen kon aantrekken voorwerpen. De term tribo-elektrisch effect komt van het Grieks voor "wrijven" en "barnsteen", vanwege deze geschiedenis van de ontdekking van het effect. Natuurlijk hebben wetenschappers tegenwoordig een veel beter begrip van de oorzaken van het tribo-elektrisch effect en de aard van elektrische lading in het algemeen.
Het tribo-elektrisch effect wordt contactelektrificatie genoemd omdat het het proces is waarbij objecten contact maken - vooral wrijven tegen elkaar andere, zoals de rubberen ballon tegen mensenhaar of je voeten over een tapijt, die leidt tot de opbouw van oppervlaktelading die de effect.
De elektrische lading - in de vorm van elektronen, de negatieve ladingdragende componenten van atomen - wordt tijdens het wrijven overgedragen van het ene object naar het andere. Door de ladingsoverdracht die plaatsvindt, krijgt het ene object elektronen en daarmee een netto negatieve lading, terwijl het andere elektronen verliest en dus netto positieve lading krijgt.
Deze opeenhoping van elektronen laat een netto lading achter op beide objecten, en vanaf dit punt gedragen ze zich als elke twee geladen objecten: Gelijke ladingen stoten elkaar af, en ongelijke ladingen (zoals de twee die worden gebruikt om het effect te creëren) zullen er één aantrekken een ander. De mate waarin dit gebeurt, hangt af van de materialen zelf en uiteindelijk de totale ladingen op elk object nadat het wrijven heeft plaatsgevonden.
Oorzaken van het tribo-elektrisch effect
Uiteindelijk wordt het fenomeen tribo-elektriciteit veroorzaakt door wrijving: wanneer tegen één materiaal wordt gewreven een andere, elektronen worden effectief van het ene object "gestript", en het andere eindigt met een overvloed aan elektriciteit in rekening brengen.
Om het fenomeen en de oorzaak ervan echt te begrijpen, moet je nadenken over de structuur van atomen. Een kleine, dicht opeengepakte kern bevat positief geladen protonen en ladingsvrije neutronen, met a "wolk" van negatief geladen elektronen eromheen, die meestal de positieve lading van de kern. De wrijving leidt tot de ladingsoverdracht, waarbij een deel van de negatief geladen elektronen uit één materiaal wordt gehaald.
De mate waarin een materiaal elektronen van een ander materiaal opneemt, wordt it's. genoemd elektronenaffiniteit of lading affiniteit. Als de atomen van het ene materiaal een hogere elektronenaffiniteit hebben dan het andere materiaal, dan zal het de neiging hebben om nemen elektronen (en daardoor een negatieve lading opbouwen) van het andere materiaal (dat dan een tekort aan elektronen heeft en een netto positieve lading ontwikkelt). Naast een rubberen ballon en mensenhaar, voeten en een tapijt en barnsteen en een doek, is een ander klassiek voorbeeld van het fenomeen teflon en konijnenbont.
Kortom, de hoeveelheid weergegeven tribo-elektriciteitsmaterialen verschilt voor verschillende materialen, als gevolg van hun specifieke elektronen- of ladingsaffiniteit. Dit is de reden waarom wetenschappers een lijst hebben gemaakt van materialen die zijn gerangschikt op hun neiging om elektronen te winnen of te verliezen, de tribo-elektrische reeks.
De Tribo-elektrische Serie
De tribo-elektrische reeks is een lijst van objecten gerangschikt op hun neiging om een netto positieve lading of een netto negatieve lading te verwerven wanneer ze met elkaar in contact worden gebracht.
Materialen aan de bovenkant van de tribo-elektrische reeks hebben meer kans elektronen af te staan bij contact (en zich te ontwikkelen) een netto positieve lading), en materialen naar de bodem hebben meer kans om elektronen op te nemen (en dus negatief in rekening brengen).
In ideale omstandigheden - als alles droog is - zullen objecten die hoger in de tribo-elektrische reeks zijn geplaatst de neiging hebben om geef op elektronen naar items verderop in de lijst, en ze zullen positief geladen worden. Hoe groter de afstand tussen twee verschillende materialen in de tribo-elektrische reeks, hoe groter het tribo-elektrisch effect wanneer ze tegen elkaar worden gewreven.
Tribo-elektrische seriegrafiek
U kunt een geweldig voorbeeld van een tribo-elektrische seriegrafiek vinden hier, die was gebaseerd op tests uitgevoerd door Bill Lee bij AlphaLab, inc. Deze tabel geeft details over hoe de materialen werden getest en de beperkingen van de metingen.
De waarden in de tabel zijn in nC/J, wat staat voor nanocoulomb per joule, waarbij een Coulomb de standaardeenheid van lading is en Joules de eenheid voor de energie die bij de wrijving hoort. Het positieve of negatieve teken vertegenwoordigt hun waarschijnlijkheid om respectievelijk positieve of negatieve ladingen op te nemen.
Latexrubber neemt bijvoorbeeld 105 nC lading op per joule energie die in het wrijfproces wordt geïnvesteerd, en het minteken geeft aan dat het een netto negatieve lading opneemt. Aan de andere kant heeft een droge huid een waarde van +30 nC/J, wat betekent dat het elektronen zal verliezen, dus het eindigt met een positieve lading van 30 nC per joule energie die in het wrijfproces gaat.
Ten slotte zult u merken dat de meeste verschillende materialen op de lijst (bijvoorbeeld siliconenrubber en PVC) isolatoren zijn, zodat ze in normale situaties geen elektrische stroom kunnen voeren. Dit is een belangrijke herinnering dat tribo-elektriciteit heel anders werkt dan gewone elektriciteit, en over het algemeen zijn isolatoren: beter dan geleiders bij het vasthouden van dit type statische lading.
Van De Graaff Generatoren
Van de Graaff-generatoren zijn een bekend apparaat dat gebruik maakt van het tribo-elektrisch effect om een opbouw of opslag van lading te produceren die u kunt meten als een potentiaalverschil met behulp van a voltmeter.
In de meeste Van de Graaff-generatoren wordt een rubberen riem tegen een metalen "kam" aan de onderkant gewreven, die elektronen uit de riem trekt en deze met een netto positieve lading achterlaat. Dit wordt vervolgens opgepikt door een bijpassende kam aan de bovenkant om de lading naar de metalen koepel aan de bovenkant van de generator te verspreiden.
Natuurlijk zijn elektronen de mobiele ladingsdragers, dus de band verliest aan de onderkant elektronen en pakt dan weer op elektronen van de kam en de koepel bovenaan, waardoor ze een tekort aan elektronen hebben en dus een netto positief in rekening brengen.
Het enorme potentiaalverschil dat door dit proces wordt gecreëerd, kan meer dan 100.000 volt bedragen en wordt vaak gebruikt in een klassiek klaslokaal waar iemand in contact met de generator zijn haren op heeft staan einde. Dit komt doordat de haarlokken allemaal een bijpassende (positieve) lading krijgen en elkaar daardoor gaan afstoten.
