Statische elektriciteit: definitie, hoe het werkt, feiten (met voorbeelden)

Elektrische lading is overal om je heen, maar je merkt het alleen in zeldzame gevallen, zoals wanneer je haar erna overeind gaat staan je een hoed afdoet of wanneer je een scherpe zap krijgt wanneer je je hand uitsteekt om iets aan te raken nadat je met je voeten langs de tapijt.

Deze twee verschijnselen zijn voorbeelden vanstatische elektriciteit, iets waar je waarschijnlijk als kind over hebt geleerd. Maar hoe zorgt statische lading ervoor dat je haar overeind gaat staan ​​en waarom kan het je een statische schok geven?

Wat gebeurt er eigenlijk op atomair niveau dat deze universele ervaringen voortbrengt? Door de details over statische elektriciteit te leren, krijg je een veel gedetailleerder inzicht in deze fascinerende eigenschap van materie.

Elektrische lading is een fundamentele eigenschap van materie. Het is verdeeld in positieve ladingen en negatieve ladingen, en hoewel sommige deeltjes dat wel zijn, elektrisch neutraal - zoals het neutron - deze zijn eigenlijk samengesteld uit nog meer fundamentele deeltjes die

De twee belangrijkste geladen deeltjes die je moet kennen als je over statische elektriciteit leert, zijn twee van de belangrijkste componenten van een atoom: protonen en elektronen.

Protonen zijn positief geladen, met een lading van +e, terwijl elektronen negatief geladen zijn bij -e, waare​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. De C staat hier voorcoulombs, de SI-eenheid voor elektrische lading. de 10⁻¹⁹ vertelt je dat geladen deeltjes hebbenheel kleinladingswaarden vergeleken met één coulomb - twee ladingen van slechts 1 C van elkaar gescheiden door een meter zouden een kracht genereren die groter is dan de stuwkracht van de lanceringsstuwkracht van de Saturn V-raket!

De fundamentele regel voor hoe elektrische lading werkt, is dat tegengestelde ladingen elkaar aantrekken en gelijke ladingen afstoten. Dus als je een elektron in de buurt van een ander elektron zou brengen, zouden ze zichzelf uit elkaar duwen, terwijl als je een elektron in de buurt van een proton zou brengen, het ertoe zou worden aangetrokken.

Op het meest basale niveau verwijst statische elektriciteit eenvoudig naar ladingen die niet bewegen. Er is echter veel meer dan dat! Het belangrijkste van statische elektriciteit is dat het optreedt wanneer er een onbalans van lading is, en deze onbalans creëert in wezen:elektrisch potentieel, wat betekent dat er een potentieel is voor elektrische stroom om te vloeien (om de lading opnieuw in evenwicht te brengen) vanwege de posities van ladingdragende deeltjes.

In atomen, en bij uitbreiding de meeste alledaagse voorwerpen, is er een balans tussen het positieve en het negatieve ladingen (d.w.z. tussen de protonen en elektronen), dus ze zijn elektrisch neutraal als ze allemaal worden beschouwd samen.

Dus als je het ene atoom dicht bij het andere zou brengen, zou er geen elektrische kracht tussen zijn, omdat alle van de positieve ladingen wordt gecompenseerd door negatieve ladingen, dus er is geen nettolading om een dwingen.

Hoewel het echt een beetje ingewikkelder is dan dit (omdat elektronen altijd bewegen, dus dat doen ze nietaltijdde positieve lading van de protonen blokkeren), vormt deze neutrale situatie een duidelijk contrast met wat er gebeurt als er een opbouw van statische lading is.

In wezen, wanneer een voorwerp (zoals je haar nadat je er een ballon op hebt gewreven) een teveel of een tekort aan lading krijgt (dus meer of minder elektronen dan in zijn gewone toestand), dan is het niet langer neutraal en kan het genereren wat je statisch noemt elektriciteit. Daarentegen is gewone elektriciteit eencontinue bewegingvan lading (in de vorm van elektronen in een elektrische stroom), terwijl statische elektriciteit geen beweging inhoudttotde ladingen brengen elkaar weer in evenwicht - en geven je mogelijk een scherpe zap in het proces!

Statische elektriciteit hangt fundamenteel af van een onbalans tussen positieve ladingen en negatieve ladingen, maar eigenlijk zijn het alleen de elektronen die daadwerkelijk bewegen om deze onbalans te creëren.

In een atoom zijn de protonen stevig vastgebonden in de kern (samen met de neutronen), en beide zijn aanzienlijk zwaarder dan de negatief geladen elektronen die in een "wolk" rond de buitenkant van de kern.

Omdat deze lichtere deeltjes aan de buitenkant zitten, is het wanneer het ene object contact maakt met het andere de elektronen die ertussen kunnen worden overgedragen, en door ze tegen elkaar te wrijven neemt de lading toe opbouwen. Dus als een object extra elektronen opneemt, wordt het negatief geladen, terwijl als het elektronen verliest, het positief geladen wordt.

Isolatiematerialen houden een statische lading goed vast, terwijl een goede geleider alleen in bepaalde situaties een statische lading behoudt. Een geleider die extra elektronen heeft gekregen, houdt geen statische lading vast omdat de elektronen vrij door het materiaal kunnen stromen (wat de definitie van een goede geleider is).

Dus elke opgebouwde lading verdwijnt te snel om merkbare statische elektriciteit te creëren, en het kan worden overgedragen naar andere objecten, tenzij het volledig is geïsoleerd van de rest van de omgeving. Omdat er geen stroom kan vloeien in een isolator, zorgt de statische opbouw snel voor een opmerkelijke onbalans in de lading en genereert daardoor statische elektriciteit.

Omdat gelijke ladingen afstoten en tegengestelde ladingen aantrekken, zal iets dat een statische lading heeft aan tegengesteld geladen voorwerpen blijven plakken, en het kan soms ookpolariserenatomen in een verder neutraal object en blijf er ook aan plakken - zoals een ballon aan een muur plakt nadat je hem op je hoofd hebt gewreven.

Als de ladingsopbouw groot genoeg is en er een relatief hoge spanning wordt bereikt tussen de twee oppervlakken of objecten, kan de lading van het ene object naar het andere springen. Daarom kun je een klap krijgen van de statische schok als je met je voeten over de vloer wrijft en vervolgens een deurknop aanraakt.

Er zijn veel voorbeelden van statische elektriciteit die u in het dagelijks leven zult tegenkomen, zelfs als u niet per se nadenkt over de rol die statische lading speelt in hun werking.

Een veelvoorkomend voorbeeld is statische hechting in kleding, vooral na gebruik van de droger, waardoor de ideale omstandigheden behouden blijven voor: statische elektriciteit te ontwikkelen, en houdt ook in dat kleren tegen elkaar wrijven en mogelijk extra elektronen oppikken op de manier. De statische schok van kleding die op deze manier wordt opgeladen, is meestal vrij klein, maar je merkt het zeker nog steeds als je er een krijgt!

Kopieerapparaten zijn een goed voorbeeld van hoe statische elektriciteit goed kan worden gebruikt. Het heldere licht dat het document scant, creëert een elektrische "schaduw" van het beeld op een fotogeleidende (d.w.z. lichtgevoelige) band, en terwijl de band draait, pikt hij negatief geladen tonerdeeltjes op vanwege statische in rekening brengen.

Daaronder brengt een andere band een vel papier rond, waardoor het een sterke positieve statische lading krijgt. Wanneer de negatieve ladingen van de toner voldoen aan de positieve ladingen op het papier, drukt de toner in zichzelf op het stuk papier, in hetzelfde patroon als de schaduw die wordt opgepikt door de fotogeleidende riem.

Een ander voorbeeld zou je terug moeten brengen naar een natuurkundeles op school: de Van de Graaff-generator en de klassieke demonstratie waarbij iemand die de bol aanraakt, zijn haren overeind krijgt. De generator werkt op basis van de beweging van statische elektrische ladingen, met een bewegende riem die over de lengte van het apparaat loopt en twee metalen "kammen" om de statische lading te regelen.

Een positief geladen kam aan de onderkant (aangesloten op een stroomvoorziening) trekt elektronen uit de riem, waardoor deze met een netto positieve lading, en deze lading wordt opgepikt door een kam aan de bovenkant, die het uitspreidt naar de grote koepel aan de top. Als je de koepel aanraakt tijdens het laadproces, pikken individuele lokken van je haar bijpassende ladingen op en stoten ze elkaar af, waardoor het overeind blijft staan!

Bliksemschichten zijn een zeer dramatische demonstratie van de kracht van statische elektriciteit, en Benjamin Franklin bewees dit in een van de meest bekende wetenschappelijke demonstraties aller tijden door een sleutel aan een nat vliegerkoord te binden tijdens een onweersbui.

Hoewel het een mythe is dat de vlieger daadwerkelijk werd geraakt door een bliksemschicht (dit zou waarschijnlijk Franklin hebben gedood), het elektrische veld van de storm werd opgepikt door het touw, dat - net als bij de klassieke demonstratie van de Van de Graaff-generator - ervoor zorgde dat de strengen van het touw op einde. Ten slotte raakte Franklin de sleutel aan en voelde de klap van een statische schok, wat duidelijk het verband aantoonde tussen elektriciteit en bliksem.

Natuurlijk hebben wetenschappers sinds de dagen van Benjamin Franklin veel meer details over het proces ingevuld. Net als kleding die tegen elkaar wrijven in de droger of een ballon die tegen je haar wrijft, de statische lading die bliksem veroorzaakt, komt van wrijving en van ijskristallen in koude lucht die waterdruppels uit warme lucht ontmoeten massa.

Op verschillende plaatsen in de cloud wordt lading opgebouwd, en wanneer er voldoende groot verschil is in elektrische potentiaal tussen deze plaatsen (d.w.z. een voldoende hoge spanning), komt deze vrij in de vorm van een bliksemschicht. Dit gebeurt meestalbinnenwolken of tussen twee wolken, maar af en toe zal de bout de grond raken.

De opbouw van statische lading veroorzaakt door wrijving en wrijving wordt technisch gezien de tribo-elektrisch effect, en op basis van dit artikel weet je al de details van wat dit veroorzaakt en hoe het werkt. Objecten die met elkaar in contact komen, leiden ertoe dat een van hen extra elektronen oppikt (allemaal met negatieve ladingen) en de ander ontwikkelt een tekort aan elektronen en dus een positief netto in rekening brengen.

De mate waarin verschillende materialen negatieve lading opnemen of elektronen verliezen en een positieve lading krijgen, varieert echter op basis van de eigenschappen van het materiaal. Terwijl isolatoren over het algemeen beter zijn in het opnemen van statische lading, pikken verschillende isolatoren het met verschillende snelheden op.

De meeste soorten rubber, en met name teflon, nemen bijvoorbeeld heel gemakkelijk elektronen op en zijn als zodanig geweldig voor demonstraties en stukjes technologie die afhankelijk zijn van statische elektriciteit. Materialen verschillen op basis van hun "elektronegativiteit", wat in feite hun elektronenaffiniteit betekent, of hun neiging om ze op te pikken van andere objecten.

De tribo-elektrische serie plaatst verschillende materialen op volgorde op basis van hun vermogen om een ​​positieve of een negatieve statische lading op te vangen. Items die aan de bovenkant van de tribo-elektrische reeks zijn geplaatst, zijn vatbaar voor het opnemen van een positieve lading, terwijl degenen aan de onderkant meer kans hebben om elektronen te krijgen en een negatieve lading op te nemen als a resultaat. Hoe groter de scheiding tussen twee items in de tribo-elektrische reeks, hoe meer het tegen elkaar wrijven ervan een statische lading in beide zal creëren.

Hoewel de meeste demonstraties van statische elektriciteit leuke displays of kleine curiositeiten zijn die je that in het dagelijks leven tegenkomt, is het belangrijk om te onthouden dat ongewenste statische lading ernstige gevolgen kan hebben gevolgen.

Een enkele vonk van statische elektriciteit kan bijvoorbeeld brandbare vloeistoffen of gassen doen ontbranden en mogelijk tot een explosie leiden. De statische opbouw van het schuiven over uw autostoeltje kan zelfs een probleem veroorzaken wanneer het komt om uw gas bij te vullen, en dus moet u altijd het metalen deel van de auto aanraken voordat u gaat tanken omhoog.

Natuurlijk,meestvan die tijd is statische elektriciteit eigenlijk gewoon een interessant fenomeen, maar als je begrijpt hoe het werkt, kun je in sommige situaties catastrofes voorkomen.