De fleste barn lærer om triboelektrisk effekt i god tid før de blir kjent med begrepet. Hvis du noen gang har gnidd en ballong i håret ditt og vært vitne til effekten av statisk elektrisitet - å trekke håret mot ballongen og potensielt være sterk nok til å feste ballongen til hodet - da forstår du det grunnleggende om triboelektrisk effekt.
Det er i utgangspunktet en form for "kontaktelektrifisering", der elektrisk ladning, i form av elektroner, beveger seg fra ett objekt til et annet, noe som fører til en oppbygging av negativ ladning på et objekt og et underskudd på annen. En gummiballong og menneskehår er bare to eksempler på gjenstander som viser dette ganske vanlige fenomenet.
Lære detaljene om den triboelektriske effekten, hvordan den fungerer, hva som forårsaker den, og hva du kan finne ut av triboelektriske serier hjelper deg å forstå og forutsi hva som vil skje i situasjoner som involverer overføring av elektrisk lade.
Hva er den triboelektriske effekten?
Den triboelektriske effekten har vært kjent for mennesker siden minst 600 f.Kr., da Thales, en gresk filosofen fant ut at du kunne gni gult og få det til å tiltrekke seg lo, papir og annet lite, lett gjenstander. Begrepet triboelektrisk effekt kommer fra gresk for "gni" og "rav", på grunn av denne historien om oppdagelsen av effekten. Selvfølgelig har forskere i dag en mye bedre forståelse av årsakene til den triboelektriske effekten og arten av elektrisk ladning generelt.
Den triboelektriske effekten kalles kontaktelektrifisering fordi det er prosessen med gjenstander som tar kontakt - spesielt gni mot hver annet, som gummiballongen mot menneskehår eller føttene over et teppe, som fører til opphopning av overflatelading som skaper effekt.
Den elektriske ladningen - i form av elektroner, de negative ladningsbærende komponentene til atomer - overføres fra ett objekt til et annet under gnidningsprosessen. Ladningsoverføringen som skjer betyr at det ene objektet får elektroner og derved en netto negativ ladning, mens den andre mister elektroner og derfor ender opp med en netto positiv ladning.
Denne opphopningen av elektroner etterlater nettolading på begge objektene, og fra dette punktet oppover oppfører de seg som alle to ladede objekter: Som ladninger vil frastøte hverandre, og i motsetning til ladninger (som de to som brukes til å skape effekten) vil tiltrekke seg en en annen. I hvilken grad dette skjer avhenger av materialene i seg selv og til slutt de totale ladningene på hvert objekt etter at gnuggingen har funnet sted.
Årsaker til den triboelektriske effekten
Til syvende og sist er fenomenet triboelektrisitet forårsaket av friksjon: Når ett materiale gnides mot en annen, elektroner blir effektivt “strippet” fra det ene objektet, og det andre ender med en overflod av elektrisk lade.
For å virkelig forstå fenomenet og hva som forårsaker det, må du imidlertid tenke på strukturen til atomer. En liten, tettpakket kjerne inneholder positivt ladede protoner og ladningsfrie nøytroner, med en "Sky" av negativt ladede elektroner rundt den, som vanligvis balanserer den positive ladningen fra cellekjernen. Friksjonen fører til ladningsoverføring, og tar noen av de negativt ladede elektronene fra ett materiale.
I hvilken grad et materiale tar elektroner fra et annet materiale kalles det Elektron affinitet eller lad affinitet. Hvis atomene til det ene materialet har en høyere elektronaffinitet enn det andre materialet, vil det ha en tendens til det ta elektroner (og derved bygge opp en negativ ladning) fra det andre materialet (som da har et underskudd på elektroner og utvikler en netto positiv ladning). I tillegg til en gummiballong og menneskehår, føtter og et teppe og rav og en klut, er et annet klassisk eksempel på fenomenet levert av teflon og kaninpels.
Kort sagt, mengden av triboelektrisitetsmaterialer som er forskjellig for forskjellige materialer, som et resultat av deres spesifikke elektron- eller ladningsaffinitet. Dette er grunnen til at forskere har laget en liste over materialer rangert etter deres tendens til å skaffe eller miste elektroner, kalt triboelektrisk serie.
Triboelektriske serien
Den triboelektriske serien er en liste over gjenstander rangert etter deres tilbøyelighet til å tilegne seg en netto positiv ladning eller en netto negativ ladning når de bringes i kontakt med hverandre.
Materialer mot toppen av triboelektriske serien gir større sannsynlighet for å gi opp elektroner ved kontakt (og utvikle seg netto positiv ladning), og materialer mot bunnen er mer sannsynlig å få elektroner (og så negative lade).
Under ideelle forhold - hvis alt er tørt - vil gjenstander plassert høyere i triboelektriske serien ha en tendens til å gi opp elektroner til gjenstander lenger nede i listen, og de vil bli positivt ladede. Jo mer avstand mellom to forskjellige materialer i den triboelektriske serien, jo større er den triboelektriske effekten når de gnides sammen.
Triboelektrisk seriekart
Du kan finne et godt eksempel på et triboelektrisk seriekart her, som var basert på tester utført av Bill Lee hos AlphaLab, inc. Denne tabellen gir detaljer om hvordan materialene ble testet, samt begrensninger i målingene.
Verdiene i tabellen er i nC / J, som står for nanocoulombs per joule, med en Coulomb som standard ladningsenhet, og Joules er enheten for energien assosiert med friksjonen. Det positive eller negative tegnet representerer sannsynligheten for å ta opp henholdsvis positive eller negative ladninger.
Så for eksempel tar latexgummi opp 105 nC ladning per joule energi investert i gnidningsprosessen, og minustegnet forteller deg at det tar opp en negativ nettolading. På den annen side har tørr hud en verdi på +30 nC / J, noe som betyr at den vil miste elektroner, så den ender opp med en positiv ladning på 30 nC per Joule energi som går inn i gnidningsprosessen.
Til slutt vil du merke at de fleste forskjellige materialene på listen (for eksempel silikongummi og PVC) er isolatorer, slik at de ikke kan bære en elektrisk strøm i normale situasjoner. Dette er en viktig påminnelse om at triboelektrisitet fungerer helt annerledes enn vanlig strøm, og generelt er isolatorer det bedre enn ledere som holder denne typen statisk ladning.
Van De Graaff Generatorer
Van de Graaff-generatorer er et velkjent utstyr som benytter triboelektrisk effekt å produsere en opphopning eller et ladeapparat som du kan måle som en potensiell forskjell ved hjelp av en voltmeter.
I de fleste Van de Graaff-generatorer gnides et gummibelte mot en metallisk "kam" i bunnen, som trekker elektroner fra beltet og etterlater den med en netto positiv ladning. Dette blir deretter plukket opp av en matchende kam øverst for å spre ladningen til den metalliske kuppelen på toppen av generatoren.
Selvfølgelig er elektroner de mobile ladebærerne, så beltet mister elektroner i bunnen og tar seg deretter opp elektroner fra kammen og kuppelen øverst, og etterlater dem med et underskudd av elektroner og så netto positive lade.
Den enorme potensielle forskjellen skapt av denne prosessen kan overstige 100.000 volt og brukes ofte i en klassisk klasseromsdisplay hvor noen i kontakt med generatoren har håret på slutt. Dette er fordi hårstrengene alle får en matchende (positiv) ladning og derfor begynner å avvise hverandre.