Statisk elektrisitet: definisjon, hvordan det fungerer, fakta (med eksempler)

Elektrisk ladning er rundt deg, men du merker det bare i sjeldne tilfeller, som når håret ditt blir på plass etterpå du tar av deg en hatt eller når du får en skarp zap når du rekker ut for å ta på noe etter å ha gnidd føttene langs teppe.

Disse to fenomenene er eksempler påstatisk elektrisitet, noe du sannsynligvis har lært om da du var liten. Men hvordan får statisk ladning håret til å stå på slutten, og hvorfor kan det gi deg et statisk sjokk?

Hva skjer egentlig på atomnivå som produserer disse universelle opplevelsene? Å lære detaljene om statisk elektrisitet gir deg et mye mer detaljert innblikk i denne fascinerende egenskapen til materie.

Elektrisk ladning er en grunnleggende egenskap for materien. Det er skilt i positive ladninger og negative ladninger, og selv om noen partikler er det elektrisk nøytral - som nøytronet - disse er faktisk sammensatt av enda mer grunnleggende partikler somgjøreha en elektrisk ladning.

De to viktigste ladede partiklene å vite om når du lærer om statisk elektrisitet er to av hovedkomponentene i et atom: protoner og elektroner.

Protoner er positivt ladet, med en ladning på +e, mens elektroner er negativt ladet til -e, hvore​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C her står forcoulombs, som er SI-enheten for elektrisk ladning. De 10⁻¹⁹ forteller deg at ladede partikler harveldig litenladningsverdier sammenlignet med en coulomb - to ladninger på bare 1 C atskilt med en meter ville generere en kraft større enn skyvekraften til Saturn V-rakettens lanseringskraft!

Den grunnleggende regelen for hvordan elektrisk ladning fungerer er at motsatte ladninger tiltrekker seg og lignende ladninger frastøter. Så hvis du brakte et elektron nær et annet elektron, ville de presse seg fra hverandre, mens hvis du brakte et elektron nær et proton, ville det bli tiltrukket av det.

På det mest grunnleggende nivået refererer statisk elektrisitet ganske enkelt til ladninger som ikke beveger seg. Det er imidlertid mye mer enn det! Nøkkelen med statisk elektrisitet er at den oppstår når det er ubalanse i ladningen, og denne ubalansen skaper egentligelektrisk potensial, som betyr at det er potensial for elektrisk strøm å strømme (for å balansere ladingen) på grunn av posisjonene til ladningsbærende partikler.

I atomer, og som utvidelse av de fleste hverdagsobjekter, er det en balanse mellom det positive og det negative ladninger (dvs. mellom protonene og elektronene), så de er elektrisk nøytrale når de betraktes som alle sammen.

Så hvis du brakte ett atom nær et annet, ville det ikke være noen elektrisk kraft mellom dem fordi alle av de positive ladningene balanseres med negative ladninger, så det er ingen nettolading for å generere en makt.

Selv om det egentlig er litt mer komplisert enn dette (fordi elektroner alltid beveger seg, slik at de ikke gjør detalltidblokkere den positive ladningen fra protonene), skaper denne nøytrale situasjonen en klar kontrast med det som skjer når det oppbygges statisk ladning.

I hovedsak, når et objekt (som håret ditt etter å ha gnidd en ballong på det) får et overskudd eller et underskudd på ladningen (så mer eller færre elektroner enn i vanlig tilstand), så er den ikke lenger nøytral og kan generere det du kaller statisk elektrisitet. I kontrast er vanlig strøm enkontinuerlig bevegelseav ladning (i form av elektroner i en elektrisk strøm), mens statisk elektrisitet ikke innebærer bevegelseføranklagene balanserer hverandre - og muligens gir deg en skarp zap i prosessen!

Statisk elektrisitet avhenger fundamentalt av en ubalanse mellom positive ladninger og negative ladninger, men egentlig er det bare elektronene som faktisk beveger seg for å skape denne ubalansen.

I et atom er protonene tett bundet i kjernen (sammen med nøytronene), og begge disse er betydelig tyngre enn de negativt ladede elektronene som holder seg i en "sky" rundt utsiden av cellekjernen.

Fordi disse lettere partiklene er på utsiden, når det ene objektet kommer i kontakt med et annet, er det det elektroner som kan overføre mellom dem, og å gni dem sammen øker ladningshastigheten bygge opp. Så hvis et objekt tar opp ekstra elektroner, blir det negativt ladet, mens hvis det mister elektroner blir det positivt ladet.

Isolasjonsmaterialer holder en statisk ladning godt, mens en god leder bare vil opprettholde en statisk ladning i visse situasjoner. En leder gitt ekstra elektroner holder ikke en statisk ladning fordi elektronene kan strømme fritt gjennom materialet (som er definisjonen av en god leder).

Så all oppladning av ladninger forsvinner for raskt for å skape merkbar statisk elektrisitet, og den kan overføres til andre gjenstander med mindre den er helt isolert fra resten av miljøet. Fordi strøm ikke kan strømme i en isolator, skaper den statiske oppbyggingen raskt en betydelig ubalanse i ladningen og genererer dermed statisk elektrisitet.

For som ladninger frastøter, og motsatte ladninger tiltrekker seg, når noe har en statisk ladning, vil det holde seg til motsatt ladede gjenstander, og det kan også noen gangerpolarisereatomer i en ellers nøytral gjenstand og hold deg til den også - slik en ballong holder seg til en vegg etter at du har gnidd den på hodet.

Hvis ladingen er stor nok og det oppnås en relativt høy spenning mellom de to overflatene eller objektene, kan ladningen hoppe fra ett objekt til et annet. Dette er grunnen til at du kan få en zap av det statiske støtet hvis du gni føttene over gulvet og deretter berører en dørhåndtak.

Det er mange eksempler på statisk elektrisitet som du vil møte i hverdagen, selv om du ikke nødvendigvis tenker på hvilken rolle statisk ladning spiller i driften.

Et spesielt vanlig eksempel er statisk klyving i klær, spesielt etter bruk av tørketrommelen, som holder de ideelle forholdene for statisk elektrisitet for å utvikle seg, og innebærer også klær som gni mot hverandre og potensielt plukker opp ekstra elektroner på vei. Det statiske støtet fra klær som lades på denne måten, har en tendens til å være ganske lite, men du merker det fortsatt når du får en!

Kopimaskiner er et godt eksempel på hvordan statisk elektrisitet kan brukes godt. Det sterke lyset som skanner dokumentet, skaper en elektrisk “skygge” av bildet på et fotoledende (dvs. lysfølsomt) belte, og når beltet roterer, tar det opp negativt ladede tonerpartikler på grunn av statisk lade.

Under dette bringer et annet belte et papirark rundt, noe som gir det en sterk positiv statisk ladning i prosessen. Når de negative ladningene fra toneren møter de positive ladningene på papiret, trykkes toneren på på papiret, i samme mønster som skyggen som ble tatt opp av det fotoledende belte.

Et annet eksempel bør ta deg tilbake til en fysikktime på skolen: Van de Graaff-generatoren, og den klassiske demonstrasjonen der noen som berører sfæren har håret sitt på enden. Generatoren fungerer basert på bevegelse av statiske elektriske ladninger, med et bevegelig belte som løper langs enhetens lengde og to metalliske "kammer" for å kontrollere den statiske ladningen.

En positivt ladet kam nederst (koblet til en strømforsyning) trekker elektroner fra beltet og forlater den med en netto positiv ladning, og denne ladningen blir plukket opp av en kam på toppen, som sprer den ut til den store kuppelen på topp. Hvis du berører kuppelen under ladeprosessen, tar individuelle hårstrenger opp matchende ladninger og frastøter hverandre, slik at den blir stående!

Lynbolter er en veldig dramatisk demonstrasjon av kraften til statisk elektrisitet, og Benjamin Franklin beviste dette i en av de mest kjente vitenskapelige demonstrasjonene gjennom tidene ved å binde en nøkkel til en våt dragesnor under tordenvær.

Selv om det er en myte at dragen faktisk ble truffet av et lyn (dette ville sannsynligvis ha drept Franklin), ble det elektriske feltet fra stormen ble plukket opp av strengen, som - i likhet med den klassiske Van de Graaff generator demonstrasjonen - fikk strengene til garnet til å stå på slutt. Til slutt berørte Franklin nøkkelen og kjente på et statisk sjokk som tydelig demonstrerte sammenhengen mellom strøm og lyn.

Naturligvis har forskere fylt ut mange flere detaljer om prosessen siden Benjamin Franklins dager. I likhet med klær som gnir seg mot hverandre i tørketrommelen eller en ballong som gnir seg mot håret ditt, er den statiske ladningen som skaper lyn kommer fra friksjon, og fra iskrystaller i kald luft som møter vanndråper fra en varm luft masse.

Ladning bygger seg opp forskjellige steder i skyen, og når det er tilstrekkelig stor forskjell i elektrisk potensial mellom disse stedene (dvs. en tilstrekkelig høy spenning), frigjøres den i form av en Lyn. Dette skjer vanligvisinnenforskyer eller mellom to skyer, men innimellom vil bolten slå bakken.

Oppbyggingen av statisk ladning forårsaket av friksjon og rubbing kalles teknisk triboelektrisk effekt, og basert på denne artikkelen vet du allerede detaljene om hva som forårsaker dette og hvordan det fungerer. Gjenstander som kommer i kontakt med hverandre fører til at en av dem tar opp ekstra elektroner (alle bærer negative ladninger) og den andre utvikler et underskudd på elektroner og derfor et positivt netto lade.

Imidlertid varierer graden som forskjellige materialer tar opp negativ ladning eller mister elektroner og får en positiv ladning, avhengig av materialets egenskaper. Mens isolatorer generelt er flinkere til å ta opp statisk ladning, tar forskjellige isolatorer den opp med forskjellige hastigheter.

For eksempel tar de fleste typer gummi, og spesielt Teflon, opp elektroner veldig enkelt, og som sådan er de perfekte for demonstrasjoner og teknologibiter avhengig av statisk elektrisitet. Materialer skiller seg ut fra deres "elektronegativitet", som i utgangspunktet betyr deres elektronaffinitet, eller deres tendens til å plukke dem opp fra andre gjenstander.

Den triboelektriske serien setter forskjellige materialer i orden basert på deres evne til å plukke opp en positiv eller en negativ statisk ladning. Elementer plassert mot toppen av triboelektriske serien er utsatt for å ta en positiv ladning, mens de nederst er mer sannsynlig å få elektroner og ta opp en negativ ladning som en resultat. Jo større skillet mellom to gjenstander i triboelektriske serien er, desto mer vil det å gni dem sammen skape en statisk ladning i begge.

Mens de fleste demonstrasjoner av statisk elektrisitet er morsomme skjermer eller mindre kuriositeter som du møte i det daglige livet, er det viktig å huske at uønsket statisk ladning kan være alvorlig konsekvenser.

For eksempel kan en enkelt gnist fra statisk elektrisitet antenne brennbare væsker eller gasser og potensielt føre til en eksplosjon. Den statiske oppbyggingen fra å gli over bilsetet ditt kan til og med potensielt forårsake et problem når det kommer til å fylle på bensinen din, og derfor bør du alltid berøre metalldelen av bilen før du fyller den opp.

Selvfølgelig,mestfor tiden er statisk elektrisitet bare et interessant fenomen, men å forstå hvordan det fungerer kan hjelpe deg med å unngå katastrofe i noen situasjoner.