Elektryczność statyczna: definicja, sposób działania, fakty (z przykładami)

Ładunek elektryczny jest wszędzie wokół ciebie, ale tak naprawdę zauważasz go tylko w rzadkich przypadkach, na przykład gdy włosy stają dęba po zdejmujesz czapkę lub gdy dostajesz ostrego uderzenia, gdy wyciągasz rękę, aby czegoś dotknąć po potarciu stopami o wykładzina podłogowa.

Te dwa zjawiska są przykładamielektryczność statyczna, coś, o czym prawdopodobnie dowiedziałeś się, gdy byłeś dzieckiem. Ale w jaki sposób ładunek elektrostatyczny sprawia, że ​​włosy stają się dęba i dlaczego może wywołać szok elektrostatyczny?

Co tak naprawdę dzieje się na poziomie atomowym, co powoduje te uniwersalne doświadczenia? Poznanie szczegółów dotyczących elektryczności statycznej daje o wiele bardziej szczegółowy wgląd w tę fascynującą właściwość materii.

Ładunek elektryczny jest podstawową właściwością materii. Dzieli się na ładunki dodatnie i ujemne, i chociaż niektóre cząstki są elektrycznie obojętne – takie jak neutron – w rzeczywistości składają się z jeszcze bardziej podstawowych cząstki, którezrobićnosić ładunek elektryczny.

Dwie najważniejsze naładowane cząstki, o których należy wiedzieć, kiedy uczysz się o elektryczności statycznej, to dwa główne składniki atomu: protony i elektrony.

Protony są naładowane dodatnio, z ładunkiem +mi, podczas gdy elektrony są naładowane ujemnie przy –mi, gdziemi​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ DO. Litera C oznacza tutajkulomby, która jest jednostką SI dla ładunku elektrycznego. 10⁻¹⁹ mówi, że naładowane cząstki mająbardzo maływartości ładunków w porównaniu do jednego kulomba – dwa ładunki o grubości zaledwie 1 C oddzielone o metr wytworzyłyby siłę większą niż ciąg startowy rakiety Saturn V!

Podstawową zasadą działania ładunku elektrycznego jest to, że przeciwne ładunki przyciągają się, a podobne ładunki odpychają. Więc jeśli zbliżysz elektron do innego elektronu, odepchną się od siebie, podczas gdy jeśli zbliżysz elektron do protonu, zostanie on do niego przyciągnięty.

Na najbardziej podstawowym poziomie elektryczność statyczna odnosi się po prostu do ładunków, które się nie poruszają. Jednak jest w tym znacznie więcej! Kluczową rzeczą w przypadku elektryczności statycznej jest to, że pojawia się ona, gdy występuje nierównowaga ładunku, a ta nierównowaga zasadniczo tworzypotencjał elektryczny, co oznacza, że ​​istnieje możliwość przepływu prądu elektrycznego (w celu zrównoważenia ładunku) z powodu położenia cząstek przenoszących ładunek.

W atomach, a co za tym idzie w większości przedmiotów codziennego użytku, istnieje równowaga między pozytywnym a negatywnym ładunki (tj. między protonami i elektronami), więc są elektrycznie obojętne, gdy uważa się je za wszystkie razem.

Więc jeśli zbliżysz jeden atom do drugiego, nie będzie między nimi żadnej siły elektrycznej, ponieważ wszystkie ładunki dodatnie są równoważone przez ładunki ujemne, więc nie ma ładunku netto do wygenerowania a siła.

Chociaż jest to trochę bardziej skomplikowane (ponieważ elektrony zawsze się poruszają, więc niezawszeblokować dodatni ładunek protonów), ta neutralna sytuacja tworzy wyraźny kontrast z tym, co dzieje się, gdy następuje nagromadzenie ładunku statycznego.

W istocie, gdy przedmiot (takie jak twoje włosy po potarciu balonu) zyskuje nadmiar lub deficyt ładunku (więc więcej lub mniej elektronów niż w swoim zwykłym stanie), wtedy nie jest już obojętny i może generować to, co nazywasz statycznym Elektryczność. Natomiast zwykła energia elektryczna tociągły ruchładunku (w postaci elektronów w prądzie elektrycznym), a elektryczność statyczna nie wiąże się z ruchemaż doładunki równoważą się nawzajem – i prawdopodobnie dadzą ci ostry cios w tym samym procesie!

Elektryczność statyczna zasadniczo zależy od braku równowagi między ładunkami dodatnimi i ujemnymi, ale tak naprawdę to tylko elektrony poruszają się, aby stworzyć tę nierównowagę.

W atomie protony są ściśle związane w jądrze (wraz z neutronami) i oba są znacznie cięższe niż elektrony naładowane ujemnie, które pozostają w „chmurze” na zewnątrz jądro.

Ponieważ te lżejsze cząsteczki znajdują się na zewnątrz, kiedy jeden obiekt wchodzi w kontakt z innym, to właśnie one elektrony, które mogą się między nimi przenosić, a pocieranie ich o siebie zwiększa szybkość ładowania nagromadzenie. Więc jeśli obiekt zbiera dodatkowe elektrony, staje się naładowany ujemnie, natomiast jeśli traci elektrony, staje się naładowany dodatnio.

Materiały izolacyjne dobrze utrzymują ładunek statyczny, podczas gdy dobry przewodnik utrzyma ładunek statyczny tylko w określonych sytuacjach. Przewodnik z dodatkowymi elektronami nie utrzymuje ładunku statycznego, ponieważ elektrony mogą swobodnie przepływać przez materiał (co jest definicją dobrego przewodnika).

Tak więc wszelkie nagromadzone ładunki rozpraszają się zbyt szybko, aby wytworzyć zauważalną elektryczność statyczną i mogą przenosić się na inne obiekty, chyba że są całkowicie izolowane od reszty środowiska. Ponieważ prąd nie może płynąć w izolatorze, nagromadzenie ładunków elektrostatycznych szybko tworzy zauważalną nierównowagę ładunku, a tym samym generuje elektryczność statyczną.

Ponieważ podobnie jak ładunki odpychają się, a przeciwne przyciągają, gdy coś ma ładunek statyczny, przykleja się do przeciwnie naładowanych przedmiotów, a czasami może równieżpolaryzowaćatomy w neutralnym obiekcie i również się do niego przyczepiają – tak jak balon przykleja się do ściany po potarciu go o głowę.

Jeśli nagromadzenie ładunku jest wystarczająco duże i pomiędzy dwiema powierzchniami lub obiektami osiąga się stosunkowo wysokie napięcie, ładunek może przeskakiwać z jednego obiektu na drugi. To dlatego możesz dostać uderzenie elektrostatycznego wstrząsu, jeśli pocierasz stopami o podłogę, a następnie dotkniesz klamki.

Istnieje wiele przykładów elektryczności statycznej, które napotkasz w codziennym życiu, nawet jeśli niekoniecznie myślisz o roli, jaką ładunek statyczny odgrywa w ich działaniu.

Jednym ze szczególnie powszechnych przykładów jest statyczne przywieranie ubrań, zwłaszcza po użyciu suszarki, co zapewnia idealne warunki do elektryczność statyczna rozwija się, a także obejmuje ocieranie się ubrań o siebie i potencjalnie zbieranie dodatkowych elektronów na droga. Wyładowania elektrostatyczne naładowanych w ten sposób ubrań są zwykle niewielkie, ale na pewno zauważysz je, gdy je otrzymasz!

Fotokopiarki są doskonałym przykładem dobrego wykorzystania elektryczności statycznej. Jasne światło, które skanuje dokument, tworzy elektryczny „cień” obrazu na fotoprzewodniku (tj. światłoczułym) pasa, a gdy pas się obraca, zbiera ujemnie naładowane cząsteczki tonera z powodu statycznego opłata.

Pod spodem kolejny pas przenosi arkusz papieru, nadając mu silny dodatni ładunek statyczny. Kiedy ujemne ładunki z tonera spotkają się z dodatnimi ładunkami na papierze, toner odciska się się na kartce papieru, w tym samym wzorze, co cień uchwycony przez fotoprzewodnik pas.

Kolejny przykład powinien wrócić na lekcję fizyki w szkole: generator Van de Graaffa i klasyczny pokaz, w którym ktoś, kto dotyka kuli, ma zjeżone włosy. Generator działa w oparciu o ruch statycznych ładunków elektrycznych, z ruchomym pasem biegnącym wzdłuż urządzenia i dwoma metalowymi „grzebieniami” kontrolującymi ładunek statyczny.

Dodatnio naładowany grzebień na dole (podłączony do źródła energii elektrycznej) pobiera elektrony z pasa, pozostawiając go z dodatnim ładunkiem netto, a ten ładunek jest zbierany przez grzebień u góry, który rozprowadza go do dużej kopuły na Top. Jeśli dotkniesz kopuły podczas ładowania, poszczególne pasma twoich włosów zbierają pasujące ładunki i odpychają się nawzajem, dzięki czemu stają na swoim końcu!

Błyskawice są bardzo dramatyczną demonstracją mocy elektryczności statycznej, a Benjamin Franklin udowodnił to w: jeden z najbardziej znanych pokazów naukowych wszechczasów, polegający na przywiązaniu klucza do mokrego sznurka latawca podczas burzy.

Chociaż to mit, że latawiec został uderzony przez piorun (prawdopodobnie zabiłby Franklina), pole elektryczne z burza została podjęta przez sznurek, który – podobnie jak w przypadku klasycznej demonstracji generatora Van de Graaffa – sprawił, że pasma sznurka stały na koniec. Wreszcie Franklin dotknął klawisza i poczuł wstrząs elektrostatyczny, wyraźnie pokazując związek między elektrycznością a błyskawicą.

Oczywiście od czasów Benjamina Franklina naukowcy podali o wiele więcej szczegółów na temat tego procesu. Podobnie jak ubrania ocierające się o siebie w suszarce lub balon ocierający się o włosy, ładunek statyczny piorun powstaje w wyniku tarcia, a kryształki lodu w zimnym powietrzu stykają się z kroplami wody z ciepłego powietrza masa.

Ładunek kumuluje się w różnych miejscach w chmurze, a gdy jest wystarczająco duża różnica w potencjał elektryczny pomiędzy tymi miejscami (tj. odpowiednio wysokie napięcie), uwalniany jest w postaci a Błyskawica. Zwykle tak się dziejew ciąguchmurami lub między dwiema chmurami, ale od czasu do czasu bełt uderzy w ziemię.

Nagromadzenie ładunku statycznego spowodowane tarciem i tarciem jest technicznie nazywane efekt tryboelektryczny, a na podstawie tego artykułu znasz już szczegóły, co to powoduje i jak to działa. Obiekty wchodzące w kontakt ze sobą prowadzą do tego, że jeden z nich wychwytuje dodatkowe elektrony (wszystkie niosący ładunki ujemne), a drugi rozwijający deficyt elektronów, a zatem dodatni netto opłata.

Jednak stopień, w jakim różne materiały zbierają ładunek ujemny lub tracą elektrony i zyskują ładunek dodatni, zależy od właściwości materiału. Podczas gdy izolatory generalnie lepiej zbierają ładunek statyczny, różne izolatory odbierają je z różną szybkością.

Na przykład większość rodzajów gumy, aw szczególności teflon, bardzo łatwo wychwytuje elektrony i jako takie świetnie nadają się do demonstracji i elementów technologii zależnych od elektryczności statycznej. Materiały różnią się w zależności od ich „elektroujemności”, co zasadniczo oznacza ich powinowactwo do elektronów lub ich tendencję do odbierania ich z innych obiektów.

Seria tryboelektryczna porządkuje różne materiały w oparciu o ich zdolność do odbierania dodatniego lub ujemnego ładunku statycznego. Przedmioty umieszczone w górnej części serii tryboelektrycznej mają skłonność do gromadzenia ładunku dodatniego, podczas gdy te na dole mają większe szanse na zdobycie elektronów i odbieranie ładunku ujemnego jako a wynik. Im większa odległość między dwoma elementami w szeregu tryboelektrycznym, tym bardziej pocieranie ich o siebie spowoduje powstanie ładunku statycznego w obu z nich.

Podczas gdy większość demonstracji elektryczności statycznej to zabawne pokazy lub drobne ciekawostki, które… w codziennym życiu, należy pamiętać, że niechciany ładunek elektrostatyczny może mieć poważne konsekwencje have konsekwencje.

Na przykład pojedyncza iskra z elektryczności statycznej może zapalić łatwopalne ciecze lub gazy i potencjalnie spowodować wybuch. Statyczne nagromadzenie spowodowane przesuwaniem się po foteliku samochodowym może nawet potencjalnie spowodować problem, gdy when chodzi o uzupełnianie paliwa, dlatego przed napełnieniem należy zawsze dotknąć metalowej części auta w górę.

Oczywiście,większośćczasami elektryczność statyczna jest po prostu interesującym zjawiskiem, ale zrozumienie, jak to działa, może pomóc w uniknięciu katastrofy w niektórych sytuacjach.