Majoritatea copiilor învață despre efect triboelectric cu mult înainte de a se familiariza cu termenul. Dacă ți-ai frecat vreodată un balon pe păr și ai asistat la efectul electricitate statica - trăgându-ți părul spre balon și potențial fiind suficient de puternic pentru a-ți lipi balonul de cap - atunci înțelegi elementele de bază ale efectului triboelectric.
Este practic o formă de „electrificare a contactului”, în care se deplasează sarcina electrică, sub formă de electroni de la un obiect la altul, ducând la o acumulare de sarcină negativă pe un obiect și un deficit pe alte. Un balon de cauciuc și părul uman sunt doar două exemple de obiecte care arată acest fenomen destul de comun.
Învățarea detaliilor despre efectul triboelectric, modul în care funcționează, ce cauzează și ce puteți afla din seria triboelectrică vă ajută să înțelegeți și să preziceți ce se va întâmpla în situații care implică transferul de energie electrică încărca.
Ce este efectul triboelectric?
Efectul triboelectric a fost cunoscut oamenilor încă din cel puțin 600 î.e.n., când Thales, un grec filosoful a descoperit că poți freca chihlimbar și să-l faci să atragă puful, hârtia și alte mici, ușoare obiecte. Termenul de efect triboelectric provine din greacă pentru „frecare” și „chihlimbar”, datorită acestei istorii a descoperirii efectului. Desigur, oamenii de știință de astăzi înțeleg mult mai bine cauzele efectului triboelectric și natura sarcinii electrice în general.
Efectul triboelectric se numește electrificare de contact, deoarece este procesul de contactare a obiectelor - în special frecarea de fiecare altele, cum ar fi balonul de cauciuc împotriva părului uman sau picioarele tale peste un covor, care duce la acumularea de sarcină de suprafață care creează efect.
Sarcina electrică - sub formă de electroni, componentele negative care transportă sarcina atomilor - este transferată de la un obiect la altul în timpul procesului de frecare. Transferul de sarcină care are loc înseamnă că un obiect câștigă electroni și, prin urmare, o sarcină netă negativă, în timp ce celălalt pierde electroni și, prin urmare, ajunge la o sarcină netă pozitivă.
Această acumulare de electroni lasă o sarcină netă pe ambele obiecte și, începând cu acest moment, se comportă ca oricare două încărcate obiecte: la fel ca încărcăturile se vor respinge reciproc și, spre deosebire de sarcinile (cum ar fi cele două utilizate pentru a crea efectul), vor atrage una un alt. Măsura în care se întâmplă acest lucru depinde de materialele în sine și, în cele din urmă, de sarcinile totale pe fiecare obiect după frecare.
Cauzele efectului triboelectric
În cele din urmă, fenomenul triboelectricității este cauzat de frecare: atunci când un material este frecat altul, electronii sunt efectiv „decupați” de un obiect, iar celălalt se termină cu o abundență de electricitate încărca.
Cu toate acestea, pentru a înțelege cu adevărat fenomenul și ceea ce îl provoacă, trebuie să vă gândiți la structura atomilor. Un nucleu mic, dens ambalat, conține protoni încărcați pozitiv și neutroni fără încărcare, cu un „Nor” de electroni încărcați negativ în jurul său, echilibrând de obicei sarcina pozitivă de la nucleu. Fricțiunea duce la transferul de sarcină, luând o parte din electronii încărcați negativ dintr-un material.
Gradul în care un material va lua electroni dintr-un alt material se numește afinitate electronică sau afinitate de încărcare. Dacă atomii unui material au o afinitate electronică mai mare decât celălalt material, atunci acesta va avea tendința lua electronii (și astfel acumulează o sarcină negativă) din celălalt material (care are apoi un deficit de electroni și dezvoltă o sarcină pozitivă netă). Pe lângă un balon de cauciuc și păr uman, picioare și covor și chihlimbar și o cârpă, un alt exemplu clasic al fenomenului este oferit de teflon și blană de iepure.
Pe scurt, cantitatea de materiale de triboelectricitate afișate diferă pentru diferite materiale, ca urmare a afinității lor electronice specifice sau a sarcinii. Acesta este motivul pentru care oamenii de știință au creat o listă de materiale clasificate în funcție de tendința lor de a câștiga sau pierde electroni, numită serie triboelectrică.
Seria Triboelectrică
Seria triboelectrică este o listă de obiecte clasificate după înclinația lor de a dobândi o sarcină netă pozitivă sau o sarcină netă negativă atunci când sunt puse în contact între ele.
Materialele către partea de sus a seriei triboelectrice sunt mai susceptibile să renunțe la electroni la contact (și să se dezvolte o sarcină netă pozitivă), iar materialele spre partea de jos sunt mai susceptibile de a câștiga electroni (și deci negative încărca).
În condiții ideale - dacă totul este uscat - obiectele plasate mai sus în seria triboelectrică vor tinde renunța electronii către elementele aflate mai jos în listă și vor deveni încărcați pozitiv. Cu cât este mai mare distanța dintre două materiale diferite din seria triboelectrică, cu atât efectul triboelectric este mai mare atunci când sunt frecate împreună.
Graficul seriei triboelectrice
Puteți găsi un exemplu excelent de diagramă de serie triboelectrică Aici, care s-a bazat pe testele efectuate de Bill Lee la AlphaLab, inc. Acest tabel oferă detalii despre modul în care au fost testate materialele, precum și limitările măsurătorilor.
Valorile din tabel sunt în nC / J, care înseamnă nanoculombi pe joule, un Coulomb fiind unitatea standard de încărcare și Jouli fiind unitatea pentru energia asociată cu fricțiunea. Semnul pozitiv sau negativ reprezintă probabilitatea lor de a prelua taxe pozitive sau negative, respectiv.
De exemplu, cauciucul din latex preia 105 nC de încărcare pe joule de energie investită în procesul de frecare, iar semnul minus vă spune că preia o sarcină negativă netă. Pe de altă parte, pielea uscată are o valoare de +30 nC / J, ceea ce înseamnă că va pierde electroni, deci se termină cu o încărcare pozitivă de 30 nC pe Joule de energie care intră în procesul de frecare.
În cele din urmă, veți observa că majoritatea diferitelor materiale de pe listă (de exemplu, cauciuc siliconic și PVC) sunt izolatoare, deci nu pot transporta curent electric în situații normale. Acesta este un memento important că triboelectricitatea funcționează complet diferit de electricitatea obișnuită și, în general, izolatorii sunt mai bine decât conductorii la reținerea acestui tip de sarcină statică.
Generatoare Van De Graaff
Generatoarele Van de Graaff sunt un echipament bine cunoscut care folosește efectul triboelectric pentru a produce o acumulare sau un depozit de taxe pe care îl puteți măsura ca diferență de potențial folosind un voltmetru.
La majoritatea generatoarelor Van de Graaff, o centură de cauciuc este frecată de un „pieptene” metalic în partea de jos, care extrage electronii din centură și o lasă cu o încărcare netă pozitivă. Acesta este apoi preluat de un pieptene asortat în partea de sus pentru a răspândi sarcina către cupola metalică din partea de sus a generatorului.
Desigur, electronii sunt purtătorii de încărcare mobili, astfel încât centura pierde electroni în partea de jos și apoi ridică electronii din pieptene și cupola din partea de sus, lăsându-i cu un deficit de electroni și deci un net pozitiv încărca.
Diferența de potențial masivă creată prin acest proces poate depăși 100.000 de volți și este adesea utilizată într-un afiș clasic de clasă în care cineva în contact cu generatorul are părul în picioare Sfârșit. Acest lucru se datorează faptului că firele de păr câștigă toate o încărcare potrivită (pozitivă) și, prin urmare, încep să se respingă reciproc.