Electricitate statică: definiție, modul în care funcționează, fapte (cu exemple)

Încărcarea electrică este în jurul tău, dar o observi cu adevărat doar în ocazii rare, ca atunci când părul tău stă la capăt scoți o pălărie sau când primești un zap ascuțit când întinzi mâna pentru a atinge ceva după ce ți-ai frecat picioarele de-a lungul covor.

Aceste două fenomene sunt exemple deelectricitate statica, ceva despre care probabil ai aflat când erai copil. Dar cum vă încarcă statica părul să se ridice și de ce vă poate oferi un șoc static?

Ce se întâmplă de fapt la nivel atomic care produce aceste experiențe universale? Învățarea detaliilor despre electricitatea statică vă oferă o perspectivă mult mai detaliată asupra acestei proprietăți fascinante a materiei.

Încărcarea electrică este o proprietate fundamentală a materiei. Este separat în sarcini pozitive și sarcini negative și, deși unele particule sunt neutre din punct de vedere electric - cum ar fi neutronul - acestea sunt de fapt compuse din și mai fundamentale particule caredopurtați o încărcare electrică.

Cele mai importante două particule încărcate de care trebuie să știți când aflați despre electricitatea statică sunt două dintre componentele principale ale unui atom: protoni și electroni.

Protonii sunt încărcați pozitiv, cu o încărcare de +e, în timp ce electronii sunt încărcați negativ la -e, Undee​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C aici reprezintăculombi, care este unitatea SI pentru încărcare electrică. Cele 10⁻¹⁹ îți spune că particulele încărcate aufoarte micvalori de încărcare comparate cu un coulomb - două încărcături de doar 1 C separate de un metru ar genera o forță mai mare decât forța de lansare a rachetei Saturn V!

Regula fundamentală pentru modul în care funcționează sarcina electrică este că sarcinile opuse atrag și, de asemenea, sarcinile se resping. Deci, dacă ați aduce un electron lângă un alt electron, aceștia s-ar împinge separat, în timp ce dacă ați aduce un electron lângă un proton, acesta ar fi atras de el.

La nivelul cel mai de bază, electricitatea statică se referă pur și simplu la sarcini care nu se mișcă. Cu toate acestea, există mult mai mult decât atât! Elementul cheie al electricității statice este că apare atunci când există un dezechilibru de încărcare, iar acest dezechilibru creează în esențăPotential electric, ceea ce înseamnă că există potențialul curgerii curentului electric (pentru a reechilibra sarcina) din cauza pozițiilor particulelor purtătoare de sarcină.

În atomi și, prin extensie, în majoritatea obiectelor cotidiene, există un echilibru între pozitiv și negativ sarcini (adică între protoni și electroni), deci sunt neutre din punct de vedere electric atunci când sunt considerate toate împreună.

Deci, dacă ai aduce un atom aproape de altul, nu ar exista vreo forță electrică între ele, deoarece toate dintre cheltuielile pozitive sunt echilibrate cu cheltuieli negative, deci nu există nicio taxă netă care să genereze o forta.

Deși este într-adevăr un pic mai complicat decât acest lucru (deoarece electronii se mișcă întotdeauna, așa că numereublocarea sarcinii pozitive de la protoni), această situație neutră creează un contrast clar cu ceea ce se întâmplă atunci când există o acumulare de sarcină statică.

În esență, atunci când un obiect (cum ar fi părul tău după ce freci un balon pe el) câștigă un exces sau un deficit de sarcină (deci mai mult sau mai puțini electroni decât în ​​starea sa obișnuită), atunci nu mai este neutru și poate genera ceea ce numiți static electricitate. În schimb, electricitatea obișnuită este omișcare continuăde sarcină (sub formă de electroni într-un curent electric), în timp ce electricitatea statică nu implică mișcarepana candtaxele se reechilibrează reciproc - și, eventual, vă vor oferi un zăpadă puternică în acest proces!

Electricitatea statică depinde în mod fundamental de un dezechilibru între sarcini pozitive și sarcini negative, dar de fapt doar electronii se mișcă pentru a crea acest dezechilibru.

Într-un atom, protonii sunt strâns legați în nucleu (împreună cu neutronii) și ambii sunt considerabil mai grele decât electronii încărcați negativ care rămân într-un „nor” în jurul exteriorului nucleu.

Deoarece aceste particule mai ușoare sunt la exterior, atunci când un obiect intră în contact cu altul, acesta este electronii care se pot transfera între ei și frecarea lor crește rata de încărcare construi. Deci, dacă un obiect preia electroni suplimentari, acesta devine încărcat negativ, în timp ce, dacă pierde electroni, devine încărcat pozitiv.

Materialele izolante dețin o sarcină statică bine, în timp ce un bun conductor va menține o sarcină statică numai în anumite situații. Un conductor dat de electroni suplimentari nu deține o sarcină statică, deoarece electronii pot circula liber în tot materialul (care este definiția unui bun conductor).

Deci, orice acumulare de încărcare se disipează prea repede pentru a crea electricitate statică vizibilă și se poate transfera în alte obiecte, cu excepția cazului în care este complet izolată de restul mediului. Deoarece curentul nu poate circula într-un izolator, acumularea statică creează rapid un dezechilibru de încărcare notabil și generează astfel electricitate statică.

Deoarece la fel ca încărcăturile se resping, iar taxele opuse se atrag, atunci când ceva are o sarcină statică, acesta se va lipi de articolele încărcate în mod opus și, uneori, poatepolarizaatomii dintr-un obiect altfel neutru și se lipesc de el - felul în care un balon se lipeste de un perete după ce îl freci pe cap.

Dacă acumularea de încărcare este suficient de mare și se obține o tensiune relativ mare între cele două suprafețe sau obiecte, sarcina poate sări de la un obiect la altul. Acesta este motivul pentru care puteți obține un zap din șocul static dacă vă frecați picioarele pe podea și apoi atingeți un clanță.

Există multe exemple de electricitate statică pe care le veți întâlni în viața de zi cu zi, chiar dacă nu vă gândiți neapărat la rolul pe care îl joacă sarcina statică în funcționarea lor.

Un exemplu deosebit de obișnuit este agățarea statică în haine, mai ales după utilizarea uscătorului, care păstrează condițiile ideale pentru să se dezvolte electricitate statică și implică, de asemenea, frecarea hainelor una de cealaltă și, eventual, ridicarea de electroni suplimentari pe cale. Șocul static de la hainele încărcate în acest mod tinde să fie destul de mic, dar cu siguranță îl observi atunci când primești unul!

Fotocopiatoarele sunt un exemplu excelent al modului în care electricitatea statică poate fi folosită la maximum. Lumina puternică care scanează documentul creează o „umbră” electrică a imaginii pe un fotoconductor (adică sensibil la lumină) și, pe măsură ce centura se rotește, preia particulele de toner încărcate negativ din cauza staticii încărca.

Sub aceasta, o altă centură aduce o foaie de hârtie în jur, oferindu-i o încărcare statică pozitivă puternică în proces. Când încărcările negative din toner îndeplinesc sarcinile pozitive de pe hârtie, tonerul se imprimă pe bucata de hârtie, în același model cu umbra preluată de fotoconductor centură.

Un alt exemplu ar trebui să te ducă înapoi la o oră de fizică la școală: generatorul Van de Graaff și demonstrația clasică în care cineva care atinge sfera are părul în picioare. Generatorul funcționează pe baza mișcării sarcinilor electrice statice, cu o centură în mișcare care parcurge lungimea dispozitivului și două „piepteni” metalici pentru a controla sarcina statică.

Un pieptene încărcat pozitiv în partea de jos (conectat la o sursă de energie electrică) atrage electronii din centură, lăsându-l cu o sarcină netă pozitivă, iar această sarcină este preluată de un pieptene în partea de sus, care o întinde pe cupola mare de la top. Dacă atingeți cupola în timpul procesului de încărcare, firele individuale ale părului dvs. ridică taxele potrivite și se resping reciproc, făcându-l să stea la capăt!

Fulgerele sunt o demonstrație foarte dramatică a puterii electricității statice, iar Benjamin Franklin a dovedit acest lucru în una dintre cele mai cunoscute demonstrații științifice din toate timpurile prin legarea unei chei de un șir de zmeu umed în timpul unei furtuni.

Deși este un mit că zmeul a fost de fapt lovit de un fulger (acest lucru l-ar fi ucis probabil pe Franklin), câmpul electric din furtuna a fost preluată de șir, care - la fel ca demonstrația clasică a generatorului Van de Graaff - a făcut ca firele firului să stea pe Sfârșit. În cele din urmă, Franklin a atins cheia și a simțit șocul unui șoc static, demonstrând clar legătura dintre electricitate și trăsnet.

Desigur, oamenii de știință au completat multe alte detalii despre acest proces încă din zilele lui Benjamin Franklin. La fel ca hainele care se freacă între ele în uscător sau un balon care se freacă de păr, sarcina statică care creează fulgere provine din frecare și din cristalele de gheață din aerul rece întâlnind picăturile de apă dintr-un aer cald masa.

Încărcarea se acumulează în diferite locuri din nor și atunci când există o diferență suficient de mare în potențial electric între aceste locuri (adică o tensiune suficient de mare), este eliberat sub forma unui fulger. Acest lucru se întâmplă de obiceiînnori sau între doi nori, dar ocazional șurubul va lovi pământul.

Acumularea sarcinii statice cauzate de frecare și frecare se numește tehnic efect triboelectric și, bazat pe acest articol, știți deja detaliile a ceea ce cauzează acest lucru și cum functioneaza. Obiectele care intră în contact unul cu celălalt determină ca unul dintre ei să preia electroni suplimentari (toți purtând sarcini negative) iar celălalt dezvoltând un deficit de electroni și deci o rețea pozitivă încărca.

Cu toate acestea, gradul în care diferite materiale ridică sarcină negativă sau pierd electroni și câștigă o sarcină pozitivă variază în funcție de caracteristicile materialului. În timp ce izolatorii sunt în general mai buni la preluarea sarcinii statice, diferiți izolatori o ridică la viteze diferite.

De exemplu, majoritatea tipurilor de cauciuc și, în special, teflon, ridică electronii foarte ușor și, ca atare, sunt excelente pentru demonstrații și piese de tehnologie dependente de electricitatea statică. Materialele diferă în funcție de „electronegativitatea” lor, ceea ce înseamnă practic afinitatea lor electronică sau tendința lor de a le prelua din alte obiecte.

Seria triboelectrică pune diferite materiale în ordine pe baza capacității lor de a prelua o sarcină statică pozitivă sau negativă. Articolele plasate în partea de sus a seriei triboelectrice sunt predispuse la preluarea unei sarcini pozitive, în timp ce cei din partea de jos sunt mai predispuși să câștige electroni și să preia o sarcină negativă ca o rezultat. Cu cât este mai mare separarea dintre două elemente din seria triboelectrică, cu atât mai mult dacă frecarea lor va crea o sarcină statică în ambele.

În timp ce majoritatea demonstrațiilor de electricitate statică sunt afișaje distractive sau curiozități minore pe care le aveți întâlnire în viața de zi cu zi, este important să ne amintim că încărcarea statică nedorită poate avea efecte grave consecințe.

De exemplu, o singură scânteie din electricitatea statică poate aprinde lichide sau gaze inflamabile și poate duce la o explozie. Acumularea statică de la alunecarea pe scaunul auto ar putea provoca chiar și o problemă atunci când acesta vine să vă reumpleți gazul și, prin urmare, trebuie să atingeți întotdeauna partea metalică a mașinii înainte de a o umple sus.

Desigur,cel maitimpului electricitatea statică este într-adevăr un fenomen interesant, dar înțelegerea modului în care funcționează vă poate ajuta să evitați catastrofa în anumite situații.