Большинство детей узнают о трибоэлектрический эффект задолго до того, как они познакомятся с этим термином. Если вы когда-нибудь терли воздушный шарик о волосы и наблюдали эффект статическое электричество - тянуть волосы к воздушному шару и быть достаточно сильными, чтобы прикрепить воздушный шар к голове - тогда вы поймете основы трибоэлектрического эффекта.
По сути, это форма «контактной электрификации», когда электрический заряд в форме электронов движется от одного объекта к другому, что приводит к накоплению отрицательного заряда на одном объекте и дефициту на Другие. Резиновый шар и человеческие волосы - лишь два примера объектов, демонстрирующих это довольно распространенное явление.
Изучая подробности о трибоэлектрическом эффекте, как он работает, что его вызывает, и что вы можете узнать из трибоэлектрическая серия помогает понять и предсказать, что произойдет в ситуациях, связанных с передачей электрического заряжать.
Что такое трибоэлектрический эффект?
Трибоэлектрический эффект был известен людям по крайней мере с 600 г. до н. Э., Когда грек Фалес философ обнаружил, что янтарь можно натирать и заставлять его притягивать пух, бумагу и другие мелкие легкие объекты. Термин «трибоэлектрический эффект» происходит от греческого «натирание» и «янтарь» благодаря истории открытия этого эффекта. Конечно, сегодня ученые гораздо лучше понимают причины трибоэлектрического эффекта и природу электрического заряда в целом.
Трибоэлектрический эффект называется контактной электризацией, потому что это процесс соприкосновения объектов, особенно трения друг о друга. другие, такие как резиновый шар против человеческих волос или ваши ноги по ковру, что приводит к накоплению поверхностного заряда, который создает эффект.
Электрический заряд в форме электронов, компонентов атомов, несущих отрицательный заряд, передается от одного объекта к другому в процессе трения. Происходящая передача заряда означает, что один объект получает электроны и, таким образом, чистый отрицательный заряд, в то время как другой теряет электроны и, следовательно, получает чистый положительный заряд.
Это накопление электронов оставляет общий заряд на обоих объектах, и с этого момента они ведут себя как любые два заряженных объекта. объекты: одинаковые заряды будут отталкивать друг друга, а разные заряды (например, два, которые используются для создания эффекта) будут привлекать один Другой. Степень, в которой это происходит, зависит от самих материалов и, в конечном итоге, от общих зарядов каждого объекта после трения.
Причины трибоэлектрического эффекта
В конечном итоге явление трибоэлектричества вызвано трением: когда один материал трется о во-вторых, электроны эффективно «отрываются» от одного объекта, а в другом оказывается изобилие электрического заряжать.
Однако, чтобы по-настоящему понять это явление и его причины, вам нужно подумать о структуре атомов. Небольшое плотно упакованное ядро содержит положительно заряженные протоны и беззарядные нейтроны с Вокруг него «облако» отрицательно заряженных электронов, обычно уравновешивающее положительный заряд ядро. Трение приводит к переносу заряда, забирая часть отрицательно заряженных электронов из одного материала.
Степень, в которой материал отнимает электроны от другого материала, называется электронное сродство или же заряд сродства. Если атомы одного материала имеют более высокое сродство к электрону, чем атомы другого материала, то он будет стремиться к брать электроны (и тем самым создают отрицательный заряд) из другого материала (который затем имеет дефицит электронов и развивает чистый положительный заряд). Помимо резинового шара и человеческих волос, ног, ковра, янтаря и ткани, еще одним классическим примером этого явления является тефлон и мех кролика.
Короче говоря, количество отображаемых материалов трибоэлектричества различается для разных материалов в результате их особого сродства к электрону или заряду. Вот почему ученые создали список материалов, ранжированных по их склонности к приобретению или потере электронов, который называется трибоэлектрическим рядом.
Трибоэлектрическая серия
Трибоэлектрический ряд представляет собой список объектов, упорядоченных по их склонности приобретать чистый положительный заряд или чистый отрицательный заряд при контакте друг с другом.
Материалы, расположенные ближе к вершине трибоэлектрического ряда, с большей вероятностью будут отдавать электроны при контакте (и развивать чистый положительный заряд), а материалы, расположенные внизу, с большей вероятностью получат электроны (и, следовательно, отрицательные заряжать).
В идеальных условиях - если все сухо - предметы, расположенные выше в трибоэлектрическом ряду, будут иметь тенденцию сдаться электронов к элементам, находящимся ниже по списку, и они станут положительно заряженными. Чем больше расстояние между двумя разными материалами в трибоэлектрическом ряду, тем больше трибоэлектрический эффект при их трении друг о друга.
Таблица трибоэлектрических серий
Вы можете найти отличный пример диаграммы трибоэлектрического ряда здесь, который был основан на тестах, проведенных Биллом Ли в AlphaLab, inc. В этой таблице приведены подробные сведения о том, как были протестированы материалы, а также об ограничениях измерений.
Значения в таблице даны в нКл / Дж, что соответствует нанокулонам на джоуль, где кулон является стандартной единицей заряда, а джоули - единицей энергии, связанной с трением. Положительный или отрицательный знак представляет их вероятность получения положительных или отрицательных зарядов соответственно.
Так, например, латексная резина собирает 105 нКл заряда на джоуль энергии, вложенной в процесс трения, а знак минус говорит вам, что он собирает чистый отрицательный заряд. С другой стороны, сухая кожа имеет значение +30 нКл / Дж, что означает, что она теряет электроны, поэтому в результате она получает положительный заряд 30 нКл на Джоуль энергии, который идет на процесс трения.
Наконец, вы заметите, что большинство различных материалов в списке (например, силиконовый каучук и ПВХ) являются изоляторами, поэтому в обычных условиях они не могут проводить электрический ток. Это важное напоминание о том, что трибоэлектричество работает совершенно иначе, чем обычное электричество, и, как правило, изоляторы лучше чем проводники при удерживании этого типа статического заряда.
Генераторы Ван де Граафа
Генераторы Ван де Граафа - хорошо известное оборудование, в котором используется трибоэлектрический эффект. для создания накопления или накопления заряда, который можно измерить как разность потенциалов с помощью вольтметр.
В большинстве генераторов Ван де Граафа резиновый ремень трутся о металлический «гребешок» внизу, который вытягивает электроны из ремня и оставляет его с чистым положительным зарядом. Затем он улавливается соответствующей гребенкой вверху, чтобы распределить заряд по металлическому куполу в верхней части генератора.
Конечно, электроны являются мобильными носителями заряда, поэтому пояс теряет электроны внизу, а затем набирает электроны из гребня и купола наверху, оставляя их с дефицитом электронов и, таким образом, чистым положительным заряжать.
Огромная разность потенциалов, создаваемая этим процессом, может превышать 100000 вольт и часто используется. в классической демонстрации в классе, где у кого-то, контактирующего с генератором, волосы встают дыбом конец. Это связано с тем, что все пряди волос получают соответствующий (положительный) заряд и поэтому начинают отталкиваться друг от друга.
