Статическое электричество: определение, как оно работает, факты (с примерами)

Электрический заряд окружает вас повсюду, но вы действительно замечаете это только в редких случаях, например, когда ваши волосы встают дыбом после вы снимаете шляпу, или когда вы получаете резкий удар, когда вы протягиваете руку, чтобы коснуться чего-то после того, как потираете ногами ковер.

Эти два явления являются примерамистатическое электричество, то, о чем вы, вероятно, узнали, когда были ребенком. Но как статический заряд заставляет ваши волосы встать дыбом и почему он может вызвать статический разряд?

Что на самом деле происходит на атомарном уровне, порождающем эти универсальные переживания? Изучение статического электричества в деталях даст вам более подробное представление об этом удивительном свойстве материи.

Электрический заряд - фундаментальное свойство материи. Он разделен на положительные заряды и отрицательные заряды, и хотя некоторые частицы электрически нейтральные, такие как нейтрон, на самом деле состоят из еще более фундаментальных частицы, которыеделатьнесут электрический заряд.

Две наиболее важные заряженные частицы, о которых нужно знать, когда вы узнаете о статическом электричестве, - это два основных компонента атома: протоны и электроны.

Протоны заряжены положительно, с зарядом +е, а электроны заряжены отрицательно при -е, гдее​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ С. C здесь означаеткулоны, которая является единицей СИ для электрического заряда. 10⁻¹⁹ говорит вам, что заряженные частицы имеюточень маленькийЗначения заряда по сравнению с одним кулоном - два заряда всего в 1 кл, разделенные метром, будут генерировать силу, превышающую тягу стартовой тяги ракеты Сатурн V.

Основное правило работы электрического заряда состоит в том, что противоположные заряды притягиваются, а подобные заряды отталкиваются. Итак, если вы поднесете электрон к другому электрону, они оттолкнутся друг от друга, тогда как если вы поднесете электрон к протону, он будет притягиваться к нему.

На самом базовом уровне статическое электричество означает просто неподвижные заряды. Однако это еще не все! Ключевым моментом в статическом электричестве является то, что оно возникает, когда есть дисбаланс заряда, и этот дисбаланс по существу создаетэлектрический потенциал, что означает, что существует возможность протекания электрического тока (для восстановления баланса заряда) из-за положения несущих заряд частиц.

В атомах и, в более широком смысле, в большинстве повседневных предметов существует баланс между положительным и отрицательным. зарядов (т.е. между протонами и электронами), поэтому они электрически нейтральны, если рассматривать все все вместе.

Итак, если вы поднесете один атом близко к другому, между ними не будет электрической силы, потому что все положительных зарядов уравновешиваются отрицательными зарядами, поэтому нет чистого заряда для генерации сила.

Хотя на самом деле это немного сложнее, чем это (потому что электроны всегда движутся, поэтому они невсегдаблокируют положительный заряд от протонов), эта нейтральная ситуация создает четкий контраст с тем, что происходит при накоплении статического заряда.

По сути, когда объект (например, ваши волосы после того, как вы потерли о них воздушный шарик), получает избыток или недостаток заряда (так что больше или меньше электронов, чем в обычном состоянии), то он больше не является нейтральным и может генерировать то, что вы называете статическим электричество. Напротив, обычное электричество - этонепрерывное движениезаряда (в виде электронов в электрическом токе), в то время как статическое электричество не связано с движениемдо того какзаряды уравновешивают друг друга - и, возможно, дают вам резкий удар в процессе!

Статическое электричество в основном зависит от дисбаланса между положительными и отрицательными зарядами, но на самом деле это только электроны, которые действительно движутся, чтобы создать этот дисбаланс.

В атоме протоны тесно связаны в ядре (вместе с нейтронами), и оба они являются значительно тяжелее, чем отрицательно заряженные электроны, которые остаются в «облаке» за пределами ядро.

Поскольку эти более легкие частицы находятся снаружи, когда один объект соприкасается с другим, это электроны, которые могут перемещаться между ними, и трение их друг с другом увеличивает скорость заряда наращивать. Таким образом, если объект собирает лишние электроны, он становится отрицательно заряженным, а если он теряет электроны, он становится заряженным положительно.

Изоляционные материалы хорошо удерживают статический заряд, тогда как хороший проводник будет поддерживать статический заряд только в определенных ситуациях. Проводник с дополнительными электронами не удерживает статический заряд, потому что электроны могут свободно перемещаться по материалу (что является определением хорошего проводника).

Таким образом, любое накопление заряда рассеивается слишком быстро, чтобы создать заметное статическое электричество, и оно может передаваться на другие объекты, если оно полностью не изолировано от остальной окружающей среды. Поскольку ток не может течь через изолятор, накопление статического электричества быстро создает заметный дисбаланс заряда и, таким образом, генерирует статическое электричество.

Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные заряды притягиваются, когда что-то имеет статический заряд, оно будет прилипать к противоположно заряженным предметам, а также иногда можетполяризоватьатомы в нейтральном в остальном предмете и прилипают к нему - так же, как воздушный шар прилипает к стене после того, как вы потерли его о голову.

Если накопление заряда достаточно велико и между двумя поверхностями или объектами достигается относительно высокое напряжение, заряд может перескакивать с одного объекта на другой. Вот почему вы можете получить удар статическим электричеством, если потрете ногой об пол, а затем коснетесь дверной ручки.

Есть много примеров статического электричества, с которыми вы столкнетесь в повседневной жизни, даже если вы не обязательно задумываетесь о роли, которую статический заряд играет в их работе.

Одним из наиболее распространенных примеров является статическое прилипание к одежде, особенно после использования сушилки, которая поддерживает идеальные условия для статическое электричество, а также включает трение одежды друг о друга и потенциально собирает лишние электроны на способ. Статический шок от одежды, заряженной таким образом, как правило, довольно небольшой, но вы определенно все равно заметите его, когда получите его!

Копировальные аппараты - отличный пример того, как статическое электричество может быть эффективно использовано. Яркий свет, который сканирует документ, создает электрическую «тень» изображения на фотопроводящем (т. Е. светочувствительный) ремень, и во время вращения он улавливает отрицательно заряженные частицы тонера из-за статического электричества. заряжать.

Под ним другой ремень перемещает лист бумаги, создавая при этом сильный положительный статический заряд. Когда отрицательные заряды тонера встречаются с положительными зарядами на бумаге, тонер отпечатывается на лист бумаги по тому же шаблону, что и тень, улавливаемая фотопроводящим пояс.

Другой пример должен вернуть вас к уроку физики в школе: генератор Ван де Граафа и классическая демонстрация, когда у кого-то, касающегося сферы, волосы встают дыбом. Генератор работает на основе движения статических электрических зарядов с движущейся лентой, проходящей по длине устройства, и двумя металлическими «гребешками» для контроля статического заряда.

Положительно заряженная гребенка внизу (подключенная к источнику электричества) вытягивает электроны из ремня, оставляя его. с чистым положительным зарядом, и этот заряд улавливается гребнем наверху, который распределяет его по большому куполу на вершина. Если вы коснетесь купола во время процесса зарядки, отдельные пряди ваших волос собирают одинаковые заряды и отталкиваются друг от друга, заставляя их встать дыбом!

Молния - очень яркая демонстрация силы статического электричества, и Бенджамин Франклин доказал это в своей работе. одна из самых известных научных демонстраций всех времен, когда ключ привязан к мокрой веревке воздушного змея во время грозы.

Хотя это миф, что в воздушный змей на самом деле ударила молния (это, вероятно, убило бы Франклина), электрическое поле от Шторм был подхвачен веревкой, которая - так же, как в классической демонстрации генератора Ван де Граафа - заставляла нити веревки стоять на конец. Наконец, Франклин прикоснулся к ключу и почувствовал удар статического электричества, ясно продемонстрировав связь между электричеством и молнией.

Конечно, со времен Бенджамина Франклина ученые добавили гораздо больше подробностей об этом процессе. Подобно трению одежды друг о друга в сушилке или трению воздушного шара о волосы, статический заряд который создает молнии, происходит от трения и от кристаллов льда в холодном воздухе, встречающихся с каплями воды из теплого воздуха масса.

Заряд накапливается в разных местах облака, и при достаточно большой разнице в электрический потенциал между этими местами (то есть достаточно высокое напряжение), он высвобождается в виде удар молнии. Обычно это происходитвоблака или между двумя облаками, но иногда болт ударяется о землю.

Накопление статического заряда, вызванное трением и трением, технически называется трибоэлектрический эффект, и, основываясь на этой статье, вы уже знаете подробности того, что вызывает это и как это работает. Соприкосновение объектов друг с другом приводит к тому, что один из них собирает лишние электроны (все несущие отрицательные заряды), а другой - с дефицитом электронов и, следовательно, положительной сеткой. заряжать.

Однако степень, в которой различные материалы улавливают отрицательный заряд или теряют электроны и приобретают положительный заряд, зависит от характеристик материала. Хотя изоляторы обычно лучше собирают статический заряд, разные изоляторы улавливают его с разной скоростью.

Например, большинство типов резины, и в частности тефлон, очень легко улавливают электроны и, как таковые, отлично подходят для демонстраций и технологических элементов, зависящих от статического электричества. Материалы различаются в зависимости от их «электроотрицательности», что в основном означает их сродство к электрону или их склонность улавливать их от других объектов.

Трибоэлектрическая серия упорядочивает различные материалы в зависимости от их способности принимать положительный или отрицательный статический заряд. Предметы, помещенные в верхнюю часть трибоэлектрического ряда, склонны собирать положительный заряд, в то время как те, что внизу, с большей вероятностью получат электроны и подхватят отрицательный заряд в качестве результат. Чем больше расстояние между двумя элементами в трибоэлектрическом ряду, тем больше их трение друг о друга создает статический заряд в них обоих.

Хотя большинство демонстраций статического электричества - это забавные демонстрации или незначительные курьезы, которые вы столкновения в повседневной жизни, важно помнить, что нежелательный статический заряд может иметь серьезные последствия.

Например, одиночная искра от статического электричества может воспламенить горючие жидкости или газы и потенциально привести к взрыву. Накопление статического электричества от скольжения по автокреслу может даже потенциально вызвать проблемы, когда оно доходит до заправки вашего бензина, поэтому вы всегда должны касаться металлической части автомобиля перед заправкой вверх.

Конечно,наиболееВ настоящее время статическое электричество - это просто интересное явление, но понимание того, как оно работает, может помочь вам избежать катастрофы в некоторых ситуациях.