Väčšina detí sa učí o triboelektrický jav ešte predtým, ako sa s týmto pojmom oboznámia. Ak ste si niekedy vtierali balón do vlasov a boli ste svedkami účinku statická elektrina - pritiahnutím vlasov k balónu a potenciálne dostatočnou silou na to, aby ste si balón prilepili k hlave - potom pochopíte základy triboelektrického javu.
Je to v podstate forma „kontaktnej elektrifikácie“, pri ktorej sa pohybuje elektrický náboj vo forme elektrónov z jedného objektu do druhého, čo vedie k hromadeniu záporného náboja na jednom objekte a deficitu na iné. Gumový balón a ľudské vlasy sú iba dvoma príkladmi objektov, ktoré ukazujú tento pomerne častý jav.
Dozviete sa podrobnosti o triboelektrickom efekte, o tom, ako funguje, čo ho spôsobuje a čo môžete zistiť z triboelektrická séria pomáha pochopiť a predvídať, čo sa stane v situáciách týkajúcich sa prenosu elektrickej energie poplatok.
Čo je triboelektrický účinok?
Triboelektrický jav je ľuďom známy najmenej od roku 600 p. N. L., Keď bol Grékom Thales filozof zistil, že môžete pretrieť jantár a dosiahnuť, aby prilákal páperie, papier a iné malé, ľahké predmety. Termín triboelektrický efekt pochádza z gréčtiny pre „trenie“ a „jantár“ kvôli tejto histórii objavenia tohto javu. Vedci dnes samozrejme majú oveľa lepšie pochopenie príčin triboelektrického javu a podstaty elektrického náboja všeobecne.
Triboelektrický jav sa nazýva kontaktná elektrifikácia, pretože je to proces kontaktovania objektov - najmä trenie o každý z nich iné, ako napríklad gumený balónik proti ľudským vlasom alebo vašim chodidlám cez koberec, ktorý vedie k hromadeniu povrchového náboja, ktorý vytvára účinok.
Elektrický náboj - vo forme elektrónov, negatívnych nábojov prenášajúcich zložky atómov - sa počas procesu trenia prenáša z jedného objektu do druhého. Prevod náboja, ktorý sa uskutoční, znamená, že jeden objekt získa elektróny a tým čistý záporný náboj, zatiaľ čo druhý stratí elektróny, a preto skončí s čistým kladným nábojom.
Toto nahromadenie elektrónov zanecháva na oboch objektoch čistý náboj a od tohto bodu sa správajú ako akékoľvek dva nabité objekty: Podobné náboje sa budú navzájom odpudzovať a na rozdiel od poplatkov (ako sú dva použité na vytvorenie efektu) priťahujú jeden ďalší. Rozsah, v akom sa to stane, závisí od samotných materiálov a nakoniec od celkových nábojov každého objektu po trení.
Príčiny triboelektrického javu
Fenomén triboelektriny je nakoniec spôsobený trením: keď sa o jeden materiál trie iný, elektróny sú účinne „odizolované“ z jedného objektu a druhý končí s dostatkom elektrickej energie poplatok.
Aby ste však skutočne porozumeli fenoménu a tomu, čo ho spôsobuje, musíte premýšľať o štruktúre atómov. Malé husto zabalené jadro obsahuje kladne nabité protóny a neutróny bez náboja s a „Oblak“ záporne nabitých elektrónov okolo seba, zvyčajne vyrovnávajúci kladný náboj z jadro. Trenie vedie k prenosu náboja, pričom z jedného materiálu odoberá časť záporne nabitých elektrónov.
Stupeň, v ktorom materiál bude brať elektróny z iného materiálu, sa nazýva elektrónová afinita alebo afinita náboja. Ak majú atómy jedného materiálu vyššiu elektrónovú afinitu ako druhý materiál, bude to mať tendenciu vziať elektróny (a tým vytvárať negatívny náboj) z iného materiálu (ktorý má potom deficit elektrónov a vytvára čistý kladný náboj). Rovnako ako gumový balónik a ľudské vlasy, nohy, koberec a jantár a handrička, aj ďalší klasický príklad tohto javu poskytuje teflón a králičia kožušina.
Stručne povedané, množstvo zobrazených materiálov triboelektriny sa líši pre rôzne materiály v dôsledku ich špecifickej elektrónovej alebo nábojovej afinity. Preto vedci vytvorili zoznam materiálov zoradených podľa ich tendencie získavať alebo strácať elektróny, nazývaný triboelektrická séria.
Triboelektrická séria
Triboelektrická séria je zoznam objektov zoradených podľa ich tendencie získať čistý kladný náboj alebo čistý negatívny náboj pri vzájomnom kontakte.
Materiály smerujúce k vrcholu triboelektrickej série sa s väčšou pravdepodobnosťou vzdávajú elektrónov pri kontakte (a vyvíjajú sa) kladný náboj) a materiály smerujúce ku dnu s väčšou pravdepodobnosťou získajú elektróny (a teda negatívne) poplatok).
V ideálnych podmienkach - ak je všetko suché - majú objekty umiestnené vyššie v triboelektrickej sérii tendenciu vzdať sa elektróny na položky ďalej v zozname a stanú sa pozitívne nabitými. Čím väčšia je vzdialenosť medzi dvoma rôznymi materiálmi v triboelektrickej sérii, tým väčší je triboelektrický efekt, keď sa navzájom trú.
Triboelektrický radový graf
Môžete nájsť vynikajúci príklad diagramu triboelektrických sérií tu, ktorá bola založená na testoch, ktoré vykonal Bill Lee v spoločnosti AlphaLab, Inc. Táto tabuľka poskytuje podrobnosti o tom, ako boli materiály testované, ako aj obmedzenia meraní.
Hodnoty v tabuľke sú v nC / J, čo znamená nanocoulomby na joule, pričom Coulomb je štandardná jednotka náboja a Joules je jednotka energie spojenej s trením. Kladné alebo záporné znamienko predstavuje ich pravdepodobnosť zachytenia kladných alebo záporných nábojov.
Napríklad latexová guma zachytáva náboj 105 nC za joule energie investovanej do procesu trenia a znamienko mínus vám hovorí, že zachytáva čistý záporný náboj. Na druhej strane, suchá pokožka má hodnotu +30 nC / J, čo znamená, že stratí elektróny, takže skončí s kladným nábojom 30 nC na Joule energie, ktorá vstupuje do procesu trenia.
Na záver si všimnete, že väčšina rôznych materiálov v zozname (napríklad silikónový kaučuk a PVC) sú izolátory, takže v bežných situáciách nemôžu prenášať elektrický prúd. Toto je dôležité pripomenutie, že triboelektřina funguje úplne inak ako bežná elektrina a vo všeobecnosti izolátory fungujú lepšie než vodiče pri držaní tohto typu statického náboja.
Van De Graaffove generátory
Generátory Van de Graaff sú známe zariadenia, ktoré využívajú triboelektrický jav na vytvorenie nahromadenia alebo akumulácie náboja, ktoré môžete merať ako potenciálny rozdiel pomocou a voltmeter.
Vo väčšine generátorov Van de Graaff sa gumový pás trení o kovový „hrebeň“ v spodnej časti, ktorý odoberá elektróny z pásu a zanecháva ho s kladným nábojom. To sa potom zachytí zodpovedajúcim hrebeňom v hornej časti, aby sa náboj rozložil na kovovú kupolu v hornej časti generátora.
Mobilné nosiče náboja sú samozrejme elektróny, takže pás v dolnej časti stráca elektróny a potom ich zachytáva elektróny z hrebeňa a kupoly na vrchu, zanechávajúc ich deficit elektrónov, a teda čistý klad poplatok.
Veľký rozdiel potenciálov vytvorený týmto procesom môže presiahnuť 100 000 voltov a často sa používa na klasickom displeji v triede, kde má niekto v kontakte s generátorom zapnuté vlasy koniec. Je to tak preto, lebo všetky pramene vlasov získavajú zodpovedajúci (kladný) náboj, a preto sa začnú navzájom odpudzovať.