Statická elektrina: Definícia, Ako to funguje, Fakty (s príkladmi)

Elektrický náboj je všade okolo vás, ale všimnete si ho naozaj len vo výnimočných prípadoch, ako napríklad keď vám vlasy stanú po konci sundáte klobúk alebo keď dostanete ostrý výboj, keď sa dotknete niečoho po trení chodidiel pozdĺž koberec.

Tieto dva javy sú príkladmistatická elektrina, o čom ste sa pravdepodobne dozvedeli, keď ste boli dieťa. Ako však na základe statického náboja stoja vaše vlasy a prečo vám môže spôsobiť statický šok?

Čo sa vlastne deje na atómovej úrovni, ktorá produkuje tieto univerzálne zážitky? Ak sa dozviete podrobnosti o statickej elektrine, získate oveľa podrobnejší pohľad na túto fascinujúcu vlastnosť hmoty.

Elektrický náboj je základnou vlastnosťou hmoty. Je rozdelený na kladné a záporné náboje, aj keď niektoré častice sú elektricky neutrálne - napríklad neutrón - sú v skutočnosti zložené z ešte zásadnejších častice ktorérobiťniesť elektrický náboj.

Dve najdôležitejšie nabité častice, o ktorých musíte vedieť, keď sa dozviete o statickej elektrine, sú dve z hlavných zložiek atómu: protóny a elektróny.

Protóny sú nabité kladne s nábojom +e, zatiaľ čo elektróny sú negatívne nabité pri -e, kdee​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C tu znamenácoulombs, čo je jednotka SI pre elektrický náboj. 10. deň⁻¹⁹ vám hovorí, že nabité častice majúveľmi maléhodnoty náboja v porovnaní s jedným coulombom - dva náboje s teplotou iba 1 C oddelené metrom by vygenerovali silu väčšiu ako ťah štartovacieho ťahu rakety Saturn V!

Základné pravidlo fungovania elektrického náboja je, že opačné náboje priťahujú a podobné odpudzujú. Takže ak by ste priniesli elektrón do blízkosti iného elektrónu, rozišli by sa od seba, zatiaľ čo keby ste priniesli elektrón do blízkosti protónu, priťahoval by ho to.

Na najzákladnejšej úrovni statická elektrina jednoducho označuje náboj, ktorý sa nehýbe. Je v tom však oveľa viac! Kľúčové na statickej elektrine je to, že k nej dochádza pri nerovnováhe náboja a táto nerovnováha sa v podstate vytváraelektrický potenciál, čo znamená, že existuje potenciál pre tok elektrického prúdu (na vyváženie náboja) z dôvodu polôh častíc prenášajúcich náboj.

V atómoch a rozšírením väčšiny každodenných predmetov existuje rovnováha medzi pozitívom a negatívom náboje (t.j. medzi protónmi a elektrónmi), takže sú elektricky neutrálne, keď sa vezmú do úvahy všetky spolu.

Keby ste teda priblížili jeden atóm k druhému, nevznikla by medzi nimi žiadna elektrická sila, pretože všetky kladné náboje sú vyvážené zápornými nábojmi, takže neexistuje žiadny čistý náboj na vygenerovanie a sila.

Aj keď je to naozaj o niečo komplikovanejšie ako toto (pretože elektróny sa vždy pohybujú, takže nievždyblokuje kladný náboj z protónov), táto neutrálna situácia vytvára jasný kontrast s tým, čo sa stane, keď dôjde k nahromadeniu statického náboja.

V podstate, keď predmet (napríklad vlasy po trení balónom) získa nadmerný alebo nedostatočný náboj (teda viac alebo menej elektrónov ako v bežnom stave), potom už nie je neutrálny a môže generovať to, čo nazývate statické elektrina. Oproti tomu bežná elektrina je anepretržitý pohybnáboja (vo forme elektrónov v elektrickom prúde), zatiaľ čo statická elektrina nezahŕňa pohybdopoplatky sa navzájom vyvážia - a možno vám dajú ostrý náskok!

Statická elektrina zásadne závisí od nerovnováhy medzi kladnými a zápornými nábojmi, ale na vytvorenie tejto nerovnováhy sa skutočne pohybujú iba elektróny.

V atóme sú protóny pevne spojené v jadre (spolu s neutrónmi) a oba sú podstatne ťažšie ako negatívne nabité elektróny, ktoré zostávajú v „oblaku“ okolo vonkajšej strany jadro.

Pretože tieto ľahšie častice sú na vonkajšej strane, keď jeden objekt prichádza do kontaktu s druhým, je to ono elektróny, ktoré sa medzi nimi môžu prenášať, a ich trenie spolu zvyšuje rýchlosť nabíjania postaviť. Takže ak objekt zachytí ďalšie elektróny, stane sa negatívne nabitým, zatiaľ čo ak stratí elektróny, stane sa kladne nabitým.

Izolačné materiály dobre držia statický náboj, zatiaľ čo dobrý vodič udržiava statický náboj iba v určitých situáciách. Vodič, ktorý má ďalšie elektróny, nedrží statický náboj, pretože elektróny môžu voľne prúdiť materiálom (čo je definícia dobrého vodiča).

Akýkoľvek nahromadený náboj sa teda rozptýli príliš rýchlo na to, aby vytvoril znateľnú statickú elektrinu, a môže sa prenášať do ďalších objektov, pokiaľ nie je úplne izolovaný od zvyšku prostredia. Pretože v izolátore nemôže prúdiť prúd, statické zvyšovanie rýchlo vytvára výraznú nerovnováhu náboja, a tým generuje statickú elektrinu.

Pretože ako náboje odpudzujú a opačné náboje priťahujú, keď má niečo statický náboj, bude sa držať na opačne nabitých položkách a tiež to môže niekedypolarizovaťatómy v inak neutrálnom objekte a držte sa ho tiež - tak, ako sa balón prilepí k stene po tom, čo si ho otriete o hlavu.

Ak je náboj dostatočne veľký a je dosiahnuté relatívne vysoké napätie medzi dvoma povrchmi alebo objektmi, náboj môže skákať z jedného objektu na druhý. To je dôvod, prečo môžete dostať statický šok, keď si nohy pretriete po podlahe a potom sa dotknete kľučky.

Existuje veľa príkladov statickej elektriny, s ktorými sa stretnete v každodennom živote, aj keď si nemusíte nevyhnutne myslieť na rolu, ktorú pri ich prevádzke zohráva statický náboj.

Jedným z obzvlášť častých príkladov je statické priliehanie k oblečeniu, najmä po použití sušičky, ktorá udržuje ideálne podmienky aby sa vyvinula statická elektrina, ktorá zahŕňa aj trenie odevov o seba a potenciálne zachytávanie ďalších elektrónov na elektrine spôsobom. Statický šok z takto nabitého oblečenia býva dosť malý, ale určite si ho stále všimnete, keď ho dostanete!

Kopírky sú skvelým príkladom toho, ako sa dá dobre využiť statická elektrina. Jasné svetlo, ktoré skenuje dokument, vytvára elektrický „tieň“ obrazu na fotovodivom (t.j. svetlocitlivý) pás, ktorý pri otáčaní zachytáva negatívne nabité častice tonera z dôvodu statiky poplatok.

Pod týmto pásom ďalší pás privádza list papiera a dodáva mu v tomto procese silný pozitívny statický náboj. Keď sa záporné náboje z tonera stretnú s kladnými nábojmi na papieri, toner sa vytlačí sám na kúsok papiera, v rovnakom vzore ako tieň zachytený fotovodivom opasok.

Ďalším príkladom by ste mali byť späť na hodine fyziky v škole: Generátor Van de Graaffa a klasická ukážka, pri ktorej má niekto dotýkajúci sa sféry vlasy na konci. Generátor pracuje na základe pohybu statických elektrických nábojov, pričom pohyblivý pás vedie po celej dĺžke zariadenia a dva kovové „hrebene“ na kontrolu statického náboja.

Pozitívne nabitý hrebeň v spodnej časti (pripojený k prívodu elektriny) čerpá elektróny z pásu a ponecháva ho so sieťovým kladným nábojom a tento náboj je zachytený hrebeňom v hornej časti, ktorý ho rozloží na veľkú kupolu na hore. Ak sa počas procesu nabíjania dotknete kupoly, jednotlivé pramene vašich vlasov zachytia zodpovedajúce náboje a navzájom sa odpudzujú, takže stoja na konci!

Blesky sú veľmi dramatickou ukážkou sily statickej elektriny a Benjamin Franklin to dokázal v roku jedna z najznámejších vedeckých ukážok všetkých čias viazaním kľúča na šnúrke mokrého draka počas búrky.

Aj keď je mýtus, že draka skutočne zasiahol blesk (pravdepodobne by to zabilo Franklina), elektrické pole z búrku zachytila ​​struna, ktorá - podobne ako ukážka klasického generátora Van de Graaffa - postavila pramene povrazu na koniec. Nakoniec sa Franklin dotkol kľúča a pocítil výboj statického šoku, ktorý jasne demonštroval spojenie medzi elektrinou a bleskom.

Vedci samozrejme vyplnili oveľa viac podrobností o procese od čias Benjamina Franklina. Statický náboj, podobne ako oblečenie, ktoré sa o seba trie v sušičke, alebo balón, ktorý sa trie o vaše vlasy ktorý vytvára blesk pochádza z trenia az ľadových kryštálov v studenom vzduchu, ktoré sa stretávajú s kvapkami vody z teplého vzduchu omša.

Nabíjanie sa hromadí na rôznych miestach v cloude, a keď je v nich dostatočne vysoký rozdiel elektrický potenciál medzi týmito miestami (t. j. dostatočne vysoké napätie), uvoľňuje sa vo forme a blesk. To sa zvyčajne stávav rámcimraky alebo medzi dvoma mrakmi, ale príležitostne blesk udrie na zem.

Nárast statického náboja spôsobený trením a trením sa odborne nazýva triboelektrický jav a na základe tohto článku už viete podrobnosti o tom, čo to spôsobuje ako to funguje. Predmety prichádzajúce do vzájomného kontaktu vedú k tomu, že jeden z nich zachytáva ďalšie elektróny (všetky prenášajúci záporné náboje) a druhý vyvoláva deficit elektrónov, a teda kladnú sieť poplatok.

Miera, do akej rôzne materiály zachytávajú záporný náboj alebo strácajú elektróny a získavajú kladný náboj, sa však líši v závislosti od charakteristík materiálu. Zatiaľ čo izolátory sú vo všeobecnosti lepšie zachytávať statický náboj, rôzni izolanti ho zachytávajú rôznymi rýchlosťami.

Napríklad väčšina druhov gumy, najmä teflón, zachytáva elektróny veľmi ľahko a ako také sú skvelé na demonštrácie a ukážky technológií závislých od statickej elektriny. Materiály sa líšia na základe svojej „elektronegativity“, čo v podstate znamená ich elektrónovú afinitu alebo tendenciu zachytávať ich od iných objektov.

Triboelektrická séria dáva do poriadku rôzne materiály na základe ich schopnosti zachytiť kladný alebo záporný statický náboj. Položky umiestnené smerom k hornej časti triboelektrickej série sú náchylné na zachytenie kladného náboja, zatiaľ čo u tých dole je pravdepodobnejšie, že získajú elektróny a zachytia negatívny náboj ako a výsledok. Čím väčšia je vzdialenosť medzi dvoma položkami v triboelektrickej sérii, tým viac ich vzájomným trením vytvorí v oboch statický náboj.

Zatiaľ čo väčšina ukážok statickej elektriny je zábavná ukážka alebo menšia kuriozita, ktorú máte stretnúť v každodennom živote, je potrebné mať na pamäti, že nežiaduci statický náboj môže mať vážne následky následky.

Napríklad jedna iskra zo statickej elektriny môže zapáliť horľavé kvapaliny alebo plyny a potenciálne spôsobiť výbuch. Statická usadenina z kĺzania po sedadle vášho vozidla by dokonca mohla potenciálne spôsobiť problém príde načerpanie benzínu, a preto by ste sa mali pred tankovaním vždy dotknúť kovovej časti auta hore.

Samozrejme,najviacčasu je statická elektrina skutočne len zaujímavý jav, ale pochopenie jej fungovania vám môže pomôcť vyhnúť sa katastrofe v niektorých situáciách.