Večina otrok se uči o triboelektrični učinek preden se seznanijo s tem izrazom. Če ste si kdaj podrgnili balon po laseh in bili priča učinku statična elektrika - potegnite lase proti balonu in ste potencialno dovolj močni, da ga prilepite na glavo - potem razumete osnove triboelektričnega učinka.
V bistvu gre za obliko "kontaktne elektrifikacije", kjer se električni naboj v obliki elektronov premika od enega predmeta do drugega, kar vodi do kopičenja negativnega naboja na enem predmetu in primanjkljaja na drugo. Gumijasti balon in človeški lasje sta le dva primera predmetov, ki kažeta ta dokaj pogost pojav.
Spoznavanje podrobnosti o triboelektričnem učinku, kako deluje, kaj ga povzroča in kaj lahko izveste iz triboelektrične serije vam pomagajo razumeti in predvideti, kaj se bo zgodilo v situacijah, ki vključujejo prenos elektrike napolniti.
Kaj je triboelektrični učinek?
Triboelektrični učinek je človeku znan že od vsaj 600 let pred našim štetjem, ko je bil grški Thales filozof je ugotovil, da lahko jantar zdrgnete in tako pritegnete puh, papir in drugo majhno, svetlobo predmetov. Izraz triboelektrični učinek izhaja iz grščine za "drgnjenje" in "jantar" zaradi te zgodovine odkritja učinka. Seveda danes znanstveniki veliko bolje razumejo vzroke triboelektričnega učinka in naravo električnega naboja na splošno.
Triboelektrični učinek se imenuje elektrifikacija kontaktov, ker gre za postopek, s katerim predmeti vzpostavijo stik - zlasti drgnjenje ob vsakega drugi, kot je gumijasti balon proti človeškim lasem ali stopalom čez preprogo, kar vodi do kopičenja površinskega naboja, ki ustvarja učinek.
Električni naboj - v obliki elektronov, komponent atomov, ki nosijo negativni naboj - se med drgnjenjem prenaša z enega predmeta na drugega. Prenos naboja, ki se zgodi, pomeni, da en predmet pridobi elektrone in s tem neto negativni naboj, drugi pa izgubi elektrone in tako konča z neto pozitivnim nabojem.
To kopičenje elektronov pušča neto naboj na obeh predmetih in od te točke naprej se obnašata kot katera koli dva napolnjena predmeti: podobni naboji se bodo medsebojno odbijali, drugačni naboji (kot sta dva, ki sta uporabljena za ustvarjanje učinka) pa enega drugo. V kolikšni meri se to zgodi, je odvisno od samih materialov in navsezadnje skupnih nabojev na vsakem predmetu po drgnjenju.
Vzroki triboelektričnega učinka
Konec koncev pojav triboelektričnosti povzroča trenje: ko se en material podrgne drugega pa se elektroni učinkovito "odvzamejo" enemu predmetu, drugi pa konča z obilico elektrike napolniti.
Če želite resnično razumeti pojav in kaj ga povzroča, morate razmisliti o strukturi atomov. Majhno, gosto zapakirano jedro vsebuje pozitivno nabite protone in nevtrone brez naboja, z a "Oblak" negativno nabitih elektronov okoli njega, ki običajno uravnoteži pozitivni naboj jedro. Trenje povzroči prenos naboja, pri čemer nekaj negativno nabitih elektronov vzame iz enega materiala.
To, do katere mere bo material prevzel elektrone iz drugega materiala, se imenuje afiniteta elektronov ali afiniteta naboja. Če imajo atomi enega materiala večjo afiniteto do elektronov kot drugega, potem bo nagnjen k temu vzemite elektroni (in s tem ustvarijo negativni naboj) iz drugega materiala (ki ima nato primanjkljaj elektronov in razvije neto pozitivni naboj). Poleg gumijastega balona in človeških las, stopal ter preproge in jantarja ter blaga, še en klasičen primer pojava predstavljajo teflonsko in zajčje krzno.
Skratka, količina prikazanih materialov triboelektričnosti se pri različnih materialih razlikuje zaradi njihove posebne afinitete do elektrona ali naboja. Zato so znanstveniki ustvarili seznam materialov, razvrščenih po nagnjenosti k pridobivanju ali izgubi elektronov, imenovan triboelektrična serija.
Serija Triboelectric
Triboelektrična serija je seznam predmetov, razvrščenih glede na nagnjenost k pridobivanju neto pozitivnega naboja ali neto negativnega naboja, kadar so med seboj v stiku.
Pri materialih proti vrhu triboelektrične serije je verjetneje, da se elektronom ob stiku odpovejo (in razvijejo neto pozitivni naboj), materiali proti dnu pa bolj verjetno dobijo elektrone (in tako negativne napolniti).
V idealnih razmerah - če je vse suho - bodo predmeti, postavljeni višje v triboelektrični seriji, ponavadi odnehaj elektronov na elemente, ki so na spodnjem seznamu, in bodo postali pozitivno nabiti. Večja kot je razdalja med dvema različnima materialoma v triboelektrični seriji, večji je triboelektrični učinek, ko ju zdrgnemo skupaj.
Tabela triboelektrične serije
Najdete odličen primer diagrama triboelektrične serije tukaj, ki je temeljil na testih, ki jih je Bill Lee opravil pri AlphaLab, Inc. Ta tabela vsebuje podrobnosti o preskušanju materialov in omejitve meritev.
Vrednosti v tabeli so v nC / J, kar pomeni nanokulome na džul, pri čemer je Coulomb standardna enota naboja, Joules pa enota za energijo, povezano s trenjem. Pozitivni ali negativni znak predstavlja verjetnost, da bodo pobrali pozitivne oziroma negativne naboje.
Tako na primer lateksna guma pobere 105 nC naboja na džul energije, vložene v postopek drgnjenja, znak minus pa vam pove, da pobere neto negativni naboj. Po drugi strani pa ima suha koža vrednost +30 nC / J, kar pomeni, da bo izgubila elektrone, zato ima pozitiven naboj 30 nC na Joule energije, ki gre v postopek drgnjenja.
Na koncu boste opazili, da je večina različnih materialov s seznama (na primer silikonska guma in PVC) izolatorji, zato v običajnih razmerah ne morejo prenašati električnega toka. To je pomemben opomnik, da triboelektrična energija deluje popolnoma drugače kot običajna elektrika in na splošno so to izolatorji bolje kot vodniki pri zadrževanju te vrste statičnega naboja.
Van De Graaff generatorji
Generatorji Van de Graaff so dobro znana oprema, ki uporablja triboelektrični učinek ustvariti kopičenje ali skladišče naboja, ki ga lahko izmerite kot potencialno razliko z uporabo voltmeter.
Pri večini generatorjev Van de Graaffa gumijasti pas drgne ob kovinski "glavnik" na dnu, ki iz pasu vleče elektrone in mu pušča neto pozitivni naboj. To nato pobere ustrezen glavnik na vrhu, da se naboj razširi na kovinsko kupolo na vrhu generatorja.
Seveda so elektroni mobilni nosilci naboja, zato pas izgubi elektrone na dnu in nato pobere elektroni iz glavnika in kupole na vrhu, tako da imajo primanjkljaj elektronov in tako neto pozitiven napolniti.
Ogromna potencialna razlika, ustvarjena s tem postopkom, lahko preseže 100.000 voltov in se pogosto uporablja v klasičnem razstavnem prostoru v učilnici, kjer imajo nekdo v stiku z generatorjem lase konec. To je zato, ker vsi prameni las dobijo ujemajoč se (pozitiven) naboj in se zato začnejo odbijati.