Statična elektrika: opredelitev, kako deluje, dejstva (z primeri)

Električni naboj je povsod okoli vas, vendar ga zares opazite le v redkih primerih, na primer, ko se vam lasje pokončajo če slečete kapo ali ko po drgnjenju nog po nogi dosežete ostro zap, ko se dotaknete nečesa preproga.

Ta dva pojava sta primerastatična elektrika, nekaj, o čemer ste se verjetno naučili v otroštvu. Toda kako se zaradi statičnega naboja las postane na koncu in zakaj lahko povzroči statični šok?

Kaj se dejansko dogaja na atomski ravni, ki ustvarja te univerzalne izkušnje? Če spoznate podrobnosti o statični elektriki, dobite veliko podrobnejši vpogled v to fascinantno lastnost snovi.

Električni naboj je temeljna lastnost snovi. Ločen je na pozitivne in negativne naboje, in čeprav nekateri delci so električno nevtralni - kot je nevtron - so dejansko sestavljeni iz še bolj temeljnih delci, kinaredinositi električni naboj.

Dva najpomembnejša nabita delca, ki ju morate vedeti, ko spoznate statično elektriko, sta dve glavni komponenti atoma: protoni in elektroni.

Protoni so pozitivno nabiti, z nabojem +e, medtem ko so elektroni pri -e, kjee​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C tukaj pomenikulomi, ki je enota SI za električni naboj. 10.⁻¹⁹ vam pove, da imajo nabiti delcizelo majhenvrednosti naboja v primerjavi z enim kulonom - dva naboja le 1 C, ločena z metrom, bi ustvarila silo, večjo od potiska izstrelitvenega sunka rakete Saturn V!

Temeljno pravilo, kako deluje električni naboj, je, da se nasprotni naboji privlačijo in podobni naboji odbijajo. Torej, če ste elektron približali drugemu elektronu, se bodo potisnili narazen, če pa boste elektron približali protonu, bi ga pritegnil.

Na najosnovnejši ravni se statična elektrika preprosto nanaša na naboje, ki se ne premikajo. Vendar je v tem še veliko več! Ključno pri statični elektriki je, da se pojavi, ko pride do neravnovesja naboja in to neravnovesje v bistvu ustvarielektrični potencial, kar pomeni, da zaradi položajev delcev, ki nosijo naboj, obstaja možnost pretoka električnega toka (za uravnoteženje naboja).

V atomih in tudi večini vsakdanjih predmetov obstaja ravnovesje med pozitivnim in negativnim med protoni in elektroni), zato so električno nevtralni, če jih upoštevamo kot vse skupaj.

Če torej en atom približate drugemu, med njimi ne bi bilo električne sile, ker vsi pozitivnih nabojev se uravnoteži z negativnimi naboji, zato ni neto obremenitve, ki bi ustvarila a sila.

Čeprav je res nekoliko bolj zapleteno od tega (ker se elektroni vedno premikajo, zato se nenenehnoblokirajo pozitivni naboj iz protonov), ta nevtralna situacija ustvarja jasen kontrast s tem, kaj se zgodi, ko nastane statični naboj.

V bistvu, ko predmet (kot so vaši lasje po drgnjenju balona po njem) dobi presežek ali primanjkljaj naboja (zato več ali manj elektronov kot v običajnem stanju), potem ni več nevtralen in lahko generira tisto, čemur pravite statično elektrika. Nasprotno pa je navadna elektrika aneprekinjeno gibanje(v obliki elektronov v električnem toku), medtem ko statična elektrika ne vključuje gibanjadoobtožbe se medsebojno uravnotežijo - in vam morda v tem procesu naglo padejo!

Statična elektrika je v osnovi odvisna od neravnovesja med pozitivnimi in negativnimi naboji, toda v resnici so le elektroni tisti, ki se dejansko premikajo, da ustvarijo to neravnovesje.

V atomu so protoni tesno povezani v jedru (skupaj z nevtroni) in oba sta precej težji od negativno nabitih elektronov, ki ostanejo v "oblaku" okoli zunanje strani jedro.

Ker so ti lažji delci navzven, ko en predmet vzpostavi stik z drugim, je to elektroni, ki se lahko prenašajo med njimi, in njihovo drgnjenje poveča hitrost naboja kopičenje. Torej, če objekt pobere odvečne elektrone, postane negativno nabit, medtem ko izgubi elektrone, postane pozitivno nabit.

Izolacijski materiali dobro zadržujejo statični naboj, medtem ko dober vodnik ohrani statični naboj le v določenih situacijah. Vodnik z dodatnimi elektroni nima statičnega naboja, ker lahko elektroni prosto tečejo skozi material (kar je definicija dobrega vodnika).

Torej se morebitno kopičenje naboja prehitro razprši, da ustvari opazno statično elektriko, in se lahko prenese v druge predmete, razen če je popolnoma izolirano od ostalega okolja. Ker tok ne more teči v izolatorju, statično kopičenje hitro ustvari opazno neravnovesje naboja in s tem ustvari statično elektriko.

Ker se podobni naboji odbijajo in nasprotni naboji se privlačijo, ko ima nekaj statični naboj, se lepi na nasprotno napolnjene predmete, včasih pa se lahkopolariziratiatomi v sicer nevtralnem predmetu in se tudi lepite nanj - tako, kot se balon drži stene, ko si ga podrgnete po glavi.

Če je nabiranje naboja dovolj veliko in med obema površinama ali predmetoma dosežemo sorazmerno visoko napetost, lahko naboj preskoči z enega predmeta na drugega. To je razlog, da lahko od statičnega udara zagrabite, če se z nogami drgnete po tleh in nato dotaknete kljuke na vratih.

Obstaja veliko primerov statične elektrike, s katerimi se boste srečali v vsakdanjem življenju, četudi ni nujno, da razmišljate o vlogi, ki jo ima statični naboj pri njihovem delovanju.

Še posebej pogost primer je statično oprijemanje oblačil, zlasti po uporabi sušilnika, ki ohranja idealne pogoje za statična elektrika za razvoj, vključuje pa tudi oblačila, ki se medsebo drgnejo in potencialno pobirajo dodatne elektrone na način. Statični šok zaradi tako napolnjenih oblačil je ponavadi precej majhen, vendar ga zagotovo opazite, ko ga dobite!

Fotokopirni stroji so odličen primer, kako lahko statično elektriko dobro uporabimo. Močna svetloba, ki skenira dokument, ustvari električno "senco" slike na fotoprevodniku (tj. svetlobno občutljiv) in ko se vrti, zaradi statike pobere negativno nabite delce tonerja napolniti.

Pod tem drug pas prinese okrog list papirja, ki mu v procesu daje močan pozitiven statični naboj. Ko negativni naboji tonerja na papirju naletijo na pozitivne, se toner odtisne na papir, v enakem vzorcu kot senca, ki jo je pobral fotoprevodnik pasu.

Še en primer bi vas moral pripeljati nazaj do pouka fizike v šoli: generatorja Van de Graaffa in klasični prikaz, ko se nekomu, ki se dotakne krogle, lasje postavijo na glavo. Generator deluje na podlagi gibanja statičnih električnih nabojev, s premičnim jermenom, ki teče po dolžini naprave, in dvema kovinskima "glavnikoma" za nadzor statičnega naboja.

Pozitivno naelektren glavnik na dnu (povezan z dovodom električne energije) potegne elektrone iz pasu in ga zapusti z neto pozitivnim nabojem; ta naboj pobere glavnik na vrhu, ki ga razširi do velike kupole na vrh. Če se med postopkom polnjenja dotaknete kupole, posamezni prameni vaših las poberejo ujemajoče se naboje in se odbijajo, tako da stojijo na koncu!

Strele so zelo dramatičen prikaz moči statične elektrike in Benjamin Franklin je to dokazal ena najbolj znanih znanstvenih demonstracij vseh časov z vezanjem ključa na mokro vrvico zmajev med nevihto.

Čeprav je mit, da je v zmaja pravzaprav udarila strela (to bi verjetno ubilo Franklina), je električno polje iz nevihto je pobrala vrvica, ki je - podobno kot klasična predstavitev generatorja Van de Graaff - postavila pramene vrvice na konec. Končno se je Franklin dotaknil ključa in začutil utrip statičnega šoka, kar jasno kaže na povezavo med elektriko in strelo.

Seveda so znanstveniki v postopke vpisali še veliko podrobnosti od dni Benjamina Franklina. Podobno kot oblačila, ki se med seboj drgnejo v sušilnem stroju ali balon, ki drgne lase, statični naboj ki ustvarja strele, prihaja iz trenja in iz ledenih kristalov v hladnem zraku, ki se srečajo z vodnimi kapljicami iz toplega zraka maso.

Naboj se kopiči na različnih mestih v oblaku in ko je v njem dovolj velika razlika električni potencial med temi kraji (tj. dovolj visoka napetost), se sprosti v obliki a strela. To se običajno zgodiznotrajoblaki ali med dvema oblakoma, občasno pa bo sornik udaril ob tla.

Nabiranje statičnega naboja zaradi trenja in drgnjenja se tehnično imenuje triboelektrični učinek in na podlagi tega članka že poznate podrobnosti, kaj povzroča to in kako deluje. Predmeti, ki pridejo v stik med seboj, vodijo do tega, da eden izmed njih pobere odvečne elektrone (vsi negativni naboji), drugi pa ustvarja primanjkljaj elektronov in s tem pozitivno neto napolniti.

Vendar se stopnja, do katere različni materiali poberejo negativni naboj ali izgubijo elektrone in pridobi pozitiven naboj, spreminja glede na značilnosti materiala. Medtem ko so izolatorji na splošno boljši pri sprejemanju statičnega naboja, ga različni izolatorji sprejmejo z različnimi hitrostmi.

Na primer, večina vrst gume, zlasti teflona, ​​zelo enostavno pobere elektrone in je kot taka odlična za predstavitve in tehnološke dele, ki so odvisni od statične elektrike. Materiali se razlikujejo glede na njihovo "elektronegativnost", kar v bistvu pomeni njihovo elektronsko afiniteto ali težnjo, da jih poberejo od drugih predmetov.

Triboelektrična serija ureja različne materiale glede na njihovo sposobnost sprejemanja pozitivnega ali negativnega statičnega naboja. Predmeti, postavljeni na vrh triboelektrične serije, so nagnjeni k pozitivnemu naboju, medtem ko imajo tisti na dnu večjo verjetnost, da pridobijo elektrone in poberejo negativni naboj kot a rezultat. Večja je ločitev med dvema elementoma v triboelektrični seriji, bolj bo njihovo drgnjenje ustvarilo statični naboj v obeh.

Medtem ko je večina predstavitev statične elektrike zabaven zaslon ali manjše zanimivosti, ki jih vi pri vsakodnevnem življenju, je pomembno vedeti, da ima neželeni statični naboj resne posledice posledice.

Na primer, ena iskra iz statične elektrike lahko vname vnetljive tekočine ali pline in lahko povzroči eksplozijo. Statično nabiranje zaradi drsenja po vašem avtomobilskem sedežu bi lahko celo povzročilo težave, ko je pride do polnjenja bencina, zato se pred polnjenjem vedno dotaknite kovinskega dela avtomobila gor.

Seveda,najboljtakrat je statična elektrika res zanimiv pojav, toda če razumete, kako deluje, se lahko v nekaterih situacijah izognete katastrofi.