Већина деце учи о трибоелектрични ефекат много пре него што се упознају са тим појмом. Ако сте икада трљали балон по коси и били сведоци ефекта статички електрицитет - повлачењем косе према балону и потенцијално довољно снажним да га залепите за главу - тада разумете основе трибоелектричног ефекта.
У основи је то облик „контактне електрификације“, где се електрични набој у облику електрона креће од једног објекта до другог, што доводи до накупљања негативног набоја на једном објекту и дефицита на друго. Гумени балон и људска коса само су два примера предмета који показују овај прилично чест феномен.
Учење детаља о трибоелектричном ефекту, како он делује, шта га узрокује и шта можете сазнати из трибоелектричне серије помажу вам да разумете и предвидите шта ће се догодити у ситуацијама које укључују пренос електричне енергије напунити.
Шта је трибоелектрични ефекат?
Трибоелектрични ефекат познат је људима још од најмање 600. п. Н. Е. Када је Талес, Грк филозоф је открио да јантар можете трљати и привлачити паперје, папир и остало мало, светло предмета. Израз трибоелектрични ефекат потиче од грчког за „трљање“ и „јантар“, захваљујући овој историји открића ефекта. Наравно, научници данас много боље разумеју узроке трибоелектричног ефекта и природу електричног наелектрисања уопште.
Трибоелектрични ефекат назива се електрификација контакта, јер је то процес успостављања контакта предмета - посебно трљања о сваки друго, попут гуменог балона о људску косу или стопала преко тепиха, што доводи до накупљања површинског набоја који ствара ефекат.
Електрични набој - у облику електрона, негативних компоненти атома који носе наелектрисање - преноси се са једног предмета на други током процеса трљања. Пренос наелектрисања који се одвија значи да један објекат добија електроне и тиме нето негативно наелектрисање, док други губи електроне и због тога завршава са нето позитивним наелектрисањем.
Ова накупина електрона оставља нето набој на оба објекта и од ове тачке надаље они се понашају као било која два наелектрисана објекти: Попут набоја одбијаће се, а за разлику од набоја (попут два коришћена за стварање ефекта) привући ће један други. До које мере ће се то догодити зависи од самих материјала и на крају укупних наелектрисања на сваком предмету након трљања.
Узроци трибоелектричног ефекта
На крају, феномен трибоелектричности узрокован је трењем: када се трља један материјал друго, електрони се ефективно „одузимају“ од једног предмета, а други завршава са обиљем електричног напунити.
Међутим, да бисте заиста разумели феномен и шта га узрокује, морате размислити о структури атома. Мало, густо збијено језгро садржи позитивно наелектрисане протоне и неутроне без наелектрисања, са а „Облак“ негативно наелектрисаних електрона око њега, обично уравнотежујући позитиван набој из језгро. Трење доводи до преноса наелектрисања, узимајући неке негативно наелектрисане електроне из једног материјала.
Степен у којем ће материјал узимати електроне из другог материјала назива се афинитет према електрону или афинитет набоја. Ако атоми једног материјала имају већи електронски афинитет од другог материјала, тада ће то тежити узми електрони (и на тај начин граде негативни набој) од другог материјала (који тада има дефицит електрона и развија нето позитивно наелектрисање). Поред гуменог балона и људске косе, стопала и тепиха и ћилибара и платна, још један класичан пример феномена пружају тефлон и зечје крзно.
Укратко, количина приказаних материјала трибоелектричности разликује се за различите материјале, као резултат њиховог специфичног афинитета према електрону или наелектрисању. Због тога су научници створили листу материјала рангираних према њиховој тенденцији ка добијању или губљењу електрона, названу трибоелектрична серија.
Трибоелектрична серија
Трибоелектрична серија је листа објеката рангираних према њиховој склоности ка стицању нето позитивног набоја или нето негативног наелектрисања када се доведу у контакт једни с другима.
Материјали према врху трибоелектричне серије ће вероватно одустати од електрона у контакту (и развити се нето позитивно наелектрисање), а материјали према дну имају већу вероватноћу да добију електроне (и тако негативни напунити).
У идеалним условима - ако је све суво - предмети постављени више у трибоелектричној серији ће тежити томе одустати електрона на ставке даље на листи и они ће постати позитивно наелектрисани. Што је већа удаљеност између два различита материјала у трибоелектричној серији, то је већи трибоелектрични ефекат када се трљају.
Графикон трибоелектричне серије
Можете пронаћи сјајан пример табеле трибоелектричне серије овде, који се заснивао на тестовима које је Билл Лее извршио у АлпхаЛаб, инц. Ова табела даје детаље о начину испитивања материјала као и ограничења мерења.
Вредности у табели су у нЦ / Ј, што значи нанокуломе по џулу, при чему је Цоуломб стандардна јединица наелектрисања, а Јоулес јединица за енергију повезану са трењем. Позитивни или негативни знак представља њихову вероватноћу да покупе позитивне, односно негативне набоје.
Тако, на пример, латекс гума узима 105 нЦ наелектрисања по џулу енергије уложене у процес трљања, а знак минус вам говори да узима нето негативни набој. С друге стране, сува кожа има вредност од +30 нЦ / Ј, што значи да ће изгубити електроне, па на крају има позитивно наелектрисање од 30 нЦ по џулима енергије која улази у процес трљања.
На крају ћете приметити да су већина различитих материјала на листи (на пример, силиконска гума и ПВЦ) изолатори, тако да у нормалним ситуацијама не могу да носе електричну струју. Ово је важан подсетник да трибоелектричност делује потпуно другачије од обичне електричне енергије, и генерално, изолатори то раде боље него проводници при задржавању ове врсте статичког наелектрисања.
Ван Де Граафф генератори
Ван де Граафф генератори су добро позната опрема која користи трибоелектрични ефекат да бисте створили накупину или залиху наелектрисања коју можете мерити као потенцијалну разлику помоћу а волтметар.
У већини Ван де Граафф генератора гумени појас се трља о метални „чешаљ“ на дну, који извлачи електроне из појаса и оставља га са нето позитивним наелектрисањем. Затим се подудара одговарајућим чешљем на врху да се наелектрисање шири на металну куполу на врху генератора.
Наравно, електрони су мобилни носачи наелектрисања, па појас губи електроне на дну, а затим их подиже електрона из чешља и куполе на врху, остављајући им дефицит електрона и тако нето позитиван напунити.
Огромна потенцијална разлика створена овим процесом може премашити 100 000 волти и често се користи у класичном дисплеју у учионици где неко ко је у контакту са генератором има косу крај. То је зато што сви праменови косе добијају одговарајући (позитивни) набој и стога почињу да се одбијају.