Електрично пуњење је свуда око вас, али заиста га примећујете само у ретким приликама, на пример када вам се коса накостријеши скинете капу или кад оштро запнете када пружите руку да додирнете нешто након трљања ногу по тепих.
Ова два феномена су примеристатички електрицитет, нешто о чему сте вероватно сазнали док сте били дете. Али како се због статичког наелектрисања коса диже и зашто вам може задати статички шок?
Шта се заправо догађа на атомском нивоу који производи та универзална искуства? Учење детаља о статичком електрицитету даје вам много детаљнији увид у ово фасцинантно својство материје.
Основи електричног пуњења
Електрично пуњење је основно својство материје. Одвојен је на позитивне и негативне набоје, а иако неке честице јесу електрично неутрални - као што је неутрон - они се заправо састоје од још темељнијих честице којеурадитеносе електрични набој.
Две најважније наелектрисане честице које треба знати када научите о статичком електрицитету су две главне компоненте атома: протони и електрони.
Протони су позитивно наелектрисани, са наелектрисањем +е, док су електрони негативно наелектрисани при -е, гдее = 1.602 × 10−19 Ц. Овде стоји Цкуломи, што је СИ јединица за електрично пуњење. 10−19 говори вам да наелектрисане честице имајуВеома маливредности наелектрисања у поређењу са једним кулоном - два наелектрисања од само 1 Ц одвојена метром генерисала би силу већу од потиска лансирног потиска ракете Сатурн В!
Основно правило како функционише електрично наелектрисање је да се супротни набоји привлаче, а слични набоји одбијају. Дакле, ако сте електрон приближили другом електрону, они ће се раставити, док ако сте електрон приближили протону, он ће га привући.
Дефиниција статичке електричне енергије
На најосновнијем нивоу, статички електрицитет се једноставно односи на наелектрисања која се не крећу. Међутим, ту је и много више од тога! Кључна ствар код статичког електрицитета је да се он јавља када постоји неравнотежа наелектрисања, а та неравнотежа у основи ствараелектрични потенцијал, што значи да постоји потенцијал протока електричне струје (ради уравнотежења наелектрисања) због положаја честица које носе наелектрисање.
У атомима, па тако и већини свакодневних предмета, постоји равнотежа између позитивног и негативног наелектрисања (тј. између протона и електрона), тако да су електрично неутрални када се све сматрају заједно.
Дакле, ако приближите један атом другом, међу њима не би било електричне силе јер сви позитивних набоја уравнотежују негативни набоји, тако да нема нето набоја који би створио а сила.
Иако је заиста мало компликованије од овога (јер се електрони увек крећу, па се и не крећуувекблокирају позитивно наелектрисање протона), ова неутрална ситуација ствара јасан контраст ономе што се дешава када дође до накупљања статичког наелектрисања.
У суштини, када неки предмет (попут ваше косе након трљања балона о њега) добије вишак или дефицит наелектрисања (тако више или мање електрона него у свом уобичајеном стању), тада више није неутралан и може генерисати оно што ви називате статичким електрична енергија. Супротно томе, обична електрична енергија јеконтинуирано кретањенаелектрисања (у облику електрона у електричној струји), док статички електрицитет не укључује кретањесве докнабоји се међусобно уравнотежују - и можда вам дају оштар замах у процесу!
Како функционише статичка електрична енергија
Статички електрицитет у основи зависи од неравнотеже између позитивних наелектрисања и негативног наелектрисања, али заправо само се електрони крећу да би створили ову неравнотежу.
У атому су протони чврсто везани у језгру (заједно са неутронима) и оба су знатно тежи од негативно наелектрисаних електрона који се задржавају у „облаку“ око спољне стране језгро.
Будући да су ове лакше честице споља, када један предмет ступи у контакт са другим, то је тај електрони који се могу преносити између њих и њихово трљање повећава брзину наелектрисања изградити. Дакле, ако објекат покупи вишак електрона, он постаје негативно наелектрисан, док ако изгуби електроне постаје позитивно наелектрисан.
Изолациони материјали добро задржавају статички набој, док ће добар проводник одржавати статички набој само у одређеним ситуацијама. Проводник коме су дати додатни електрони не задржава статички набој, јер електрони могу слободно да пролазе кроз материјал (што је дефиниција доброг проводника).
Дакле, свако накупљање наелектрисања се пребрзо расипа да би створило уочљив статички електрицитет и може се пренети у друге предмете уколико није потпуно изоловано од остатка околине. Будући да струја не може да тече у изолатору, статичко нагомилавање брзо ствара запажену неравнотежу наелектрисања и тиме генерише статички електрицитет.
Јер попут набоја који се одбијају, а супротни набоји привлаче, када нешто има статички набој, залепиће се за супротно набијене предмете, а понекад такође можеполаризоватиатома у иначе неутралном објекту и држите се и њега - онако како се балон лепи за зид након што га протрљате по глави.
Ако је накупљање наелектрисања довољно велико и постигне се релативно висок напон између две површине или предмета, наелектрисање може скочити са једног објекта на други. Због тога можете стати од статичког удара ако трљате ногама по поду, а затим додирнете кваку.
Примери статичке електричне енергије
Постоји много примера статичког електрицитета са којима ћете се сусретати у свакодневном животу, чак и ако не мислите нужно на улогу коју статички набој игра у њиховом раду.
Један од најчешћих примера је статично лепљење одеће, посебно након употребе сушаре, која задржава идеалне услове за статички електрицитет да се развије, а такође укључује и одећу која се трља једна о другу и потенцијално узима додатне електроне на начин. Статички шок од одеће набијене на овај начин има тенденцију да буде прилично мали, али је дефинитивно и даље примећујете када је набавите!
Фотокопир апарати су сјајан пример како се статички електрицитет може добро искористити. Јака светлост која скенира документ ствара електричну „сенку“ слике на фотопроводнику (тј. светлосно осетљив) појас, а како се каиш окреће, он узима статички набијене честице тонера напунити.
Испод овог, други ремен доноси лист папира око себе, дајући му при томе јак позитиван статички набој. Када се негативни набоји са тонера нађу на позитивним на папиру, тонер се утисне на папир, у истом обрасцу као и сенка коју је покупила фотопроводница каиш.
Још један пример требало би да вас врати на час физике у школи: генератор Ван де Грааффа и класична демонстрација где неко ко додирује сферу има косу на глави. Генератор ради на основу кретања статичких електричних наелектрисања, са покретним ременом који пролази дужином уређаја и два метална „чешља“ за контролу статичког наелектрисања.
Позитивно наелектрисани чешаљ на дну (повезан са доводом електричне енергије) извлачи електроне из појаса, остављајући га са нето позитивним наелектрисањем, а то пуњење прима чешаљ на врху, који га шири према великој куполи на врх. Ако додирнете куполу током процеса пуњења, поједини праменови ваше косе подижу одговарајуће наелектрисање и одбијају се, чинећи да јој се диже на глави!
Експеримент змаја Бењамина Франклина
Муња је врло драматична демонстрација моћи статичког електрицитета, а Бењамин Франклин је то доказао једна од најпознатијих научних демонстрација свих времена везивањем кључа за мокри низ змајева током грмљавине.
Иако је мит да је змаја у ствари погодила муња (ово би вероватно убило Франклина), електрично поље са олују је покупила жица, која је - слично класичној демонстрацији Ван де Граафф-овог генератора - учинила да праменови канапа стоје на крај. Коначно, Франклин је додирнуо кључ и осетио удар статичког удара, јасно демонстрирајући везу између електричне енергије и муње.
Наравно, научници су испунили много више детаља о процесу још од дана Бењамина Франклина. Слично као што се одећа трља једна о другу у сушилици или балон који се трља о косу, статички набој која ствара муњу долази од трења и од кристала леда на хладном ваздуху који се сусрећу са капљицама воде из топлог ваздуха миса.
Набој се накупља на различитим местима у облаку и када постоји довољно велика разлика у електрични потенцијал између ових места (тј. довољно висок напон), ослобађа се у облику а Муња. То се обично дешавау склопуоблаци или између два облака, али повремено вијак удари у земљу.
Трибоелектрична серија
Стварање статичког наелектрисања изазваног трењем и трљањем технички се назива трибоелектричног ефекта, а на основу овог чланка већ знате детаље шта узрокује ово и како то ради. Предмети који долазе у контакт једни с другима доводе до тога да један од њих покупи додатне електроне (сви носећи негативне наелектрисања) а други развија дефицит електрона и самим тим позитивну мрежу напунити.
Међутим, степен у којем различити материјали подижу негативни набој или губе електроне и добијају позитиван набој варира у зависности од карактеристика материјала. Иако су изолатори углавном бољи у сакупљању статичког наелектрисања, различити изолатори га узимају различитим брзинама.
На пример, већина врста гуме, а посебно тефлон, врло лако узима електроне и као таква је одлична за демонстрације и делове технологије који зависе од статичког електрицитета. Материјали се разликују на основу њихове „електронегативности“, што у основи значи њихов афинитет према електронима или тенденција да их покупе од других предмета.
Трибоелектрична серија ставља различите материјале у ред на основу њихове способности да прихвате позитиван или негативан статички набој. Предмети постављени на врх трибоелектричне серије су склони да поприме позитиван набој, док је вероватније да ће они на дну добити електроне и покупити негативан набој као а резултат. Што је веће раздвајање два предмета у трибоелектричној серији, то ће више трљањем створити статички набој у обе.
Опасности од статичке електричне енергије
Иако су већина демонстрација статичког електрицитета забавни прикази или мање занимљивости које ви свакодневном животу, важно је имати на уму да нежељено статичко наелектрисање може имати озбиљне последице последице.
На пример, једна искра статичког електрицитета може запалити запаљиве течности или гасове и потенцијално резултирати експлозијом. Статично нагомилавање при клизању преко вашег седишта може чак потенцијално да створи проблем када оно седи долази до пуњења бензина и зато увек треба да додирнете метални део аутомобила пре пуњења горе.
Наравно,највишетада је статички електрицитет заиста само занимљив феномен, али разумевање његовог деловања може вам помоћи да избегнете катастрофу у неким ситуацијама.