Triboelektrisk effekt & serie: definition, orsaker (med materialtabell)

De flesta barn lär sig om triboelektrisk effekt långt innan de blir bekanta med termen. Om du någonsin har gnuggat en ballong i håret och bevittnat effekten av statisk elektricitet - dra ditt hår mot ballongen och potentiellt vara tillräckligt stark för att hålla ballongen i huvudet - då förstår du grunderna i den triboelektriska effekten.

Det är i grunden en form av "kontaktelektrifiering", där elektrisk laddning, i form av elektroner, rör sig från ett objekt till ett annat, vilket leder till en uppbyggnad av negativ laddning på ett objekt och ett underskott på Övrig. En gummiballong och människohår är bara två exempel på föremål som visar detta ganska vanliga fenomen.

Lär dig detaljerna om den triboelektriska effekten, hur den fungerar, vad som orsakar den och vad du kan ta reda på från Triboelektriska serier hjälper dig att förstå och förutsäga vad som kommer att hända i situationer som involverar överföring av el avgift.

Den triboelektriska effekten har varit känd för människor sedan minst 600 f.Kr. när Thales, en grek filosofen fann att du kunde gnugga bärnsten och få det att locka ludd, papper och andra små, lätta föremål. Termen triboelektrisk effekt kommer från grekiska för "gnugga" och "bärnsten", på grund av denna historia om upptäckten av effekten. Naturligtvis har forskare idag en mycket bättre förståelse för orsakerna till den triboelektriska effekten och typen av elektrisk laddning i allmänhet.

Den triboelektriska effekten kallas kontaktelektrifiering eftersom det är processen med föremål som tar kontakt - speciellt gnugg mot var och en annat, som gummiballongen mot människohår eller dina fötter över en matta, vilket leder till att ytladdningen byggs upp som skapar effekt.

Den elektriska laddningen - i form av elektroner, de negativa laddningsbärande komponenterna i atomer - överförs från ett objekt till ett annat under gnidningsprocessen. Laddningsöverföringen som sker innebär att det ena objektet får elektroner och därmed en nettoladdning, medan det andra förlorar elektroner och därför slutar med en positiv nettoladdning.

Denna uppbyggnad av elektroner lämnar en nettoladdning på båda föremålen, och från och med den här tiden uppför de sig som alla två laddade objekt: Liksom laddningar kommer att stöta bort varandra, och till skillnad från laddningar (som de två som används för att skapa effekten) kommer att locka en annan. I vilken utsträckning detta händer beror på själva materialen och i slutändan de totala laddningarna på varje objekt efter att gnuggningen äger rum.

I slutändan orsakas fenomenet triboelektricitet av friktion: När ett material gnuggas mot en annan, elektroner "avlägsnas" effektivt från ett objekt, och det andra slutar med ett överflöd av elektriskt avgift.

Men för att verkligen förstå fenomenet och vad som orsakar det måste du tänka på atomernas struktur. En liten, tätt packad kärna innehåller positivt laddade protoner och laddningsfria neutroner, med en "Moln" av negativt laddade elektroner runt den, vanligtvis balanserar den positiva laddningen från kärna. Friktionen leder till laddningsöverföring och tar några av de negativt laddade elektronerna från ett material.

I vilken grad ett material tar elektroner från ett annat material kallas det elektronaffinitet eller ladda affinitet. Om atomerna i ett material har en högre elektronaffinitet än det andra materialet, tenderar det att ta elektroner (och därmed bygga upp en negativ laddning) från det andra materialet (som sedan har ett underskott av elektroner och utvecklar en positiv nettoladdning). Förutom en gummiballong och människohår, fötter och en matta och bärnsten och en trasa tillhandahålls ett annat klassiskt exempel på fenomenet av teflon och kaninpäls.

Kort sagt, mängden display av triboelektricitetsmaterial skiljer sig åt för olika material på grund av deras specifika elektron- eller laddningsaffinitet. Det är därför forskare har skapat en lista över material som rankas efter deras tendens att vinna eller förlora elektroner, kallad triboelektrisk serie.

Den triboelektriska serien är en lista över föremål som rankas efter deras benägenhet att förvärva en nettoladdning eller en negativ nettoladdning när de kommer i kontakt med varandra.

Material mot toppen av triboelektriska serien är mer benägna att ge upp elektroner vid kontakt (och utvecklas en positiv nettoladdning), och material mot botten är mer benägna att få elektroner (och så negativa avgift).

Under perfekta förhållanden - om allt är torrt - tenderar föremål som placeras högre i triboelektriska serien ge upp elektroner till objekt längre ner i listan, och de kommer att bli positivt laddade. Ju mer avståndet mellan två olika material i den triboelektriska serien, desto större blir den triboelektriska effekten när de gnuggas ihop.

Du kan hitta ett bra exempel på ett triboelektriskt seriediagram här, som baserades på tester utförda av Bill Lee på AlphaLab, inc. Denna tabell ger information om hur materialen testades samt begränsningar av mätningarna.

Värdena i tabellen är i nC / J, som står för nanokulomber per joule, med en Coulomb som standard laddningsenhet och Joules är enheten för den energi som är associerad med friktionen. Det positiva eller negativa tecknet representerar deras sannolikhet för att ta upp positiva respektive negativa laddningar.

Så till exempel tar latexgummi upp 105 nC laddning per joule energi som investeras i gnidningsprocessen, och minustecknet säger att det tar upp en negativ nettoladdning. Å andra sidan har torr hud ett värde på +30 nC / J, vilket innebär att den kommer att förlora elektroner, så det slutar med en positiv laddning på 30 nC per Joule energi som går in i gnidningsprocessen.

Slutligen kommer du att notera att de flesta av de olika materialen på listan (till exempel silikongummi och PVC) är isolatorer, så de kan inte bära en elektrisk ström i normala situationer. Detta är en viktig påminnelse om att triboelektricitet fungerar helt annorlunda än vanlig el, och i allmänhet är isolatorer det bättre än ledare som håller denna typ av statisk laddning.

Van de Graaff-generatorer är en välkänd utrustning som använder den triboelektriska effekten att producera en uppbyggnad eller laddning som du kan mäta som en potentiell skillnad med hjälp av en voltmeter.

I de flesta Van de Graaff-generatorer gnides ett gummibälte mot en metallisk "kam" i botten, som drar elektroner från bältet och lämnar det med en positiv nettoladdning. Detta plockas sedan upp av en matchande kam högst upp för att sprida laddningen till den metalliska kupolen längst upp på generatorn.

Naturligtvis är elektroner de mobila laddningsbärarna, så bältet tappar elektroner längst ner och tar sedan upp elektroner från kammen och kupolen längst upp, lämnar dem med ett underskott av elektroner och så ett netto positivt avgift.

Den massiva potentialskillnad som skapas av denna process kan överstiga 100 000 volt och används ofta i en klassisk klassrumsdisplay där någon i kontakt med generatorn har sitt hår på slutet. Detta beror på att hårsträngarna alla får en matchande (positiv) laddning och därför börjar stöta varandra.