Statisk elektricitet: definition, hur det fungerar, fakta (med exempel)

Elektrisk laddning finns runt omkring dig, men du märker det bara i sällsynta tillfällen, som när håret står på efter du tar av dig en hatt eller när du får en skarp zapp när du når ut för att röra vid något efter att ha gnuggat fötterna längs matta.

Dessa två fenomen är exempel påstatisk elektricitet, något du förmodligen lärde dig om när du var liten. Men hur får statisk laddning ditt hår att röra sig och varför kan det ge dig en statisk chock?

Vad händer egentligen på atomnivå som producerar dessa universella upplevelser? Att lära dig detaljerna om statisk elektricitet ger dig en mycket mer detaljerad inblick i denna fascinerande materiaegenskap.

Elektrisk laddning är en grundläggande egenskap hos materien. Det är uppdelat i positiva laddningar och negativa laddningar, och även om vissa partiklar är elektriskt neutrala - såsom neutronen - dessa består faktiskt av ännu mer grundläggande partiklar somdobär en elektrisk laddning.

De två viktigaste laddade partiklarna att veta om när du lär dig om statisk elektricitet är två av huvudkomponenterna i en atom: protoner och elektroner.

Protoner är positivt laddade, med en laddning på +e, medan elektroner är negativt laddade vid -e, vare​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C här står förcoulombs, som är SI-enheten för elektrisk laddning. De 10⁻¹⁹ säger att laddade partiklar harväldigt litenladdningsvärden jämfört med en coulomb - två laddningar på bara 1 C åtskilda av en meter skulle generera en kraft som är större än dragkraften i Saturn V-raketens startkraft!

Den grundläggande regeln för hur elektrisk laddning fungerar är att motsatta laddningar lockar och liknande laddningar stöter bort. Så om du förde en elektron nära en annan elektron, skulle de skjuta sig ifrån varandra, medan om du förde en elektron nära en proton, skulle den lockas av den.

På den mest grundläggande nivån avser statisk elektricitet helt enkelt avgifter som inte rör sig. Det finns dock mycket mer än så! Det viktigaste med statisk elektricitet är att det uppstår när det finns en obalans i laddningen, och denna obalans skapar i huvudsakelektrisk potential, vilket innebär att det finns potential för elektrisk ström att strömma (att balansera laddningen) på grund av positionerna för laddningsbärande partiklar.

I atomer, och som förlängning de flesta vardagliga föremål, finns det en balans mellan det positiva och det negativa laddningar (dvs. mellan protonerna och elektronerna), så de är elektriskt neutrala när de betraktas som alla tillsammans.

Så om du förde en atom nära en annan skulle det inte finnas någon elektrisk kraft mellan dem för alla av de positiva laddningarna balanseras med negativa laddningar, så det finns ingen nettoladdning för att generera en tvinga.

Även om det verkligen är lite mer komplicerat än detta (för elektroner rör sig alltid så att de inte gör detalltidblockera den positiva laddningen från protonerna), skapar denna neutrala situation en tydlig kontrast med vad som händer när statisk laddning byggs upp.

I grund och botten, när ett föremål (som ditt hår efter att ha gnuggat en ballong på det) får ett överskott eller ett underskott av laddning (så mer eller färre elektroner än i vanligt tillstånd), då är den inte längre neutral och kan generera det du kallar statisk elektricitet. Däremot är vanlig el enkontinuerlig rörelseladdning (i form av elektroner i en elektrisk ström), medan statisk elektricitet inte innebär rörelsefram tillsavgifterna balanserar varandra - och möjligen ger dig en skarp zap i processen!

Statisk elektricitet beror i grunden på en obalans mellan positiva laddningar och negativa laddningar, men egentligen är det bara elektronerna som faktiskt rör sig för att skapa denna obalans.

I en atom är protonerna tätt bundna i kärnan (tillsammans med neutronerna), och båda dessa är betydligt tyngre än de negativt laddade elektronerna som stannar i ett "moln" runt utsidan av kärna.

Eftersom dessa lättare partiklar är på utsidan, när ett objekt kommer i kontakt med ett annat är det elektroner som kan överföras mellan dem och att gnugga ihop dem ökar laddningshastigheten Bygg upp. Så om ett objekt tar upp extra elektroner blir det negativt laddat, medan det förlorar elektroner blir det positivt laddat.

Isoleringsmaterial håller en statisk laddning väl, medan en bra ledare bara kommer att upprätthålla en statisk laddning i vissa situationer. En ledare som får extra elektroner håller inte en statisk laddning eftersom elektronerna kan flöda fritt genom materialet (vilket är definitionen av en bra ledare).

Så all laddningsuppbyggnad försvinner för snabbt för att skapa märkbar statisk elektricitet, och den kan överföras till andra objekt om den inte är helt isolerad från resten av miljön. Eftersom ström inte kan strömma i en isolator skapar den statiska uppbyggnaden snabbt en anmärkningsvärd obalans i laddningen och genererar därmed statisk elektricitet.

Eftersom liknande laddningar stöter bort, och motsatta laddningar lockar, när något har en statisk laddning kommer det att hålla sig till motsatt laddade föremål, och det kan också iblandpolariseraatomer i ett annars neutralt föremål och håll fast vid det också - hur en ballong klibbar fast på en vägg när du gnuggar den på huvudet.

Om laddningsuppbyggnaden är tillräckligt stor och en relativt hög spänning uppnås mellan de två ytorna eller objekten kan laddningen hoppa från ett objekt till ett annat. Det är därför du kan få en zap av den statiska chocken om du gnuggar fötterna över golvet och sedan rör vid en dörrhandtag.

Det finns många exempel på statisk elektricitet som du kommer att stöta på i vardagen, även om du inte nödvändigtvis tänker på vilken roll statisk laddning spelar i deras drift.

Ett särskilt vanligt exempel är statisk klamring i kläder, särskilt efter användning av torken, vilket håller de perfekta förhållandena för statisk elektricitet för att utvecklas, och innebär också att kläder gnuggar mot varandra och eventuellt plockar upp extra elektroner på sätt. Den statiska chocken från kläder laddade på detta sätt tenderar att vara ganska liten, men du märker det fortfarande när du får en!

Kopieringsmaskiner är ett bra exempel på hur statisk elektricitet kan utnyttjas. Det starka ljuset som skannar dokumentet skapar en elektrisk "skugga" av bilden på en fotoledande (dvs. ljuskänsligt) bälte och när bältet roterar tar det upp negativt laddade tonerpartiklar på grund av statisk avgift.

Under detta tar ett annat bälte ett pappersark runt, vilket ger det en stark positiv statisk laddning under processen. När de negativa laddningarna från tonern möter de positiva laddningarna på papperet, trycks tonern in själv på papperet, i samma mönster som skuggan som tas upp av det fotoledande bälte.

Ett annat exempel bör ta dig tillbaka till en fysikklass i skolan: Van de Graaff-generatorn och den klassiska demonstrationen där någon som rör vid sfären har håret på. Generatorn fungerar baserat på rörelse av statiska elektriska laddningar, med ett rörligt band som löper längs enhetens längd och två metalliska ”kammar” för att kontrollera den statiska laddningen.

En positivt laddad kam längst ner (ansluten till en elförsörjning) drar elektroner från bältet och lämnar den med en positiv nettoladdning, och denna laddning tas upp av en kam högst upp, som sprider den ut till den stora kupolen vid topp. Om du vidrör kupolen under laddningsprocessen tar dina hårstrån matchande laddningar och stöter ut varandra och får det att stå i slutet!

Blixtbultar är en mycket dramatisk demonstration av kraften i statisk elektricitet, och Benjamin Franklin bevisade detta i en av de mest kända vetenskapliga demonstrationerna genom tiderna genom att binda en nyckel till en våt drakesträng under åskväder.

Även om det är en myt om att draken faktiskt slogs av en blixt (detta skulle sannolikt ha dödat Franklin), det elektriska fältet från stormen plockades upp av strängen, som - precis som den klassiska demonstrationen av Van de Graaff-generatoren - fick trådarna att stå på slutet. Slutligen rörde Franklin nyckeln och kände en statisk chock som tydligt visade kopplingen mellan elektricitet och blixt.

Naturligtvis har forskare fyllt i många fler detaljer om processen sedan Benjamin Franklins dagar. Precis som kläder som gnuggar mot varandra i torken eller en ballong som gnuggar mot håret, den statiska laddningen som skapar blixt kommer från friktion och från iskristaller i kall luft som möter vattendroppar från en varm luft massa.

Laddning byggs upp på olika platser i molnet, och när det finns en tillräckligt hög skillnad i elektrisk potential mellan dessa platser (dvs. en tillräckligt hög spänning), släpps den i form av en blixt. Detta inträffar vanligtvisinommoln eller mellan två moln, men ibland träffar bulten marken.

Uppbyggnaden av statisk laddning orsakad av friktion och gnugga kallas tekniskt triboelektrisk effekt, och baserat på den här artikeln vet du redan detaljerna om vad som orsakar detta och hur det fungerar. Objekt som kommer i kontakt med varandra leder till att en av dem plockar upp extra elektroner (alla bärande negativa laddningar) och den andra utvecklar ett elektronunderskott och därmed ett positivt netto avgift.

Men i vilken grad olika material tar upp negativ laddning eller förlorar elektroner och får en positiv laddning varierar beroende på materialets egenskaper. Medan isolatorer i allmänhet är bättre på att plocka upp statisk laddning, tar olika isolatorer den upp i olika takt.

Till exempel tar de flesta typer av gummi, och i synnerhet Teflon, upp elektroner mycket enkelt och som sådana är bra för demonstrationer och teknologibitar beroende på statisk elektricitet. Material skiljer sig utifrån deras "elektronegativitet", vilket i grunden betyder deras elektronaffinitet, eller deras tendens att plocka upp dem från andra föremål.

Den triboelektriska serien sätter olika material i ordning baserat på deras förmåga att plocka upp en positiv eller en negativ statisk laddning. Objekt placerade mot toppen av triboelektriska serien är benägna att ta en positiv laddning, medan de längst ner är mer benägna att få elektroner och ta upp en negativ laddning som en resultat. Ju större separationen mellan två föremål i triboelektriska serien är, desto mer blir det en statisk laddning i dem båda genom att gnugga dem.

Medan de flesta demonstrationer av statisk elektricitet är roliga skärmar eller mindre nyfikenheter som du möte i det dagliga livet, är det viktigt att komma ihåg att oönskad statisk laddning kan ha allvarliga konsekvenser.

Till exempel kan en enda gnista från statisk elektricitet antända brandfarliga vätskor eller gaser och potentiellt leda till en explosion. Den statiska uppbyggnaden från att glida över din bilstol kan till och med orsaka problem när den kommer att fylla på din bensin, så du bör alltid röra vid metalldelen av bilen innan du fyller på den upp.

Självklart,mestför tiden är statisk elektricitet verkligen bara ett intressant fenomen, men att förstå hur det fungerar kan hjälpa dig att undvika katastrof i vissa situationer.