เด็กส่วนใหญ่เรียนรู้เกี่ยวกับ เอฟเฟกต์ไทรโบอิเล็กทริก ก่อนที่พวกเขาจะคุ้นเคยกับคำว่า หากคุณเคยลูบลูกโป่งบนผมของคุณและได้เห็นผลกระทบของ ไฟฟ้าสถิต – ดึงผมของคุณไปทางบอลลูนและอาจแข็งแรงพอที่จะติดลูกโป่งไว้ที่ศีรษะของคุณ – จากนั้นคุณเข้าใจพื้นฐานของเอฟเฟกต์ไทรโบอิเล็กทริก
โดยพื้นฐานแล้วมันคือรูปแบบของ "การสัมผัสกระแสไฟฟ้า" ซึ่งประจุไฟฟ้าในรูปของอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ จากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง นำไปสู่การสะสมของประจุลบบนวัตถุหนึ่งและการขาดดุลบน อื่นๆ. ลูกโป่งยางและเส้นผมของมนุษย์เป็นเพียงสองตัวอย่างของวัตถุที่แสดงปรากฏการณ์ที่ค่อนข้างธรรมดานี้
เรียนรู้รายละเอียดเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ไทรโบอิเล็กทริก มันทำงานอย่างไร สาเหตุคืออะไร และสิ่งที่คุณสามารถหาได้จาก ซีรีย์ไทรโบอิเล็กทริกช่วยให้คุณเข้าใจและคาดการณ์ว่าจะเกิดอะไรขึ้นในสถานการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนไฟฟ้า ค่าใช้จ่าย
Triboelectric Effect คืออะไร?
มนุษย์รู้จักผลกระทบของไทรโบอิเล็กทริกตั้งแต่ 600 ปีก่อนคริสตกาลเป็นอย่างน้อย เมื่อ Thales ชาวกรีก นักปรัชญาพบว่าคุณสามารถถูอำพันและทำให้มันดึงดูดขนปุย กระดาษ และอื่นๆ ที่เล็กและเบาได้ วัตถุ คำว่า triboelectric effect มาจากภาษากรีก แปลว่า "ถู" และ "อำพัน" เนื่องจากประวัติการค้นพบนี้ แน่นอน นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันมีความเข้าใจที่ดีขึ้นมากเกี่ยวกับสาเหตุของผลกระทบของไทรโบอิเล็กทริกและธรรมชาติของประจุไฟฟ้าโดยทั่วไป
เอฟเฟกต์ไทรโบอิเล็กทริกเรียกว่าไฟฟ้าสัมผัสเพราะเป็นกระบวนการของวัตถุที่สัมผัส - โดยเฉพาะการถูกับแต่ละอัน อื่นๆ เช่น ลูกโป่งยางกับเส้นผมของมนุษย์ หรือเท้าของคุณบนพรม ซึ่งนำไปสู่การสร้างประจุที่พื้นผิวที่สร้าง ผล
ประจุไฟฟ้าในรูปของอิเล็กตรอนซึ่งเป็นส่วนประกอบที่มีประจุลบของอะตอมจะถูกถ่ายโอนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งในระหว่างกระบวนการถู การถ่ายโอนประจุที่เกิดขึ้นหมายความว่าวัตถุหนึ่งได้รับอิเล็กตรอนและด้วยเหตุนี้จึงมีประจุลบสุทธิ ในขณะที่อีกชิ้นหนึ่งสูญเสียอิเล็กตรอนและจบลงด้วยประจุบวกสุทธิ
การสะสมของอิเล็กตรอนนี้ทิ้งประจุสุทธิไว้บนวัตถุทั้งสอง และจากจุดนี้เป็นต้นไป พวกมันจะมีพฤติกรรมเหมือนประจุสองประจุ วัตถุ: เช่นเดียวกับประจุจะผลักกัน และสิ่งที่ไม่เหมือนกับประจุ (เช่นสองประจุที่ใช้สร้างเอฟเฟกต์) จะดึงดูดประจุหนึ่ง อื่น ขอบเขตที่สิ่งนี้เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับวัสดุและในที่สุดค่าใช้จ่ายทั้งหมดในแต่ละวัตถุหลังจากการถูเกิดขึ้น
สาเหตุของ Triboelectric Effect
ในที่สุดปรากฏการณ์ของไทรโบอิเล็กทริกเกิดจากแรงเสียดทาน: เมื่อวัสดุหนึ่งถูกถูกับ อีกประการหนึ่ง อิเล็กตรอนถูก "ดึง" ออกจากวัตถุหนึ่งอย่างมีประสิทธิภาพ และอีกชิ้นหนึ่งลงเอยด้วยไฟฟ้าจำนวนมาก ค่าใช้จ่าย
อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เข้าใจปรากฏการณ์นี้อย่างแท้จริงและอะไรเป็นสาเหตุ คุณต้องคิดถึงโครงสร้างของอะตอม นิวเคลียสขนาดเล็กและหนาแน่นประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกและนิวตรอนที่ปราศจากประจุ โดยมี “ก้อนเมฆ” ของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบอยู่รอบๆ ตัว โดยปกติแล้วจะทำให้ประจุบวกสมดุลกับ นิวเคลียส. แรงเสียดทานนำไปสู่การถ่ายโอนประจุ โดยนำอิเล็กตรอนที่มีประจุลบบางส่วนออกจากวัสดุชนิดเดียว
ระดับที่วัสดุจะนำอิเล็กตรอนจากวัสดุอื่นเรียกว่า ความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน หรือ คิดค่าความสัมพันธ์. หากอะตอมของวัสดุหนึ่งมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับอิเล็กตรอนมากกว่าวัสดุอื่นก็จะมีแนวโน้มที่จะ รับ อิเล็กตรอน (และด้วยเหตุนี้จึงสร้างประจุลบ) จากวัสดุอื่น (ซึ่งมีการขาดดุลของอิเล็กตรอนและพัฒนาประจุบวกสุทธิ) เช่นเดียวกับบอลลูนยางและเส้นผมของมนุษย์ เท้า พรม สีเหลือง และผ้า อีกตัวอย่างคลาสสิกของปรากฏการณ์นี้มาจากเทฟลอนและขนกระต่าย
กล่าวโดยย่อ ปริมาณของวัสดุไทรโบอิเล็กทริกที่แสดงนั้นแตกต่างกันไปสำหรับวัสดุที่แตกต่างกัน อันเป็นผลมาจากความสัมพันธ์เฉพาะของอิเล็กตรอนหรือประจุไฟฟ้า นี่คือเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างรายการของวัสดุที่จัดอันดับตามแนวโน้มที่จะได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอน ซึ่งเรียกว่าอนุกรมไทรโบอิเล็กทริก
ไทรโบอิเล็กทริก ซีรีส์
อนุกรมไทรโบอิเล็กทริกเป็นรายการของวัตถุที่จัดอันดับตามแนวโน้มที่จะได้รับประจุบวกสุทธิหรือประจุลบสุทธิเมื่อสัมผัสกัน
วัสดุที่อยู่ด้านบนสุดของอนุกรมไทรโบอิเล็กทริกมีแนวโน้มที่จะละทิ้งอิเล็กตรอนเมื่อสัมผัส (และพัฒนา ประจุบวกสุทธิ) และวัสดุที่อยู่ด้านล่างมีแนวโน้มที่จะได้รับอิเล็กตรอน (และดังนั้น เป็นลบ ค่าใช้จ่าย)
ในสภาวะที่เหมาะสม – หากทุกอย่างแห้ง – วัตถุที่วางสูงกว่าในซีรีย์ไทรโบอิเล็กทริกจะมีแนวโน้มที่จะ ยอมแพ้ อิเล็กตรอนไปยังรายการต่อไปในรายการ และพวกมันจะกลายเป็นประจุบวก ยิ่งวัสดุสองชนิดในซีรีส์ไทรโบอิเล็กทริกมีระยะห่างกันมากเท่าใด เอฟเฟกต์ไทรโบอิเล็กทริกก็จะยิ่งมากขึ้นเมื่อถูเข้าด้วยกัน
แผนภูมิชุดไทรโบอิเล็กทริก
คุณสามารถหาตัวอย่างที่ดีของแผนภูมิอนุกรมไทรโบอิเล็กทริกได้ ที่นี่ซึ่งอิงจากการทดสอบที่ทำโดย Bill Lee ที่ AlphaLab, inc. ตารางนี้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการทดสอบวัสดุและข้อจำกัดของการวัด
ค่าในตารางอยู่ในหน่วย nC/J ซึ่งย่อมาจาก nanocoulombs per joule โดยที่ Coulomb เป็นหน่วยประจุมาตรฐาน และ Joules เป็นหน่วยของพลังงานที่เกี่ยวข้องกับแรงเสียดทาน เครื่องหมายบวกหรือลบแสดงถึงโอกาสในการเก็บประจุบวกหรือลบตามลำดับ
ตัวอย่างเช่น ยางลาเท็กซ์เก็บประจุได้ 105 nC ต่อพลังงานจูลที่ลงทุนในกระบวนการถู และเครื่องหมายลบจะบอกคุณว่ามีประจุลบสุทธิ ในทางกลับกัน ผิวแห้งมีค่า +30 nC/J ซึ่งหมายความว่าจะสูญเสียอิเล็กตรอน ดังนั้นมันจึงจบลงด้วยประจุบวก 30 nC ต่อพลังงานจูลที่เข้าสู่กระบวนการถู
สุดท้าย คุณจะสังเกตได้ว่าวัสดุต่างๆ ในรายการ (เช่น ยางซิลิโคนและพีวีซี) เป็นฉนวนไฟฟ้า ดังนั้นจึงไม่สามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้ในสถานการณ์ปกติ นี่เป็นข้อเตือนใจที่สำคัญว่าไฟฟ้าแบบไตรโบอิเล็กทริกทำงานแตกต่างไปจากไฟฟ้าทั่วไปอย่างสิ้นเชิง และโดยทั่วไปแล้วฉนวนไฟฟ้า ดีกว่า กว่าตัวนำที่ถือประจุไฟฟ้าสถิตชนิดนี้
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van De Graaff
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaff เป็นอุปกรณ์ที่รู้จักกันดีซึ่งใช้เอฟเฟกต์ไทรโบอิเล็กทริก เพื่อสร้างการสะสมหรือเก็บประจุที่คุณสามารถวัดเป็นความต่างศักย์ได้โดยใช้a โวลต์มิเตอร์
ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaff ส่วนใหญ่ สายพานยางจะถูกับ "หวี" ที่เป็นโลหะที่ด้านล่าง ซึ่งจะดึงอิเล็กตรอนออกจากสายพานและปล่อยให้มีประจุบวกสุทธิ จากนั้นใช้หวีที่เข้าชุดกันที่ด้านบนหยิบขึ้นมาเพื่อกระจายประจุไปยังโดมโลหะที่ด้านบนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
แน่นอน อิเล็กตรอนคือตัวพาประจุเคลื่อนที่ ดังนั้นสายพานจะสูญเสียอิเล็กตรอนที่ด้านล่างแล้วหยิบขึ้นมา อิเล็กตรอนจากหวีและโดมที่อยู่ด้านบน ปล่อยให้ขาดอิเล็กตรอนและมีค่าเป็นบวกสุทธิ ค่าใช้จ่าย
ความต่างศักย์มหาศาลที่เกิดจากกระบวนการนี้สามารถเกิน 100,000 โวลต์และมักใช้ ในห้องเรียนคลาสสิกที่มีผู้ติดต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีผมยืนอยู่ จบ. นี่เป็นเพราะว่าเส้นผมทั้งหมดได้รับประจุบวก (บวก) ดังนั้นจึงเริ่มขับไล่กัน