Triboelektrik Etki ve Seriler: Tanımı, Nedenleri (w/ Malzeme Tablosu)

Çoğu çocuk, triboelektrik etki onlar terime aşina olmadan çok önce. Saçınıza daha önce balon sürttüyseniz ve etkisine tanık olduysanız, Statik elektrik – saçınızı balona doğru çekmek ve potansiyel olarak balonu başınıza yapıştıracak kadar güçlü olmak – o zaman triboelektrik etkinin temellerini anlarsınız.

Temel olarak, elektrik yükünün elektronlar biçiminde hareket ettiği bir "temaslı elektrifikasyon" biçimidir. bir nesneden diğerine geçerek, bir nesne üzerinde negatif yük birikmesine ve nesnede bir açık oluşmasına neden olur. diğer. Bir lastik balon ve insan saçı, bu oldukça yaygın fenomeni gösteren nesnelerden sadece iki tanesidir.

Triboelektrik etki, nasıl çalıştığı, neden olduğu ve bundan neler öğrenebileceğiniz ile ilgili detayları öğrenmek. triboelektrik serisi, elektrik transferini içeren durumlarda ne olacağını anlamanıza ve tahmin etmenize yardımcı olur. şarj etmek.

Triboelektrik etki, insanlar tarafından en az 600 B.C.'den beri, bir Yunanlı Thales'in olduğu bilinmektedir. filozof, kehribarı ovalayarak tüy, kağıt ve diğer küçük, hafif ışığı çekmesini sağlayabileceğinizi keşfetti. nesneler. Triboelektrik etki terimi, etkinin keşfinin bu tarihi nedeniyle Yunanca "sürtünme" ve "kehribar" kelimesinden gelir. Elbette bugün bilim adamları, triboelektrik etkinin nedenlerini ve genel olarak elektrik yükünün doğasını çok daha iyi anlıyorlar.

Triboelektrik etki, temaslı elektrifikasyon olarak adlandırılır, çünkü bu, nesnelerin temas etme sürecidir - özellikle birbirine sürtünerek. diğeri, insan saçına ya da bir halının üzerinde ayaklarınıza karşı lastik balon gibi, bu da yüzey yükünün birikmesine yol açar. etki.

Elektrik yükü - elektronlar biçiminde, atomların negatif yük taşıyan bileşenleri - sürtünme işlemi sırasında bir nesneden diğerine aktarılır. Gerçekleşen yük transferi, bir nesnenin elektron kazanması ve dolayısıyla net bir negatif yük, diğerinin ise elektron kaybetmesi ve dolayısıyla net bir pozitif yük ile sonuçlanması anlamına gelir.

Bu elektron birikimi, her iki nesnede de net bir yük bırakır ve bu noktadan itibaren herhangi iki yüklü gibi davranırlar. nesneler: Benzer yükler birbirini iter ve farklı yükler (etkiyi yaratmak için kullanılan ikisi gibi) birini çeker bir diğeri. Bunun gerçekleşme derecesi, malzemelerin kendilerine ve nihayetinde sürtünme gerçekleştikten sonra her bir nesne üzerindeki toplam yüklere bağlıdır.

Nihayetinde, triboelektrik fenomeni sürtünmeden kaynaklanır: Bir malzeme birbirine sürtüldüğünde bir diğeri, elektronlar bir nesneden etkin bir şekilde "soyulur" ve diğeri bol miktarda elektrikle sonuçlanır. şarj etmek.

Bununla birlikte, fenomeni ve ona neyin neden olduğunu gerçekten anlamak için atomların yapısı hakkında düşünmeniz gerekir. Küçük, yoğun bir şekilde paketlenmiş bir çekirdek, pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlar içerir. Etrafındaki negatif yüklü elektronlardan oluşan "bulut", genellikle pozitif yükü dengeler. çekirdek. Sürtünme, negatif yüklü elektronların bir kısmını bir malzemeden alarak yük transferine yol açar.

Bir malzemenin başka bir malzemeden elektron alma derecesine denir. Elektron ilgisi veya yük yakınlığı. Bir materyalin atomları diğer materyalden daha yüksek bir elektron afinitesine sahipse, o zaman almak diğer materyalden elektronlar (ve böylece negatif bir yük oluştururlar) (ki bu daha sonra elektron açığına sahiptir ve net bir pozitif yük geliştirir). Bir kauçuk balon ve insan saçı, ayaklar ve bir halı ve kehribar ve bir kumaşın yanı sıra, fenomenin bir başka klasik örneği de Teflon ve tavşan kürkü tarafından sağlanmaktadır.

Kısacası, belirli elektron veya yük afinitelerinin bir sonucu olarak, farklı malzemeler için gösterilen triboelektrik malzeme miktarı farklılık gösterir. Bu nedenle bilim adamları, triboelektrik serisi adı verilen elektron kazanma veya kaybetme eğilimlerine göre sıralanmış bir malzeme listesi oluşturdular.

Triboelektrik serisi, birbirleriyle temas ettirildiğinde net bir pozitif yük veya net bir negatif yük elde etme eğilimlerine göre sıralanmış nesnelerin bir listesidir.

Triboelektrik serinin en üstüne doğru olan malzemelerin temas halinde elektronları bırakması (ve geliştirmesi) daha olasıdır. bir net pozitif yük) ve tabana doğru olan malzemelerin elektron kazanma olasılığı daha yüksektir (ve dolayısıyla negatif şarj etmek).

İdeal koşullarda - her şey kuruysa - triboelektrik seride daha yükseğe yerleştirilen nesneler, vazgeçmek elektronlar listenin daha aşağısındaki öğelere bağlanır ve pozitif olarak yüklenirler. Triboelektrik serideki iki farklı malzeme arasındaki mesafe ne kadar fazlaysa, birbirine sürtündüklerinde triboelektrik etki o kadar büyük olur.

Triboelektrik seri grafiğinin harika bir örneğini bulabilirsiniz İşteAlphaLab, inc.'de Bill Lee tarafından gerçekleştirilen testlere dayanmaktadır. Bu tablo, malzemelerin nasıl test edildiği ve ayrıca ölçümlerin sınırlamaları hakkında ayrıntılı bilgi verir.

Tablodaki değerler nC/J cinsindendir; bu, joule başına nanocoulomb anlamına gelir; Coulomb standart yük birimidir ve Joule, sürtünme ile ilişkili enerji birimidir. Pozitif veya negatif işaret, sırasıyla pozitif veya negatif yük alma olasılıklarını temsil eder.

Örneğin, lateks kauçuk, sürtünme işlemine yatırılan enerjinin joule başına 105 nC yük alır ve eksi işareti size net bir negatif yük aldığını söyler. Öte yandan, kuru cilt +30 nC/J değerine sahiptir, yani elektron kaybedecektir, bu nedenle sürtünme işlemine giren Joule başına 30 nC'lik bir pozitif yük ile sonuçlanır.

Son olarak, listedeki farklı malzemelerin çoğunun (örneğin silikon kauçuk ve PVC) yalıtkan olduğunu ve bu nedenle normal durumlarda elektrik akımı taşıyamadıklarını fark edeceksiniz. Bu, triboelektriğin sıradan elektrikten tamamen farklı çalıştığını ve genellikle yalıtkanların daha iyi Bu tür statik yükü tutan iletkenlerden daha fazla.

Van de Graaff jeneratörleri, triboelektrik etkiyi kullanan iyi bilinen bir ekipman parçasıdır. kullanarak potansiyel bir fark olarak ölçebileceğiniz bir şarj birikimi veya deposu oluşturmak için voltmetre.

Van de Graaff jeneratörlerinin çoğunda, kauçuk bir kayış, kayıştan elektronları çeken ve onu net bir pozitif yük ile bırakan, alttaki metalik bir "tarak" ile ovulur. Bu daha sonra, yükü jeneratörün tepesindeki metalik kubbeye yaymak için üstte eşleşen bir tarak tarafından alınır.

Elbette elektronlar hareketli yük taşıyıcılarıdır, bu nedenle kayış alttaki elektronları kaybeder ve sonra alır. tepedeki tarak ve kubbeden elektronlar, onları elektron açığı ile bırakarak ve böylece net pozitif şarj etmek.

Bu işlemin yarattığı devasa potansiyel farkı 100.000 voltu aşabilir ve sıklıkla kullanılır. Jeneratörle temas halinde olan birinin saçlarının durduğu klasik bir sınıf gösteriminde son. Bunun nedeni, saç tellerinin hepsinin eşleşen (pozitif) bir yük kazanması ve dolayısıyla birbirini itmeye başlamasıdır.