Statik Elektrik: Tanımı, Nasıl Çalışır, Gerçekler (Örneklerle)

Elektrik şarjı her yerdedir, ancak bunu yalnızca çok nadir durumlarda fark edersiniz, örneğin saçlarınız bir süre sonra uçtuğunda. bir şapka çıkardığınızda veya ayaklarınızı ovuşturduktan sonra bir şeye dokunmak için uzandığınızda keskin bir zap aldığınızda halı.

Bu iki olaya örnekStatik elektrik, muhtemelen çocukken öğrendiğin bir şey. Fakat statik yük saçınızı nasıl diken diken yapar ve neden size statik bir şok verebilir?

Bu evrensel deneyimleri üreten atom düzeyinde gerçekte neler oluyor? Statik elektrikle ilgili ayrıntıları öğrenmek, maddenin bu büyüleyici özelliği hakkında size çok daha ayrıntılı bir fikir verir.

Elektrik yükü maddenin temel bir özelliğidir. Pozitif yükler ve negatif yükler olarak ayrılır ve bazı parçacıklar elektriksel olarak nötr - nötron gibi - bunlar aslında daha da temel bileşenlerden oluşur. parçacıklaryapmakelektrik yükü taşır.

Statik elektriği öğrendiğinizde bilmeniz gereken en önemli iki yüklü parçacık, bir atomun iki ana bileşenidir: protonlar ve elektronlar.

Protonlar pozitif yüklüdür, + yüklüdür.e, elektronlar negatif yüklü iken -e, neredee​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. C burada duruyorcoulomb'lar, elektrik yükü için SI birimidir. 10⁻¹⁹ yüklü parçacıkların olduğunu söylerçok küçükbir coulomb ile karşılaştırıldığında şarj değerleri - bir metre ile ayrılmış sadece 1 C'lik iki şarj, Satürn V roketinin fırlatma itme itişinden daha büyük bir kuvvet üretecektir!

Elektrik yükünün nasıl çalıştığının temel kuralı, zıt yüklerin birbirini çekmesi ve benzer yüklerin itmesidir. Yani bir elektronu başka bir elektronun yanına getirirseniz, kendilerini iterler, oysa bir elektronu bir protonun yanına getirirseniz, ona çekilir.

En temel düzeyde, statik elektrik basitçe hareket etmeyen yükleri ifade eder. Ancak, bundan çok daha fazlası var! Statik elektrikle ilgili en önemli şey, bir şarj dengesizliği olduğunda ortaya çıkmasıdır ve bu dengesizlik esasenelektrik potansiyeli, yük taşıyan parçacıkların konumları nedeniyle elektrik akımının akma (yükü yeniden dengelemek için) potansiyeli olduğu anlamına gelir.

Atomlarda ve buna bağlı olarak günlük nesnelerin çoğunda pozitif ve negatif arasında bir denge vardır. yükler (yani protonlar ve elektronlar arasında), bu nedenle hepsi düşünüldüğünde elektriksel olarak nötrdürler. birlikte.

Yani bir atomu diğerine yaklaştırırsanız, aralarında elektriksel kuvvet olmazdı çünkü hepsi pozitif yüklerin bir kısmı negatif yükler tarafından dengelenir, bu nedenle bir net yük oluşturmak için net bir ücret yoktur. güç.

Gerçekten bundan biraz daha karmaşık olsa da (çünkü elektronlar her zaman hareket eder,her zamanProtonlardan gelen pozitif yükü bloke edin), bu nötr durum, bir statik yük oluştuğunda olanlarla net bir tezat oluşturur.

Özünde, bir nesne (üzerine bir balon sürttükten sonra saçınız gibi) fazla veya eksik bir yük kazandığında (yani daha fazla veya normal durumundan daha az elektron), o zaman artık nötr değildir ve statik dediğiniz şeyi üretebilir elektrik. Buna karşılık, sıradan elektrik birsürekli hareketyük (bir elektrik akımındaki elektronlar şeklinde), statik elektrik hareketi içermeza kadaryükler birbirini yeniden dengeler - ve muhtemelen bu süreçte size keskin bir zap verir!

Statik elektrik temelde pozitif yükler ve negatif yükler arasındaki dengesizliğe bağlıdır, ancak gerçekte bu dengesizliği yaratmak için hareket eden sadece elektronlardır.

Bir atomda, protonlar çekirdeğe (nötronlarla birlikte) sıkıca bağlıdır ve bunların her ikisi de dışında bir “bulut” içinde kalan negatif yüklü elektronlardan oldukça ağırdır. çekirdek.

Bu daha hafif parçacıklar dışarıda olduğundan, bir nesne diğeriyle temas ettiğinde, Aralarında transfer olabilen elektronlar ve onları birbirine sürtmek, şarj oranını arttırır. kurmak. Yani bir cisim fazladan elektron alırsa negatif yüklü olur, elektron kaybederse pozitif yüklü olur.

Yalıtım malzemeleri statik yükü iyi tutarken, iyi bir iletken yalnızca belirli durumlarda statik yükü korur. Fazladan elektron verilen bir iletken statik bir yük taşımaz çünkü elektronlar malzeme boyunca serbestçe akabilir (ki bu iyi bir iletkenin tanımıdır).

Bu nedenle, herhangi bir yük birikimi, fark edilir statik elektrik oluşturamayacak kadar hızlı bir şekilde dağılır ve ortamın geri kalanından tamamen yalıtılmadığı sürece diğer nesnelere aktarılabilir. Akım bir yalıtkanda akamadığından, statik birikme hızla dikkate değer bir yük dengesizliği yaratır ve böylece statik elektrik üretir.

Benzer yükler itildiğinden ve zıt yükler birbirini çektiğinden, bir şey statik yüke sahip olduğunda zıt yüklü nesnelere yapışacaktır ve bazenpolarize etmekatomlar nötr bir nesnede bulunur ve ona da yapışır - bir balonun kafanıza sürdükten sonra duvara yapışması gibi.

Yük birikimi yeterince büyükse ve iki yüzey veya nesne arasında nispeten yüksek bir voltaj elde edilirse, yük bir nesneden diğerine atlayabilir. Bu nedenle, ayaklarınızı zeminde ovuşturursanız ve ardından bir kapı koluna dokunursanız, statik şoktan bir zap alabilirsiniz.

Statik yükün işleyişinde oynadığı rolü mutlaka düşünmeseniz bile, günlük yaşamda karşılaşacağınız birçok statik elektrik örneği vardır.

Özellikle yaygın bir örnek, özellikle kurutucuyu kullandıktan sonra giysilerde statik tutunmadır ve bu da ideal koşulları korur. geliştirmek için statik elektrik ve ayrıca birbirine sürtünen ve potansiyel olarak fazla elektronları toplayan kıyafetleri içerir. yol. Bu şekilde yüklenen giysilerden kaynaklanan statik şok oldukça küçük olma eğilimindedir, ancak yine de bir tane aldığınızda bunu kesinlikle fark edersiniz!

Fotokopi makineleri, statik elektriğin nasıl iyi bir şekilde kullanılabileceğinin harika bir örneğidir. Belgeyi tarayan parlak ışık, bir fotoiletken (örn. ışığa duyarlı) kayış ve kayış döndükçe statik nedeniyle negatif yüklü toner parçacıklarını toplar. şarj etmek.

Bunun altında, başka bir kayış, bir yaprak kağıt getirerek, işlemde ona güçlü bir pozitif statik yük verir. Tonerden gelen negatif yükler kağıt üzerindeki pozitif yükler ile karşılaştığında, toner fotoiletken tarafından yakalanan gölgeyle aynı düzende kağıt parçasının üzerine kemer.

Başka bir örnek sizi okuldaki bir fizik sınıfına geri götürmelidir: Van de Graaff jeneratörü ve küreye dokunan birinin saçlarının diken diken olduğu klasik gösteri. Jeneratör, cihazın uzunluğu boyunca hareket eden bir kayış ve statik yükü kontrol etmek için iki metalik “tarak” ile statik elektrik yüklerinin hareketine dayalı olarak çalışır.

Altta (bir elektrik kaynağına bağlı) pozitif yüklü bir tarak, kayıştan elektronları çekerek onu terk eder. net bir pozitif yük ile ve bu yük, üstteki bir tarak tarafından alınır, bu da onu tepedeki büyük kubbeye yayar. üst. Şarj işlemi sırasında kubbeye dokunursanız, saçınızın tek tek telleri eşleşen yükleri toplar ve birbirini iterek ayakta durmasını sağlar!

Şimşekler, statik elektriğin gücünün çok dramatik bir göstergesidir ve Benjamin Franklin bunu kanıtlamıştır. bir fırtına sırasında ıslak bir uçurtma ipine bir anahtar bağlayarak tüm zamanların en iyi bilinen bilimsel gösterilerinden biri.

Uçurtmaya aslında bir yıldırım çarptığı (bu muhtemelen Franklin'i öldürürdü) bir efsane olsa da, fırtına, - klasik Van de Graaff jeneratör gösterisine çok benzeyen - sicimin iplerini ayakta tutan ip tarafından yakalandı son. Sonunda Franklin anahtara dokundu ve elektrik ile yıldırım arasındaki bağlantıyı açıkça gösteren statik bir şokun çarptığını hissetti.

Elbette bilim adamları, Benjamin Franklin'in günlerinden bu yana süreçle ilgili daha birçok ayrıntıyı doldurdular. Saç kurutma makinesinde birbirine sürtünen giysiler veya saçınıza sürtünen bir balon gibi, statik yük Yıldırımı yaratan sürtünmeden ve soğuk havadaki buz kristallerinin sıcak havadan gelen su damlacıklarıyla buluşmasından gelir. kitle.

Bulutta farklı yerlerde ve yeterince yüksek bir fark olduğunda şarj oluşur. bu yerler arasındaki elektrik potansiyeli (yani yeterince yüksek bir voltaj), bir şeklinde serbest bırakılır. yıldırım. Bu genellikle oluşuriçindebulutlar veya iki bulut arasında, ancak bazen cıvata yere çarpacaktır.

Sürtünme ve sürtünmenin neden olduğu statik yük oluşumuna teknik olarak denir. triboelektrik etki ve bu makaleye dayanarak buna neyin sebep olduğunun ayrıntılarını zaten biliyorsunuz ve nasıl çalışır. Birbiriyle temas eden nesneler, bunlardan birinin fazladan elektron almasına yol açar (hepsi negatif yükler taşır) ve diğeri elektron açığı geliştirir ve bu nedenle pozitif bir net şarj etmek.

Bununla birlikte, farklı malzemelerin negatif yük alma veya elektron kaybetme ve pozitif yük kazanma derecesi, malzemenin özelliklerine göre değişir. Yalıtkanlar genellikle statik yükü toplamada daha iyi olsa da, farklı yalıtkanlar bunu farklı oranlarda alırlar.

Örneğin, çoğu kauçuk türü ve özellikle Teflon, elektronları çok kolay bir şekilde alır ve bu nedenle statik elektriğe bağlı gösteriler ve teknoloji parçaları için mükemmeldir. Malzemeler, temel olarak elektron ilgileri veya onları diğer nesnelerden alma eğilimleri anlamına gelen “elektronegatifliklerine” göre farklılık gösterir.

Triboelektrik serisi, pozitif veya negatif bir statik yük alma yeteneklerine göre farklı malzemeleri sıralar. Triboelektrik serinin tepesine doğru yerleştirilen nesneler, pozitif bir yük almaya eğilimlidir. alttakilerin elektron kazanma ve negatif yük alma olasılıkları daha yüksektir. sonuç. Triboelektrik serideki iki öğe arasındaki mesafe ne kadar büyükse, onları birbirine sürtmek her ikisinde de statik bir yük oluşturacaktır.

Statik elektriğin gösterimlerinin çoğu eğlenceli görüntüler veya küçük meraklar olsa da, günlük yaşamda karşılaştığınızda, istenmeyen statik yükün ciddi sorunlara yol açabileceğini unutmamak önemlidir. sonuçlar.

Örneğin, statik elektrikten kaynaklanan tek bir kıvılcım, yanıcı sıvıları veya gazları tutuşturabilir ve potansiyel olarak patlamaya neden olabilir. Araba koltuğunuzda kaymadan kaynaklanan statik birikim, hareket halindeyken potansiyel olarak bir soruna neden olabilir. benzininizi doldurmaya gelir ve bu nedenle doldurmadan önce daima arabanın metal kısmına dokunmalısınız. yukarı.

Elbette,çoğuZamanın statik elektrik gerçekten ilginç bir fenomendir, ancak nasıl çalıştığını anlamak bazı durumlarda felaketten kaçınmanıza yardımcı olabilir.