Більшість дітей дізнаються про трибоелектричний ефект задовго до того, як вони ознайомляться з цим терміном. Якщо ви коли-небудь натирали повітряну кулю волоссям і були свідками ефекту статична електрика - підтягуючи волосся до повітряної кулі і потенційно настільки міцним, щоб приклеїти повітряну кулю до голови - тоді ви зрозумієте основи трибоелектричного ефекту.
В основному це форма «контактної електризації», коли електричний заряд у формі електронів рухається від одного об'єкта до іншого, що призводить до накопичення негативного заряду на одному об'єкті і дефіциту на інший. Гумова куля та людське волосся - лише два приклади об’єктів, які демонструють це досить поширене явище.
Дізнавшись подробиці про трибоелектричний ефект, як він працює, що його спричиняє та що можна дізнатись із трибоелектричні серії допомагають зрозуміти і передбачити, що відбуватиметься в ситуаціях, пов'язаних з передачею електрики заряду.
Що таке трибоелектричний ефект?
Трибоелектричний ефект відомий людям принаймні з 600 р. До н. Е., Коли Фалес, грек філософ виявив, що можна натирати бурштин і змусити його залучати пух, папір та інше дрібне, легке об'єктів. Термін трибоелектричний ефект походить від грецької, що означає "втирання" і "бурштин", завдяки цій історії відкриття ефекту. Звичайно, сьогодні вчені набагато краще розуміють причини трибоелектричного ефекту та природу електричного заряду загалом.
Трибоелектричний ефект називається контактною електрифікацією, оскільки це процес контактування об’єктів - особливо тертя об кожен інший, як гумова куля проти людського волосся або ваших ніг через килим, що призводить до накопичення поверхневого заряду, який створює ефект.
Електричний заряд - у формі електронів, негативних зарядних компонентів атомів - переноситься від одного об’єкта до іншого під час процесу тертя. Перенос заряду, що має місце, означає, що один об'єкт отримує електрони і, таким чином, чистий негативний заряд, тоді як інший втрачає електрони і, отже, закінчується чистим позитивним зарядом.
Це скупчення електронів залишає чистий заряд на обох об'єктах, і з цього моменту вони поводяться як будь-які два заряджені об'єкти: Подібні заряди будуть відштовхувати один одного, а на відміну від зарядів (як ті, що використовуються для створення ефекту) привернуть один інший. Ступінь, в якій це відбувається, залежить від самих матеріалів і, зрештою, загальних зарядів на кожному предметі після того, як відбулося натирання.
Причини трибоелектричного ефекту
Зрештою, явище трибоелектрики спричинене тертям: коли один матеріал натирається інший - електрони фактично «відбираються» від одного об’єкта, а інший закінчується великою кількістю електрики заряду.
Однак, щоб по-справжньому зрозуміти явище і що його спричиняє, потрібно подумати про будову атомів. Невелике, щільно упаковане ядро містить позитивно заряджені протони та беззарядні нейтрони з a "Хмара" негативно заряджених електронів навколо нього, зазвичай врівноважуючи позитивний заряд від ядро. Тертя призводить до перенесення заряду, приймаючи частину негативно заряджених електронів з одного матеріалу.
Ступінь, в якій матеріал буде приймати електрони з іншого матеріалу, називається це спорідненість до електронів або спорідненість заряду. Якщо атоми одного матеріалу мають більшу спорідненість до електронів, ніж інший матеріал, тоді він буде прагнути брати електрони (і тим самим накопичують негативний заряд) з іншого матеріалу (який потім має дефіцит електронів і розвиває чистий позитивний заряд). Окрім гумової кулі та людського волосся, ніг, килима, бурштину та тканини, ще одним класичним прикладом явища є тефлонове та кроляче хутро.
Коротше кажучи, кількість відображених матеріалів трибоелектрики для різних матеріалів різниться внаслідок їх специфічної спорідненості до електрона або заряду. Ось чому вчені створили список матеріалів, класифікованих за їхньою тенденцією до отримання або втрати електронів, що називається трибоелектричним рядом.
Трибоелектрична серія
Трибоелектричний ряд - це перелік об’єктів, класифікованих за їхньою схильністю набувати чистий позитивний заряд або чистий негативний заряд при контакті між собою.
Матеріали до вершини трибоелектричного ряду частіше віддають електрони при контакті (і розвиваються чистий позитивний заряд), а матеріали до дна частіше отримують електрони (і тому негативні заряду).
В ідеальних умовах - якщо все сухе - предмети, розташовані вище в трибоелектричному ряді, будуть прагнути здаватися електрони до елементів, що знаходяться далі в списку, і вони стануть позитивно зарядженими. Чим більше відстань між двома різними матеріалами в трибоелектричному ряді, тим більший трибоелектричний ефект виникає при їх натиранні.
Діаграма трибоелектричної серії
Ви можете знайти чудовий приклад діаграми трибоелектричних рядів тут, який базувався на тестах, проведених Біллом Лі в AlphaLab, Inc. Ця таблиця містить детальну інформацію про те, як випробовували матеріали, а також обмеження вимірювань.
Значення в таблиці знаходяться в nC / J, що означає нанокулони на джоуль, при цьому Кулон є стандартною одиницею заряду, а Джоулі - одиницею енергії, пов'язаної з тертям. Позитивний або негативний знак відображає їх вірогідність прийняти позитивні або негативні заряди відповідно.
Так, наприклад, латексний каучук набирає 105 нК заряду на джоулі енергії, вкладеної в процес втирання, а знак мінус говорить вам, що він набирає чистий негативний заряд. З іншого боку, суха шкіра має значення +30 нК / Дж, це означає, що вона втратить електрони, тому вона закінчується позитивним зарядом 30 нК на Джоуль енергії, яка надходить у процес втирання.
Нарешті, ви зауважите, що більшість різних матеріалів у списку (наприклад, силіконовий каучук та ПВХ) є ізоляторами, тому вони не можуть переносити електричний струм у звичайних ситуаціях. Це важливе нагадування про те, що трибоелектрична енергія працює абсолютно інакше, ніж звичайна електрика, і, як правило, це ізолятори краще ніж провідники при утриманні цього типу статичного заряду.
Генератори Ван Де Графа
Генератори Ван де Граафа - це добре відоме обладнання, яке використовує трибоелектричний ефект для створення накопичення або накопичення заряду, яке можна виміряти як різницю потенціалів, використовуючи вольтметр.
У більшості генераторів Ван де Граафа гумовий пояс натирається об металевий «гребінець» внизу, який витягує з нього електрони і залишає з ним чистий позитивний заряд. Потім це підбирається відповідним гребінцем у верхній частині, щоб розподілити заряд на металевий купол у верхній частині генератора.
Звичайно, електрони є рухомими носіями заряду, тому пояс втрачає електрони внизу, а потім підхоплює електрони з гребінця і купола у верхній частині, залишаючи їх з дефіцитом електронів і тому чистим позитивним заряду.
Величезна різниця потенціалів, створена цим процесом, може перевищувати 100000 вольт і часто використовується на класичному дисплеї в класі, де на когось, хто контактує з генератором, стоять волосся кінець. Це пов’язано з тим, що всі пасма волосся отримують відповідний (позитивний) заряд і тому починають відштовхувати одне одного.