Електричний заряд є навколо вас, але ви насправді помічаєте його лише в рідкісних випадках, наприклад, коли після цього волосся стає дибки ви знімаєте капелюх або коли ви отримуєте різкий зап, коли ви простягаєте руку, щоб торкнутися чогось після розтирання ніг уздовж килим.
Ці два явища є прикладамистатична електрика, те, про що ви, мабуть, дізналися, коли були дитиною. Але як статичний заряд змушує волосся задиратися і чому це може викликати статичний удар?
Що насправді відбувається на атомному рівні, що створює ці універсальні враження? Вивчення деталей про статичну електрику дає вам набагато більш детальне уявлення про цю захоплюючу властивість речовини.
Основи електричного заряду
Електричний заряд є основною властивістю речовини. Він розділений на позитивні заряди і негативні заряди, і хоча деякі частинки є електрично нейтральні - такі як нейтрон - вони насправді складаються з ще більш фундаментальних частинки, якіробитинести електричний заряд.
Дві найважливіші заряджені частинки, про які слід знати, дізнавшись про статичну електрику, є двома основними компонентами атома: протонами та електронами.
Протони заряджені позитивно, із зарядом +e, в той час як електрони заряджені негативно при -e, деe = 1.602 × 10−19 C. C тут означаєкулони, що є одиницею СІ для електричного заряду. 10−19 говорить вам, що заряджені частинки маютьдуже малозначення заряду в порівнянні з одним кулоном - два заряди всього 1 С, розділені метром, створили б силу, більшу, ніж тяга пускової тяги ракети Сатурн V!
Основним правилом того, як працює електричний заряд, є те, що протилежні заряди залучаються і подібні заряди відштовхуються. Отже, якщо ви наблизили електрон поблизу іншого електрона, вони розімкнулися, тоді як якщо ви наблизили електрон біля протона, він би його притягнув.
Визначення статичної електрики
На найпростішому рівні статична електрика просто відноситься до зарядів, які не рухаються. Однак у цьому є набагато більше! Ключове у статичній електриці полягає в тому, що вона виникає, коли є дисбаланс заряду, і цей дисбаланс по суті створюєелектричний потенціал, що означає, що існує електричний струм (щоб збалансувати заряд) через положення частинок, що несуть заряд.
В атомах, а також у більшості повсякденних предметів, існує баланс між позитивним і негативним заряди (тобто між протонами та електронами), тому вони є електрично нейтральними, якщо розглядати їх усі разом.
Отже, якщо ви наблизите один атом до іншого, між ними не буде електричної сили, оскільки всі Позитивні заряди врівноважуються негативними зарядами, тому немає чистого заряду, який би генерував a сили.
Хоча це насправді трохи складніше, ніж це (адже електрони завжди рухаються, тому вони цього не роблятьзавждиблокують позитивний заряд від протонів), ця нейтральна ситуація створює чіткий контраст із тим, що відбувається, коли накопичується статичний заряд.
По суті, коли предмет (як ваше волосся після натирання ним повітряної кулі) отримує надлишок або дефіцит заряду (так більше або менше електронів, ніж у звичайному стані), тоді він вже не нейтральний і може генерувати те, що ви називаєте статичним електрика. На відміну від цього, звичайна електрика - цебезперервний рухзаряду (у вигляді електронів в електричному струмі), тоді як статична електрика не передбачає рухудозаряди врівноважують один одного - і, можливо, дають вам різкий удар у процесі!
Як працює статична електрика
Статична електрика принципово залежить від дисбалансу між позитивними та негативними зарядами, але насправді це лише електрони, які насправді рухаються, щоб створити цей дисбаланс.
В атомі протони тісно пов'язані в ядрі (разом з нейтронами), і обидва вони значно важче негативно заряджених електронів, які перебувають у "хмарі" навколо зовнішньої частини ядро.
Оскільки ці легші частинки знаходяться зовні, коли один об’єкт контактує з іншим, це той електрони, які можуть переноситися між собою, і стираючи їх між собою збільшує швидкість заряду накопичення. Отже, якщо об’єкт набирає зайві електрони, він стає негативно зарядженим, тоді як, втрачаючи електрони, стає позитивно зарядженим.
Ізолюючі матеріали добре утримують статичний заряд, тоді як хороший провідник підтримуватиме статичний заряд лише в певних ситуаціях. Провідник із додатковими електронами не утримує статичного заряду, оскільки електрони можуть вільно протікати по матеріалу (що є визначенням хорошого провідника).
Отже, будь-яке накопичення заряду надто швидко розсіюється, щоб створити помітну статичну електрику, і воно може переноситися на інші об’єкти, якщо воно повністю не ізольоване від решти середовища. Оскільки струм не може протікати в ізоляторі, статичне накопичення швидко створює помітний дисбаланс заряду і тим самим генерує статичну електрику.
Оскільки подібно до зарядів відштовхується, а протилежні заряди притягуються, коли щось має статичний заряд, воно буде прилипати до протилежно заряджених предметів, і це також може інодіполяризуватиатоми в інакше нейтральному об'єкті і прилипають до нього - так, як повітряна куля прилипає до стіни після того, як ви натираєте її об голову.
Якщо накопичення заряду досить велике і досягається відносно висока напруга між двома поверхнями або об’єктами, заряд може перескакувати з одного об’єкта на інший. Ось чому ви можете отримати удар від статичного удару, якщо потерти ноги об підлогу, а потім торкнутися дверної ручки.
Приклади статичної електрики
Є багато прикладів статичної електрики, з якими ви зіткнетеся у повсякденному житті, навіть якщо вам не обов’язково думати про роль, яку відіграє статичний заряд у їх роботі.
Особливо поширеним прикладом є статичне чіпляння одягу, особливо після використання сушарки, яка забезпечує ідеальні умови для статична електрика для розвитку, а також включає в себе одяг, що тереться один про одного і потенційно збирає зайві електрони на шлях. Статичний удар від одягу, зарядженого таким чином, має тенденцію бути досить незначним, але ви, безумовно, все одно помічаєте його, коли отримуєте такий!
Копіювальні машини є чудовим прикладом того, як статичну електрику можна ефективно використовувати. Яскраве світло, яке сканує документ, створює електричну "тінь" зображення на фотопровіднику (тобто світлочутливий) ремінь, і коли ремінь обертається, він забирає негативно заряджені частинки тонера через статику заряду.
Під цим інший пояс приносить навколо аркуш паперу, надаючи йому сильний позитивний статичний заряд у процесі. Коли негативні заряди від тонера відповідають позитивним зарядам на папері, тонер друкується на аркуш паперу за тим самим візерунком, що і тінь, підібрана фотопровідником ремінь.
Ще один приклад повинен повернути вас до уроку фізики в школі: генератор Ван де Граафа та класична демонстрація, коли хтось, хто торкається сфери, задирається. Генератор працює на основі руху статичних електричних зарядів, з рухомим ременем, що проходить довжину пристрою, і двома металевими «гребінцями» для управління статичним зарядом.
Позитивно заряджений гребінець внизу (підключений до джерела електроенергії) витягує електрони з поясу, залишаючи його з чистим позитивним зарядом, і цей заряд підхоплюється гребінцем у верхній частині, який поширює його до великого купола на зверху. Якщо ви торкаєтеся купола під час заряджання, окремі пасма волосся підбирають відповідні заряди і відштовхують одне одного, роблячи його дибки!
Експеримент з повітряним змієм Бенджаміна Франкліна
Блискавки - це дуже драматична демонстрація сили статичної електрики, і Бенджамін Франклін це довів одна з найвідоміших наукових демонстрацій усіх часів, прив’язавши ключ до мокрої струни повітряних зміїв під час грози.
Хоча це міф про те, що повітряного змія насправді вдарила блискавка (це, швидше за все, вбило б Франкліна), електричне поле від шторм підхопила струна, яка - подібно до класичної демонстрації генератора Ван де Граафа - змусила нитки шпагату стояти на кінець. Нарешті, Франклін торкнувся клавіші та відчув спалах статичного удару, чітко демонструючи зв'язок між електрикою та блискавкою.
Звичайно, вчені заповнили ще багато деталей про процес ще за часів Бенджаміна Франкліна. Подібно до того, як одяг натирається один про одного в сушарці або повітряна куля, яка тереться про ваше волосся, - статичний заряд що створює блискавку, походить від тертя, а також від кристалів льоду на холодному повітрі, що потрапляють у краплі води з теплого повітря маси.
Заряд накопичується в різних місцях хмари, і коли є досить велика різниця в електричний потенціал між цими місцями (тобто досить висока напруга), він виділяється у вигляді блискавка. Зазвичай це відбуваєтьсяв межаххмари або між двома хмарами, але зрідка болт вдарить об землю.
Трибоелектрична серія
Накопичення статичного заряду, спричинене тертям і тертям, технічно називається трибоелектричний ефект, і на основі цієї статті ви вже знаєте деталі того, що спричиняє це і як це працює. Об'єкти, що контактують між собою, призводять до того, що один з них набирає зайві електрони (всі несучи негативні заряди), а інший розвиває дефіцит електронів і, отже, позитивну сітку заряду.
Однак ступінь, в якій різні матеріали вловлюють негативний заряд або втрачають електрони і отримують позитивний заряд, варіюється залежно від характеристик матеріалу. Хоча ізолятори, як правило, краще сприймають статичний заряд, різні ізолятори приймають його з різною швидкістю.
Наприклад, більшість типів каучуку, зокрема тефлону, дуже легко вловлюють електрони і як такі чудово підходять для демонстрацій та технологічних процесів, що залежать від статичної електрики. Матеріали відрізняються залежно від їх „електронегативності”, що в основному означає їх спорідненість до електронів або схильність вибирати їх з інших об’єктів.
Трибоелектрична серія приводить різні матеріали в порядок на основі їх здатності приймати позитивний або негативний статичний заряд. Предмети, розміщені до вершини трибоелектричного ряду, схильні до отримання позитивного заряду, тоді як ті, що знаходяться внизу, частіше отримують електрони і сприймають негативний заряд як результат. Чим більше розділення між двома елементами трибоелектричного ряду, тим більше тертя їх між собою створить статичний заряд в обох.
Небезпеки статичної електрики
Хоча більшість демонстрацій статичної електрики - це веселі дисплеї або незначні цікавинки, які вам подобаються стикаючись у повсякденному житті, важливо пам’ятати, що небажаний статичний заряд може мати серйозні наслідки наслідки.
Наприклад, одна іскра від статичної електрики може запалити легкозаймисті рідини або гази і потенційно призвести до вибуху. Статичне накопичення від ковзання по вашому автокрісло може навіть потенційно викликати проблеми, коли воно доходить до заправки бензину, тому перед заливкою завжди слід торкатися металевої частини автомобіля вгору.
Звичайно,більшістьтого часу статична електрика - це просто цікаве явище, але розуміння того, як це працює, може допомогти уникнути катастрофи в деяких ситуаціях.