Triboelektrisk effekt - Triboelectric effect
| Artiklar om |
| Elektromagnetism |
|---|
 |
Den triboelektriska effekten (även känd som triboelektrisk laddning ) är en typ av kontaktelektrifiering på vilken vissa material blir elektriskt laddade efter att de separerats från ett annat material som de var i kontakt med. Att gnugga de två materialen med varandra ökar kontakten mellan deras ytor och därmed den triboelektriska effekten. Gnugga glas med päls till exempel, eller en plastkam genom håret, kan bygga upp triboelektricitet. Mest daglig statisk elektricitet är triboelektrisk. Den polaritet och styrka av laddningarna som producerats är olika beroende på de material, ytråhet, temperatur, töjning, och andra egenskaper.
Den triboelektriska effekten är mycket oförutsägbar, och endast breda generaliseringar kan göras. Bärnsten kan till exempel förvärva en elektrisk laddning genom kontakt och separation (eller friktion ) med ett material som ull . Den här egenskapen registrerades först av Thales of Miletus . Ordet " elektricitet " härrör från William Gilberts första mynt, "electra", som har sitt ursprung i det grekiska ordet för bärnsten, ēlektron . Prefixet tribo- (grekiska för 'rub') refererar till 'friktion', som i tribologi . Andra exempel på material som kan få en betydande laddning när de gnids ihop är glas som gnids med siden och hårt gummi som gnids med päls .
Ett mycket välbekant exempel kan vara gnidning av en plastpenna på en ärm av nästan alla typiska material som bomull, ull, polyester eller blandat tyg som används i moderna kläder. En sådan elektrifierad penna skulle lätt attrahera och plocka upp pappersbitar mindre än en kvadratcentimeter när pennan närmar sig. En sådan penna kommer också att stöta bort en liknande elektrifierad penna. Denna avstötning kan lätt upptäckas i den känsliga inställningen att hänga båda pennorna på trådar och placera dem i närheten av varandra. Sådana experiment leder lätt till teorin om två typer av kvantifierbar elektrisk laddning, det ena är effektivt det andra negativt, med en enkel summa som respekterar tecken som ger den totala laddningen. Den laddade plastpennans elektrostatiska attraktion mot neutrala pappersbitar (till exempel) beror på tillfällig laddningsseparation (elektrisk polarisering eller dipolmoment) av elektriska laddningar i papperet (eller kanske justeringar av permanenta molekylära eller atomära elektriska dipoler). En nätkraft uppstår då de lite närmare laddningarna av dipolen dras starkare i det ojämna fältet från pennan som minskar med avstånd. I ett enhetligt elektriskt fält, till exempel inuti parallella kondensatorplattor, skulle tillfällig polarisering inträffa i de små pappersbitarna men utan nollattraktion.
Den triboelektriska effekten anses nu vara relaterad till fenomenet vidhäftning , där två material som består av olika molekyler tenderar att hålla ihop på grund av attraktion mellan de olika molekylerna. Medan vidhäftning inte är en kemisk bindning mellan atomer, sker det ett utbyte av elektroner mellan de olika typerna av molekyler, vilket resulterar i en elektrostatisk attraktion mellan molekylerna som håller dem samman. Fysisk separation av material som vidhäftas samman resulterar i friktion mellan materialen. Eftersom elektronöverföringen mellan molekyler i de olika materialen inte är omedelbart reversibel, förblir överskottet av elektroner i en typ av molekyl kvar, medan ett underskott av elektroner uppstår i den andra. Således kan ett material utveckla en positiv eller negativ laddning (se även statisk elektricitet ) som försvinner efter att materialen separerats.
Mekanismerna för triboelektrifiering (eller kontaktelektrifiering) har diskuterats i många år, med möjliga mekanismer inklusive elektronöverföring, jonöverföring eller materialets artöverföring. Nyligen genomförda studier 2018 med Kelvin -sondmikroskopi och triboelektriska nanogeneratorer visade att elektronöverföring är den dominerande mekanismen för triboelektrifiering mellan fast och fast. Arbetsfunktionsmodellen kan användas för att förklara elektronöverföring mellan en metall och ett dielektrikum. Yttillståndsmodellen kan användas för att förklara elektronöverföring mellan två dielektrikar. För ett allmänt fall, eftersom triboelektrifiering sker för vilket material som helst, har Wang föreslagit en generisk modell, där elektronöverföringen orsakas av en stark elektronmolnöverlappning mellan två atomer för den sänkta interatomiska potentialbarriären genom att förkorta bindningslängden. Baserat på modellen undersöktes effekterna av temperatur och fotoexcitering på triboelektrifieringen. Sådan modell kan vidare utvidgas till fall av flytande fast, flytande vätska och till och med gasvätska.
Triboelektriska serier
| Triboelektriska serier: |
| Mest positivt laddad |
| + |
| Hår , fet hud |
| Nylon , torr hud |
| Glas |
| Akryl, Lucite |
| Läder |
| Kaninpäls |
| Kvarts |
| Glimmer |
| Leda |
| Kattens päls |
| Silke |
| Aluminium |
| Papper ( liten positiv laddning ) |
| Bomull |
| Ull ( utan kostnad ) |
| 0 |
| Stål ( utan kostnad ) |
| Trä ( liten negativ laddning ) |
| Bärnsten |
| Sigillack |
| Polystyren |
| Gummiballong |
| Hartser |
| Hårt gummi |
| Nickel , koppar |
| Svavel |
| Mässing , silver |
| Guld , platina |
| Acetat , rayon |
| Syntetiskt gummi |
| Polyester |
| Styren och polystyren |
| Orlon |
| Plastfolie |
| Polyuretan |
| Polyeten (som tejp ) |
| Polypropylen |
| Vinyl ( PVC ) |
| Kisel |
| Teflon (PTFE) |
| Silikongummi |
| Ebonit |
| - |
| Mest negativt laddad |
En triboelektrisk serie är en lista över material, ordnade efter vissa relevanta egenskaper, till exempel hur snabbt ett material utvecklar en laddning i förhållande till andra material på listan. Johan Carl Wilcke publicerade den första i ett 1757 -papper om statiska laddningar. Material listas ofta i ordning efter laddningsseparationens polaritet när de rörs med ett annat föremål. Ett material mot botten av serien, när det berörs mot ett material nära toppen av serien, kommer att få en mer negativ laddning. Ju längre bort två material är från varandra i serien, desto större laddning överförs. Material nära varandra i serien får inte byta ut någon avgift, eller till och med byta ut motsatsen till vad listan antyder. Detta kan orsakas av gnidning, av föroreningar eller oxider eller andra variabler. Serien utökades ytterligare av Shaw och Henniker genom att inkludera naturliga och syntetiska polymerer, och visade förändringen i sekvensen beroende på yt- och miljöförhållanden. Listorna varierar något med avseende på den exakta ordningen på vissa material, eftersom den relativa avgiften varierar för närliggande material. Från faktiska tester är det liten eller ingen mätbar skillnad i laddningsaffinitet mellan metaller, förmodligen för att ledningselektronernas snabba rörelse avbryter sådana skillnader.
En annan triboelektrisk serie baserad på mätning av materialets triboelektriska laddningstäthet standardiserades kvantitativt av professor Zhong Lin Wangs grupp. Den trioelektriska laddningstätheten för de testade materialen mättes med avseende på flytande kvicksilver i en handskfack under väldefinierade förhållanden, med fast temperatur, tryck och fuktighet för att uppnå tillförlitliga värden. Den föreslagna metoden standardiserar den experimentella uppsättningen för enhetlig kvantifiering av yt -triboelektrifiering av allmänna material.
Orsak
Även om delen 'tribo-' kommer från grekiska för "gnidning", τρίβω (τριβή: friktion), behöver de två materialen bara komma i kontakt för att elektroner ska bytas ut. Efter att ha kommit i kontakt bildas en kemisk bindning mellan delar av de två ytorna, kallad vidhäftning , och laddningar rör sig från ett material till det andra för att utjämna deras elektrokemiska potential . Detta är det som skapar nettoladdningsobalansen mellan objekten. När de separeras har en del av de bundna atomer en tendens att behålla extra elektroner, och vissa har en tendens att ge bort dem, även om obalansen delvis kommer att förstöras genom tunneldragning eller elektrisk nedbrytning (vanligtvis koronaladdning ). Dessutom kan vissa material byta ut joner med olika rörlighet eller byta laddade fragment av större molekyler.
Den triboelektriska effekten är relaterad till friktion bara för att de båda involverar vidhäftning . Effekten förstärks dock kraftigt genom att gnugga ihop materialen, eftersom de vidrör och separerar många gånger.
För ytor med olika geometri kan gnidning också leda till uppvärmning av utsprång, vilket kan orsaka pyroelektrisk laddningsseparation som kan öka den befintliga kontaktelektrifieringen eller som kan motverka den befintliga polariteten. Ytanano-effekter är inte väl förstådda, och atomkraftmikroskopet har möjliggjort snabba framsteg inom detta fysikområde.
Gnistor
Eftersom materialets yta nu är elektriskt laddad, antingen negativt eller positivt, kan varje kontakt med ett oladdat ledande föremål eller med ett föremål med väsentligt olika laddning orsaka en elektrisk urladdning av den uppbyggda statiska elektriciteten : en gnista . En person som helt enkelt går över en matta, tar bort en nylontröja eller gnuggar sig mot en bilbarnstol kan också skapa en potentiell skillnad på många tusen volt, vilket är tillräckligt för att orsaka en gnista en millimeter lång eller mer.
Elektrostatisk urladdning är kanske inte uppenbar i fuktiga klimat eftersom ytkondensation normalt förhindrar triboelektrisk laddning, medan ökad luftfuktighet ökar luftens elektriska konduktivitet.
Elektrostatiska urladdningar (andra än blixtnedslag som kommer från triboelektrisk laddning av is och vattendroppar i moln) orsakar minimal skada eftersom energin (1/2V 2 C ) hos gnistan är mycket liten, vanligtvis flera tiotals mikro joule i kallt torrt väder, och mycket mindre än i fuktiga förhållanden; sådana gnistor kan dock antända brandfarliga ångor (se risker och motåtgärder ). Detta är inte fallet när kapacitansen för ett av föremålen är mycket stor.
Mekanism för triboelektrifiering
Interatomisk interaktionspotential kan tillämpas för att förstå interaktionerna mellan atomer. När två atomer är i jämviktslägen, med jämvikt interatomiskt avstånd, överlappar elektronmolnen eller vågfunktionerna delvis. Å ena sidan, om de två atomerna kommer nära varandra när de pressas av en yttre kraft, blir det interatomiska avståndet kortare än jämviktsavståndet, de två atomerna stöter alltså bort varandra på grund av ökningen i elektronmolnöverlappning. Det är i denna region som elektronöverföring sker. Å andra sidan, om de två atomerna är separerade från varandra så att de har ett större interatomiskt avstånd än jämviktsavståndet, kommer de att locka med varandra på grund av långväga Van der Waals-interaktion.
En atomöverföringsmekanism (generisk elektron-molnpotentialmodell) föreslogs för triboelektrifiering. För det första, innan atomkontakten mellan två material, finns det ingen överlappning mellan deras elektronmoln, och det finns en attraktiv kraft. Elektronerna är så tätt bundna i specifika banor så att de inte kan fly fritt. När de två atomerna i två material kommer nära kontakt, bildas en jonisk eller kovalent bindning mellan dem genom elektronmoln överlappning. En yttre kraft kan ytterligare minska det interatomiska avståndet (bindningslängd), och den starka elektronmolnöverlappningen inducerar fallet av energibarriären mellan de två, vilket resulterar i elektronöverföring, vilket är triboelektrifieringsprocessen. När de två atomerna separerats skulle de överförda elektronerna vara kvar eftersom det behövs en energi för att elektronerna ska överföra tillbaka och bilda de elektrostatiska laddningarna på materialens ytor.
I flygplan och rymdfarkoster
Flygplan som flyger i väder kommer att utveckla en statisk laddning från luftfriktion på flygramen. Statiken kan laddas ur med statiska urladdare eller statiska veken.
NASA följer vad de kallar "triboelektrifieringsregeln", varigenom de kommer att avbryta en uppskjutning om lanseringsfordonet förutses passera genom vissa typer av moln. Att flyga genom moln på hög nivå kan generera "P-statisk" (P för nederbörd), vilket kan skapa statisk kring startbilen som kommer att störa radiosignaler som skickas av eller till fordonet. Detta kan förhindra överföring av telemetri till marken eller, om behovet uppstår, sända en signal till fordonet, särskilt kritiska signaler för flygavslutningssystemet. När ett stopp sätts in på grund av triboelektrifieringsregeln, kvarstår det tills Space Wing och observatörspersonal, till exempel de i spaningsflygplan, indikerar att himlen är klar.
Risker och motåtgärder
Tändning
Effekten är av stor industriell betydelse när det gäller både säkerhet och potentiell skada på tillverkade varor. Statisk urladdning är en särskild fara för spannmålshissar på grund av risken för dammexplosion . Gnistan produceras är fullt i stånd att antända brännbara ångor, exempelvis, bensin , eterångor samt metangasen. För bulkbränsleleveranser och flygplanstankning görs en jordningsförbindelse mellan fordonet och mottagartanken innan tankarna öppnas. När du tankar fordon i en detaljhandel som vidrör metall på bilen innan du öppnar bensintanken eller vidrör munstycket kan du minska risken för statisk antändning av bränsleångor.
På arbetsplatsen
Det måste finnas medel för att släppa ut statisk från vagnar som kan transportera flyktiga vätskor, brandfarliga gaser eller syre på sjukhus . Även om endast en liten laddning produceras kan det resultera i att dammpartiklar dras till den gnidade ytan. För textiltillverkning kan detta leda till ett permanent smutsigt märke där duken kommer i kontakt med dammansamlingar som innehas av en statisk laddning. Dammattraktion kan minskas genom att behandla isolerande ytor med ett antistatiskt rengöringsmedel.
Skador på elektronik
Vissa elektroniska enheter , framför allt CMOS- integrerade kretsar och MOSFET (en typ av transistor), kan av misstag förstöras av högspännings statisk urladdning. Sådana komponenter lagras vanligtvis i ett ledande skum för skydd. Att jorda sig genom att röra vid arbetsbänken eller använda ett speciellt armband eller fotlänk är standardpraxis när man hanterar inkopplade integrerade kretsar . Ett annat sätt att släppa ut laddning är genom att använda ledande material, till exempel kolsvart laddade gummimattor i operationssalar, till exempel.
Enheter som innehåller känsliga komponenter måste skyddas vid normal användning, installation och frånkoppling, utförda med inbyggt skydd vid externa anslutningar vid behov. Skydd kan vara genom användning av mer robusta enheter eller skyddande motåtgärder vid enhetens externa gränssnitt. Dessa kan vara opto-isolatorer , mindre känsliga typer av transistorer och statiska bypass-enheter, såsom metalloxidvaristorer .
Se även
Referenser
Vidare läsning
- Besançon RM (1985). Encyclopedia of Physics, tredje upplagan . Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 978-0-442-25778-1.
- Allen RC (november 2000). "Triboelektrisk generation: blir laddad". EE-utvärderingsteknik . 39 (11): S4–+.
externa länkar
- TriboElectric -serien ( stor detalj )
- Video: Detaljerad förklaring av professionella fysiker
- Charged Rod Demonstration , University of Minnesota
- NASA , Science Crackling Planets
- En plastkamm som gnids med en bomullstrasa lockar till sig små pappersbitar (video)
- BBC News Article, 2005 - Man's static jacka gnistor varning
- Triboelektrisk generation: laddas