Triboelektrisk effekt
| Artiklar om |
| elektromagnetism |
|---|
 |
Den triboelektriska effekten (även känd som triboelektrisk laddning ) är en typ av kontaktelektrifiering där 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. Att gnugga glas med till exempel päls, eller en plastkam genom håret, kan bygga upp triboelektricitet. Den mesta vardagliga statiska elektriciteten är triboelektrisk. Polariteten och styrkan hos de producerade laddningarna skiljer sig beroende på material, ytråhet, temperatur, töjning och andra egenskaper .
Den triboelektriska effekten är mycket oförutsägbar, och endast breda generaliseringar kan göras. Bärnsten , till exempel, kan få en elektrisk laddning genom kontakt och separation (eller friktion ) med ett material som ull . Den här egenskapen registrerades först av Thales av Miletus . Ordet " elektricitet " kommer från William Gilberts ursprungliga mynt, "elektra", som har sitt ursprung i det grekiska ordet för bärnsten, ēlektron . Prefixet tribo- (grekiska för 'gnugga') syftar på 'friktion', som i tribologi . Andra exempel på material som kan få en betydande laddning när de gnides ihop är glas som gnides med siden och hårt gummi som gnides med päls .
Ett mycket välbekant exempel kan vara gnidning av en plastpenna på en ärm av nästan vilket typiskt material som helst som bomull, ull, polyester eller blandat tyg som används i moderna kläder. En sådan elektrifierad penna kommer att 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 är lätt att upptäcka i den känsliga uppsättningen att hänga båda pennorna på trådar och placera dem nära varandra. Sådana experiment leder till teorin om två typer av kvantifierbar elektrisk laddning, den ena är i praktiken den negativa av den andra, med en enkel summa som respekterar tecken som ger den totala laddningen. Den elektrostatiska attraktionen av den laddade plastpennan till neutrala oladdade pappersbitar (till exempel) beror på tillfällig laddningsseparation (elektrisk polarisation eller dipolmoment) av elektriska laddningar inom papperet (eller kanske inriktningar av permanenta molekylära eller atomära elektriska dipoler). En nettokraft uppstår då när de något närmare laddningarna av dipolen attraheras starkare i det olikformiga fältet från pennan som minskar med avståndet. I ett enhetligt elektriskt fält, till exempel inuti parallella kondensatorplattor, skulle temporär polarisering inträffa i de små pappersbitarna men med noll nettoattraktion.
Den triboelektriska effekten anses nu vara relaterad till fenomenet adhesion , där två material som består av olika molekyler tenderar att hålla ihop på grund av attraktion mellan de olika molekylerna. [ citat behövs ] Även om adhesion inte är en kemisk bindning mellan atomer, sker 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 häftar ihop 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. Ett material kan alltså utveckla en positiv eller negativ laddning (se även statisk elektricitet ) som försvinner efter att materialen separerat. [ citat behövs ]
Mekanismerna för triboelektrifiering (eller kontaktelektrifiering) har diskuterats i många år, med möjliga mekanismer inklusive elektronöverföring, jonöverföring eller materialets artöverföring. [ förtydligande behövs ] Nyligen genomförda studier 2018 med hjälp av Kelvin-sondmikroskopi och triboelektriska nanogeneratorer avslöjade att elektronöverföring är den dominerande mekanismen för triboelektrifiering mellan fast och solid. Arbetsfunktionsmodellen kan användas för att förklara elektronöverföring mellan en metall och ett dielektrikum. Yttillståndsmodellen kan användas för att förklara elektronöverföring mellan två dielektrika. För ett allmänt fall, eftersom triboelektrifiering sker för vilket material som helst, har en generisk modell föreslagits av Wang, där elektronöverföringen orsakas av en stark elektronmolnöverlappning mellan två atomer för den sänkta interatomära potentialbarriären genom att förkorta bindningslängden. Baserat på modellen undersöktes effekterna av temperatur och fotoexcitation på triboelektrifieringen. En sådan modell kan utökas ytterligare till fallen vätska-fast, vätska-vätska och till och med gas-vätska.
Triboelektrisk serie
| 0 |
| Triboelektrisk serie: |
| Mest ( Ingen laddning ) |
| positivt laddat |
| + |
| Hår , fet hud |
| Nylon torr hud |
| , ( Liten negativ ) avgift ) |
| Glas |
| Akryl, Lucite |
| Läder |
| Kaninpäls Kvarts |
| Glimmer |
| Bly |
| Kattpäls |
| Silke |
| Aluminiumpapper |
| ( |
| Trä Liten positiv laddning ) |
| Bomull |
| ( Ingen laddning ) Stål |
| Bärnsten |
| Tätningsvax |
| Polystyren |
| Gummiballong |
| Hartser |
| Hårdgummi |
| Nickel , koppar |
| Svavel |
| Mässing , silver |
| Guld , platina |
| Acetat , rayon |
| Syntetgummi |
| Polyester |
| Styren och polystyren |
| Orlon |
| Plastfolie |
| Polyuretan |
| Polyeten (som tejp ) |
| Polypropen |
| Vinyl ( PVC (PTFE ) |
| Silikon |
| Teflon) |
| Silikongummi |
| Ebonit |
| − |
| Mest negativt laddat |
En triboelektrisk serie är en lista över material, ordnade efter vissa relevanta egenskaper, såsom hur snabbt ett material utvecklar en laddning i förhållande till andra material på listan. Johan Carl Wilcke publicerade den första i en tidning från 1757 om statiska laddningar. Material listas ofta i ordning efter polariteten för laddningsseparationen när de vidrörs med ett annat föremål. Ett material mot seriens botten kommer, när det rörs vid ett material nära toppen av serien, 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 någon avgift, eller kan till och med byta motsatsen till vad som antyds av listan. 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 när det gäller den exakta ordningen för vissa material, eftersom den relativa laddningen varierar för närliggande material. Från faktiska tester finns det liten eller ingen mätbar skillnad i laddningsaffinitet mellan metaller, förmodligen för att den snabba rörelsen av ledningselektroner upphäver sådana skillnader.
En annan triboelektrisk serie baserad på mätning av den triboelektriska laddningstätheten hos material standardiserades kvantitativt av prof. Zhong Lin Wangs grupp. Den triboelektriska laddningstätheten för de testade materialen mättes med avseende på flytande kvicksilver i ett 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 yttriboelektrifieringen av allmänna material.
Orsak
Även om delen 'tribo-' kommer från grekiskan för "gnugga", τρίβω (τριβή: friktion), behöver de två materialen bara komma i kontakt för att elektroner ska bytas ut. Efter att ha kommit i kontakt rör sig mobilladdningar från ett material till ett annat för att utjämna deras elektrokemiska potential . Det är detta som skapar nettoladdningsskillnaden mellan objekten. När båda kontaktmaterialen är dielektriska , bärs den rörliga laddningen inte av elektron, utan snarare av en jon, såsom H+ . I själva verket liknar denna process en syra-bas-reaktion , när basobjektet blir positivt laddat och det sura objektet blir negativt laddat. Dessutom kan vissa material byta joner med olika rörlighet, eller utbyta laddade fragment av större molekyler.
Den triboelektriska effekten är relaterad till friktion endast för att de båda involverar vidhäftning . Effekten förstärks dock avsevärt genom att gnugga ihop materialen, eftersom de berör och separeras många gånger.
För ytor med olika geometri kan gnidning också leda till uppvärmning av utsprång, vilket orsakar pyroelektrisk laddningsseparation som kan öka den befintliga kontaktelektrifieringen , eller som kan motverka den befintliga polariteten. Yts nanoeffekter är inte väl förstådda, och atomkraftsmikroskopet har möjliggjort snabba framsteg inom detta fysikområde.
Gnistor
Eftersom ytan på materialet nu är elektriskt laddad, antingen negativt eller positivt, kan varje kontakt med ett oladdat ledande föremål eller med ett föremål med väsentligt annorlunda laddning orsaka en elektrisk urladdning av den uppbyggda statiska elektriciteten : en gnista . En person som helt enkelt går över en matta, tar av sig en nylonskjorta mer . eller gnuggar mot en bilbarnstol kan också skapa en potentialskillnad på många tusen volt, vilket är tillräckligt för att orsaka en gnista som är en millimeter lång eller
Elektrostatisk urladdning kanske inte är uppenbar under fuktiga förhållanden eftersom ytkondensering normalt förhindrar triboelektrisk laddning.
2 andra gnistan än blixtnedslag som kommer från triboelektrisk laddning av is och vattendroppar i moln) orsakar minimal skada eftersom energin ( 1/2 V C ) i är mycket liten; sådana gnistor kan dock antända brandfarliga ångor (se risker och motåtgärder ). Detta är inte fallet när kapacitansen för ett av objekten är mycket stor.
Mekanism för triboelektrifiering
Interatomisk interaktionspotential kan användas för att förstå interaktionerna mellan atomer. När två atomer är i jämviktspositioner, med ett interatomiskt jämviktsavstånd, överlappas elektronmolnen eller vågfunktionerna delvis. Å ena sidan, om de två atomerna kommer nära varandra när de pressas av en yttre kraft, blir det interatomära 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 interatomärt avstånd än jämviktsavståndet, kommer de att attrahera med varandra på grund av långväga Van der Waals-interaktion.
En laddningsöverföringsmekanism i atomskala (generisk elektron-moln-potentialmodell) föreslogs för triboelektrifieringen. För det första, före kontakten i atomskala mellan två material, finns det ingen överlappning mellan deras elektronmoln, och det finns en attraktionskraft. Elektronerna är så hårt bundna i specifika banor så att de inte kan fly fritt. Sedan, när de två atomerna i två material kommer nära kontakt, bildas en jonisk eller kovalent bindning mellan dem genom elektronmolnets överlappning. En yttre kraft kan ytterligare minska det interatomära avståndet (bindningslängden), och den starka elektronmolnöverlappningen inducerar att energibarriären sjunker mellan de två, vilket resulterar i elektronöverföring, vilket är triboelektrifieringsprocessen. När de två atomerna väl är separerade skulle de överförda elektronerna kvarstå eftersom det behövs en energi för att elektronerna ska kunna överföra tillbaka, vilket bildar de elektrostatiska laddningarna på materialens ytor.
I flygplan och rymdfarkoster
Flygplan utvecklar en statisk laddning genom kollisioner med droppar och ispartiklar. Statiken kan laddas ur med statiska urladdare eller statiska vekar.
NASA följer en "triboelektrifieringsregel" där de kommer att avbryta en uppskjutning om bärraketen förutspås passera genom vissa typer av moln. Att flyga genom moln på hög nivå kan generera "P-static" (P för nederbörd), vilket kan skapa statisk ström runt bärraketen som kommer att störa radiosignaler som skickas av eller till fordonet. Detta kan hämma telemetri till marken eller fordonet, särskilt kritiska signaler för flygavslutningssystemet. När ett lastrum sätts på plats på grund av triboelektrifieringsregeln kvarstår det tills Space Wing och observatörspersonal, som de i spaningsflygplan, indikerar att himlen är klar.
Risker och motåtgärder
Tändning
Effekten är av stor industriell betydelse både vad gäller säkerhet och potentiella skador på tillverkade varor. Statisk urladdning är en särskild fara i spannmålshissar på grund av risken för en dammexplosion . Den alstrade gnistan är fullt kapabel att antända brandfarliga ångor, till exempel bensin , eterångor samt metangas . För bulkbränsleleveranser och bränslepåfyllning av flygplan görs en jordningsanslutning mellan fordonet och den mottagande tanken innan tankarna öppnas. När du tankar fordon på en återförsäljarstation kan det minska risken för statisk antändning av bränsleångor om du rör metall på bilen innan du öppnar bensintanken eller rör vid munstycket. [ citat behövs ]
På arbetsplatsen
Det måste finnas organ för att avge statisk elektricitet från vagnar som kan bära flyktiga vätskor, brandfarliga gaser eller syre på sjukhus . Även där endast en liten laddning produceras kan det resultera i att dammpartiklar dras till den gnidade ytan. Vid textiltillverkning kan detta leda till ett permanent smutsigt märke där duken kommer i kontakt med damm som hålls av en statisk laddning. Dammutdragning kan minskas genom att behandla isolerande ytor med ett antistatiskt rengöringsmedel.
Skador på elektronik
Vissa elektroniska enheter , framför allt integrerade CMOS- kretsar och MOSFETs (en typ av transistor), kan av misstag förstöras av statisk högspänningsurladdning. Sådana komponenter lagras vanligtvis i ett ledande skum för skydd. Att jorda sig själv genom att röra vid arbetsbänken eller använda ett speciellt armband eller fotled är standardpraxis när man hanterar oanslutna integrerade kretsar . Ett annat sätt att avleda laddning är genom att använda ledande material såsom kimröksbelastade gummimattor i till exempel operationssalar.
Enheter som innehåller känsliga komponenter måste skyddas under normal användning, installation och frånkoppling, genom inbyggt skydd vid externa anslutningar där det behövs. Skydd kan ske genom användning av mer robusta enheter eller skyddande motåtgärder vid enhetens externa gränssnitt. Dessa kan vara optoisolatorer , mindre känsliga typer av transistorer och statiska bypass-enheter som metalloxidvaristorer .
Källa till buller
Inom medicinska kabelaggregat och ledningstrådar genereras slumpmässigt triboelektriskt brus när de olika ledarna, isoleringen och fyllnadsmaterialen gnider mot varandra när kabeln böjs under rörelse. Brus som genereras i en kabel kallas ofta hanteringsbrus eller kabelbrus, men denna typ av oönskad signal beskrivs mer exakt som triboelektriskt brus. Vid mätning av lågnivåsignaler kan brus i kabel eller tråd vara problematiskt. Till exempel kan bruset i ett EKG eller en annan medicinsk signal göra exakt diagnos svår eller till och med omöjlig. Att hålla triboelektriskt brus på acceptabla nivåer kräver noggrant materialval, design och bearbetning när kabelmaterial tillverkas.
Se även
Vidare läsning
- Besançon RM (1985). The Encyclopedia of Physics, tredje upplagan . Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 978-0-442-25778-1 .
- Allen RC (november 2000). "Triboelektrisk generation: laddas". EE-Evaluation Engineering . 39 (11): S4–+.
externa länkar
- TriboElectric Series Arkiverad 5 april 2014 på Wayback Machine ( stor detalj )
- Video: Detaljerad förklaring av professionella fysiker
- Charged Rod Demonstration , University of Minnesota
- NASA , Science Crackling Planets
- En plastkam gnuggad med en bomullsduk drar till sig små pappersbitar (video)
- BBC News Article, 2005 - Mans statiska jacka gnistor alert
- Triboelectric Generation: Att bli laddad