Войти
Эффект трибоэлектричества: арахис из пенополистирола цепляется за шерсть кошки из-за статического электричества. Трибоэлектрический эффект вызывает накопление электростатического заряда на шерсти из-за движений кошки. Электрическое поле зарядов приводит к небольшому притяжению легких пластиковых деталей к заряженному меху. Трибоэлектрический эффект также является причиной статического сцепления в одежде. трибоэлектрический эффект (также известный как трибоэлектрический заряд ) относится к типу контактная электризация, при которой определенные материалы становятся электрически заряженными после того, как они отделены от другого материала, с которым они контактировали. Трение двух материалов друг о друга увеличивает контакт между их поверхностями и, следовательно, трибоэлектрический эффект. Например, протирание стекла мехом или пластмассовой расческой по волосам может вызвать трибоэлектричество. Обычно статическое электричество является трибоэлектрическим. Полярность и сила создаваемых зарядов различаются в зависимости от материалов, шероховатости поверхности, температуры, деформации и других свойств.
Трибоэлектрический эффект очень непредсказуем, и можно сделать лишь широкие обобщения. Янтарь, например, может приобретать электрический заряд при контакте и разделении (или трением ) с таким материалом, как шерсть. Это свойство впервые было записано Фалесом Милетским. Слово «электричество » происходит от первоначальной монеты Уильяма Гилберта, «electra», которое происходит от греческого слова, обозначающего янтарь, ēlektron. Приставка трибо- (по-гречески «руб») означает «трение», как в трибологии. Другие примеры материалов, которые могут приобретать значительный заряд при трении друг о друга, включают стекло, натертое шелком, и твердую резину, натертую мехом.
A очень знакомым примером может быть трение пластиковой ручки о рукав практически из любого типичного материала, такого как хлопок, шерсть, полиэстер или смешанные ткани, используемые в современной одежде. Такая наэлектризованная ручка будет легко притягивать и подбирать куски бумаги меньше квадратного сантиметра при приближении ручки. Кроме того, такая ручка будет отталкивать аналогичную электрическую ручку. Это отталкивание легко обнаружить, если подвесить обе ручки на нитках и расположить их рядом друг с другом. Такие эксперименты легко приводят к теории двух типов поддающегося количественному измерению электрического заряда, один из которых фактически является отрицательным для другого, с простой суммой с учетом знаков, дающих общий заряд. Электростатическое притяжение заряженной пластиковой ручки к нейтральным незаряженным кусочкам бумаги (например) происходит из-за временного разделения зарядов (электрическая поляризация или дипольный момент) электрических зарядов внутри бумаги (или, возможно, выравнивания постоянных молекулярных или атомных электрических диполей). В результате возникает результирующая сила, поскольку более близкие к нему заряды диполя сильнее притягиваются в неоднородном поле от пера, которое уменьшается с расстоянием. В однородном электрическом поле, например, внутри параллельных обкладок конденсатора, временная поляризация будет возникать в маленьких кусочках бумаги, но с нулевым чистым притяжением.
В настоящее время считается, что трибоэлектрический эффект связан с явлением адгезии, когда два материала, состоящие из разных молекул, имеют тенденцию слипаться из-за притяжения между разными молекулами. Хотя адгезия не является химической связью между атомами, происходит обмен электронами между различными типами молекул, что приводит к электростатическому притяжению между молекулами, которое удерживает их вместе. Физическое разделение материалов, которые сцепляются вместе, приводит к трению между материалами. Поскольку перенос электронов между молекулами в различных материалах не является немедленно обратимым, избыточные электроны в одном типе молекул остаются позади, в то время как дефицит электронов возникает в другом. Таким образом, в материале может образовываться положительный или отрицательный заряд (см. Также статическое электричество ), который рассеивается после разделения материалов.
Механизмы трибоэлектрификации (или контактной электризации) обсуждались в настоящее время. много лет, с возможными механизмами, включая перенос электронов, перенос ионов или перенос частиц материала. Недавние исследования 2018 года с использованием зондовой микроскопии Кельвина и трибоэлектрических наногенераторов показали, что перенос электронов является доминирующим механизмом трибоэлектрификации между твердым телом и твердым телом. Модель работы выхода может быть использована для объяснения переноса электронов между металлом и диэлектриком. Модель поверхностных состояний может быть использована для объяснения переноса электрона между двумя диэлектриками. Для общего случая, поскольку трибоэлектризация происходит для любого материала, Ванга предложил общую модель, в которой перенос электрона вызывается сильным перекрытием электронного облака между двумя атомами для пониженного межатомного потенциального барьера за счет сокращения длины связи. На основе модели исследовано влияние температуры и фотовозбуждения на трибоэлектрификацию. Такую модель можно расширить на случаи жидкость-твердое, жидкость-жидкость и даже газ-жидкость.
A наногенератор, использующий трибоэлектрический эффект для выработки электричества | Трибоэлектрическая серия: |
| Наиболее положительно заряженные |
| + |
| Волосы, жирная кожа |
| нейлон, сухая кожа |
| стекло |
| акрил, люцит |
| кожа |
| мех кролика |
| кварц |
| слюда |
| Свинец |
| Кошачий мех |
| Шелк |
| Алюминий |
| Бумага (небольшой положительный заряд) |
| Хлопок |
| Шерсть (бесплатно) |
| 0 |
| Сталь (Без заряда) |
| Дерево (Небольшой отрицательный заряд) |
| Янтарь |
| Герметизирующий воск |
| Полистирол |
| Резиновый баллон |
| Смолы |
| Hard ru bber |
| Никель, Медь |
| Сера |
| Латунь, Серебро |
| Золото, Платина |
| Ацетат, Вискоза |
| Синтетический каучук |
| Полиэстер |
| Стирол и полистирол |
| Орлон |
| Пластиковая пленка |
| Полиуретан |
| Полиэтилен (например, Скотч лента ) |
| Полипропилен |
| Винил (ПВХ ) |
| Кремний |
| Тефлон (ПТФЭ) |
| Силиконовый каучук |
| Эбонит |
| − |
| Наиболее отрицательно заряженный |
A Трибоэлектрическая серия - это список материалов, упорядоченный по определенным релевантным свойствам, например, по скорости образования заряда материала по сравнению с другими материалами в списке. Йохан Карл Вильке опубликовал первую в статье 1757 года о статических зарядах. Материалы часто указываются в порядке полярности разделения зарядов при прикосновении к ним другим предметом. Материал в нижней части ряда при прикосновении к материалу в верхней части ряда приобретает более отрицательный заряд. Чем дальше два материала находятся друг от друга в серии, тем больше передается заряд. Материалы, расположенные рядом друг с другом в серии, не могут обмениваться зарядом или даже могут заменять противоположное тому, что подразумевается в списке. Это может быть вызвано трением, загрязнителями оксидами или другими переменными факторами. Шоу и Хенникер расширили серию за счет включения натуральных и синтетических полимеров и продемонстрировали изменение последовательности в зависимости от поверхности и условий окружающей среды. Списки несколько различаются по точному порядку некоторых материалов, поскольку относительный заряд для соседних материалов различается. Фактические испытания показывают незначительную разницу в сродстве заряда между металлами или ее отсутствие, вероятно, потому, что быстрое движение электронов проводимости нивелирует такие различия.
Другая серия трибоэлектрических сигналов, основанная на измерении плотности трибоэлектрического заряда материалов, была количественно стандартизирована группой профессора Чжун Линь Ванга. Плотность трибоэлектрического заряда тестируемых материалов измеряли по отношению к жидкому металлу в перчаточном боксе в четко определенных условиях, с фиксированными температурой, давлением и влажностью для достижения надежных значений. Предлагаемый метод стандартизирует экспериментальную установку для единообразного количественного определения поверхностной трибоэлектрификации общих материалов.
Определенный трибоэлектрический ряд Хотя часть «трибо-» происходит от греческого слова «трение», τρίβω (τριβή: трение), два материала должны соприкасаться только для электроны для обмена. После контакта между частями двух поверхностей образуется химическая связь, называемая адгезией, и заряды перемещаются от одного материала к другому, чтобы уравнять их электрохимический потенциал. Это то, что создает чистый дисбаланс заряда между объектами. При разделении некоторые из связанных атомов имеют тенденцию удерживать лишние электроны, а некоторые - отдавать их, хотя дисбаланс будет частично нарушен туннелированием или электрическим пробоем ( обычно коронный разряд ). Кроме того, некоторые материалы могут обмениваться ионами разной подвижности или обмениваться заряженными фрагментами более крупных молекул.
Трибоэлектрический эффект связан с трением только потому, что они оба связаны с адгезией. Однако эффект значительно усиливается за счет трения материалов друг о друга, поскольку они много раз соприкасаются и разделяются.
Для поверхностей с разной геометрией трение также может привести к нагреву выступов, вызывая пироэлектрик разделение зарядов, которое может добавить к существующей контактной электрификации или может противоречить существующей полярности. Поверхностные наноэффекты недостаточно изучены, и атомно-силовой микроскоп позволил добиться быстрого прогресса в этой области физики.
Поскольку поверхность материала теперь электрически заряжена, отрицательно или положительно, любой контакт с незаряженным проводящим объектом или с объектом, имеющим существенно другой заряд, может вызвать электрический разряд накопленное статическое электричество : искра. Человек, просто идущий по ковру, снимая нейлоновую рубашку или трясь об автокресло, также может создать разность потенциалов в несколько тысяч вольт, чего достаточно, чтобы вызвать искру длиной один миллиметр или более.
Электростатический разряд может не проявляться во влажном климате, потому что поверхностная конденсация обычно предотвращает трибоэлектрический заряд, а повышенная влажность увеличивает электропроводность воздуха.
Электростатические разряды (кроме молнии, возникающие в результате трибоэлектрического заряда льда и капель воды в облаках) причиняют минимальный вред, поскольку энергия (1/2 V C ) искры очень небольшие, обычно составляющие несколько десятков микро джоулей в холодную и сухую погоду, и намного меньше, чем во влажных условиях; однако такие искры могут воспламенить воспламеняющиеся пары (см. риски и контрмеры ). Это не тот случай, когда емкость одного из объектов очень велика.
Потенциал межатомного взаимодействия может применяться для понимания взаимодействий между атомами. Когда два атома находятся в положениях равновесия с равновесным межатомным расстоянием, электронные облака или волновые функции частично перекрываются. С одной стороны, если два атома приближаются друг к другу под воздействием внешней силы, межатомное расстояние становится короче, чем равновесное расстояние, два атома, таким образом, отталкиваются друг от друга из-за увеличения перекрытия электронного облака. Именно в этой области происходит перенос электрона. С другой стороны, если два атома отделены друг от друга, чтобы иметь большее межатомное расстояние, чем равновесное расстояние, они будут притягиваться друг к другу из-за дальнодействующего Ван-дер-Ваальсова взаимодействия.
Потенциал межатомного взаимодействия между двумя атомами для понимания переноса электронов как сокращения длины связи под действием внешней силы. Для трибоэлектрификации был предложен механизм переноса заряда атомного масштаба (общая модель электронного облака-потенциала). Во-первых, до контакта двух материалов в атомном масштабе не существует перекрытия между их электронными облаками и существует сила притяжения. Электроны настолько тесно связаны на определенных орбитах, что не могут свободно улететь. Затем, когда два атома в двух материалах приближаются к контакту, между ними образуется ионная или ковалентная связь за счет перекрытия электронного облака. Внешняя сила может еще больше уменьшить межатомное расстояние (длину связи), а сильное перекрытие электронного облака вызывает падение энергетического барьера между ними, что приводит к переносу электронов, который является процессом трибоэлектрификации. Как только два атома разделены, перенесенные электроны останутся, потому что электронам требуется энергия, чтобы передать их обратно, образуя электростатические заряды на поверхностях материалов.
Общая модель электронного облака-потенциальной ямы, предложенная Вангом для объяснения трибоэлектрификации и переноса и высвобождения заряда между двумя материалами, которые могут не иметь четко определенной структуры энергетических зон. Эта модель применима к общим материальным случаям. В самолетах, летящих в погоду, образуется статический заряд от трения воздуха о планер. Статический заряд можно снимать с помощью статических разрядников или статических фитилей.
НАСА следует тому, что они называют «Правилом трибоэлектрификации», согласно которому они отменяют запуск, если предполагается, что ракета-носитель пройдет через определенные типы облаков. Полет через облака высокого уровня может генерировать "P-статику" (P для осадков), которая может создавать статическое электричество вокруг ракеты-носителя, которое будет мешать радиосигналам, передаваемым аппаратом или на него. Это может помешать передаче телеметрии на землю или, если возникнет необходимость, посылке сигнала на транспортное средство, особенно критических сигналов для системы прекращения полета. Когда трюм устанавливается в соответствии с правилом трибоэлектрификации, он остается до тех пор, пока космическое крыло и персонал наблюдателей, например, в разведывательных самолетах, не укажут, что небо чистое.
Эффект имеет большое промышленное значение как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения возможного повреждения промышленных товаров. Статический разряд представляет особую опасность в элеваторах из-за опасности взрыва пыли. Возникающая искра способна воспламенить воспламеняющиеся пары, например пары бензина, эфира, а также газ метан. Для бестарных поставок топлива и заправки топливом самолетов заземляющее соединение выполняется между транспортным средством и приемным баком до открытия баков. При заправке транспортных средств на торговой станции прикосновение к металлу автомобиля перед открытием бензобака или прикосновение к форсунке может снизить риск статического воспламенения паров топлива.
Средства должны быть обеспечены для снятия статического электричества с тележек, которые могут перевозить летучие жидкости, горючие газы или кислород в больницах. Даже при образовании небольшого заряда частицы пыли могут притягиваться к натираемой поверхности. В случае производства текстиля это может привести к образованию стойкого грязного пятна, когда ткань соприкасается с скоплениями пыли, удерживаемыми статическим зарядом. Привлечение пыли можно уменьшить, обработав изоляционные поверхности антистатическим чистящим средством.
Некоторые электронные устройства, особенно CMOS интегральные схемы и MOSFET транзисторы, могут быть случайно разрушены статическим разрядом высокого напряжения. Такие компоненты обычно хранятся в проводящей пене для защиты. Заземление путем прикосновения к рабочему столу или использования специального браслета или браслета является стандартной практикой при работе с неподключенными интегральными схемами. Другой способ рассеивания заряда - это использование проводящих материалов, таких как углеродная сажа наполненная резина, например, в операционных.
Устройства, содержащие чувствительные компоненты, должны быть защищены при нормальном использовании, установке и отключении, что должно выполняться встроенной защитой на внешних подключениях, где это необходимо. Защита может осуществляться за счет использования более надежных устройств или защитных контрмер на внешних интерфейсах устройства. Это могут быть оптоизоляторы, менее чувствительные типы транзисторов и устройства статического байпаса, такие как металлооксидные варисторы.
