Efect triboelectric - Triboelectric effect

Efectul triboelectricității: arahide din polistiren spumant lipite de blana unei pisici datorită electricității statice . Efectul triboelectric determină acumularea unei sarcini electrostatice pe blană datorită mișcărilor pisicii. Câmpul electric al sarcinilor are ca rezultat o ușoară atracție a pieselor ușoare de plastic către blana încărcată. Efectul triboelectric este, de asemenea, cauza lipirii statice în haine.

Efectul triboelectric (cunoscut și sub numele de încărcare triboelectrică ) este un tip de electrificare de contact pe care anumite materiale devin încărcate electric după ce sunt separate de un material diferit cu care au fost în contact. Frecarea celor două materiale între ele crește contactul dintre suprafețele lor și, prin urmare, efectul triboelectric. Frecarea sticlei cu blană, de exemplu, sau un pieptene de plastic prin păr, poate acumula triboelectricitate. Cea mai mare parte a electricității statice de zi cu zi este triboelectrică. Polaritatea și puterea tarifelor produse diferă în funcție de materialele, rugozitatea suprafeței, temperatura, tulpina, și alte proprietăți.

Efectul triboelectric este foarte imprevizibil și se pot face doar generalizări largi. Chihlimbarul , de exemplu, poate dobândi o încărcare electrică prin contact și separare (sau frecare ) cu un material ca lâna . Această proprietate a fost înregistrată pentru prima dată de Thales din Milet . Cuvântul „ electricitate ” este derivat din inventarea inițială a lui William Gilbert , „electra”, care provine din cuvântul grecesc pentru chihlimbar, ēlektron . Prefixul tribo- (grecesc pentru „frecați”) se referă la „frecare”, ca în tribologie . Alte exemple de materiale care pot dobândi o încărcare semnificativă atunci când sunt frecate împreună includ sticla frecată cu mătase și cauciuc dur frecat cu blană .

Un exemplu foarte familiar ar putea fi frecarea unui stilou de plastic pe un manșon din aproape orice material tipic, cum ar fi bumbacul, lâna, poliesterul sau materialul amestecat folosit în îmbrăcămintea modernă. Un astfel de stilou electrificat ar atrage și ridica cu ușurință bucăți de hârtie mai mici de un centimetru pătrat atunci când stiloul se apropie. De asemenea, un astfel de stilou va respinge un stilou similar electrificat. Această respingere este ușor de detectat în configurația sensibilă a agățării ambelor pixuri pe fire și fixarea lor în apropiere. Astfel de experimente conduc cu ușurință la teoria a două tipuri de sarcină electrică cuantificabilă, una fiind efectiv negativa celeilalte, cu o sumă simplă care respectă semnele care dau sarcina totală. Atracția electrostatică a stiloului de plastic încărcat către bucăți de hârtie neutre neîncărcate (de exemplu) se datorează separării temporare a sarcinii (polarizare electrică sau moment dipol) a sarcinilor electrice din hârtie (sau poate alinieri ale dipolilor electrici permanenți moleculari sau atomici). Apare apoi o forță netă pe măsură ce încărcăturile puțin mai apropiate ale dipolului sunt atrase mai puternic în câmpul neuniform de la stilou, care se diminuează odată cu distanța. Într-un câmp electric uniform, de exemplu în interiorul plăcilor condensatoare paralele, polarizarea temporară ar avea loc în bucăți mici de hârtie, dar cu atracție netă zero.

Efectul triboelectric este acum considerat a fi legat de fenomenul de aderență , unde două materiale compuse din molecule diferite tind să se lipească împreună datorită atracției dintre diferitele molecule. În timp ce aderența nu este o legătură chimică între atomi, există un schimb de electroni între diferitele tipuri de molecule, rezultând o atracție electrostatică între molecule care le ține împreună. Separarea fizică a materialelor care sunt aderate duce la frecare între materiale. Deoarece transferul de electroni între molecule din diferite materiale nu este imediat reversibil, excesul de electroni dintr-un tip de moleculă rămâne în urmă, în timp ce în celălalt apare un deficit de electroni. Astfel, un material poate dezvolta o sarcină pozitivă sau negativă (vezi și electricitate statică ) care se disipează după separarea materialelor.

Mecanismele triboelectrificării (sau electrificării de contact) au fost dezbătute de mulți ani, cu posibile mecanisme, inclusiv transferul de electroni, transferul de ioni sau transferul de specii ale materialului. Studii recente din 2018 folosind microscopia sondei Kelvin și nanogeneratorii triboelectrici au arătat că transferul de electroni este mecanismul dominant pentru triboelectrificare între solid și solid. Modelul funcției de lucru poate fi folosit pentru a explica transferul de electroni între un metal și un dielectric. Modelul stărilor de suprafață poate fi folosit pentru a explica transferul de electroni între două dielectrice. Pentru un caz general, deoarece triboelectrificarea are loc pentru orice material, un model generic a fost propus de Wang, în care transferul de electroni este cauzat de un puternic nor de electroni suprapus între doi atomi pentru bariera potențială interatomică redusă prin scurtarea lungimii de legătură. Pe baza modelului, au fost investigate efectele temperaturii și excitației foto asupra triboelectrificării. Un astfel de model poate fi extins în continuare la cazurile de lichid-solid, lichid-lichid și chiar gaz-lichid.

Un nanogenerator care utilizează efectul triboelectric pentru a genera electricitate

Serie triboelectrică

Serii triboelectrice:
Cele mai încărcate pozitiv
+
Păr , piele grasă
Nylon , piele uscată
Sticlă
Acrilic, Lucit
Piele
Blana iepurelui
Cuarţ
Mica
Conduce
Blana pisicii
Mătase
Aluminiu
Hârtie ( încărcare pozitivă mică )
Bumbac
Lână ( fără taxă )
0
Oțel ( fără taxă )
Lemn ( încărcare negativă mică )
Chihlimbar
Ceară de etanșare
Polistiren
Balon de cauciuc
Rășini
Cauciuc dur
Nichel , cupru
Sulf
Alamă , argint
Aur , platină
Acetat , raion
Cauciuc sintetic
Poliester
Stiren și polistiren
Orlon
Folie de plastic
Poliuretan
Polietilenă (cum ar fi banda Scotch )
Polipropilenă
Vinil ( PVC )
Siliciu
Teflon (PTFE)
Cauciuc siliconic
Ebonită
-
Cele mai încărcate negativ

O serie triboelectrică este o listă de materiale, ordonată în funcție de anumite proprietăți relevante, cum ar fi cât de repede un material dezvoltă o sarcină față de alte materiale de pe listă. Johan Carl Wilcke a publicat primul într-o lucrare din 1757 despre sarcinile statice. Materialele sunt adesea listate în ordinea polarității separării sarcinii atunci când sunt atinse cu un alt obiect. Un material către partea de jos a seriei, atunci când este atins de un material din partea de sus a seriei, va dobândi o încărcare mai negativă. Cu cât cele două materiale sunt mai îndepărtate una de cealaltă pe serie, cu atât este mai mare sarcina transferată. Materialele apropiate unele de altele din serie pot să nu schimbe nicio taxă sau chiar să schimbe opusul a ceea ce este implicat de listă. Acest lucru poate fi cauzat de frecare, de contaminanți sau oxizi sau de alte variabile. Seria a fost extinsă în continuare de Shaw și Henniker prin includerea polimerilor naturali și sintetici și a arătat modificarea secvenței în funcție de condițiile de suprafață și de mediu. Listele variază oarecum în ceea ce privește ordinea exactă a unor materiale, deoarece taxa relativă variază pentru materialele din apropiere. Din testele reale, există o diferență mică sau deloc măsurabilă în afinitatea sarcinii între metale, probabil pentru că mișcarea rapidă a electronilor de conducere anulează astfel de diferențe.

O altă serie triboelectrică bazată pe măsurarea densității de sarcină triboelectrică a materialelor a fost standardizată cantitativ de grupul prof. Zhong Lin Wang. Densitatea de încărcare triboelectrică a materialelor testate a fost măsurată în raport cu mercurul lichid într-o cutie de mănuși în condiții bine definite, cu temperatură, presiune și umiditate fixe pentru a obține valori fiabile. Metoda propusă standardizează setul experimental pentru cuantificarea uniformă a triboelectrificării de suprafață a materialelor generale.

Seria triboelectrică cuantificată

Cauză

Deși partea „tribo-” provine din greacă pentru „frecare”, τρίβω (τριβή: frecare), cele două materiale trebuie să intre în contact doar pentru schimbul de electroni. După intrarea în contact, se formează o legătură chimică între părțile celor două suprafețe, numită aderență , iar sarcinile se deplasează de la un material la altul pentru a egaliza potențialul lor electrochimic . Aceasta creează dezechilibrul de încărcare netă dintre obiecte. Atunci când sunt separați, unii dintre atomii legați au tendința de a păstra electroni suplimentari, iar alții au tendința de a le oferi, deși dezechilibrul va fi parțial distrus prin tunelare sau defectare electrică (de obicei descărcare corona ). În plus, unele materiale pot schimba ioni de mobilitate diferită sau pot schimba fragmente încărcate de molecule mai mari.

Efectul triboelectric este legat de frecare doar deoarece ambele implică aderență . Cu toate acestea, efectul este mult îmbunătățit prin frecarea materialelor împreună, deoarece acestea se ating și se separă de multe ori.

Pentru suprafețele cu geometrie diferită, frecarea poate duce, de asemenea, la încălzirea proeminențelor, provocând separarea sarcinii piroelectrice care se poate adăuga la electrificarea de contact existentă sau care se poate opune polarității existente. Nanoefectele de suprafață nu sunt bine înțelese, iar microscopul de forță atomică a permis un progres rapid în acest domeniu al fizicii.

Scântei

Deoarece suprafața materialului este acum încărcată electric, fie negativ, fie pozitiv, orice contact cu un obiect conductor neîncărcat sau cu un obiect cu o încărcare substanțial diferită poate provoca o descărcare electrică a electricității statice acumulate : o scânteie . O persoană care merge pur și simplu peste un covor, scoate o cămașă din nailon sau se freacă de un scaun auto poate crea, de asemenea, o diferență de potențial de multe mii de volți, care este suficientă pentru a provoca o scânteie lungă cu un milimetru sau mai mult.

Descărcarea electrostatică poate să nu fie evidentă în climatul umed, deoarece condensul de suprafață împiedică în mod normal încărcarea triboelectrică, în timp ce umiditatea crescută crește conductivitatea electrică a aerului.

Descărcările electrostatice (altele decât fulgerele care provin de la încărcarea triboelectrică a picăturilor de gheață și apă din nori) provoacă daune minime, deoarece energia (1/2V 2 C ) al scânteii este foarte mic, fiind de obicei câteva zeci de micro jouli pe vreme rece și uscată și mult mai puțin decât în ​​condiții de umiditate; cu toate acestea, astfel de scântei pot aprinde vapori inflamabili (a se vedea riscurile și măsurile de contracarare ). Nu este cazul când capacitatea unuia dintre obiecte este foarte mare.

Mecanismul triboelectrificării

Potențialul de interacțiune interatomică poate fi aplicat pentru a înțelege interacțiunile dintre atomi. Când doi atomi sunt în poziții de echilibru, cu o distanță interatomică de echilibru, norii de electroni sau funcțiile de undă se suprapun parțial. Pe de o parte, dacă cei doi atomi se apropie unul de celălalt atunci când sunt presați de o forță externă, distanța interatomică devine mai mică decât distanța de echilibru, astfel cei doi atomi se resping reciproc din cauza creșterii suprapunerii norilor de electroni. În această regiune are loc transferul de electroni. Pe de altă parte, dacă cei doi atomi sunt separați unul de altul astfel încât să aibă o distanță interatomică mai mare decât distanța de echilibru, se vor atrage unul cu celălalt datorită interacțiunii Van der Waals cu rază lungă de acțiune.

Potențial de interacțiune interatomică între doi atomi pentru înțelegerea transferului de electroni ca scurtarea lungimii de legătură prin forță externă.

Pentru triboelectrificare a fost propus un mecanism de transfer al sarcinii la scară atomică (model generic de electron-nor-potențial). În primul rând, înainte de contactul la scară atomică a două materiale, nu există suprapuneri între norii lor de electroni și există o forță atractivă. Electronii sunt atât de strâns legați pe orbite specifice, încât nu pot scăpa liber. Apoi, când cei doi atomi din două materiale se apropie de contact, o legătură ionică sau covalentă se formează între ei prin suprapunerea norului de electroni. O forță externă poate reduce și mai mult distanța interatomică (lungimea legăturii), iar norul puternic de electroni se suprapune induce căderea barierei energetice dintre cele două, rezultând transferul de electroni, care este procesul de triboelectrificare. Odată ce cei doi atomi sunt separați, electronii transferați ar rămâne deoarece este necesară o energie pentru ca aceștia să se transfere înapoi, formând sarcinile electrostatice pe suprafețele materialelor.

Modelul generic de electroni-nor-potențial-bine propus de Wang pentru explicarea triboelectrificării și a transferului și eliberării sarcinii între două materiale care ar putea să nu aibă o structură de bandă de energie bine specificată. Acest model se aplică cazurilor materiale generale.

În aeronave și nave spațiale

Avioanele care zboară pe vreme vor dezvolta o sarcină statică din fricțiunea aerului pe cadru. Staticul poate fi descărcat cu descărcătoare statice sau fitile statice.

NASA respectă ceea ce ei numesc „regula triboelectrificării” prin care vor anula o lansare dacă se prevede că vehiculul de lansare va trece prin anumite tipuri de nori. Zborul prin nori de nivel înalt poate genera „P-static” (P pentru precipitații), care poate crea static în jurul vehiculului de lansare care va interfera cu semnalele radio trimise de către sau către vehicul. Acest lucru poate împiedica transmiterea telemetriei la sol sau, dacă este nevoie, trimiterea unui semnal către vehicul, în special semnale critice pentru sistemul de terminare a zborului. Când este pusă o cală din cauza regulii triboelectrificării, aceasta rămâne până când Space Wing și personalul observator, precum cei din avioanele de recunoaștere, indică faptul că cerul este liber.

Riscuri și contramăsuri

Aprindere

Efectul are o importanță industrială considerabilă atât din punct de vedere al siguranței, cât și al potențialelor daune produselor manufacturate. Descărcarea statică este un pericol deosebit la elevatoarele de cereale datorită pericolului unei explozii de praf . Scânteia produsă este pe deplin capabilă să aprindă vapori inflamabili, de exemplu, benzină , vapori de eter , precum și gaz metan . Pentru livrările de combustibil în vrac și alimentarea aeronavelor, se face o legătură la pământ între vehicul și rezervorul de recepție înainte de deschiderea rezervoarelor. Când alimentați vehiculele dintr-o stație de vânzare cu amănuntul, atingând metalul mașinii înainte de a deschide rezervorul de benzină sau de a atinge duza, puteți reduce riscul de aprindere statică a vaporilor de combustibil.

In spațiul de lucru

Trebuie furnizate mijloace pentru a descărca statica de pe căruțe care pot transporta lichide volatile, gaze inflamabile sau oxigen în spitale . Chiar și acolo unde se produce doar o sarcină mică, aceasta poate avea ca rezultat atragerea particulelor de praf către suprafața frecată. În cazul fabricării textilelor, acest lucru poate duce la un semn permanent murdar în cazul în care pânza vine în contact cu acumulări de praf deținute de o sarcină statică. Atracția prafului poate fi redusă prin tratarea suprafețelor izolante cu un agent de curățare antistatic .

Deteriorarea componentelor electronice

Unele dispozitive electronice , în special circuitele integrate CMOS și MOSFET-urile (un tip de tranzistor), pot fi distruse accidental prin descărcare statică de înaltă tensiune. Astfel de componente sunt de obicei depozitate într-o spumă conductivă pentru protecție. Conectarea la pământ prin atingerea bancului de lucru sau folosirea unei brățări speciale sau a unei brățări este o practică standard în timpul manipulării circuitelor integrate neconectate . Un alt mod de disipare a încărcării este, de exemplu, utilizarea materialelor conductoare, cum ar fi covorașele de cauciuc încărcate cu negru de fum în sălile de operații.

Dispozitivele care conțin componente sensibile trebuie protejate în timpul utilizării normale, instalării și deconectării, realizate prin protecție proiectată la conexiunile externe acolo unde este necesar. Protecția se poate face prin utilizarea unor dispozitive mai robuste sau contramăsuri de protecție la interfețele externe ale dispozitivului. Acestea pot fi optoizolatoare , tipuri de tranzistoare mai puțin sensibile și dispozitive de bypass static, cum ar fi varistori de oxid de metal .

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

linkuri externe