Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Electromagnetism » Încărcarea electrică prin frecare și contact

Încărcarea electrică prin frecare și contact

Nanogenerator care utilizează efectul triboelectric pentru a genera electricitate
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Lateral_sliding_mode_of_triboelectric_nanogenerator.tif 

(Un nanogenerator care utilizează efectul triboelectric pentru a genera electricitate.)

Atunci când o piesă de sticlă și o piesă de rășină – niciuna din ele neprezentând proprietăți electrice – sunt frecate împreună și lăsate cu suprafețele frecate în contact, ele încă nu prezintă proprietăți electrice. Când sunt separate, se atrag.

O a doua piesă de sticlă frecată de o a doua piesă de rășină, apoi separată și suspendată lângă vechile piese de sticlă și rășină, cauzează aceste fenomene:

  • Cele două piese de sticlă se resping reciproc.
  • Fiecare piesă de sticlă atrage fiecare piesă de rășină.
  • Cele două piese de rășină se resping reciproc.

Această atracție și repulsie este un fenomen electric, iar corpurile care le expun se spune că sunt electrificate sau încărcate electric. Corpurile pot fi electrificate în multe alte moduri, inclusiv prin frecare. Proprietățile electrice ale celor două piese de sticlă sunt similare una cu cealaltă, dar sunt opuse celor două piese de rășină: Sticla atrage ceea ce rășina respinge și respinge ceea ce atrage rășina.

Dacă un corp electrificat în orice fel se comportă așa cum face sticla, adică, dacă respinge sticla și atrage rășina, corpul se spune că este electrificat vitros, iar dacă atrage sticla și respinge rășina, se spune că este electrificat rășinos. Toate corpurile electrificate sunt electrificate fie vitros, fie rășinos.

O convenție stabilită în comunitatea științifică definește electrificarea vitroasă ca fiind pozitivă, iar electrificarea rășinoasă ca fiind negativă. Proprietățile exact opuse ale celor două tipuri de electrificare justifică faptul că le indicăm prin semne opuse, dar aplicarea semnului pozitiv la unul, mai degrabă decât la altul, trebuie considerată ca o convenție arbitrară.

Nici o forță, nici de atracție nici de repulsie, nu poate fi observată între un corp electrificat și un corp care nu este electrificat.

Efectul triboelectric

Efectul triboelectric (cunoscut și sub denumirea de încărcare triboelectrică) este un tip de electrificare prin contact prin care anumite materiale devin încărcate electric după intrarea lor în contact prin frecare cu un material diferit. Frecând sticla cu blană sau trecând un pieptene din plastic prin păr, apare triboelectricitatea. Cele mai multe electricități statice de zi cu zi sunt triboelectrice. Polaritatea și intensitatea sarcinilor produse diferă în funcție de materiale, rugozitatea suprafeței, temperatura, tensiunea mecanică și alte proprietăți.

Efectul triboelectric nu este foarte previzibil și pot fi făcute numai generalizări largi. Ambra, de exemplu, poate dobândi o sarcină electrică prin contact și separare (sau frecare) cu un material cum ar fi lâna. Această proprietate a fost înregistrată pentru prima oară de Thales din Milet. Alte exemple de materiale care pot dobândi o încărcătură semnificativă atunci când sunt frecate împreună includ sticla frecată cu mătase și cauciucul dur frecat cu blană.

Un exemplu foarte familiar ar putea fi frecarea unui pix din plastic pe un manșon de aproape orice material tipic, cum ar fi bumbacul, lâna, poliesterul și diferitele amestecuri care se folosesc, în general, pentru îmbrăcămintea din zilele noastre. Un astfel de pix electrificat ar atrage și ridica cu ușurință bucăți de hârtie de dimensiuni mici, cînd se apropie de pix. De asemenea, un astfel de pix va respinge un pix similar electrificat. Această repulsie este ușor de detectat în situația sensibilă a atârnării ambelor pixuri pe fire și apropierea lor reciprocă. Astfel de experimente conduc cu ușurință la teoria a două tipuri de sarcină electrică cuantificabilă, una fiind efectiv negativă a celeilalte, și o simplă sumă care respectă semnele dă încărcătura totală. Rețineți că atracția electrostatică a pixului de plastic încărcat față de bucăți de hârtie neîncărcate, neutre (de exemplu), se datorează separării temporare a sarcinilor (polarizare electrică sau moment dipolar) a sarcinilor electrice din hârtie (sau, posibil, alinierii dipolilor electrici moleculari sau atomici permanenți) . Rețineți că o forță netă apare atunci când sarcinile ceva mai apropiate ale dipolului sunt atrase mai puternic în câmpul neuniform din pix, diminuându-se cu distanța. Într-un câmp electric uniform, de exemplu în interiorul plăcilor condensatoarelor paralele, ar apărea o polarizare temporară a bucăților mici de hârtie, dar cu atracție netă zero.

Efectul triboelectric este acum considerat a fi legat de fenomenul de adeziune, în care două materiale compuse din molecule diferite tind să se lipească 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 moleculele care le reunește împreună. Separarea fizică a materialelor care sunt aderate împreună duce la frecare între materiale. Deoarece transferul de electroni dintre moleculele din diferite materiale nu este imediat reversibil, electronii în exces într-un singur tip de moleculă rămân în urmă, în timp ce un deficit de electroni are loc în celălalt. Astfel, un material poate dezvolta o sarcină pozitivă sau negativă care se disipează după separarea materialelor.

Cauza

Deși partea „tribo-” vine din greacă pentru „frecare”, este suficient ca cele două materiale să intre în contact 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 este ceea ce creează dezechilibrul de sarcină net între obiecte. Atunci când sunt separate, unii dintre atomii legați au tendința de a păstra electronii suplimentari, iar alții au tendința de a-i îndepărta, deși dezechilibrul va fi distrus parțial de tunelare sau defecțiuni electrice (de obicei descărcări corona). În plus, unele materiale pot schimba ioni cu mobilitate diferită sau pot schimba fragmente încărcate de molecule mai mari.

Efectul triboelectric este legat de frecare numai pentru că ambele implică adeziunea. Cu toate acestea, efectul este mult îmbunătățit prin frecarea materialelor împreună, deoarece acestea se ating și se separă de mai multe ori. Pentru suprafețele cu geometrie diferită, frecarea poate duce la încălzirea proeminențelor, determinând o separare a sarcinii piroelectrice care se poate adăuga la electrificarea de contact existentă sau care se poate opune polarității existente. Nano-efectele de suprafață nu sunt bine înțelese, iar microscopia prin forța atomică a permis progresul rapid în acest domeniu al fizicii.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *