Трибоэлектричество

Хорошо, что все-таки клубок постепенно разматывается. И ниточка последнего урока, за которую мы потянули, привела нас к слову «трибоэлектричество». Хитрое понятие для нехитрого явления возникновения статического электричества при физическом контакте в виде трения.

Почему об этом стоит говорить отдельно и выделять в индивидуальную термин-категорию — узнаете прямо сейчас.

Причины электризации

Электризация, то есть образование электрического дисбаланса на поверхности или внутри тела, возникает вследствие разных причин.

К примеру, возьмем нагрев или охлаждение кристаллического предмета, обладающего определенными свойствами. Этот процесс так же, как и трение, может привести к возникновению электрического поля.

Иными словами, для некоторого рода объектов трение вовсе необязательно, чтобы на выходе получить электрический заряд.

Обратите внимание на изображение сверху. Это кусочек турмалина — полудрагоценного минерала. Он издревле ассоциируется у людей с чем-то целебным и магическим.

Одна из причин — его пироэлектрические характеристики. В слове «пироэлектрический» часть «пир-» восходит к древнегреческому ‘πῦρ’, в переводе — «огонь».

Пироэлектрики наподобие турмалина, как мы упомянули моментом ранее, как раз и относятся к классу предметов, где возникновение статического заряда связано не с привычным для нас трением, а с температурными изменениями.

Пыль, турмалин и забавные эксперименты

Хотите увидеть, как это работает? Тогда обратитесь к кому-нибудь из женской части дома — к бабушке, маме, сестре или еще кому-либо. Спросите, не найдется ли у них случайно в коробочке с ювелирными аксессуарами какого-нибудь изделия из турмалина. Главное, раздобыть этот редкий камушек. Остальное — дело техники.

По количественным лабораторным исследованиям с турмалином известно, что при изменении его температуры всего на 1°C, в кристалле образуется электрическое поле напряженностью около 400 В/см. Так что для домашнего опыта подойдет как небольшой камень, так и небольшой скачок в температуре.

Далее все предельно просто: необходимо замкнутое пыльное помещение и нагревательный элемент, — что-нибудь вроде бытового масляного радиатора. Помещаем камушек на полку, подключаем тепловой агрегат, предусмотрительно пододвигая его к месторасположению турмалина.

Выходим, закрываем за собой дверь и ждем некоторое время снаружи. Только не удивляйтесь сильно, когда зайдете вновь в помещение осмотреть результаты. Вокруг кристалла могут образоваться причудливые пыльные фигурки!

Воздух, что не секрет, содержит частички пыли. Они под действием электростатических сил устремляются в направлении наиболее электризованных концов камня. А поскольку в большинстве условий электрическое поле в пироэлектрике равномерно образоваться не может — где-то заряда продуцируется больше, где-то меньше — по контуру кристалла формируются разнохарактерные пыльные «миниатюрки».  

Правда нас не совсем-то и интересует турмалин. Нас, скорее, должно волновать свойство притягивать пыль при нагреве. Вернее то, что температура наравне с трением имеет отношение к электростатике.

Этот пример подчеркивает: природа статического электричества многогранна, она ни в коем случае не ограничена шаблонным «потрем воздушный шарик о шерсть».

Зачем нужен термин «трибоэлектричество»

Однако в течение нескольких последних уроков мы перемешивали меж собой понятия, вводя одновременно как общие положения для статического электричества, применимые ко всем категориям явлений, включая пироэлектричество, так и точечное проявление электростатики в виде трения между разнородными диэлектриками — оно же «трем шарик о шерсть».

Основы трибоэлектрических процессов

Настало время дать формальное определение:

Трибоэлектричество — возникновение электростатического заряда при взаимном трении двух материалов, обладающих диэлектрическими свойствами.

Сейчас наша задача — отбросить все «лишнее», что имеет приложение к электростатическим явлениям в общем, и остановиться исключительно на процессах, в которых на первостепенный план выходит трение.

Также немаловажно выделить главные элементы подобных процессов и по возможности дать ответы на не до конца раскрытые в предыдущем уроке вопросы.

В частности:

• о роли трения в трибоэлектричестве;
• как происходит электронный обмен между материалами;
• и какое к этому отношение имеют трибоэлектрические ряды.

Зачем это нужно? Ну, во-первых, это раскрывает суть электрического заряда, с которым нам еще только предстоит столкнуться. Пока что формального знакомства так и не состоялось, а словосочетание «электрический заряд» использовалось нами относительно фривольно.

И во-вторых, из всевозможных проявлений статического электричества, трибоэлектричество воспринимается в разы понятнее, ибо оно имеет наглядные визуальные образы.

{"questions":[{"content":"Какое из следующих утверждений <b>ближе</b> всего отражает определение трибоэлектричества?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Если предметы потереть, заряд между ними может перераспределиться.","Если потереть предметы с изолирующими свойствами, заряд между ними может перераспределиться.","После контакта с диэлектриком всякое тело может накопить заряд."],"explanations":["<i>В утверждении не хватает одной детали, связанной со свойствами предмета. Не всякий предмет после трения накопит существенный заряд.</i>","","<i>Далеко не всякое тело. К примеру, проводник. Проводники имеют возможность распределять заряд равномерно по атомной структуре тела. Подумайте еще. </i>"],"answer":[1]}}}]}

Контакт между телами

Вспомним, что структура атома обладает гармоничностью: без внешнего воздействия нарушить данный баланс невозможно, поэтому в нормальном состоянии электронам перемещаться куда-либо не очень нравится. А трение — это один из способов «заставить» заряд, переносимый электроном, двигаться.

Важно. Необходимо понимать, что трение в данном контексте носит условный характер, так как для некоторого рода материалов достаточно минимального контакта для электронного обмена.

Перемещение электронов между разнородными диэлектриками происходит практически всегда. Вы просто можете даже этого не почувствовать: если заряд на поверхности предмета сформировался крайне маленький, не будет никакого осязательного эффекта.

Притяжение, отталкивание или вовсе разряд с искоркой определяется количественным обменом электронов. Когда обмен минимальный, энергии для взаимодействия с прочими предметами попросту не хватит.

Механизм трибоэлектризации

Помимо факта гармоничной структуры атома, мы также помним, что электроны в нем располагаются все-таки не шариками, а на самом деле — облачной структурой.

Чтобы понять, как тела при контакте трением обмениваются электронами, хорошей идеей будет рассмотреть точечное взаимодействие двух атомов разных тел на уровне электронного облака и после уже представить, что подобный процесс протекает по всему периметру поверхности.

{"questions":[{"content":"<b>Вспомним реалистичную модель атома.</b><br /><br />Электроны на многих схематичных изображениях рисуются точками, вращающимися по орбитам вокруг ядра, хотя в реальности представляют собой по состоянию нечто вроде [[input-1]]. <br /><br />Какое слово пропущено?","widgets":{"input-1":{"type":"input","inline":1,"answer":["облака","облако"]}},"hints":["В вышеупомянутом в тексте словосочетании <b>«облачная структура»</b> превратите прилагательное в существительное."]}]}

Итак, проследим же за взаимодействием двух атомов разных тел: на макроскопическом уровне, микроскопическом и атомном.

Минимальный контакт

Когда атомы сближаются, в области электронного облака частиц создается частичное взаимопроникновение.

Подобное происходит на этапе, когда поверхности изоляторов плотно прилегают друг к другу, однако пока что активного контакта между ними нет.

Активный контакт

Под активным контактом мы, конечно же, понимаем трение. Поверхность пусть даже на первый взгляд идеально гладкого тела так или иначе обладает «шероховатостью», и именно за счет трения между неровностями взаимопроникновение увеличивается.

Чем меньше межатомное расстояние, тем сильнее будет наложение, то есть взаимопроникновение между электронными облаками. Трение позволяет сокращать это самое расстояние.   

Обмен

Самое интересное происходит, когда в различных зонах взаимопроникновение достигает возможного максимума. Энергетический барьер между атомами наконец снижается, что открывает возможность электронам «путешествовать». Когда тела разъединяются после контакта, перемещенные электроны никуда не «спрыгивают».

Не спрыгивают, ибо для этого «прыжка» вновь необходимо передать системе энергию. Электрический заряд в результате — положительный и отрицательный — сохраняется на поверхности обоих тел.

Электростатический эффект

В результате значительного перераспределения заряда между телами мы можем наблюдать так называемый электростатический эффект, который условно проявляет себя в трех видах взаимодействий: эффекте притяжения, эффекте отталкивания и электростатическом разряде.

Подумайте самостоятельно. С чем может быть связан электростатический разряд? Имеет ли значение количество заряда, скапливаемого на поверхности тела? Подумайте также о содержании в воздухе молекул воды и предположите, какова роль параметра влажности воздуха. Многое из того, что мы обсудили, поможет вам прийти к правильному ответу. А поделиться своими мыслями всегда можно в секции комментариев под уроком!

Электронный обмен c количественной точки зрения

😕 Как же только понять, сколько электронов «скопится» на поверхности изолятора после контакта с другим изолятором?

Зависит от самого изолятора. Каждый предмет отличается индивидуальным набором атомов и соединений этих атомов.

Допустим, вы взяли два изолятора, один из которых, невзирая на изолирующие свойства, охотно примет электрон в гости. В сравнении с другими изоляторами, естественно.

Второй изолятор, напротив, состоит из таких атомов, в которых электроны охотно пойдут в гости.

Когда разница между «хочу пойти в гости» и «принимаю в гости» наибольшая, электронов скопится на поверхности принимающего больше.

😱 А почему какие-то изоляторы охотнее принимают электроны, а какие-то ими делятся?

Ох-ох. Это вопрос, над которым ученые бьются до сих пор. Ответ — в строении материалов.

Экспериментально физики составляют так называемые трибоэлектрические ряды. Их мы обсудим далее. Вкратце, это нечто вроде «хит-парада» изоляторов, что ранжируются по свойствам получения заряда.

Какие-то материалы имеют тенденцию к образованию мощного отрицательного заряда, какие-то его почти не образовывают. С положительным зарядом аналогично.

Обосновать теоретически, будет ли изолятор заряжен положительно или отрицательно после трения, человечество пока не может.

Должна же быть загадка, в конце концов!

Трибоэлектрический ряд

Трибоэлектрический ряд — список материалов, ранжирующий тенденцию веществ приобретать в результате трибоэлектрического взаимодействия положительный или отрицательный заряд.  

Перед вами — классический сокращенный трибоэлектрический ряд. Организация в ряду простая, от большего к меньшему согласно тому, насколько быстро материал образует электрический заряд в сравнении с другими материалами в ряду.

Немаловажную роль играют площадь поверхности соприкосновения, размеры тела и влажность среды. Как видите, ряд начинается с материалов, которые склонны образовывать наибольшее количество положительного заряда, а далее — по убывающей до условной точки «нуля». После «нуля» вниз — по возрастающей, к наибольшему отрицательному заряду.  

{"questions":[{"content":"Проанализируйте данный выше трибоэлектрический ряд. Подберите пару материалов, которые имеют <b>наибольшую разницу</b> в потенциале зарядов. <br /><br />Первый материал: [[fill_choice-1]]<br />Второй материал: [[fill_choice-12]]","widgets":{"fill_choice-1":{"type":"fill_choice","options":["Тефлон","Хлопок","Шелк"],"answer":0},"fill_choice-12":{"type":"fill_choice","options":["Шерсть","Янтарь","Силикон"],"answer":0}},"step":1,"hints":["Под <i>разным потенциалом зарядов</i> имеется в виду, что материалы склонны при взаимодействии образовывать разноименный заряд. Один — положительный, второй — отрицательный.","Найдите материалы, которые наиболее удалены друг от друга в трибоэлектрическом ряду."]}]}

Можете экспериментировать самостоятельно, пробовать проводить трибоэлектрические опыты с разными материалами в разных условиях и сравнивать результаты. Кто знает, может, именно вы разгадаете тайны трибоэлектричества?