Трибоэлектрический эффект (также известный как трибоэлектрический заряд ) является одним из видов контактной электризации , на котором некоторые материалы становятся электрически заряженной после того, как они отделенны от другого материала , с которым они находились в контакте. 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. В большинстве случаев статическое электричество является трибоэлектрическим. Полярности и прочность зарядов , производимых различными в зависимости от материалов, шероховатости поверхности, температуры, деформации, а также другие свойства.
Трибоэлектрический эффект очень непредсказуем, и можно сделать лишь широкие обобщения. Янтарь , например, может приобретать электрический заряд при контакте и разделении (или трении ) с таким материалом, как шерсть . Это свойство впервые было записано Фалесом Милетским . Слово « электричество » происходит от начального чеканки Уильяма Гилберта «electra», которое происходит от греческого слова ēlektron , обозначающего янтарь . Приставка трибо- (по-гречески «руб») относится к «трению», как в трибологии . Другие примеры материалов, которые могут приобретать значительный заряд при трении друг о друга, включают:стекло натирали шелком , а твердую резину натирали мехом .
Очень знакомый пример - это протирание пластиковой ручкой рукава из почти 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 размером меньше квадратного сантиметра, когда ручка приближается. 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 листам 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 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 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. [ необходима цитата ] 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 разных материалах не является немедленно обратимым, избыточные электроны в одном типе молекул остаются позади, а дефицит электронов возникает в другом. Таким образом, в материале может развиваться положительный или отрицательный заряд (см. Также статическое электричество ), который рассеивается после разделения материалов. [ необходима цитата ]
Механизмы трибоэлектрификации (или контактной электрификации) обсуждались в течение многих лет, с возможными механизмами, включая перенос электронов, перенос ионов или перенос частиц материала. [ требуется пояснение ] 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. [1] [2] Модель работы выхода может быть использована для объяснения переноса электронов между металлом и диэлектриком. [3] [4] Модель поверхностных состояний может использоваться для объяснения переноса электрона между двумя диэлектриками. [1] [5] [6]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. [7] На основе модели было исследовано влияние температуры и фотовозбуждения на трибоэлектрификацию. [8] [9] Такая модель может быть расширена на случаи жидкость-твердое тело, жидкость-жидкость и даже газ-жидкость. [10]
Трибоэлектрическая серия [ править ]
| Трибоэлектрическая серия: |
| Наиболее положительно заряженный |
| + |
| Волосы , жирная кожа |
| Нейлон , сухая кожа |
| Стекло |
| Акрил, Люцит |
| Натуральная кожа |
| Мех кролика |
| Кварцевый |
| Слюда |
| Вести |
| Кошачий мех |
| Шелк |
| Алюминий |
| Бумага ( небольшой положительный заряд ) |
| Хлопок |
| Шерсть ( бесплатно ) |
| 0 |
| Сталь ( бесплатно ) |
| Дерево ( небольшой отрицательный заряд ) |
| Янтарь |
| Сургуч |
| Полистирол |
| Резиновый баллон |
| Смолы |
| Твердая резина |
| Никель , медь |
| Сера |
| Латунь , серебро |
| Золото , платина |
| Ацетат , вискоза |
| Синтетическая резина |
| Полиэстер |
| Стирол и полистирол |
| Орлон |
| Пластиковая упаковка |
| Полиуретан |
| Полиэтилен (как скотч ) |
| Полипропилен |
| Винил ( ПВХ ) |
| Кремний |
| Тефлон (PTFE) |
| Резинка |
| Эбонит |
| - |
| Наиболее отрицательно заряженный |
Трибоэлектрическая серия представляет собой перечень материалов, упорядоченная определенными соответствующие свойства, например, как быстро материал развивает заряд по сравнению с другими материалами по списку. Йохан Карл Вилке опубликовал первую в статье 1757 года о статических зарядах. [11] [12]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 или оксидами или другими переменными факторами. Далее серия была расширена Шоу [13] и Хенникером [14].за счет включения природных и синтетических полимеров, и показал 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 тесты показывают, что разница в сродстве к заряду между металлами практически отсутствует, вероятно, потому, что быстрое движение электронов проводимости устраняет такие различия. [15]
Другой трибоэлектрический ряд, основанный на измерении плотности трибоэлектрического заряда материалов, был количественно стандартизирован группой профессора Чжун Линь Ванга. [16] Плотность трибоэлектрического заряда тестируемых материалов измерялась по отношению к жидкому металлу в перчаточном ящике при 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.
Причина [ править ]
Хотя часть «трибо-» происходит от греческого слова «трение», τρίβω (τριβή: трение), два материала должны только вступить в контакт для обмена электронами. 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 дополнительные электроны, а некоторые - отдавать их, хотя дисбаланс будет частично нарушен туннелированием или электрическим пробоем (обычно коронным разрядом).). 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 при трении материалов друг о друга, поскольку они соприкасаются и разделяются много раз. [17]
Для поверхностей с разной геометрией трение может также привести к нагреву выступов, вызывая разделение пироэлектрических зарядов, что может усилить электризацию существующих контактов или противоречить существующей полярности. Поверхностные наноэффекты недостаточно изучены, и атомно-силовой микроскоп позволил быстро продвинуться в этой области физики.
Спаркс [ править ]
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 накопленного статического электричества : искру . Человек просто ходить по ковру, удаление нейлона [ править ] рубашка или трутся сиденье автомобиля также может создать разность потенциалов многих тысяч вольт, что достаточно , чтобы вызвать искры один миллиметр длинный или более.
Электростатический разряд может не проявляться во влажном климате, поскольку поверхностная конденсация обычно предотвращает трибоэлектрический заряд, а повышенная влажность увеличивает электропроводность воздуха.
Электростатические разряды (кроме молнии, возникающей в результате трибоэлектрической зарядки льда и капель воды в облаках) причиняют минимальный вред, поскольку энергия (1/2V 2 C ) искры очень мало, обычно составляя несколько десятков микроджоулей в холодную 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.
Механизм трибоэлектрификации [ править ]
Потенциал межатомного взаимодействия может быть применен, чтобы понять взаимодействия 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 так, что у них расстояние между атомами больше, чем равновесное расстояние, они будут притягиваться друг к другу из-за дальнодействующего Ван-дер-Ваальсова взаимодействия.
Для трибоэлектрификации был предложен механизм переноса заряда на атомном уровне (общая модель электронного облака-потенциала). [2] [18]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.
В самолетах и космических кораблях [ править ]
Самолет, летящий в погоду, будет развивать статический заряд из-за трения воздуха о корпус. Статический заряд может быть снят 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. [19]
Риски и контрмеры [ править ]
Зажигание [ править ]
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 горючие пары, например бензин , пары эфира, а также газообразный метан . Для бестарных поставок топлива и заправки топливом самолетов заземляющее соединение выполняется между транспортным средством и приемным баком до открытия баков. При заправке автомобилей на торговой станции прикосновение к металлу автомобиля перед открытием бензобака или прикосновение к форсунке может снизить риск статического воспламенения паров топлива. [ цитата необходима]
На рабочем месте [ править ]
Должны быть предусмотрены средства для снятия статического электричества с тележек, которые могут перевозить летучие жидкости, легковоспламеняющиеся газы или кислород в больницах . Даже при образовании небольшого заряда частицы пыли могут притягиваться к натертой поверхности. В случае текстильного производства это может привести к постоянному грязному следу, когда ткань соприкасается с скоплениями пыли, удерживаемыми статическим зарядом. Привлечение пыли можно уменьшить, обработав изоляционные поверхности антистатическим чистящим средством.
Повреждение электроники [ править ]
Некоторые электронные устройства , в первую очередь КМОП- интегральные схемы и МОП- транзисторы, могут быть случайно повреждены высоковольтным статическим разрядом. Такие компоненты обычно хранятся в токопроводящей пене для защиты. Заземление путем прикосновения к рабочему столу, использования специального браслета или браслета - стандартная практика при работе с неподключенными интегральными схемами . Другой способ рассеивания заряда является использование проводящих материалов , таких как углеродные черный нагруженных резиновые коврики в операционных, например.
Устройства, содержащие чувствительные компоненты, должны быть защищены при нормальном использовании, установке и отключении, что должно осуществляться с помощью встроенной защиты внешних подключений, 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 .
См. Также [ править ]
- Антистатик
- Контактная электрификация
- Электрет
- Электрические явления
- Электроотрицательность
- Электрофор
- Материалы ESD
- Наногенератор
- Статичное электричество
- Триболюминесценция
- Генератор Ван де Граафа
- Машина Вимшерста
- Ксерография
Ссылки [ править ]
- ^ а б Сюй Ц, Зи У, Ван А.С., Цзоу Х, Дай И, Хэ Х и др. (Апрель 2018). «О механизме переноса электрона в эффекте контактной электризации». Современные материалы . 30 (15): e1706790. DOI : 10.1002 / adma.201706790 . PMID 29508454 .
- ^ а б Сюй Ц., Ван А.С., Цзоу Х, Чжан Б., Чжан Ц., Цзы И и др. (Сентябрь 2018 г.). «Повышение рабочей температуры трибоэлектрического наногенератора путем подавления термоэлектронной эмиссии при контактной электрификации». Современные материалы . 30 (38): e1803968. DOI : 10.1002 / adma.201803968 . PMID 30091484 .
- ↑ Zhou YS, Liu Y, Zhu G, Lin ZH, Pan C, Jing Q, Wang ZL (июнь 2013 г.). «Количественное исследование наноразмерной трибоэлектрификации и формирования паттернов на месте». Нано-буквы . 13 (6): 2771–6. Bibcode : 2013NanoL..13.2771Z . DOI : 10.1021 / nl401006x . PMID 23627668 .
- ^ Zhou YS, Wang S, Yang Y, Zhu G, Niu S, Lin ZH и др. (Март 2014 г.). «Манипулирование электрификацией контактов в наномасштабе с помощью приложенного электрического поля». Нано-буквы . 14 (3): 1567–72. Bibcode : 2014NanoL..14.1567Z . DOI : 10.1021 / nl404819w . PMID 24479730 .
- ↑ Castle GS, Schein LB (декабрь 1995 г.). «Общая модель контактной электрификации сферического изолятора». Журнал электростатики . 36 (2): 165–173. DOI : 10.1016 / 0304-3886 (95) 00043-7 .
- ^ Xu C, Zhang B, Wang AC, Zou H, Liu G, Ding W и др. (Февраль 2019). «Контакт-электрификация между двумя идентичными материалами: эффект кривизны» . ACS Nano . 13 (2): 2034–2041. DOI : 10.1021 / acsnano.8b08533 . PMID 30707552 .
- ↑ Wang ZL, Wang AC (июнь 2019 г.). «О происхождении контактной электрификации». Материалы сегодня . 30 : 34–51. DOI : 10.1016 / j.mattod.2019.05.016 .
- ^ Lin S, Xu L, Xu C, Chen X, Wang AC, Zhang B и др. (Апрель 2019 г.). «Электронный перенос в наномасштабной контактной электрификации: влияние температуры в случае металл-диэлектрик». Современные материалы . 31 (17): e1808197. DOI : 10.1002 / adma.201808197 . PMID 30844100 .
- ↑ Lin S, Xu L, Zhu L, Chen X, Wang ZL (июль 2019 г.). "Электронный перенос в наномасштабной контактной электрификации: эффект возбуждения фотонов". Современные материалы . 31 (27): e1901418. DOI : 10.1002 / adma.201901418 . PMID 31095783 .
- ↑ Nie J, Wang Z, Ren Z, Li S, Chen X, Lin Wang Z (май 2019). «Производство энергии от взаимодействия жидкой капли и жидкой мембраны» . Nature Communications . 10 (1): 2264. Bibcode : 2019NatCo..10.2264N . DOI : 10.1038 / s41467-019-10232-х . PMC 6531479 . PMID 31118419 .
- ^ Естественная история: Девин Корбин | Совы
- ^ Гиллиспи CC (1976). Словарь научной биографии . Нью-Йорк: Скрибнер. С. 352–353.
- ^ Fowle FE (1921). Смитсоновские физические таблицы . Вашингтон: Смитсоновский институт. п. 322.
- ^ Хенникер J (ноябрь 1962 г.). «Трибоэлектричество в полимерах». Природа . 196 (4853): 474. Bibcode : 1962Natur.196..474H . DOI : 10.1038 / 196474a0 . S2CID 4211729 .
- ^ Серия TriboElectric
- ^ а б Цзоу Х, Чжан И, Го Л, Ван П, Хе Х, Дай Г и др. (Март 2019 г.). «Количественная оценка трибоэлектрического ряда» . Nature Communications . 10 (1): 1427. Bibcode : 2019NatCo..10.1427Z . DOI : 10.1038 / s41467-019-09461-х . PMC 6441076 . PMID 30926850 .
- Перейти ↑ Lowell J (1 декабря 1977). «Роль передачи материала в контактной электрификации» . Журнал физики D: Прикладная физика . 10 (17): L233 – L235. Bibcode : 1977JPhD ... 10L.233L . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 10/17/001 . ISSN 0022-3727 .
- ^ Kanigan, Dan (27 октября 2009). "Правила полетов и трибоэлектрификация (что это такое?) | Испытательный полет Ареса IX" . НАСА . Проверено 31 января 2017 года .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Безансон RM (1985). Энциклопедия физики, третье издание . Компания Ван Ностранд Райнхольд. ISBN 978-0-442-25778-1.
- Аллен Р.К. (ноябрь 2000 г.). «Трибоэлектрическая генерация: заряжаемся». EE-Evaluation Engineering . 39 (11): S4– +.
Внешние ссылки [ править ]
- Серия TriboElectric ( большая детализация )
- Видео: Подробное объяснение профессиональных физиков
- Демонстрация заряженного стержня , Миннесотский университет
- НАСА , Science Crackling Planets
- Пластиковая расческа, натертая хлопчатобумажной тканью, притягивает небольшие кусочки бумаги (видео)
- Статья BBC News, 2005 г. - В мужской куртке возникает искра.
- Трибоэлектрическая генерация: зарядка
