Трибоэлектрический ряд как составить

Как характеристики материала влияют на статический заряд

Трибоэлектрический ряд

Когда два материала соприкасаются и разделяются, полярность и величина заряда, которые возникают, указываются позициями материалов и их можно расположить в трибоэлектрический ряд. Таблицы трибоэлектрических рядов показывают, как генерируются заряды на различных материалах. Когда два материала соприкасаются и разделяются, один ближе к верхней части серии принимает положительный заряд, другой — отрицательный заряд при трении. 

Материалы, которые далеко находятся друг от друга в таблице, как правило, имеют более высокую разность потенциалов, чем близко находящиеся материалы. Однако эти таблицы следует использовать только в качестве справочника, поскольку существует много материалов, которые трудно контролировать, чтобы обеспечить равный потенциал. Типичный трибоэлектрический ряд показан в Таблице 1.

Таблица 1. Типичный трибоэлектрический ряд.

Практически все материалы, включая частицы воды и пыли в воздухе, могут быть трибоэлектрически заряжены. Сколько заряда генерируется, куда этот заряд направлен и как быстро – функции физических, химических и электрических характеристик материала.

Изоляционные материалы (Диэлектрики)

Материал, который предотвращает или ограничивает поток электронов по его поверхности или через его объем, называется изолятором. Изоляторы имеют чрезвычайно высокое электрическое сопротивление, изоляционные материалы определяются как «материалы с поверхностным сопротивлением или объемным сопротивлением, равным или большим 1 × 1011 ом.» На поверхности изолятора может образоваться достаточно большое количество заряда.

Поскольку изоляционный материал не позволяет электронам быстро стекать, как положительные, так и отрицательные, заряды могут находиться на изоляционной поверхности одновременно, хотя и в разных местах. Избыток электронов в отрицательно заряженном месте может быть достаточным, чтобы компенсировать отсутствие электронов в положительно заряженном месте. Однако электроны не могут легко проходить по поверхности изоляционного материала, и оба заряда могут оставаться на месте очень долго. Единственный способ снять заряд с диэлектрика – это нейтрализовать его с помощью ионизаторов.

Проводящий материал

Проводящий материал, поскольку он имеет низкое электрическое сопротивление, позволяет электронам легко проходить по его поверхности или через его объем. Проводящие материалы имеют низкое электрическое сопротивление, меньше чем 1 × 104 Ом (поверхностное сопротивление) и 1 × 104 Ом (объемное сопротивление). Когда проводящий материал становится заряженным, заряд (т. е. дефицит или избыток электронов) будет равномерно распределен по поверхности материала.

Если заряженный проводящий материал контактирует с другим проводящим материалом, электроны будут разделены между материалами довольно легко. Если второй проводник присоединен к заземленному оборудованию с питанием от переменного тока или любому другому оборудования для заземления, то электроны будут устремляться к земле и избыточный заряд на проводнике будет нейтрализован. Электростатический заряд может создаваться трибоэлектрически на проводниках так же, как и на изоляторах. Пока проводник изолирован от других проводников или земли, статический заряд останется на проводнике. Если проводник заземлен, заряд будет устремляться к земле. Или, если заряженный проводник контактирует с другим проводником, заряд будет проходить между двумя проводниками.

Примерами проводящих материалов могут служить такие товары, как антистатические коврики и антистатические контейнеры.

Статические диссипативные материалы (Рассеивающие)

Значение электрического сопротивления находится между изоляционными и проводящими материалами (1 × 104 < 1× 1011 (поверхностное сопротивление или объемное сопротивление). Поток электронов может пройти вдоль или насквозь диссипативного материала, он управляется поверхностным сопротивлением или объемным сопротивлением материала.

Как и в случае двух вышесказанных типов материалов, заряд может генерироваться трибоэлектрически на статическом диссипативном материале. Однако, как и проводящий материал, статический диссипативный материал позволяет передавать заряд на землю или другие проводящие объекты. Перенос заряда из рассеивающего материала обычно занимает больше времени, чем из проводящего материала эквивалентного размера. Передачи заряда от статических диссипативных материалов значительно быстрее, чем от изоляторов, и медленнее, чем от проводящего материала.

Рассеивающий материал используется в изготовлении антистатических ковриков и антистатических пакетов.

Электростатическое поле

Заряженные материалы также имеют электростатическое поле и силовые линии. Проводящие объекты, помещенные в область действия этого электрического поля, будут поляризованы процессом, известным как индукция Рисунок 1. Отрицательное электрическое поле будет отталкивать электроны на поверхности проводящего элемента, который подвергается воздействию поля. Положительное электрическое поле будет притягивать электроны к поверхности, оставляя другие области положительно заряженными. Никаких изменений заряда элемента не произойдет при поляризации. Если проводящее или диссипативное изделие соединено с землей при поляризации, то заряд будет стремиться к земле из-за дисбаланса. Если электростатическое поле выключено и контакт заземления разорван, то заряд останется на предмете. Если изоляционный предмет перемещается в электрическое поле, электрические диполи будут стремиться, чтобы совмещаться с полем, создавая видимые поверхностные заряды. Диэлектрик (изоляционный материал) не может быть заряжен индукцией.

Рис.1. Индукция.

Так называемый «трибоэлектрический эффект» проявляется в образовании электрических зарядов на поверхностях некоторых видов трущихся друг о друга тел. Это явление по сути своей – разновидность контактной электризации, известной человечеству с древних времен.

Типичный пример такого эффекта – опыт с трением эбонитового предмета о кусочек шерстяной ткани, известный многим людям по школьному курсу физики. Примерно такой же эксперимент с янтарной палочкой проводил древнегреческий философ Фалес Милетский.

При каких условиях проявляется трибоэлектрический эффект

Материалы, способные к трибоэлектрическому эффекту, подразделяются на две большие группы. К одной относятся предметы, на поверхности которых при трении образуется положительный заряд, а другие после этой процедуры заряжаются отрицательным статическим электричеством. К ним относятся такие распространенные материалы, как тефлон, шерсть, нейлон, вискоза, хлопок, а также полиэтилен, стекло и каучук.

Первым так называемый «трибоэлектрический ряд» материалов в 1757 году составил и представил на обозрение публики физик из Швеции И. К. Вильке.

При рассмотрении классического примера со стеклянной палочкой и кусочком шерстяной ткани нередко возникают закономерные вопросы. Многим не совсем понятно, каким образом на их поверхности образуется статическое электричество, если стекло считается хорошим диэлектриком (изолятором).

Разъяснить ситуацию поможет понимание того, что заряды в данном случае возникают не во внутренней структуре диэлектрика (эбонита или стекла). Они скапливаются на поверхности не проводящих ток материалов. Для получения нужного эффекта при трении важно установить надежный контакт между двумя материалами, прижимая их как можно плотнее один к другому.

Также отмечается, что на этом эффекте основывается работа трибоэлектрических генераторов капельного типа, извлекающих энергию из материи благодаря трению частиц влаги о поверхность сосуда при отрыве:

1. Предметы, не имеющие заряда.
2. Соприкосновение.
3. Перераспределение заряда.
4. Разъединение.
5. Электрическое поле, образуемое статикой.

Трибоэлектрический эффект всегда наблюдается при трении следующих пар различных или одинаковых материалов:

• Полупроводник-полупроводник.
• Диэлектрик-диэлектрик.
• Металл-металл (при различной плотности структуры).
• Металл-диэлектрик.
• Жидкий диэлектрик-металл.
• Твердый диэлектрик и его жидкий аналог.

Из этих сочетаний становится понятным, почему цистерны бензовозов подлежат обязательному заземлению. При перевозке и тряске бензин электризуется о стенки емкости, что угрожает появлением разрядной искры и пожаром с угрозой взрыва.

В случае плотного контакта двух диэлектриков, рассмотренных, например, в примере со стеклом и шелком они электризуются за счет поверхностной диффузии носителей заряда. Причина эффекта – в неравномерном распределении этих частиц в поверхностном слое этих материалов.

Такие явления характерны для тел с аморфной структурой, в которых отсутствует «классическая» кристаллическая решетка. В них атомы и электроны не локализованы и движутся неупорядоченно. По этой причине они распределяются внутри тела неравномерно и могут образовывать свободные заряды. При сохранении этих условий и появлении внешнего воздействия (трения) движение электронов становится направленным, что приводит к разделению зарядов.

Существует целый ряд закономерностей, сопровождающих трибоэлектрический эффект. Они впервые были сформулированы в виде правил Коэна, суть которых заключается в следующем:

• При трении вещество со значительной по величине диэлектрической проницаемостью будет отдавать больше электронов.
• В результате оно зарядится положительно.
• Второй диэлектрик в этой паре соответственно будет заряжен отрицательно.

Но существуют и исключения из этого правила (например, шелк в паре со стеклом).

Объяснения явления электризации в различных по структуре телах

Трибоэлектрический эффект, возникающий в твердых телах, объясняется следующим образом. Носители заряда (электроны) согласно основному электрическому закону перемещаются от точек с более высоким потенциалом в сторону меньшего.

У полупроводников и металлов эффект объясняется перемещением электронов от материала с меньшей степенью связи к тому предмету, в котором созданы условия для образования новых свободных частиц. Например, при трении диэлектриков они появляются за счет взаимного перемещения электронов и ионов.

Значительный вклад вносит температурный фактор. Нагрев трущихся тел приводит к увеличению энергии элементов в пограничной зоне, за счет чего возникает дополнительный электрический потенциал.

В ситуации с жидкими средами трибоэлектрический эффект объясняется образованием поверхностного заряда на границе раздела тел, находящихся в различных агрегатных состояниях. При трении водяных частиц о металлические стенки, в частности, электричество накапливается за счет разделения зарядов на поверхности стекания жидкости.

Причина электризации на границе раздела двух жидких изоляторов – образование двойного слоя заряда на поверхностях сред с различной диэлектрической проницаемостью. Согласно правилу Коэна жидкая среда с меньшей диэлектрической константой приобретает отрицательный заряд, а с большим ее значением – положительный.

Трибоэлектрический эффект, возникающий при разбрызгивании жидкостей и ударе капель по поверхности твердого диэлектрика, вызван разрушением электрических слоев в зоне разграничения. Электризация струй падающей с большой высоты воды (водопадов) происходит аналогичным образом.

При оценке эффекта учитывается не только его отрицательное влияние на жизнь человека (например, электризация синтетических тканей, мешающая надевать одежду).

Важно принимать во внимание и тот положительный эффект, который достигается с его помощью. Типичный пример использования его с пользой для человека – изучение энергетического спектра электронных ловушек, образующихся в твердом теле. Помимо этого электризация сред трением широко применяется в минералогии, где она применяется при исследовании центров люминесценции некоторых образцов горных пород.

Использование эффекта для создания наногенераторов

Трибоэлектрический эффект как физическое явление не обладает ярко выраженными признаками, что объясняется низкой плотностью образующихся при трении зарядов. Группа ученых из США (штат Джорджия) в свое время предприняла попытку улучшить его энергетические характеристики. Последняя состояла в желании повысить мощность и стабильность генерации заряженных частиц с использованием принципов нанотехнологий.

С этой целью применялись современные методы магнитного возбуждения с помощью специального оборудования (индукционных генераторов, в частности). По окончании исследований выяснилось, что при грамотно разработанной и отстроенной схеме умножения, совмещенной с внешним возбудителем, можно достичь показателя плотности заряда порядка 1,25 мКл на м². Достигаемая при этом электрическая мощность пропорциональна указанной величине, возведенной в квадрат.

Представленная разработка открывает перспективы для создания трибоэлектрических наногенераторов, которые в перспективе могут использоваться для зарядки портативных приборов (девайсов). Экономичность этого решения не вызывает сомнений, поскольку энергия добывается из каждодневных механических движений конечностей человека.

Предполагается, что в будущем такие генераторы смогут иметь следующие достоинства:

• Практически неощутимый вес.
• Простота создания.
• Сравнительно низкая стоимость.

Добавим к этому возможность использования доступных материалов, эффективность функционирования которых максимальна на частотах порядка1-4 Гц.

Схемы наногенераторов

К наиболее перспективным решениям по созданию таких генераторов относят схему с внешней накачкой статических зарядов, когда часть вырабатываемой энергии используется для увеличения их распределенной плотности. В этом варианте исполнения  разработчики попытались разделить функции отдельных компонентов и воздействовать на генерацию без участия трибоэлектрического слоя (с помощью специальных электродов).

При проведении экспериментов американские специалисты учитывали влияние на эффективность генерации таких внешних факторов, как:

• Тип и толщина диэлектрика.
• Материал электродов.
• Частота возбуждения.
• Влажность среды и т. п.

Сегодня встречаются наногенераторы с трибоэлектрическим слоем (ТЭНГ) на основе диэлектрической пленки толщиной 5 мкм с электродами, изготавливаемыми из меди или алюминия. Специфика современных изделий заключается в том, что примерно через минуту на частоте порядка 1 Гц поверхностный заряд накапливается в достаточном количестве. Полученный результат позволяет надеяться на создание перспективного генератора, способного решать целый ряд практических задач.

Похожие темы:

• Генератор Тестатика. Устройство и работа. Особенности
• Электрофорная машина. Устройство и работа. Особенности
• Генератор Ван де Граафа. Работа и применение. Особенности
• Защита от статического электричества. Возникновение и действие
• Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение
• Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность
• Электричество. Электрический ток. Электростанции
• Генератор Маркса. Работа и применение. Особенности
• Пироэлектричество. Появление и применение. Особенности
• Поверхностный эффект. Характеристики и применение
• Электризация тел. Виды и свойства. Применение и особенности
• Замбониев столб. Устройство и применение. Особенности
• Электродинамика и электростатика. Законы и особенности
• Ток утечки. Причины появления и протекания. Параметры

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.

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.

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.  

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

Трибоэлектричество

Трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения (разделения материалов после плотного контакта). Еще в античности Фалес натирал янтарную палочку мотком шерсти и примагничивал к палочке опилки и стружки. Советские дети тёрли об голову надутый воздушный шарик, а потом приклеивали его к потолку. С появлением оргтехники, бытовой электроники, упаковочного пенопласта и бинбэгов (кресла-мешки) в ход пошли котики.

Так что мы знаем на данный момент про трибоэлектричество?

• Трибология — наука, раздел физики, занимающийся исследованием и описанием контактного взаимодействия твёрдых деформируемых тел при их относительном перемещении. Областью трибологических исследований являются процессы трения, изнашивания и смазки.
• Трибоэлектрический эффект очень непредсказуем, и можно сделать лишь широкие обобщения.
• Всеобъемлющая теория электризации пока не построена, но выявлено много эмпирических закономерностей.

• Правило Коэна: материал с более высокой диэлектрической постоянной получает положительный заряд. Правило Коэна получило подтверждение более чем для 400 веществ.
• Полярность и сила создаваемых зарядов различаются в зависимости от материалов, шероховатости поверхности, температуры, деформации и других свойств.
• Опытным путем были найдены трибоэлектрические ряды (впервые Иоганом Вильке в 1757): вещество, расположенное в верхней части ряда при контакте будет заряжено положительно, а то что ниже — будет заряжено отрицательно. Некоторые из рядов представлены в таблице:

  

• Существует и трибоэлектрическое кольцо: в паре шёлк-стекло стекло заряжается отрицательно, в паре стекло-цинк отрицательно заряжается цинк, в паре цинк-шёлк отрицательно заряжается шёлк.
• Человек, идущий по ковру или снимающий нейлоновую рубашку или ёрзающий в автокресле, 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, поскольку поверхностная конденсация обычно предотвращает трибоэлектрический заряд, а повышенная влажность увеличивает электропроводность воздуха.
• Самолет в полёте «трётся» о воздух и накапливает трибоэлектрический заряд.
• В NASA есть «правило трибоэлектрификации», согласно которому они отменяют запуск ракеты, если предполагается, что ракета-носитель пройдет через определенные типы облаков.
• Статический разряд представляет особую опасность на 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 перед открытием 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.
• Некоторые электронные устройства, в первую очередь CMOS-интегральные схемы и MOSFET-транзисторы, могут быть случайно повреждены высоковольтным статическим разрядом. Такие компоненты обычно хранятся в токопроводящей пене.
• Заземление путем прикосновения к рабочему столу или использования специального браслета или браслета на щиколотке является стандартной практикой при работе с неподключенными интегральными схемами.

Общая модель электронного облака и потенциальной ямы, предложенная Вангом для объяснения трибоэлектрификации и переноса и высвобождения заряда между двумя материалами, которые могут не иметь четко определенной структуры энергетических зон.

Источники

• Triboelectric effect
• This is Science: носимая электроника и трибоэлектричество. Часть 1
• Вдувай и получай электроэнергию
• Трибоэлектричество – еще один источник энергии

P.S.

From Wikipedia, the free encyclopedia

The triboelectric effect (also known as triboelectric charging) is a type of contact electrification on which certain materials become electrically charged after they are separated from a different material with which they were in contact. Rubbing the two materials with each other increases the contact between their surfaces, and hence the triboelectric effect. Rubbing glass with fur for example, or a plastic comb through the hair, can build up triboelectricity. Most everyday static electricity is triboelectric. The polarity and strength of the charges produced differ according to the materials, surface roughness, temperature, strain, and other properties.

The triboelectric effect is very unpredictable, and only broad generalizations can be made. Amber, for example, can acquire an electric charge by contact and separation (or friction) with a material like wool. This property was first recorded by Thales of Miletus. The word «electricity» is derived from William Gilbert’s initial coinage, «electra», which originates in the Greek word for amber, ēlektron. The prefix tribo- (Greek for ‘rub’) refers to ‘friction’, as in tribology. Other examples of materials that can acquire a significant charge when rubbed together include glass rubbed with silk, and hard rubber rubbed with fur.

A very familiar example could be the rubbing of a plastic pen on a sleeve of almost any typical material like cotton, wool, polyester, or blended fabric used in modern clothing. Such an electrified pen will attract and pick up pieces of paper less than a square centimeter when the pen approaches. Also, such a pen will repel a similarly electrified pen. This repulsion is readily detectable in the sensitive setup of hanging both pens on threads and setting them nearby one another. Such experiments led to the theory of two types of quantifiable electric charge, one being effectively the negative of the other, with a simple sum respecting signs giving the total charge. The electrostatic attraction of the charged plastic pen to neutral uncharged pieces of paper (for example) is due to temporary charge separation (electric polarisation or dipole moment) of electric charges within the paper (or perhaps alignments of permanent molecular or atomic electric dipoles). A net force then arises as the slightly nearer charges of the dipole get attracted more strongly in the nonuniform field from the pen which diminishes with distance. In a uniform electric field, for example inside parallel capacitor plates, temporary polarisation would occur in the small pieces of paper but with zero net attraction.

The triboelectric effect is now considered to be related to the phenomenon of adhesion, where two materials composed of different molecules tend to stick together because of attraction between the different molecules.^{[citation needed]} While adhesion is not a chemical bond between atoms, there is an exchange of electrons between the different types of molecules, resulting in an electrostatic attraction between the molecules that holds them together. Physical separation of materials that are adhered together results in friction between the materials. Because the electron transfer between molecules in the different materials is not immediately reversible, the excess electrons in one type of molecule remain left behind, while a deficit of electrons occurs in the other. Thus, a material can develop a positive or negative charge (see also static electricity) that dissipates after the materials separate.^{[citation needed]}

The mechanisms of triboelectrification (or contact-electrification) have been debated for many years, with possible mechanisms including electron transfer, ion transfer or the material’s species transfer.^{[clarification needed]} Recent studies in 2018 using Kelvin probe microscopy and triboelectric nanogenerators revealed that electron transfer is the dominant mechanism for triboelectrification between solid and solid.^[1][2] The work function model can be used to explain electron transfer between a metal and a dielectric.^[3][4] The surface states model can be used to explain electron transfer between two dielectrics.^[1][5][6] For a general case, since triboelectrification occurs for any material, a generic model has been proposed by Wang, in which the electron transfer is caused by a strong electron cloud overlap between two atoms for the lowered interatomic potential barrier by shortening the bonding length.^[7] Based on the model, the effects of temperature and photo excitation on the triboelectrification were investigated.^[8][9] Such model can be further extended to the cases of liquid-solid, liquid-liquid and even gas-liquid.^[10]

Triboelectric series[edit]

A triboelectric series is a list of materials, ordered by certain relevant properties, such as how quickly a material develops a charge relative to other materials on the list. Johan Carl Wilcke published the first one in a 1757 paper on static charges.^[11][12] Materials are often listed in order of the polarity of charge separation when they are touched with another object. A material towards the bottom of the series, when touched to a material near the top of the series, will acquire a more negative charge. The farther away two materials are from each other on the series, the greater the charge transferred. Materials near to each other on the series may not exchange any charge, or may even exchange the opposite of what is implied by the list. This can be caused by rubbing, by contaminants or oxides, or other variables. The series was further expanded by Shaw^[13] and Henniker^[14] by including natural and synthetic polymers, and showed the alteration in the sequence depending on surface and environmental conditions. Lists vary somewhat as to the exact order of some materials, since the relative charge varies for nearby materials. From actual tests, there is little or no measurable difference in charge affinity between metals, probably because the rapid motion of conduction electrons cancels such differences.^[15]

Another triboelectric series based on measuring the triboelectric charge density of materials was quantitatively standardized by Prof. Zhong Lin Wang’s group.^[16] The triboelectric charge density of the tested materials was measured with respect to liquid mercury in a glove box under well-defined conditions, with fixed temperature, pressure and humidity to achieve reliable values. The proposed method standardizes the experimental set up for uniformly quantifying the surface triboelectrification of general materials.

Cause[edit]

Although the part ‘tribo-‘ comes from the Greek for «rubbing», τρίβω (τριβή: friction), the two materials only need to come into contact for electrons to be exchanged. After coming into contact, mobile charges move from one material to the other to equalize their electrochemical potential. This is what creates the net charge difference between the objects. When both contacting materials are dielectrics, the moving charge is not carried by electron, but rather by an ion, such as H+. In effect, this process is similar to an acid-base reaction, when the base object becomes positively charged, and the acid object becomes negatively charged. In addition, some materials may exchange ions of differing mobility, or exchange charged fragments of larger molecules.

The triboelectric effect is related to friction only because they both involve adhesion. However, the effect is greatly enhanced by rubbing the materials together, as they touch and separate many times.^[17]

For surfaces with differing geometry, rubbing may also lead to heating of protrusions, causing pyroelectric charge separation which may add to the existing contact electrification, or which may oppose the existing polarity. Surface nano-effects are not well understood, and the atomic force microscope has enabled rapid progress in this field of physics.

Sparks[edit]

Because the surface of the material is now electrically charged, either negatively or positively, any contact with an uncharged conductive object or with an object having substantially different charge may cause an electrical discharge of the built-up static electricity: a spark. A person simply walking across a carpet, removing a nylon^{[citation needed]} shirt or rubbing against a car seat can also create a potential difference of many thousands of volts, which is enough to cause a spark one millimeter long or more.

Electrostatic discharge may not be evident in humid conditions because surface condensation normally prevents triboelectric charging.

Electrostatic discharges (other than lightning which comes from triboelectric charging of ice and water droplets within clouds) cause minimal harm because the energy (1/2V²C) of the spark is very small; however, such sparks can ignite flammable vapors (see risks and counter-measures). This is not the case when the capacitance of one of the objects is very large.

Mechanism of triboelectrification[edit]

Interatomic interaction potential can be applied to understand the interactions between atoms. When two atoms are at equilibrium positions, with an equilibrium interatomic distance, the electron clouds or wave functions are overlapped partially. On one hand, if the two atoms get close to each other as pressed by an external force, the interatomic distance becomes shorter than the equilibrium distance, the two atoms thus repel each other because of the increase in electron cloud overlap. It is in this region that electron transfer occurs. On the other hand, if the two atoms are separated from each other such that they have a larger interatomic distance than the equilibrium distance, they will attract with each other due to long-range Van der Waals interaction.

An atomic-scale charge transfer mechanism (generic electron-cloud-potential model) was proposed for the triboelectrification.^[2][18] First, before the atomic-scale contact of two materials, there is no overlap between their electron clouds, and an attractive force exists. The electrons are so tightly bound in specific orbits so that they cannot escape freely. Then, when the two atoms in two materials get close to contact, an ionic or covalent bond is formed between them by the electron cloud overlap. An external force can further decrease the interatomic distance (bond length), and the strong electron cloud overlap induces the drop of the energy barrier between the two, resulting in electron transfer, which is the triboelectrification process. Once the two atoms are separated, the transferred electrons would remain because an energy is needed for the electrons to transfer back, forming the electrostatic charges on surfaces of the materials.

In aircraft and spacecraft[edit]

Aircraft develop a static charge through collisions with droplets and ice particles.^[19] The static can be discharged with static dischargers or static wicks.

NASA follows a «triboelectrification rule» whereby they will cancel a launch if the launch vehicle is predicted to pass through certain types of clouds. Flying through high-level clouds can generate «P-static» (P for precipitation), which can create static around the launch vehicle that will interfere with radio signals sent by or to the vehicle. This may inhibit telemetry to the ground or the vehicle, particularly critical signals for the flight termination system. When a hold is put in place due to the triboelectrification rule, it remains until Space Wing and observer personnel, such as those in reconnaissance aircraft, indicate that the skies are clear.^[20]

Risks and counter-measures[edit]

Ignition[edit]

The effect is of considerable industrial importance in terms of both safety and potential damage to manufactured goods. Static discharge is a particular hazard in grain elevators owing to the danger of a dust explosion. The spark produced is fully able to ignite flammable vapours, for example, petrol, ether fumes as well as methane gas. For bulk fuel deliveries and aircraft fueling a grounding connection is made between the vehicle and the receiving tank prior to opening the tanks. When fueling vehicles at a retail station touching metal on the car before opening the gas tank or touching the nozzle may decrease one’s risk of static ignition of fuel vapors.^{[citation needed]}

In the workplace[edit]

Means have to be provided to discharge static from carts which may carry volatile liquids, flammable gases, or oxygen in hospitals. Even where only a small charge is produced, it can result in dust particles being attracted to the rubbed surface. In the case of textile manufacture this can lead to a permanent grimy mark where the cloth comes in contact with dust accumulations held by a static charge. Dust attraction may be reduced by treating insulating surfaces with an antistatic cleaning agent.

Damage to electronics[edit]

Some electronic devices, most notably CMOS integrated circuits and MOSFETs (a type of transistor), can be accidentally destroyed by high-voltage static discharge. Such components are usually stored in a conductive foam for protection. Grounding oneself by touching the workbench, or using a special bracelet or anklet is standard practice while handling unconnected integrated circuits. Another way of dissipating charge is by using conducting materials such as carbon black loaded rubber mats in operating theatres, for example.

Devices containing sensitive components must be protected during normal use, installation, and disconnection, accomplished by designed-in protection at external connections where needed. Protection may be through the use of more robust devices or protective countermeasures at the device’s external interfaces. These may be opto-isolators, less sensitive types of transistors, and static bypass devices such as metal oxide varistors.

Source of noise[edit]

Within medical cable assemblies and lead wires, random triboelectric noise is generated when the various conductors, insulation, and fillers rub against each other as the cable is flexed during movement. Noise generated within a cable is often called handling noise or cable noise, but this type of unwanted signal is more accurately described as triboelectric noise. When measuring low-level signals, noise in cable or wire may present a problem. For example, the noise in an ECG or another medical signal may make accurate diagnosis difficult or even impossible. Keeping triboelectric noise at acceptable levels requires careful material selection, design, and processing as cable material is manufactured.^[21]

See also[edit]

References[edit]

Further reading[edit]

External links[edit]

• Video: Detailed explanation by professional physicists
• Charged Rod Demonstration, University of Minnesota
• NASA, Science Crackling Planets
• A plastic comb rubbed with a cotton cloth attracts small pieces of paper (video)
• BBC News Article, 2005 — Man’s static jacket sparks alert
• Triboelectric Generation: Getting Charged