на 2024/06/19 288

Статично електричество

Статично електричество, явление, известно от древни времена, заради завладяващите си ефекти от привличането и отблъскването след разтриване на предмети заедно.Ранните експерименти с материали като стъкло, коприна, парафинов восък и вълна помогнаха за изграждането на разбирането на електростатиката.Значителен принос от исторически фигури като Чарлз Дюфай и Бенджамин Франклин помогна за развитието на теории за невидимите сили, които играят, в крайна сметка идентифицирайки електрическия заряд като движение на електрони.Откриването на бурканчето Leyden през 1745 г. и напредък от изобретатели като Otto von Guericke даде възможност за генериране на по -големи статични заряди, като допълнително подобри изучаването на електростатиката.Работата на Чарлз Кулон върху силите между заредените частици даде по -дълбоко разбиране на тези явления.Тази статия се задълбочава в историята, теориите и практическите приложения на статичното електричество, подчертавайки неговото въздействие върху научната мисъл и технологичните иновации.

Каталог

Фигура 1: Статично електричество

Исторически открития

Преди векове беше забелязано, че определени материали, като стъкло и коприна, ще се привличат, след като са разтрити заедно.Това интересно събитие не се ограничаваше до стъкло и коприна;Други комбинации, като парафинов восък и вълна, показаха подобно поведение.Експериментаторите видяха, че докато разтриват материали от различни видове се привличаха взаимно, едни и същи материали се изтласкват един друг.

По -нататъшните проучвания показват, че всеки материал, демонстриращ привличане или отблъскване след разтриване, може да бъде поставен в една от двете групи: привлечени от стъкло и отблъснат от восък или отблъснат от стъкло и привлечени от восък.Това групиране предполага, че материалите попадат в две ясни категории въз основа на техните електрически свойства.

Фигура 2: Привличане на плат и вълнена вълнена кърпа

Ранни теории и експерименти

Невидимите промени, причиняващи привличане или отблъскване, накараха ранните експериментатори да мислят за прехвърлянето на невидими „течности“ по време на триене.Чарлз Дюфай показа, че разтриването на определени двойки предмети създава два различни типа промени, което води до привличане или отблъскване между материалите.Констатациите на Dufay показаха, че материалите могат да бъдат групирани въз основа на поведението им след разтриване: някои материали се привличаха взаимно, докато други се отблъскват взаимно.

Въз основа на тези наблюдения, Бенджамин Франклин предложи теория, включваща един тип течност.Според Франклин, разтриването на обекти заедно не включва две различни течности, а по -скоро е причинил дисбаланс на една течност, която той нарече електрически заряд.Обектите могат да имат твърде много (+) или твърде малко (-) от тази течност.Условията на Франклин за това бяха „положителна такса“ (+) за това, че има твърде много и „отрицателна такса“ (-) за твърде малко.

Хипотезата на Франклин даде по -опростен начин за разбиране на статичното електричество.Той предположи, че привличането и отблъскването, наблюдавани между материалите, се дължат на дисбаланса на този единствен електрически заряд.Тази идея постави основата за по -нататъшно проучване и евентуалното идентифициране на електрическия заряд като движение на електрони.

Принос на Франклин

Бенджамин Франклин направи експерименти с материали като восък и вълна, за да разбере статичното електричество.Той смяташе, че разтриването на тези материали заедно премества невидима течност между тях.Той вярваше, че вълната е взела част от тази течност от восъка, създавайки дисбаланс, който кара двата материала да се привличат един друг.

Франклин нарече заряда на восъка „отрицателен“, защото смяташе, че той има по -малко от тази течност.Той нарече заряда на вълната „положителен“, защото смяташе, че има повече от течността.Въпреки че сега знаем, че тази "течност" всъщност е движението на електрони, термините на Франклин "положителни" и "отрицателни" заряди все още се използват.Тази терминология остава, защото точно описва посоката на електронния поток: от материал с повече електрони (-) до един с по-малко електрони (+).

Количествено определяне на електрическия заряд

През 1780 -те френският физик Чарлз Кулон измерва електрическия заряд, използвайки торсионен баланс.Експериментите му доведоха до дефиницията на кулона, единица електрически заряд.Работата на Coulomb показа, че силата между две точки заряда е пропорционална на продукта на техните такси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.Един кулом се равнява на заряда от приблизително 6,25 × 10^18 електрона, а един електрон има заряд от около 0,00000000000000000016 кулоби.

Съставът на атома

Фигура 3: Състав на атома

Допълнителни експерименти показаха, че цялата материя е направена от атоми, които се състоят от три основни частици: протони, неутрони и електрони.Протоните имат положителен (+) заряд, електроните имат отрицателен (-) заряд и неутроните нямат зареждане.

Структурата на атом включва ядрото и електронните черупки.Ядрото, разположено в центъра на атома, съдържа протони и неутрони, които са плътно свързани.Това стегнато свързване придава на ядрото стабилността му и определя елементарната идентичност на атома.Промяната на броя на протоните превръща атома в различен елемент.

Електрони обикалят ядрото в региони, наречени електронни черупки.За разлика от протоните и неутроните, електроните не са плътно свързани с ядрото.Те могат лесно да бъдат преместени от различни сили, което води до електрически дисбаланс.Когато електроните се преместват от един атом в друг, това създава електрически заряд.

Способността на електроните да се движат по -свободно в сравнение с протоните и неутроните е от ключово значение за явлението статично електричество.Когато определени материали се втриват заедно, електроните се прехвърлят от един материал в друг, което води до това да се зарежда положително (липсващи електрони), а другият да се зарежда отрицателно (с допълнителни електрони).Това движение на електрони е в основата на статичната електричество.

Обяснено статично електричество

Статичното електричество се случва, защото има дисбаланс на електроните между обектите.Когато определени материали се търкат заедно, електроните - отредени частици - движат от един материал на друг.Този трансфер кара единия обект да придобива електрони, като става отрицателно зареден, а другият да губи електрони, като става положително зареден.Това движение на електрони създава дисбаланс на електрическия заряд, като единият материал има повече електрони (отрицателен заряд), а другият има по -малко електрони (положителен заряд).

Обектите с противоположни заряди се привличат взаимно, докато обектите със същата заряда се отблъскват взаимно.Ето защо балон се разтрива върху пръчки за коса до стена.Балонът, който сега е отрицателно зареден от придобиване на електрони от косата, е привлечен от неутралната или положително заредена стена.

Ежедневните примери за статично електричество включват балон и сценарий за коса и дрехи в сушилня.В случая с балона, разтриването му по електрони за коса, което прави балона отрицателно зареден и го кара да се придържа към неутрална стена.По същия начин, в сушилнята за дрехи, триенето между дрехите прехвърля електрони, причинявайки статично прилепване, тъй като дрехите се слепват поради противоположни заряди.

Трикоелектрическият ефект

Фигура 4: Трикоелектричен ефект

Трикоелектричният ефект се случва, когато два различни материала се втриват заедно, което води до преминаване на електрони от един материал в друг.Това движение прави един материал, положително зареден (защото губи електрони), а другият отрицателно зареден (защото придобива електрони).

Този ефект обяснява много ежедневни преживявания на статичното електричество.Например, когато разтривате балон върху косата си, електроните се движат от косата ви към балона.В резултат на това косата ви става положително заредена и балонът става отрицателно зареден.Обратните заряди се привличат взаимно, карайки косата ви да се придържа към балона.

Трикоелектричният ефект зависи от свойствата на участващите материали.Някои материали лесно се отказват от електрони, докато други привличат и държат върху тях.Тази тенденция е описана от трибуелектрическата серия, която класира материали въз основа на това колко е вероятността да спечелят или загубят електрони.

Когато два материала от противоположните краища на трибоелектрическия серия се втриват заедно, прехвърлянето на електрони е по -значимо, което води до по -силен статичен заряд.Например, разтриването на стъкло (което има тенденция да губи електрони) с коприна (която има тенденция да печели електрони) води до забележим статичен заряд.

Практически приложения

Въпреки че често се разглежда като досадно, статичното електричество има много полезни приложения:

Ксерографски печат

Фигура 5: Ксерографски печат

Ксерографският печат разчита на статично електричество за работа.Тази технология се използва при фотокопии и лазерни принтери.Ето подробен поглед върху това как функционира:

Фотопроводим барабан вътре в копира или принтер първо получава статичен заряд.Този барабан може да държи електрически заряд и да реагира на светлина.Когато изображение на документа, който трябва да се копира, се проектира върху барабана, светлината кара статичното зареждане да изчезне в зоните, изложени на него, докато зарядът остава в тъмните зони, където няма светлина.

След това тонерът, който е фин прах с положителен заряд, се поръсва върху барабана.Положително зареденият тонер се придържа към отрицателно заредените зони на барабана, където зарядът не е неутрализиран от светлината.Това създава прахообразно изображение на документа на барабана.

След това барабанът се търкаля върху лист хартия, прехвърляйки изображението на тонера върху хартията.Накрая хартията преминава през чифт отопляеми ролки, наречени фюзер.Топлината и налягането от фюзера разтопява частиците на тонера, което ги кара да се придържат към хартията за постоянно.

Целият този процес се случва много бързо и ефективно, което позволява бързото производство на висококачествени копия и отпечатъци.Използването на статично електричество в ксерографския печат е блестящо приложение на основни научни принципи, превръщайки ги в практическа технология, която използваме всеки ден.

Електростатични въздушни филтри

Фигура 6: Електростатични въздушни филтри

Електростатичните въздушни филтри използват статично електричество за почистване на въздуха, като премахват частици като прах, цветен прашец и други замърсители.Ето как работят по -подробно:

Първо, филтърът се зарежда със статично електричество.Това може да се случи по няколко начина.Един често срещан метод е използването на електрическо поле за зареждане на филтърния материал.Друг начин е да преминете въздух през решетка от проводници, които зареждат частиците във въздуха, докато преминават.

След като филтърът се зарежда, той привлича и улавя частици от въздуха.Зареденият филтър работи като магнит за прах и други малки частици.Когато тези частици се доближат до филтъра, електростатичният заряд ги дърпа, което ги кара да се придържат към филтъра.Това кара въздуха да преминава през много по -чисти.

Електростатичните въздушни филтри са много ефективни, тъй като те могат да улавят много малки частици, които други видове филтри могат да пропуснат.Това включва не само прах и прашец, но и дим, бактерии и дори някои вируси.Поради тази висока ефективност, те често се използват на места, където качеството на въздуха има много значение, като например в домове с страдащи от алергия или в индустриални условия, където чистият въздух е необходим както за здравето, така и за качеството на продукта.

Едно от основните предимства на електростатичните въздушни филтри е, че те могат да бъдат използвани повторно.Вместо да подменяте филтъра всеки път, когато се замърси, можете да го почистите и да го върнете обратно.Това ги прави по-екологични и рентабилни с течение на времето.Необходимо е обаче да почиствате редовно филтъра, за да го поддържате добре.Ако филтърът стане твърде замърсен, той не може да държи повече частици и качеството на въздуха ще пострада.

Van de Graaff Generator

Фигура 7: Генератор на Van de Graaff

Генераторът на Van de Graaff, създаден от физика Робърт Дж. Ван де Грааф през 30 -те години на миналия век, е машина, която произвежда високи напрежения, използвайки статично електричество.Това устройство работи, като премества електрически заряд в метална сфера през колан.Докато коланът се движи, той носи заряда към сферата, където се натрупва.Този процес може да генерира напрежения, достигащи до милиони волта, което прави генератора на Van de Graaff много полезен за научни експерименти, особено във физиката на частиците, където се използва за ускоряване на частиците.

Експериментите на Майкъл Фарадей през 1832 г. показват, че статичното електричество е същото като електричеството, направено от батерии и генератори.Фарадей демонстрира, че и двата вида електричество могат да причинят едни и същи химически и физически ефекти, като разграждане на химически съединения и създаване на магнитни полета.Работата му показа, че всички видове електричество идват от едно и също основно явление: движението на електрическия заряд.

Генераторът на Van de Graaff и откритията на Фарадей значително повлияха на нашето разбиране за електричеството.Генераторът на Van de Graaff, със способността си да произвежда високи напрежения, е много полезен при напредването на изследванията във физиката на частиците.Тя позволява на учените да ускоряват частиците до високи скорости, което прави възможно изучаването на основните части на материята и силите.

Работата на Фарадей, от друга страна, положи основите за нашето разбиране за електричеството като единствено явление.Доказвайки, че статичното и текущото електричество са основно еднакви, той свързва различни видове електрически явления.Това разбиране е много полезно при разработването на различни електрически технологии и приложения.

Заедно тези разработки показват как научните открития са свързани с техните практически приложения.Генераторът на Van de Graaff и експериментите на Faraday не само задълбочиха теоретичните ни познания за електричеството, но и доведоха до значителен технологичен напредък.

Електростатика в голям мащаб

В средата на 1600 г. изобретателите започнаха да правят електростатични машини, които могат да създадат много по-големи заряди от тези, направени чрез просто триене.Тези машини работеха, използвайки въртящи се колела или цилиндри, изработени от изолационни материали като стъкло или сяра.Постоянното триене с материали като плат или козина на електрифициране на тези материали, което позволява производството на значителни електрически искри и статични заряди.

Една от най -ранните известни електростатични машини е построена през 1660 г. от Ото фон Гюрикке в Магдебург, Германия.Машината на Guericke използва въртяща се сярна топка, която при разтриване може да доведе до силни статични заряди.Това изобретение бележи голям напредък в изследването на електростатиката.

Изобретението на бурканчето в Лейдън през 1745 г. от Питер Ван Мюшенброк в Лейдън, Холандия, допълнително преобрази полето.Бурканът Leyden е основно стъклен буркан, частично покрит отвътре и отвън с метално фолио, което му позволява да съхранява голям статичен заряд.Чрез свързване на два буркана Leyden към електростатична машина - единият за задържане на отрицателен заряд, а другият положителен заряд - стана възможно да се натрупа големи количества статично електричество.

Тези напредъци позволяват генерирането на много по -големи и по -опасни искри.Например, в експеримент по физика в гимназията, електростатична машина с буркани с Лейдън може да произведе искра с дължина 15 сантиметра, причинявайки временна парализа, ако случайно се изхвърля през човешка ръка.

Стремежът към генериране на все по-големи електростатични заряди се превърна в някаква научна тенденция в средата на 18 век.В Америка Бенджамин Франклин използва електростатични машини, за да електрически пуйки за масата си за вечеря.През 1750 г. френският физик Аба Нолет проведе драматична демонстрация, като над хиляда монаси от Картис се държи в кръг, докато той изхвърля масивен буркан с Лейдън.Едновременният скок на всички монаси показа моменталната скорост на електрически разряд.

Приликата между искрите, произведени от електростатични машини и мълнии, не остана незабелязана.През юни 1752 г. Бенджамин Франклин провежда своя известен експеримент с кайт, за да провери дали мълнията наистина е гигантска електрическа искра.По време на гръмотевична буря Франклин и синът му използваха хвърчило, за да прехвърлят електрическия заряд от бурни облаци в буркан с Лейдън, като категорично доказват, че мълнията е електрическо явление.Този експеримент доведе до изобретяването на мълния, устройство, което защитава сградите чрез безопасно провеждане на удари на мълния на земята.

Теоретичните приноси на Франклин също бяха много значими.Той въведе термините "положителни" и "отрицателни" за електрически заряди и показа чрез експерименти, че количеството отрицателен заряд върху разтрит обект е точно равно на положителния заряд на обекта, извършващ триенето.Това беше голяма стъпка към идеята за опазване на заряда, която казва, че общият електрически заряд в изолирана система остава същият.

Светкавица и електростатика

Фигура 8: Светкавица и електростатика

През 1752 г. Бенджамин Франклин прави своя добре известен експеримент с кайт, за да покаже, че мълнията е електрически разряд.По време на гръмотевична буря Франклин лети с хвърчил с метален ключ, прикрепен към връвта.Когато мълния удари хвърчилото, ключът стана електрифициран, доказвайки, че идеята му е правилна.Този експеримент показа, че мълнията е форма на електрически разряд, като искрите, направени от статично електричество.

След това голямо откритие Франклин измисли мълния.Светкавикът е прост, но ефективен инструмент, направен за защита на сградите от удари на мълния.Той има заострен метален прът, поставен в най -високата точка на сграда, свързан към земята с проводима жица.Когато мълнията удари, пръчката безопасно насочва електрическия заряд надолу по жицата и в земята, спирайки щетите по сградата.

Светкавичният прът на Франклин работи, защото острата точка на пръта прави въздуха около нея йонизира, създавайки лесен път за електрическия разряд.Този път насочва енергията на мълнията далеч от сградата, като намалява риска от пожар и структурни щети.Изобретението на Франклин беше голяма стъпка напред в нашето разбиране и справяне с естествените електрически събития, осигурявайки полезно решение на потенциално много вреден проблем.

Законът на Кулом

Фигура 9: Законът на Coulomb

Експериментите на Чарлз Кулон бяха много полезни за разбиране на електростатичната сила.Той откри, че силата между два електрически заряда намалява бързо, тъй като разстоянието между тях се увеличава.По принцип, докато премествате таксите по -далеч, силата между тях става много по -слаба.Тази идея е подобна на закона за гравитацията на Нютон, който гласи, че гравитационната сила между две маси също намалява с увеличаването на разстоянието между тях.

В закона на Coulomb основната идея е, че силата между обвиненията става по -слаба, ако увеличите разстоянието и по -силната, ако намалите разстоянието.Това поведение е като как работи гравитационната сила, но вместо да се занимава с маси и гравитация, законът на Кулон се занимава с електрически заряди.

Това знание е много полезно за обяснение на много електрически неща.Например, ако удвоите разстоянието между два заредени обекта, силата, която дърпа или натиска заедно, става много по -слаба.От друга страна, сближаването на предметите прави силата много по -силна.

Законът на Coulomb има много приложения в науката и инженерството.Той помага при проектирането на електронни части като кондензатори, разбиране на това как се обединяват атомите и прогнозирането на това как се държи статичното електричество в различни ситуации.Работата на Coulomb постави основата на съвременните идеи за електромагнетизъм и остава много важна за изучаването на физиката и електротехниката.

Напрежение и ампераж

Електрическият ток е основно потокът от електрони през проводник.Този поток има две основни свойства: напрежение и ампераж.Напрежението, наричано още електрически потенциал, е силата, която изтласква електроните през верига, подобно на налягането на водата в тръба.Амперажът или токов поток е броят на електроните, които се движат през веригата, като количеството вода, преминаваща през тръбата.

В ежедневните домакински електрически системи стандартното напрежение обикновено е около 120 волта.Различните уреди използват различни количества ампераж въз основа на техните нужди от мощност.Например, крушката използва малко количество ток, докато голям уред като фурна или пералня използва много повече.

Електрическата мощност, която е скоростта, с която се използва или произвежда електрическа енергия, се изчислява чрез умножаване на напрежението и ампеража (P = V × I).Това означава, че уред, работещ на 120 волта и използва 10 ампера ток, използва 1200 вата мощност.

Статичното електричество, от друга страна, може да създаде много високи напрежения, но обикновено включва много нисък ампераж.Ето защо шоковете, които получаваме от статичното електричество, могат да бъдат изненадващи, но като цяло са безобидни.Високото напрежение може лесно да прокара електрони през въздуха, причинявайки искра, но ниският ампераж означава, че общата енергия е много малка.

Електростатика в ежедневието

Статичното електричество е нещо, което често срещаме в ежедневието.Когато преминете през килим или свалите шапка, може да получите шок, когато докоснете метален предмет.Това се случва, защото тялото ви събира електрически заряд.

Този заряд се натрупва, когато електроните се преместват от едно нещо в друго.Например, докато вървите по килим, електроните се движат от килима към обувките ви, правейки тялото ви отрицателно заредено.Когато докоснете метален обект, който лесно позволява да тече електричеството, допълнителните електрони в тялото ви бързо се движат към метала, причинявайки малък токов удар.

Този ефект е по-силен, когато сте отделени от земята от материали, които не позволяват на електричеството да тече лесно, като обувки с каучук.Тези материали спират лесно да изтичат електроните в земята, което води до натрупване на заряда върху тялото ви.И така, шокът, който смятате, е бързото движение на електрони от тялото ви към нещо, което може да извърши електричество.

Заключение

Изследването на статичното електричество, от ранните наблюдения до значителни научни открития, показва как се развива нашето разбиране за електрическите явления.Любопитството защо материалите привличат и отблъскват взаимно доведоха до революционни теории от пионери като Чарлз Дюфай и Бенджамин Франклин.Те откриха, че движението на електроните е основа за електрически заряд.Създаването на електростатични машини и бурканът Leyden позволиха на учените да генерират и изучават големи статични заряди.Тази работа завърши с демонстрацията на Франклин, че мълнията е електрически разряд.Чарлз Кулон допълнително установява принципите на статичното електричество, като формулира законите на електрическата сила.Тези открития са не само напреднали теоретични знания, но и доведоха до практически приложения като ксерографски печат, електростатични въздушни филтри и генератора на Van de Graaff.Разбирането на статичното електричество играе ключова роля в ежедневните преживявания и научните начинания, подчертавайки нейната роля във физиката и технологиите.

Често задавани въпроси [FAQ]

1. Как да спра да се шокирам от всичко, което докосвам?

За да спрете да се шокирате от всичко, до което се докоснете, увеличете влагата във вашата среда, като използвате овлажнител.Носенето на обувки с кожени подметки вместо гума може да помогне, тъй като кожата не създава толкова статично електричество.Освен това, преди да докоснете нещо друго, опитайте да докоснете метален предмет, за да изхвърлите всякакви статични натрупвания от тялото си.

2. Как да се заземявате, за да избегнете статичен шок?

За да се предотврати статичен шок, често докосвайте заземен метален обект.Използването на антистатични ленти за китки или заземяващи постелки също може да помогне за премахването на статичното електричество от тялото ви, намалявайки шанса да се шокирате.

3. Какво задейства статичните?

Статичното електричество се случва, когато материалите се търкат един срещу друг.Прости действия като ходене по килим с чорапи, сваляне на дрехи за синтетична тъкан или дори седене на определени видове мебели могат да накарат електроните да се движат от един материал в друг.Това движение създава дисбаланс, което води до статично електричество.

4. Защо получавам токови удари, когато докосна нещо?

Получавате токови удари, когато докоснете нещо, защото тялото ви е изградило статично зареждане.Когато докоснете проводим обект, като метал или друг човек, вграденият заряд бързо изтича от тялото ви, което води до шок.

5. Как да избегнем статичното електричество на PC?

За да избегнете статичното електричество на вашия компютър, използвайте антистатична каишка за китката, докато работите вътре в компютъра.Уверете се, че вашият компютър е поставен на заземена повърхност и избягвайте да работите в суха среда.Можете също така да използвате антистатични постелки или спрейове, за да намалите статичното натрупване около работната си зона.