Трибоэлектрический эффект что это
Трибоэлектрический эффект и наногенераторы TENG
Трибоэлектрическим эффектом называют явление возникновения электрических зарядов у некоторых материалов при их трении друг о друга. Данный эффект по своей сути является проявлением контактной электризации, которая известна человечеству со времен античности.
Еще Фалес Милетский наблюдал это явление в экспериментах с янтарной палочкой, натираемой шерстью. Кстати, само слово «электричество» берет свое начало именно оттуда, ведь в переводе с греческого языка слово «электрон» обозначает янтарь.
Материалы, которые способны проявлять трибоэлектрический эффект, можно расположить в так называемый трибоэлектрический ряд: стекло, плексиглас, нейлон, шерсть, шелк, целлюлоза, хлопок, янтарь, полиуретан, полистирол, тефлон, каучук, полиэтилен и т. д.
В начале ряда находятся условно «положительные» материалы, в конце — условно «отрицательные». Если взять два материала из этого ряда, и потереть их друг о друга, то тот материал который находится ближе к «положительной» стороне, зарядится положительно, а другой — отрицательно. Впервые трибоэлектрический ряд в 1757 году составил шведский физик Иоганн Карл Вильке.
С физической точки зрения, положительно зарядится тот из двух трущихся друг о друга материалов, который отличается от другого большей диэлектрической проницаемостью. Эта эмпирическая закономерность называется правилом Коэна и относится главным образом к диэлектрикам.
При трении друг о друга пары химически одинаковых диэлектриков положительный заряд получит более плотный из них. У жидких диэлектриков положительно заряженным окажется вещество с большей диэлектрической проницаемостью или большим поверхностным натяжением. Металлы же при трении о поверхность диэлектрика могут электризоваться как положительно, так и отрицательно.
Степень электризации трущихся друг о друга тел тем значительнее, чем обширнее площади их поверхностей. Пыль, трущаяся о поверхность тела, от которого она отделилась (стекло, мрамор, снежная пыль и т.д), заряжается отрицательно. Когда порошок просеивают сквозь сито частички порошка также заряжаются.
При трении диэлектрика о металл, трибоэлектрическая электризация возникает благодаря переходу электронов с металла к диэлектрику. При взаимном трении пары диэлектриков явление возникает из-за взаимного проникновения соответствующих ионов и электронов.
Применительно к жидкостям проявление трибоэлектрического эффекта связано с возникновением двойных электрических слоев на поверхности раздела двух жидких сред или на границе жидкости и твердого тела. При трении жидкостей о металлы (при течении или разбрызгивании от удара), трибоэлектричество возникает за счет разделения зарядов на границе между металлом и жидкостью.
Электризация трением двух жидких диэлектриков имеет своей причиной наличие двойных электрических слоев на поверхности раздела жидкостей, диэлектрические проницаемости которых различны. Как было сказано выше (согласно правилу Коэна), жидкость с меньшей диэлектрической проницаемостью заряжается отрицательно а с большей — положительно.
Трибоэлектрический эффект при разбрызгивании жидкостей вследствие удара о поверхность твердого диэлектрика или о поверхность жидкости, обусловлен разрушением двойных электрических слоев на границе жидкости и газа (электризация в водопадах происходит именно по такому механизму).
Хотя трибоэлектричество и приводит в некоторых ситуациях к нежелательному накоплению электрических зарядов в диэлектриках, как например на синтетической ткани, тем не менее трибоэлектрический эффект применяется сегодня при исследовании энергетического спектра электронных ловушек в твердых телах, а также в минералогии для исследования центров люминесценции, минералов, определения условий образования пород и их возраста.
Трибоэлектрические наногенераторы TENG
Трибоэлектрический эффект кажется на первый взгляд энергетически слабым и неэффективным, в силу малой и нестабильной плотности электрического заряда участвующего в данном процессе. Однако группа ученых из Технологического университета штата Джорджия нашли путь улучшения энергетических характеристик эффекта.
Способ заключается в том, чтобы возбуждать наногенераторную систему в направлении наиболее высокой и стабильной выходной мощности, как это обычно осуществляется применительно к традиционным индукционным генераторам с магнитным возбуждением.
В совокупности с грамотно разработанными схемами умножения получаемого напряжения, система с внешним самозарядным возбуждением способна показать плотность заряда более чем в 1,25 мКл на квадратный метр. Напомним, что получаемая электрическая мощность пропорциональна квадрату данной величины.
Разработка ученых открывает реальную перспективу для создания в ближайшем будущем практичных и высокопроизводительных трибоэлектрических наногенераторов (TENG, ТЭНГ) для зарядки портативной электроники энергией, получаемой по сути от повседневных механических движений тела человека.
Наногенераторы обещают иметь малый вес, низкую стоимость, а также позволят выбирать для их создания те материалы, которые будут наиболее эффективно генерировать на низких частотах порядка 1-4 Гц.
Более перспективной на данный момент считается схема с внешней накачкой заряда (подобно индукционному генератору с внешним возбуждением), когда часть вырабатываемой энергии используется для поддержания процесса генерации и увеличения плотности рабочего заряда.
По замыслу разработчиков, разделение емкостей генератора и внешнего конденсатора позволит возбуждать генерацию через внешние электроды без непосредственного воздействия на трибоэлектрический слой.
Возбужденный заряд подается на электрод основного наногенератора TENG (ТЭНГ), при этом система возбуждения заряда и основной ТЭНГ с выходной нагрузкой работают как независимые системы.
При рациональной конструкции модуля возбуждения заряда, накопленный в нем заряд может быть пополнен по обратной связи от самого ТЭНГ во время процесса разрядки. Таким образом и достигается самовозбуждение ТЭНГ.
В ходе исследования ученые изучают влияние на эффективность генерации различных внешних факторов, таких как: тип и толщина диэлектрика, материал электродов, частота, влажность и т. д. На данном этапе трибоэлектрический слой ТЭНГ включает в себя полиимидную диэлектрическую пленку Каптон толщиной 5 мкм, а электроды делают из меди и алюминия.
Нынешнее достижение заключается в том, что уже через 50 секунд, работая на частоте всего 1 Гц, заряд возбуждается достаточно эффективно, что дает надежду на создание в ближайшем будущем стабильных наногенераторов для широких применений.
В структуре ТЭНГ с внешним возбуждением заряда разделение емкостей основного генератора и конденсатора выходной нагрузки достигается путем разделения трех контактов и применением пленок изолятора с разными диэлектрическими характеристиками, чтобы достичь относительно большого изменения емкостей.
При следующем контактном состоянии заряд возвращается к основному ТЭНГу и способствует генерации энергии, которой будет тем больше, чем выше диэлектрическая проницаемость пленки в основном конденсаторе. Достижение уровня проектного напряжения осуществляется при помощи диодного умножителя.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
This is Science: носимая электроника и трибоэлектричество. Часть 1
Приветствуем всех пользователей GeekTimes, кто не спит в это неспокойное время суток!
Ещё каких-то 10-15 лет назад учёные и инженеры только мечтали о том, что носимая электроника (фитнес-браслеты, модные «умные часы» и различные датчики) плотно обоснуется в повседневной жизни человека. Сегодня же мы уже во всю обсуждаем интернет вещей (IoT) и умные устройства, с помощью которых можно управлять нашим домом через интернет.
Фактически здесь и сейчас мы являемся свидетелями перехода «носимой» электроники в стадию «встраиваемой в человеческое тело», когда тот же фитнес-браслет достаточно будет наклеить на запястье перед выходом из дома, или встроить себе чип с дополнительной памятью прямо в мозг.
Буквально с год назад была опубликована статья о трибоэлектричестве, в которой были продемонстрированы основные принципы работы так называемых трибоэлектрических генераторов (TriboElectric Generator — TEG). В след за ней, из-за обилия материала (статьи выходили и продолжают выходить в самых престижных научных журналах с завидной регулярностью, прямо как автомобили с завода Генри Форда) последовал уже целый обзор по данной технологии. Поэтому из-за обилия накопившегося за прошедший год материала, нынешняя статья будет разбита на две части, посвященным двум основным вопросам носимой электроники: собственно, откуда брать электроэнергию, и какие устройства этой энергией можно запитать.
Вот, к примеру, батарейка в современном фитнес-браслете может занимать половину и даже больше его объёма. Пожалуй, с элементов или, я бы сказал, «способов» питания и начнём.
Трибоэлектричество – разность потенциалов и соответственно разделение зарядов, которое возникает при трении двух материалов друг о друга. Данное явление чем-то напоминает всем известное статическое электричество. Изготовить генератор трибоэлектричества можно простой комбинацией двух материалов, способных заряжаться негативно или позитивно (панель а) на рисунке ниже). Простые движения такие, как изгибы, растяжение и сжатие приводят к смещению двух выбранных материалов, в результате чего генерируется как разность потенциалов, и происходит разделение – или, если угодно – перераспределение зарядов между соприкасающимися материалами, что, по сути дела, и является электрическим током (панель b).
Гибкие трибоэлектрические генераторы – это альтернативный метод перевода окружающей механической энергии (колебания, движения) в энергию электрическую.
а) Примеры самых распространённых трибоэлектрических материалов, способных накапливать положительный и отрицательный заряды. b) Схематичное описание принципа работы трибоэлектрического генератора (TEG). с) Основные секторы применения трибоэлектрических генераторов – от умных линз до зарядки умных часов и очков, а также требуемый уровень мощности генератора.
Обзорная статья «Triboelectric Generators and Sensors for Self-Powered Wearable Electronics» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.5b01478).
Текстиль, как основа для трибоэлектрических генераторов
Задумывались ли Вы когда-нибудь, сколько раз за день наша одежда претерпевает изгибов, сжатий и растяжений, когда мы двигаемся?! Нам кажется это пустяковым, однако выработанного электричества при деформации одежды вполне может хватить на зарядку фитнес-браслета или датчиков на теле.
Вот, к примеру, исследователи из Center for Human Interface Nanotechnology, что располагается в Южной Корее, совместно со своими коллегами из австралийского Institute for Superconducting and Electronic Materials создали специальный текстильный материал, позволяющий превращать механическую энергию движений в электрическую.
Для создания такого трибоэлектрического наногенератора (TriboElectric NanoGenerator – TENG) использовали токопроводящую ткань, на которую затем нанесли стержни оксида цинка (ZnO), покрытых полимерной изолирующей оболочной из полидиметилсилоксана (PDMS). Полученный текстиль выдерживает до 12 000 циклов нагрузки (сдавливания), при этом выдаёт около 170 В и 65 микроА, что является эквивалентов 1.1 мВт мощность. При этом требуемое усилие составляет всего 10 кгс (
(a-b) Схематическое представление созданной ткани: между слоями текстурированного серебром, иначе говоря, проводящего текстиля разместили TENG. (с-d) Фотографии реального прототипа на микро и макро уровне, соответственно.
Принцип работы устройства продемонстрирован на схеме ниже. При сдавливании два слоя устройства соприкасаются (a), происходит перераспределение зарядов (b), вызывающих электрический ток, если ослабить внешнее воздействие (с). Затем система возвращается в равновесное состояние (d) и при очередном нажатии ток уже бежит в противоположную сторону (e).
Постадийная схема работы трибоэлектрического наногенератора (TENG)
Полученный в итоге текстиль по своим характеристикам мало чем отличается от обычной ткани. Его можно в качестве (пока?!) браслета встроить в одежду и использовать для электропитания различных устройств, встроенных в умную одежду – например, различные опознавательные знаки или даже пульт от автомобиля!
Внедрение трибоэлектрических наногенераторов на примере умной одежды
Оригинальная статья «Nanopatterned Textile-Based Wearable Triboelectric Nanogenerator» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/nn507221f).
Другая группа южнокорейских учёных из университетов городов Ульсана (Ulsan National Institute of Science and Technology) и Сувона (Sungkyunkwan University) совместно с американскими коллегами из Атланты (Georgia Institute of Technology) предложили способ создания не бутерброда из различных структурированных тканей, как мы видели ранее, а самих волокон, которые уже вплетаются в любую ткань (в описанной статье использовалася водоотталкивающая ткань).
Основу таких волокон составляют алюминиевая фольга с наноструктурированным слоем всё того же изолирующего полимера PDMS и алюминиевая проволка микроразмера, покрытая стержнями оксида цинка ZnO.
Схематическое изображение нового типа нитей, вплетаемых в ткань для создания трибоэлектрических генераторов – чем-то напоминает червяка, поглощающего харвестры из Dune 2000, не правда ли?!
Данная разработка имеет ряд преимуществ. Например, не требуется создавать новый тип ткани и новые производства, достаточно лишь вплести полученные волокна в практически любой современный тканный материал. С другой стороны, даже для отдельных волокон исследователям удалось получить мощность около 4 мВт (40 В при токе в 120 микроА), при этом материал может растягиваться до 25% в одном из направлений.
Электрические характеристики полученных образцов трибоэлектрической ткани
Более того, полученную трибоэлектрическую ткань можно одновременно использовать в качестве датчика, так как вырабатываемый ток пропорционален степени растяжения. Данная разработка, с большой долей вероятности, будет интересна спортсменам и медицинским работникам для точного детектирования движений спортсменов и пациентов.
Датчик движения на основе трибоэлектрической ткани: ток пропорционален степени растяжения
Оригинальная статья «Highly Stretchable 2D Fabrics for Wearable Triboelectric Nanogenerator under Harsh Environments» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.5b02010).
Высокая мощность для умных часов
Одна из версий такого трибоэлектрического генератора представлена на рисунке ниже. Это так называемый поворотный TEG, в котором, по словам учёных, достигается большее время контакта «электродов» для отвода накопленного заряда и, следовательно, пропорционально увеличивается ток.
a) Схема представленного устройства. b) Зависимость вырабатываемого тока от скорости вращения. c) Вырабатываемый ток при 1600 оборотах в минуту и внешней нагрузке в 500 Ом, установленной после диодного моста.
Созданный TEG достаточно компактен. Площадь двух вращающихся плоскостей составляет всего 25 см 2 (то есть линейные размеры такого генератора 5-7 см).
Принципиальная схема работы устройства на основе представленного трибоэлектрического генератора
Остаётся надеяться, что дальнейшие разработки в данной области позволят создать ещё более мощный, но в то же самое время миниатюрный трибоэлектрический генератор для интеграции с уже существующими портативными устройствами.
Оригинальная статья «Pulsed Nanogenerator with Huge Instantaneous Output Power Density» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/nn403151t).
Вместо вывода
Итак, сегодня мы познакомились с основными достижениями в области создания трибоэлектрических генераторов, покрывающих большой диапазон мощностей производимой электроэнергии: от мВт/м 2 до Вт/м 2 (а в некоторых случаях и килоВатт!). В последние два года опубликовано множество статей, сами генераторы эволюционировали от огромной коробки до миниатюрных волокон, вплетаемых в обычную ткань. И, зная корейцев, мы можем с уверенностью рассчитывать на скорое появление трибоэлектрических генераторов в реальных смартфонах или фитнес-браслетах.
А в следующей части, мы обратимся к примерам реальной носимой электроники, которые уже созданы в лабораториях и ждут своей очереди перед дверьми инженерных бюро производителей микроэлектроники.
Подписывайтесь на наш информационный канал (Вам не сложно – нам приятно) и будьте в курсе интересных новостей.
PS: В этот знаменательный день мы открыли страничку компании Prestigio на GT. Кто-то из участников сообщества уже знает и использует устройствами и продуктами Prestigio, кому-то ещё только предстоит познакомиться с ними, в чём мы, конечно же, посодействуем, однако писать планируем на самые разномастные темы: от носимой электроники до честного обзора продуктов.
Трибоэлектричество
Содержание
Хорошо, что все-таки клубок постепенно разматывается. И ниточка последнего урока, за которую мы потянули, привела нас к слову «трибоэлектричество» — хитрому понятию 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.
Электризация, то есть образование электрического дисбаланса на поверхности или внутри тела, возникает вследствие разных причин.
К примеру, нагрев или охлаждение кристаллического предмета, обладающего определенными свойствами, 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, который 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 — и 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, которые 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».
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».
Именно поэтому стоит провести разграничительную линию, ведь изучать всю пестроту статического электричества нам пока не по силам, да и в данный момент смысла не имеет. Вот зачем нам потребовался термин «трибоэлектричество».
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.
⚡ о роли трения в трибоэлектричестве;
⚡ о том, 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.
Притяжение
Эффект притяжения возникает, когда заряженное тело — не важно, положительно ли или отрицательно — взаимодействует с нейтральным по заряду телом. Материал с избытком или недостатком электронов стремится избавиться от дисбаланса, поэтому притягивает к себе предметы, с которыми было бы можно «обменяться» электронами, дабы атомная структура вернулась в положение «равновесия». Также эффект притяжения можно наблюдать при взаимодействии противоположно заряженных тел.
Отталкивание
Эффект отталкивания возникает, когда в электростатической системе участвуют тела, заряженные одинаково: отрицательное и отрицательное или положительное и положительное. Представьте два атома с переизбытком электронов, которым пришлось по какой-либо причине оказаться на близком межатомном расстоянии друг от друга. У одного много электронов, у второго — тоже, обмен нецелесообразен и энергетически непрактичен. Материалы устремляются в разные стороны и сохраняют дисбаланс.
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.
Чем дальше располагаются материалы в ряду, тем больший перераспределится заряд.
Чем ближе расположение, соответственно, тем меньше происходит электронного обмена.
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?