Elektryczność statyczna jest wszechobecną częścią codziennego życia. To wszystko wokół nas, czasem zabawne i oczywiste – jak wtedy, gdy włosy stają dęba – czasem ukryte i przydatne, jak w przypadku wykorzystania elektroniki w telefonie komórkowym. Suche zimowe miesiące to sezon na irytujące minusy elektryczności statycznej — wyładowania elektryczne, takie jak małe błyskawice, za każdym razem, gdy dotykasz klamek lub ciepłych koców prosto z suszarki do ubrań.
Elektryczność statyczna jest jednym z najstarszych zjawisk naukowych obserwowanych i opisywanych przez ludzi. Grecki filozof Tales z Miletu sporządził pierwszą relację; w swoich pismach z VI wieku p.n.e. zauważył, że jeśli bursztyn zostanie wystarczająco mocno potarty, małe cząsteczki kurzu zaczną się do niego przyklejać. Trzysta lat później Teofrast kontynuował eksperymenty Talesa, pocierając różne rodzaje kamienia, a także zaobserwował „moc przyciągania”. Ale żaden z tych filozofów przyrody nie znalazł zadowalającego wyjaśnienia tego, co widzieli.
Minęło prawie 2000 lat, zanim po raz pierwszy ukuto angielskie słowo „elektryczność”, oparte na łacińskim „electricus”, co oznacza „ jak bursztyn ”. Niektóre z najbardziej znanych eksperymentów zostały przeprowadzone przez Benjamina Franklina w jego dążeniu do zrozumienia mechanizmu elektryczności, który jest jednym z powodów, dla których jego twarz uśmiecha się od 100 dolarów. Ludzie szybko dostrzegli potencjalną przydatność elektryczności.
Oczywiście w XVIII wieku ludzie najczęściej wykorzystywali elektryczność statyczną w magicznych sztuczkach i innych przedstawieniach. Na przykład eksperyment Stephena Graya z „ latającym chłopcem ” stał się popularną publiczną demonstracją: Gray użył słoika lejdejskiego, aby naładować młodzież zawieszoną na jedwabnych sznurkach, a następnie pokazać, jak może przewracać strony książek za pomocą elektryczności statycznej lub po prostu podnosić małe przedmioty. za pomocą przyciągania statycznego.
Opierając się na spostrzeżeniach Franklina, w tym jego uświadomieniu sobie, że ładunek elektryczny ma charakter dodatni i ujemny, a całkowity ładunek jest zawsze zachowany, teraz rozumiemy na poziomie atomowym, co powoduje przyciąganie elektrostatyczne, dlaczego może powodować mini błyskawice i jak je wykorzystać co może być uciążliwe w zastosowaniu w różnych nowoczesnych technologiach.
Czym są te małe iskry?
Elektryczność statyczna sprowadza się do oddziaływania sił między ładunkami elektrycznymi . W skali atomowej ładunki ujemne są przenoszone przez maleńkie cząstki elementarne zwane elektronami. Większość elektronów jest starannie ułożona w masie materii, niezależnie od tego, czy jest to twardy i martwy kamień, czy miękka, żywa tkanka twojego ciała. Jednak wiele elektronów znajduje się również bezpośrednio na powierzchni dowolnego materiału. Każdy inny materiał utrzymuje elektrony na powierzchni z własną, inną, charakterystyczną siłą. Jeśli dwa materiały ocierają się o siebie, elektrony mogą zostać wyrwane z „słabszego” materiału i osadzać się na materiale z większą siłą wiązania.
Ten transfer elektronów — to, co znamy jako iskrę elektryczności statycznej — dzieje się cały czas. Niesławnymi przykładami są dzieci zjeżdżające po zjeżdżalni na placu zabaw, szuranie nogami po dywanie lub ktoś zdejmując wełniane rękawiczki, aby uścisnąć dłoń.
Jednak częściej zauważamy jego działanie w suchych miesiącach zimy, kiedy powietrze ma bardzo niską wilgotność . Suche powietrze jest izolatorem elektrycznym, natomiast wilgotne powietrze jest przewodnikiem. Oto co się dzieje: w suchym powietrzu elektrony zostają uwięzione na powierzchni z większą siłą wiązania. Inaczej niż w przypadku wilgotnego powietrza, nie mogą znaleźć drogi, aby wrócić na powierzchnię, z której przybyli, i nie mogą ponownie ujednolicić rozkładu ładunków.
Statyczna iskra elektryczna występuje, gdy obiekt z nadwyżką ujemnych elektronów zbliża się do innego obiektu o mniejszym ujemnym ładunku, a nadwyżka elektronów jest wystarczająco duża, aby elektrony „podskakiwały”. Elektrony przepływają z miejsca, w którym się nagromadziły – jak na tobie po przejściu przez wełniany dywan – do następnej rzeczy, z którą się zetkniesz, która nie ma nadmiaru elektronów, na przykład klamki.
Kiedy elektrony nie mają dokąd pójść, ładunek gromadzi się na powierzchniach — aż osiągnie krytyczne maksimum i rozładowuje się w postaci maleńkiej błyskawicy. Daj elektronom miejsce, do którego mogą się udać — na przykład wyciągnięty palec — a na pewno poczujesz zarażenie.
Moc mini iskier
Choć czasami irytujące, ilość ładunku elektrostatycznego jest zazwyczaj niewielka i raczej niewinna. Napięcie może być około 100 razy wyższe niż w typowych gniazdach zasilających. Jednak te ogromne napięcia nie są powodem do zmartwień, ponieważ napięcie jest tylko miarą różnicy ładunków między obiektami. „Niebezpieczna” ilość to prąd, który mówi, ile elektronów przepływa. Ponieważ zazwyczaj tylko kilka elektronów jest przesyłanych w statycznym wyładowaniu elektrycznym, te zapsy są całkiem nieszkodliwe .
Niemniej jednak te małe iskry mogą być śmiertelne dla wrażliwej elektroniki, takiej jak elementy sprzętowe komputera. Małe prądy niesione przez zaledwie kilka elektronów mogą wystarczyć do ich przypadkowego usmażenia. Dlatego pracownicy przemysłu elektronicznego muszą pozostać uziemieni, co jest zasadniczo przewodowym połączeniem z tym, że elektrony wyglądają jak „dom” pustej autostrady. Uziemienie się również jest łatwe, dotykając metalowego elementu lub trzymając klucz w dłoni. Metale są bardzo dobrymi przewodnikami, więc elektrony z radością tam trafiają.
Poważniejszym zagrożeniem jest wyładowanie elektryczne w pobliżu gazów palnych. Dlatego wskazane jest uziemienie się przed dotknięciem pomp na stacjach benzynowych; nie chcesz, aby zabłąkana iskra spaliła wszelkie zabłąkane opary benzyny. Możesz też zainwestować w rodzaj antystatycznej opaski na rękę, powszechnie używanej przez pracowników w przemyśle elektronicznym, aby bezpiecznie uziemić osoby, zanim zaczną pracować z bardzo wrażliwymi komponentami elektronicznymi. Zapobiegają gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych za pomocą przewodzącej taśmy, która owija się wokół nadgarstka.
W życiu codziennym najlepszą metodą na ograniczenie gromadzenia się ładunku jest uruchomienie nawilżacza w celu podniesienia ilości wilgoci w powietrzu. Również utrzymywanie nawilżonej skóry poprzez stosowanie kremu nawilżającego może mieć duże znaczenie. Arkusze suszarki zapobiegają gromadzeniu się ładunków, gdy ubrania suszą się w suszarce, rozprowadzając na nich niewielką ilość zmiękczacza do tkanin. Te dodatnie cząsteczki równoważą luźne elektrony, a efektywny ładunek niweluje, co oznacza, że Twoje ubrania nie wyjdą z suszarki sklejonej ze sobą. Możesz wcierać płyn do zmiękczania tkanin w dywany, aby zapobiec gromadzeniu się ładunku. Wreszcie, noszenie bawełnianych ubrań i butów ze skórzaną podeszwą jest lepsze niż wełnianych ubrań i butów na gumowej podeszwie.
Wykorzystanie elektryczności statycznej
Pomimo uciążliwości i możliwych zagrożeń związanych z elektrycznością statyczną, z pewnością ma swoje zalety.
Wiele codziennych zastosowań nowoczesnych technologii w sposób zasadniczy opiera się na elektryczności statycznej. Na przykład kserokopiarki wykorzystują przyciąganie elektryczne do „przyklejania” naładowanych cząstek tonu do papieru. Odświeżacze powietrza nie tylko sprawiają, że pomieszczenie pachnie ładnie, ale także eliminują nieprzyjemne zapachy, rozładowując ładunki elektrostatyczne na drobinki kurzu, tym samym maskując nieprzyjemny zapach.
Podobnie kominy znalezione w nowoczesnych fabrykach wykorzystują naładowane płyty w celu zmniejszenia zanieczyszczenia. Gdy cząsteczki dymu poruszają się w górę stosu, zbierają ładunki ujemne z metalowej siatki. Po naładowaniu są przyciągane do płyt po drugiej stronie komina, które są naładowane dodatnio. Na koniec naładowane cząstki dymu są zbierane na tacce z płyt zbiorczych, które można usunąć.
Elektryczność statyczna znalazła również drogę do nanotechnologii , gdzie jest wykorzystywana na przykład do przechwytywania pojedynczych atomów za pomocą wiązek laserowych. Atomami tymi można następnie manipulować do różnych celów, tak jak w różnych zastosowaniach komputerowych. Innym ekscytującym zastosowaniem w nanotechnologii jest sterowanie nanobalonami , które dzięki elektryczności statycznej można przełączać między stanem napompowanym a zapadniętym. Te maszyny molekularne mogą pewnego dnia dostarczać leki do określonych tkanek w ciele.
Elektryczność statyczna widziała dwa i pół tysiąclecia od jej odkrycia. Wciąż jest to ciekawostka i utrapienie — ale udowodniono również, że jest ważna w naszym codziennym życiu.
Sebastian Deffner jest adiunktem fizyki na Uniwersytecie Maryland w hrabstwie Baltimore. Współautorem tego artykułu jest Muhammed Ibrahim, który prowadzi wspólnie z Deffnerem badania nad redukcją błędów obliczeniowych w pamięciach kwantowych.
Ten artykuł został ponownie opublikowany z The Conversation na licencji Creative Commons. Oryginalny artykuł można znaleźć tutaj .
