Dynamik af kontaktelektrificering

En ny rapport vedr Videnskabens fremskridt udviklet af Mirco Kaponig og kolleger i fysik og nanointegration i Tyskland, detaljerede det helt grundlæggende koncept for kontaktelektrificering mellem to metaller. I en ny eksperimentel metode, forskerne fulgte ladningen af ​​en lille kugle, der hoppede på en jordet plan elektrode på en tidsskala ned til 1 mikrosekund. Holdet bemærkede, hvordan kuglen udlades i kontaktøjeblikket og varede i 6 til 8 mikrosekunder. I det øjeblik, hvor den elektriske kontakt afbrydes, sfæren genvandt ladningen langt over forventningerne i forhold til kontaktpotentialeforskellen. Den overskydende ladning opstod med stigende kontaktareal.

Kontakt elektrificering

Kontaktelektrifiering er et allestedsnærværende fænomen, der opstår, når to overflader rører ved hinanden. Processen er en elementær metode til triboelektricitet, der kan observeres direkte i dagligdagen. Fænomenet er ansvarligt for at lette i tordenvejr, sandstorme eller vulkanske fjer. Processen kan være af stor bekymring ved håndtering af potentielt eksplosive væsker eller støv. Som resultat, forskere har etableret empiriske sikkerhedsforskrifter for at undgå farer forårsaget af elektriske udladninger gennem triboelektrisk opladning. Selvom fænomenet blev beskrevet i mere end 2000 år, de underliggende mekanismer diskuteres stadig. Forskere overvejer typisk tre former for ladningsoverførsel, herunder overførsel af elektroner, ioner eller materiale med delvis ladning. I metal-metal kontakter, elektroner kan overføres mellem to overflader for at etablere kontaktpotentiale. Mængden af ​​overført ladning afhang også af den gensidige kapacitet, når den elektriske kontakt er afbrudt, og den observerede ladningsoverførsel understøttede stærkt konceptet om elektronoverførsel for metal-metal kontakter. Situationen er mindre indlysende for metal-isolator- eller isolator-isolator-kontakter. Kaponig et al. præsenterede derfor en ny eksperimentel teknik til at analysere ladningsoverførsel under kontaktelektrificering, med hidtil uset opløsning.

Arbejdet afslørede, hvordan det elektriske potentiale af en metallisk partikel, der hopper fra en metallisk overflade, udviklede sig med tiden. Baseret på resultaterne, Kaponig et al. bemærkede, hvordan ladningen steg med anslagshastigheden i metal-metal-kontakter; en funktion, der almindeligvis observeres med metal-isolator- og isolator-isolator-kontakter, men hidtil uobserveret for metal-metal-kontakter. Under forsøgene, dette førte til uventet høje elektriske potentialer for rene metalliske kontakter. Da den elektriske kontakt kun blev etableret i nogle få mikrosekunder under mekanisk kontakt, processen bevarede ikke parametrene for afgiften før kontakt. Kuglens potentiale blev derfor kun reduceret til kontaktpotentialet på nogle få tiendedele volt. Når den elektriske kontakt løsnes fra overfladen, imidlertid, ladningen på kuglen etablerede et potentiale på op til 3 V i mindre end 1 mikrosekund.

Overførsel af gebyr

Forskere havde tidligere undersøgt ladningsoverførslen af ​​partikler, der hopper på en skrå overflade baseret på kontaktfri elektrostatisk detektion. Kaponig et al. udviklede derfor en eksperimentel ordning til måling af ladningen før og efter overfladekontakt for at følge dynamikken i realtid. I opsætningen de opnåede en opløsning bedre end 1 mikrosekund i tid for omkring 6000 elektroner. De studerede bevægelses- og kontaktelektrificeringen ved at tabe guldkugler, der er 1 mm i diameter, gennem en lille åbning ind i en parallelpladekondensator. Kuglerne hoppede på en praktisk talt jordet underplade, giver forskerne mulighed for at måle de inducerede og overførte ladninger. Holdet udførte eksperimenterne i vakuum. Signalet detekteret på den nederste plade i opsætningen havde to bidrag, inklusive ladningen på kuglen og ladningen overført til kuglen. Holdet bemærkede displaysignalet fra en guldkugle, der hopper mere end 15 gange på den nederste plade af kondensatoren lavet af kobber, kuglens bane bestod af segmenter af frit fald, start og afslutning via kontakt med pladen.

Når Kaponig et al. undersøgte signalet nøje, de identificerede kontaktøjeblikkene ved pludselige ændringer af den målte ladning. De bemærkede, hvordan tiden brugt mellem to kontakter bestemte segmentet af banen. Holdet påførte derefter en spænding ved rampen for at lede kuglen til indgangen til kondensatoren, hvor kuglen var positivt ladet før den kom ind i kondensatoren og blev negativt ladet under den første kontakt. Den observerede størrelse af ladningen var uventet høj. Forskerne gentog derefter eksperimentet med forskellige startladninger, hvor kuglen blev negativt ladet ved første og efterfølgende kontakt. En anden nøgle til at forstå kontaktelektrificering omfattede kuglens potentiale. Baseret på den høje størrelse af ladningen på kuglen, holdet bemærkede et potentiale på flere volt uventet højt for et rent metallisk system. Den elektriske kontakt blev kun etableret som en mekanisk kontakt i nogle få mikrosekunder. Sfærens potentiale blev derfor reduceret til kontaktpotentialet på et par tiendedele volt. Efterhånden som afstanden mellem kuglen og pladen voksede, potentialet øges yderligere.

Outlook

Holdet beskrev observationerne ved hjælp af en metal-kontakt model, hvor kontaktområdet hævede for den første kontakt, efterfulgt af en enorm kapacitet dannet ved grænsefladen på grund af den minimale afstand mellem ladningerne. Denne kapacitet oplades til kontaktpotentialet i størrelsesordenen picoculombs. Ved kontaktbrud, de to tilstødende overflader af pladen og kuglen passer næsten tæt til at danne et stort område ved tæt adskillelse og en større kapacitet, hvor arealets størrelse afhang af kuglens hastighed. På denne måde Mirco Kaponig og kolleger viste, hvordan en metallisk kugle, der hoppede fra en metalplade, opnåede et potentiale på op til 10 V, på grund af en deformation af kontaktområdet. Dette førte til en øget kapacitet mellem kuglen og pladen ved elektrisk kontaktafbrydelse. Resultaterne er vigtige for kontaktelektrificering og triboelektricitet for forbedret ladningsoverførsel.

© 2021 Science X Network