Statisk elektricitet kan forårsage langt mere end en dårlig hårdag

Vigtige takeaways

• Statisk elektricitet opstår, når der er en ubalance mellem elektriske ladninger i eller på overfladen af ​​et materiale, ofte forårsaget af friktion, der resulterer i, at elektroner overføres fra et materiale til et andet.
• Selvom det ofte bemærkes for at forårsage mindre stød eller få hår til at rejse sig, har statisk elektricitet praktiske anvendelser i dagligdags teknologi.
• Metoder til at styre eller reducere statisk elektricitet omfatter opretholdelse af et fugtigt miljø, jordforbindelse for at forhindre uønskede udledninger og brug af materialer som bomuld og læder, der er mindre tilbøjelige til at opbygge statisk elektricitet.

Statisk elektricitet er en allestedsnærværende del af hverdagen. Det er overalt omkring os, nogle gange sjovt og indlysende - som når det får dit hår til at rejse sig - nogle gange skjult og nyttigt, som når det bliver udnyttet af elektronikken i din mobiltelefon. De tørre vintermåneder er højsæson for en irriterende ulempe ved statisk elektricitet - elektriske udladninger som små lynnedslag, når du rører ved dørhåndtag eller varme tæpper friske fra tørretumbleren.

Statisk elektricitet er et af de ældste videnskabelige fænomener, der er observeret og beskrevet. Den græske filosof Thales fra Milet lavede den første beretning; i hans sjette århundrede f.v.t. skrifter, bemærkede han, at hvis rav blev gnidet hårdt nok, vil små støvpartikler begynde at klæbe til det. Tre hundrede år senere fulgte Theophrastus op på Thales' eksperimenter ved at gnide forskellige slags sten og observerede også "tiltrækningskraften". Men ingen af ​​disse naturfilosoffer fandt en tilfredsstillende forklaring på, hvad de så.

Det tog næsten 2.000 år mere, før det engelske ord "elektricitet" først blev opfundet, baseret på det latinske "electricus", der betyder "som rav". Nogle af de mest berømte eksperimenter blev udført af Benjamin Franklin i hans søgen efter at forstå den underliggende mekanisme af elektricitet, hvilket er en af ​​grundene til, at hans ansigt smiler fra $100-sedlen. Folk erkendte hurtigt elektricitets potentielle nytte.

Selvfølgelig gjorde folk i det 18. århundrede mest brug af statisk elektricitet i trylletricks og andre forestillinger. For eksempel blev Stephen Grays "flyvende dreng"-eksperiment en populær offentlig demonstration:Gray brugte en Leyden-krukke til at oplade ungdommen, suspenderet i silkesnore, og så viste, hvordan han kunne bladre i bogsider via statisk elektricitet eller løfte små genstande bare ved hjælp af den statiske attraktion.

Med udgangspunkt i Franklins indsigt, herunder hans erkendelse af, at elektrisk ladning kommer i positive og negative varianter, og at den samlede ladning altid bevares, forstår vi nu på atomniveau, hvad der forårsager den elektrostatiske tiltrækning, hvorfor den kan forårsage minilyn, og hvordan man kan udnytte hvad der kan være til gene for brug i forskellige moderne teknologier.

1. Hvad er disse små gnister?
2. Kraften fra minignister
3. Udnyttelse af statisk elektricitet

Hvad er disse små gnister?

Statisk elektricitet kommer ned til den interaktive kraft mellem elektriske ladninger. På atomær skala bæres negative ladninger af små elementarpartikler kaldet elektroner. De fleste elektroner er pænt pakket inde i hovedparten af ​​stof, uanset om det er en hård og livløs sten eller det bløde, levende væv i din krop. Men mange elektroner sidder også lige på overfladen af ​​ethvert materiale. Hvert andet materiale holder på disse overfladeelektroner med sin egen forskellige karakteristiske styrke. Hvis to materialer gnider mod hinanden, kan elektroner rives ud af det "svagere" materiale og befinde sig på materialet med stærkere bindekraft.

Denne overførsel af elektroner - hvad vi kender som en gnist af statisk elektricitet - sker hele tiden. Berygtede eksempler er børn, der glider ned ad en rutschebane på en legeplads, fødder, der blander sig langs et tæppe, eller nogen, der tager uldhandsker af for at give hånd.

Men vi mærker dens virkning oftere i de tørre vintermåneder, hvor luften har meget lav luftfugtighed. Tør luft er en elektrisk isolator, hvorimod fugtig luft fungerer som en leder. Dette er, hvad der sker:I tør luft bliver elektroner fanget på overfladen med den stærkere bindende kraft. I modsætning til når luften er fugtig, kan de ikke finde vej til at strømme tilbage til overfladen, hvor de kom fra, og de kan ikke gøre fordelingen af ​​ladninger ensartet igen.

En statisk elektrisk gnist opstår, når et objekt med et overskud af negative elektroner kommer tæt på et andet objekt med mindre negativ ladning, og overskuddet af elektroner er stort nok til at få elektronerne til at "springe". Elektronerne flyder fra det sted, hvor de har opbygget sig - som på dig efter at have gået hen over et uldtæppe - til den næste ting, du kontakter, som ikke har et overskud af elektroner, såsom et dørhåndtag.

Når elektroner ingen steder har at gå hen, opbygges ladningen på overflader - indtil den når et kritisk maksimum og udlades i form af et lille lyn. Giv elektronerne et sted at tage hen - såsom din udstrakte finger - og du vil helt sikkert føle zappen.

Kraften i minignister

Selvom det nogle gange er irriterende, er mængden af ​​ladning i statisk elektricitet typisk ret lille og ret uskyldig. Spændingen kan være omkring 100 gange spændingen for typiske stikkontakter. Disse enorme spændinger er dog ikke noget at bekymre sig om, da spænding kun er et mål for ladningsforskellen mellem objekter. Den "farlige" størrelse er strøm, som fortæller, hvor mange elektroner der strømmer. Da der typisk kun transmitteres få elektroner i en statisk elektrisk udladning, er disse zaps temmelig harmløse.

Ikke desto mindre kan disse små gnister være dødelige for følsom elektronik, såsom hardwarekomponenterne i en computer. Små strømme båret af kun få elektroner kan være nok til at stege dem ved et uheld. Det er derfor, arbejdere i elektroniske industrier skal forblive jordforbundne, hvilket i bund og grund er en kablet forbindelse til, at elektronerne ligner en tom motorvej "hjem". Det er også nemt at jorde dig selv ved at røre ved en metalkomponent eller holde en nøgle i hånden. Metaller er meget gode ledere, og så elektroner er ret glade for at gå der.

En mere alvorlig trussel er en elektrisk udladning i nærheden af ​​brændbare gasser. Det er derfor, det er tilrådeligt at jorde dig selv, før du rører ved pumperne på tankstationer; du vil ikke have en herreløs gnist til at forbrænde eventuelle herreløse benzindampe. Eller du kan investere i den slags antistatiske armbånd, der i vid udstrækning bruges af arbejdere i den elektroniske industri for at jorde personer sikkert, før de arbejder på meget følsomme elektroniske komponenter. De forhindrer statisk ophobning ved hjælp af et ledende bånd, der spoler sig rundt om dit håndled.

I hverdagen er den bedste metode til at reducere ladningsopbygning at køre en luftfugter for at øge mængden af ​​fugt i luften. Det kan også gøre en stor forskel at holde din hud fugtig ved at påføre fugtighedscreme. Tørretumbler forhindrer afladninger i at samle sig, når dit tøj tørretumbles ved at sprede en lille mængde skyllemiddel over kluden. Disse positive partikler udligner løse elektroner, og den effektive ladning ophæves, hvilket betyder, at dit tøj ikke kommer ud af tørretumbleren klistret til hinanden. Du kan også gnide skyllemiddel på dine tæpper for at forhindre opbygning af ladning. Endelig er det bedre at bære bomuldstøj og sko med lædersål end uldtøj og sko med gummisåler.

Udnyttelse af statisk elektricitet

På trods af gener og mulige farer ved statisk elektricitet, har det bestemt sine fordele.

Mange dagligdags anvendelser af moderne teknologi er afgørende afhængige af statisk elektricitet. For eksempel bruger fotokopimaskiner elektrisk tiltrækning til at "lime" ladede tonepartikler på papir. Luftfriskere får ikke kun rummet til at dufte dejligt, men de fjerner også dårlig lugt ved at udlede statisk elektricitet på støvpartikler og dermed fjerne den dårlige lugt.

Tilsvarende bruger røgstenene, der findes i moderne fabrikker, ladede plader til at reducere forureningen. Når røgpartikler bevæger sig op i stakken, opfanger de negative ladninger fra et metalgitter. Når de er opladet, tiltrækkes de af plader på de andre sider af skorstenen, der er positivt ladede. Til sidst opsamles de ladede røgpartikler på en bakke fra opsamlingspladen, som kan bortskaffes.

Statisk elektricitet har også fundet vej til nanoteknologien, hvor den for eksempel bruges til at opfange enkelte atomer med laserstråler. Disse atomer kan derefter manipuleres til alle mulige formål som i forskellige computerapplikationer. En anden spændende anvendelse inden for nanoteknologi er styringen af ​​nanoballoner, som gennem statisk elektricitet kan skiftes mellem en oppustet og en kollapset tilstand. Disse molekylære maskiner kunne en dag levere medicin til specifikke væv i kroppen.

Statisk elektricitet har set to et halvt årtusinde siden dens opdagelse. Det er stadig en nysgerrighed og en plage - men det har også vist sig at være vigtigt for vores hverdag.

Sebastian Deffner er assisterende professor i fysik ved University of Maryland, Baltimore County. Denne artikel er medforfattet af Muhammed Ibrahim, som udfører samarbejde med Deffner om at reducere beregningsfejl i kvantehukommelser.

Denne artikel er genudgivet fra Samtalen under en Creative Commons-licens. Du kan finde oprindelig artikel her .