Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Electromagnetism » Electricitatea statică

Electricitatea statică

Nanogenerator care utilizează efectul triboelectric pentru a genera electricitate
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Lateral_sliding_mode_of_triboelectric_nanogenerator.tif 

(Un nanogenerator care utilizează efectul triboelectric pentru a genera electricitate. )

Electricitatea statică reprezintă un dezechilibru al sarcinilor electrice în interiorul sau pe suprafața unui material. Sarcinile rămân până când se pot deplasa cu ajutorul unui curent electric sau al unei descărcări electrice. Electricitatea statică este numită în contrast cu curentul electric, care curge prin fire sau alți conductori și transmite energie electrică.

O sarcină electrică statică poate fi creată ori de câte ori două suprafețe intră în contact, iar cel puțin una dintre suprafețe are o rezistență ridicată la curentul electric (și, prin urmare, este un izolator electric). Efectele electricității statice sunt cunoscute de majoritatea oamenilor deoarece se pot simți, auzi și chiar vedea (scântei), deoarece sarcina excesivă este neutralizată atunci când este adusă aproape de un conductor electric mare (de exemplu, o scurgere spre pământ) sau o regiune cu o sarcină excesivă de polaritate opusă (pozitivă sau negativă). Fenomenul familiar unui șoc static – mai exact, o descărcare electrostatică – este cauzat de neutralizarea sarcinii.

Cauze

Materialele sunt fabricate din atomi care sunt în mod normal neutri din punct de vedere electric, deoarece conțin un număr egal de sarcini pozitive (protoni din nucleul lor) și sarcini negative (electroni în “învelișuri” care înconjoară nucleul). Fenomenul de electricitate statică necesită o separare a sarcinilor pozitive și negative. Atunci când două materiale sunt în contact, electronii se pot deplasa de la un material la altul, ceea ce lasă un exces de sarcină pozitivă pe un singur material și o sarcină negativă egală pe celălalt. Când materialele sunt separate, ele păstrează acest dezechilibru de sarcină.

Contactul indus de separarea sarcinilor: Electronii pot fi schimbați între materialele de contact; materialele cu electroni slab legați tind să-i piardă, în timp ce materialele cu învelișuri exterioare puțin ocupate tind să îi câștige. Acest lucru este cunoscut sub numele de efect triboelectric și are ca rezultat un material care devine încărcat pozitiv, iar celălalt încărcat negativ. Polaritatea și rezistența sarcinilor pe un material după ce acestea sunt separate depind de pozițiile lor relative în seria triboelectrică. Efectul triboelectric este cauza principală a electricității statice, așa cum se observă în viața de zi cu zi, și în demonstrațiile comune la școală care implică frecarea diferitelor materiale împreună (de exemplu, blănurile împotriva unei tije acrilice). Contactul indus de separare a sarcinilor determină părul să se ridice și provoacă “agățarea statică” (de exemplu, un balon frecat împotriva părului se încarcă negativ; când este lângă perete, balonul încărcat este atras de particule încărcate pozitiv în perete și se poate “lipi” de el, părând a fi suspendat împotriva gravitației).

Separarea sarcinilor indusă de presiune: Stresul mecanic aplicat generează o separare a sarcinilor în anumite tipuri de cristale și molecule de ceramică.

Sarcina indusă de căldură: Încălzirea generează o separare a sarcinilor în atomii sau moleculele anumitor materiale. Toate materialele piroelectrice sunt, de asemenea, piezoelectrice. Proprietățile atomice sau moleculare ale răspunsului la căldură și presiune sunt strâns legate.

Sarcina indusă de separarea sarcinilor: Un obiect încărcat adus aproape de un obiect neutru electric cauzează o separare a sarcinilor în obiectul neutru. Sarcinile de aceeași polaritate sunt respinse și sarcinile de polaritate opusă sunt atrase. Pe măsură ce forța datorată interacțiunii sarcinilor electrice scade rapid cu o distanță în creștere, efectul sarcinilor mai apropiate (polaritate opusă) este mai mare și cele două obiecte simt o forță de atracție. Efectul este cel mai pronunțat atunci când obiectul neutru este un conductor electric, deoarece sarcinile sunt mai libere să se deplaseze. Împământarea cu atenție a unei părți a unui obiect, cu o separare a sarcinii indusă de încărcare, poate adăuga sau elimina permanent electronii, lăsând obiectul cu o încărcare permanentă globală. Acest proces este integrat în funcționarea generatorului Van de Graaff, un dispozitiv utilizat în mod obișnuit pentru a demonstra efectele electricității statice.

Generatoare electrostatice

Un generator electrostatic sau o mașină electrostatică este un generator electromecanic care produce electricitate statică sau electricitate la tensiune înaltă și curent continuu scăzut. Electricitatea statică este cunoscută din cele mai vechi civilizații, însă de-a lungul mileniilor a rămas doar un fenomen interesant și mistificator, fără o teorie care să-i explice comportamentul și adesea confundată cu magnetismul. Până la sfârșitul secolului al XVII-lea, cercetătorii au dezvoltat mijloace practice de generare a energiei electrice prin frecare, însă dezvoltarea mașinilor electrostatice nu a început serios până în secolul al XVIII-lea, când au devenit instrumente fundamentale în studiile despre noua știință a energiei electrice. Generatoarele electrostatice funcționează utilizând puterea manuală (sau de altă natură) pentru a transforma lucrul mecanic în energie electrică. Generatoarele electrostatice dezvoltă încărcări electrostatice de polaritate opusă la două conductori, folosind doar forțe electrice, și lucrează prin utilizarea plăcilor, tamburilor sau curelelor mobile pentru a suporta sarcina electrică a unui electrod cu potențial ridicat. Încărcarea este generată de una din cele două metode: efectul triboelectric (frecare) sau inducția electrostatică.

Mașinile electrostatice sunt utilizate în mod obișnuit în sălile de clasă pentru a demonstra forțele electrice și fenomenele de înaltă tensiune. Diferențele de potențial ridicate realizate au fost utilizate și pentru o varietate de aplicații practice, cum ar fi utilizarea tuburilor cu raze X, aplicațiile medicale, sterilizarea produselor alimentare și experimentele fizicii nucleare. Generatoarele electrostatice, cum ar fi generatorul Van de Graaff, și variantele sale precum Pelletron sunt, de asemenea, utilizate în cercetarea fizică.

Generatoarele electrostatice pot fi împărțite în două categorii în funcție de modul în care este generată încărcarea:

  • Mașinile de fricțiune folosesc efectul triboelectric (energia electrică generată de contact sau frecare)
  • Mașinile de influență utilizează inducția electrostatică

Descărcarea electrostatică

Descărcarea electrostatică este fluxul brusc de energie electrică între două obiecte încărcate electric cauzate de contact, un scurtcircuit electric sau o deteriorare dielectrică. O acumulare de electricitate statică poate fi cauzată de efectul triboelectric sau inducție electrostatică. Descărcarea electrostatică apare atunci când obiectele încărcate diferit sunt aduse aproape împreună sau atunci când dielectricul dintre ele se deteriorează, adesea creând o scânteie vizibilă.

Descărcarea electrostatică poate crea scântei electrice spectaculoase (fulgerul, cu sunetul însoțitor al tunetului, este un eveniment al descărcărilor electrostatice pe scară largă), dar și forme mai puțin dramatice care nu pot fi nici văzute, nici auzite, dar totuși suficient de mari pentru a provoca daune dispozitivelor sensibile electronice. Scânteile electrice necesită o intensitate a câmpului de peste aproximativ 40 kV/cm în aer, așa cum se întâmplă în special în cazul trăsnetului. Alte forme de descărcare electrostatică includ descărcarea corona de la electrozi ascuțiți și descărcarea periilor de la electrozi bonți.

Descărcarea electrostatică poate provoca efecte dăunătoare importante în industrie, inclusiv explozii în gaz, vapori de combustibil și praf de cărbune, precum și defecțiuni ale componentelor electronice de stare solidă, cum ar fi circuitele integrate. Acestea pot suferi pagube permanente când sunt supuse unor tensiuni înalte. Producătorii de electronice, prin urmare, stabilesc zone de protecție electrostatică, utilizând măsuri de prevenire a sarcinilor, cum ar fi evitarea materialelor foarte încărcate și măsuri de eliminare a sarcinilor electrice, cum ar fi împământarea lucrătorilor umani, furnizarea de dispozitive antistatice și controlul umidității.

Simulatoarele de descărcare electrostatică pot fi utilizate pentru a testa dispozitivele electronice, de exemplu cu un model de corp uman sau cu un model de dispozitiv încărcat.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *