Een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang ontwikkeld door Mirco Kaponig en collega's in natuurkunde en nano-integratie in Duitsland, gedetailleerd het basisconcept van contactelektrificatie tussen twee metalen. In een nieuwe experimentele methode, de onderzoekers volgden de lading van een kleine bol die stuiterde op een geaarde vlakke elektrode op een tijdschaal tot 1 microseconde. Het team merkte op hoe de bol zich ontlaadde op het moment van contact dat 6 tot 8 microseconden aanhield. Op het moment van onderbreking van het elektrische contact, de bol herwon lading ver boven verwachting ten opzichte van het contactpotentiaalverschil. De overtollige lading ontstond naarmate het contactoppervlak groter werd.

Contact elektrificatie

Contactelektrificatie is een alomtegenwoordig fenomeen dat optreedt wanneer twee oppervlakken elkaar raken. Het proces is een elementaire methode van tribo-elektriciteit die direct in het dagelijks leven kan worden waargenomen. Het fenomeen is verantwoordelijk voor bliksem in onweersbuien, zandstormen of vulkanische pluimen. Het proces kan van groot belang zijn bij het werken met potentieel explosieve vloeistoffen of stof. Als resultaat, onderzoekers hebben empirische veiligheidsvoorschriften opgesteld om gevaren veroorzaakt door elektrische ontladingen door tribo-elektrisch opladen te voorkomen. Hoewel het fenomeen al meer dan 2000 jaar werd beschreven, over de onderliggende mechanismen wordt nog gedebatteerd. Wetenschappers beschouwen doorgaans drie soorten ladingsoverdracht, waaronder de overdracht van elektronen, ionen of materiaal met gedeeltelijke lading. In metaal-metaal contacten, elektronen kunnen worden overgedragen tussen twee oppervlakken om contactpotentiaal tot stand te brengen. De hoeveelheid overgedragen lading was ook afhankelijk van de onderlinge capaciteit wanneer het elektrische contact wordt verbroken, en de waargenomen ladingsoverdracht ondersteunde sterk het concept van elektronenoverdracht voor metaal-metaalcontacten. De situatie is minder duidelijk voor metaal-isolator- of isolator-isolatorcontacten. Kaponig et al. presenteerde daarom een ​​nieuwe experimentele techniek om ladingsoverdracht tijdens contactelektrificatie te analyseren, met ongekende resolutie.

Het werk onthulde hoe de elektrische potentiaal van een metallisch deeltje dat terugkaatst vanaf een metalen oppervlak in de loop van de tijd evolueerde. Op basis van de uitkomsten, Kaponig et al. merkte op hoe de lading toenam met de slagsnelheid in metaal-metaalcontacten; een kenmerk dat vaak wordt waargenomen bij metaal-isolator- en isolator-isolatorcontacten, maar tot nu toe niet waargenomen voor metaal-metaalcontacten. Tijdens de experimenten, dit leidde tot onverwacht hoge elektrische potentialen voor puur metalen contacten. Aangezien het elektrische contact bij mechanisch contact slechts enkele microseconden tot stand is gekomen, het proces behield de parameters van de lading niet vóór contact. De potentiaal van de bol werd daardoor slechts teruggebracht tot de contactpotentiaal van enkele tienden volt. Toen het elektrische contact loskwam van het oppervlak, echter, de lading op de bol vestigde een potentiaal van maximaal 3 V gedurende minder dan 1 microseconde.

Overboeking:

Wetenschappers hadden eerder de ladingsoverdracht bestudeerd van deeltjes die op een hellend oppervlak stuiteren op basis van contactloze elektrostatische detectie. Kaponig et al. ontwikkelde daarom een ​​experimenteel schema om de lading voor en na contact met het oppervlak te meten om de dynamiek in realtime te volgen. In de opstelling, ze verkregen een resolutie van meer dan 1 microseconde in de tijd voor ongeveer 6000 elektronen. Ze bestudeerden de beweging en contactelektrificatie door gouden bollen met een diameter van 1 mm door een kleine opening in een parallelle plaatcondensator te laten vallen. De bollen stuiterden op een vrijwel geaarde onderplaat, waardoor de wetenschappers de geïnduceerde en overgedragen ladingen kunnen meten. Het team voerde de experimenten uit in vacuüm. Het signaal dat op de onderste plaat van de opstelling werd gedetecteerd, had twee bijdragen, waaronder de lading op de bol en de lading die naar de bol werd overgebracht. Het team merkte het weergavesignaal op van een gouden bol die meer dan 15 keer stuiterde op de onderste plaat van de condensator van koper, het traject van de bol bestond uit segmenten van vrije val, starten en voltooien via contact met de plaat.

Toen Kaponig et al. het signaal nauwkeurig bekeken, ze identificeerden de contactmomenten door abrupte veranderingen van de gemeten lading. Ze merkten op hoe de tijd tussen twee contacten het segment van het traject bepaalde. Het team zette vervolgens een spanning op de helling om de bol naar de ingang van de condensator te leiden, waar de bol positief geladen was voordat hij de condensator binnenging en negatief werd geladen tijdens het eerste contact. De waargenomen omvang van de lading was onverwacht hoog. De onderzoekers herhaalden het experiment vervolgens met verschillende initiële ladingen, waar de bol bij het eerste en volgende contact negatief werd geladen. Een andere sleutel om contactelektrificatie te begrijpen, was het potentieel van de bol. Gebaseerd op de hoge sterkte van de lading op de bol, het team merkte een potentieel van enkele volts onverwacht hoog op voor een puur metalen systeem. Het elektrische contact werd slechts enkele microseconden als mechanisch contact tot stand gebracht. De potentiaal van de bol werd daarom teruggebracht tot de contactpotentiaal van enkele tienden volt. Naarmate de afstand tussen de bol en de plaat groter werd, het potentieel verder vergroot.

Outlook

Het team beschreef de waarnemingen met behulp van een metaalcontactmodel waarbij het contactoppervlak voor het eerste contact werd verhoogd, gevolgd door een enorme capaciteit gevormd op het grensvlak vanwege de minimale afstand tussen de ladingen. Deze capaciteit wordt in de orde van picocoulombs op de contactpotentiaal geladen. Bij contactbreuk, de twee aangrenzende oppervlakken van de plaat en de bol passen bijna precies om een ​​groot gebied te vormen met een nauwe scheiding en een grotere capaciteit, waarbij de grootte van het gebied afhing van de snelheid van de bol. Op deze manier, Mirco Kaponig en collega's lieten zien hoe een metalen bol die op een metalen plaat stuiterde een potentiaal van maximaal 10 V bereikte, door een vervorming van het contactgebied. Dit leidde tot een verhoogde capaciteit tussen de bol en de plaat bij elektrische contactverstoring. De resultaten zijn belangrijk voor contactelektrificatie en tribo-elektriciteit voor verbeterde ladingsoverdracht.

© 2021 Science X Network