Belangrijkste punten

• Statische elektriciteit ontstaat wanneer er een onbalans is in de elektrische ladingen binnen of op het oppervlak van een materiaal, vaak veroorzaakt door wrijving die ertoe leidt dat elektronen van het ene materiaal naar het andere overgaan.
• Hoewel statische elektriciteit vaak wordt opgemerkt omdat het kleine schokken veroorzaakt of de haren overeind doet staan, heeft het praktische toepassingen in de dagelijkse technologie.
• Methoden om statische elektriciteit te beheersen of te verminderen zijn onder meer het handhaven van een vochtige omgeving, jezelf aarden om ongewenste ontladingen te voorkomen, en het gebruik van materialen zoals katoen en leer die minder gevoelig zijn voor statische elektriciteit.

Statische elektriciteit is een alomtegenwoordig onderdeel van het dagelijks leven. Het is overal om ons heen, soms grappig en voor de hand liggend (zoals wanneer je haar rechtop gaat staan) soms verborgen en nuttig, zoals wanneer het wordt benut door de elektronica in je mobiele telefoon. De droge wintermaanden zijn hoogseizoen vanwege het vervelende nadeel van statische elektriciteit:elektrische ontladingen zoals kleine bliksemflitsen wanneer je deurknoppen aanraakt of warme dekens die net uit de wasdroger komen.

Statische elektriciteit is een van de oudste wetenschappelijke verschijnselen die mensen hebben waargenomen en beschreven. De Griekse filosoof Thales van Miletus maakte het eerste verslag; in zijn zesde eeuw v.G.T. In zijn geschriften merkte hij op dat als barnsteen hard genoeg werd gewreven, er kleine stofdeeltjes aan zouden blijven kleven. Driehonderd jaar later vervolgde Theophrastus de experimenten van Thales door verschillende soorten stenen te wrijven en observeerde hij ook de 'aantrekkingskracht'. Maar geen van deze natuurfilosofen vond een bevredigende verklaring voor wat ze zagen.

Het duurde nog bijna 2000 jaar voordat het Engelse woord ‘elektriciteit’ voor het eerst werd bedacht, gebaseerd op het Latijnse ‘electricus’, dat ‘zoals barnsteen’ betekent. Enkele van de beroemdste experimenten werden uitgevoerd door Benjamin Franklin in zijn zoektocht om het onderliggende mechanisme van elektriciteit te begrijpen, wat een van de redenen is waarom zijn gezicht lacht bij het biljet van $ 100. Mensen zagen al snel het potentiële nut van elektriciteit in.

Natuurlijk maakten mensen in de 18e eeuw vooral gebruik van statische elektriciteit bij goocheltrucs en andere uitvoeringen. Het 'vliegende jongen'-experiment van Stephen Gray werd bijvoorbeeld een populaire openbare demonstratie:Gray gebruikte een Leidse pot om de jeugd op te laden, opgehangen aan zijden koorden, en liet vervolgens zien hoe hij boekpagina's kon omslaan via statische elektriciteit, of kleine voorwerpen kon optillen. met behulp van de statische aantrekkingskracht.

Voortbouwend op Franklins inzichten, waaronder zijn besef dat elektrische lading in positieve en negatieve smaken voorkomt, en dat de totale lading altijd behouden blijft, begrijpen we nu op atomair niveau wat de elektrostatische aantrekkingskracht veroorzaakt, waarom deze mini-bliksemschichten kan veroorzaken en hoe we deze kunnen benutten wat hinderlijk kan zijn bij gebruik in diverse moderne technologieën.

1. Wat zijn deze kleine vonkjes?
2. De kracht van de Mini Sparks
3. Statische elektriciteit benutten

Wat zijn deze kleine vonken?

Statische elektriciteit komt neer op de interactieve kracht tussen elektrische ladingen. Op atomaire schaal worden negatieve ladingen gedragen door kleine elementaire deeltjes die elektronen worden genoemd. De meeste elektronen zitten netjes verpakt in het grootste deel van de materie, of het nu een harde en levenloze steen is of het zachte, levende weefsel van je lichaam. Veel elektronen zitten echter ook direct op het oppervlak van welk materiaal dan ook. Elk ander materiaal houdt deze oppervlakte-elektronen vast met zijn eigen karakteristieke sterkte. Als twee materialen tegen elkaar wrijven, kunnen elektronen uit het "zwakkere" materiaal worden gerukt en met een sterkere bindingskracht op het materiaal terechtkomen.

Deze overdracht van elektronen – wat wij kennen als een vonk van statische elektriciteit – vindt voortdurend plaats. Beruchte voorbeelden zijn kinderen die van een glijbaan in de speeltuin glijden, voeten die over een tapijt schuifelen of iemand die wollen handschoenen uittrekt om elkaar de hand te schudden.

Maar we merken het effect ervan vaker in de droge wintermaanden, wanneer de lucht een zeer lage luchtvochtigheid heeft. Droge lucht is een elektrische isolator, terwijl vochtige lucht als geleider werkt. Dit is wat er gebeurt:in droge lucht komen elektronen vast te zitten op het oppervlak met de sterkere bindingskracht. Anders dan wanneer de lucht vochtig is, kunnen ze de weg niet vinden om terug te stromen naar het oppervlak waar ze vandaan kwamen, en kunnen ze de verdeling van de ladingen niet weer uniform maken.

Een statische elektrische vonk ontstaat wanneer een object met een overschot aan negatieve elektronen dichtbij een ander object met minder negatieve lading komt en het overschot aan elektronen groot genoeg is om de elektronen te laten ‘springen’. De elektronen stromen van de plek waar ze zich hebben verzameld (zoals bij jou nadat je over een wollen vloerkleed hebt gelopen) naar het volgende voorwerp dat je tegenkomt en dat geen overschot aan elektronen heeft, zoals een deurknop.

Wanneer elektronen nergens heen kunnen, hoopt de lading zich op op oppervlakken – totdat deze een kritisch maximum bereikt en ontlaadt in de vorm van een kleine bliksemschicht. Geef de elektronen een plek waar ze naartoe kunnen gaan, bijvoorbeeld met je uitgestrekte vinger, en je zult de zap zeker voelen.

De kracht van de mini-vonken

Hoewel dit soms vervelend is, is de hoeveelheid lading bij statische elektriciteit doorgaans vrij klein en tamelijk onschuldig. De spanning kan ongeveer 100 maal de spanning van een normaal stopcontact bedragen. Deze enorme spanningen zijn echter niets om je zorgen over te maken, omdat spanning slechts een maatstaf is voor het ladingsverschil tussen objecten. De "gevaarlijke" grootheid is stroom, die aangeeft hoeveel elektronen er stromen. Omdat bij een statische elektrische ontlading doorgaans slechts een paar elektronen worden overgedragen, zijn deze zaps tamelijk onschadelijk.

Niettemin kunnen deze kleine vonkjes fataal zijn voor gevoelige elektronica, zoals de hardwarecomponenten van een computer. Kleine stromen die door slechts enkele elektronen worden gedragen, kunnen voldoende zijn om ze per ongeluk te braden. Dat is de reden waarom werknemers in de elektronische industrie geaard moeten blijven, wat in wezen een bekabelde verbinding is waardoor de elektronen eruitzien als een lege snelweg 'thuis'. Jezelf aarden is ook gemakkelijk door een metalen onderdeel aan te raken of een sleutel in je hand te houden. Metalen zijn zeer goede geleiders, en daarom gaan elektronen daar graag heen.

Een ernstiger gevaar is een elektrische ontlading in de buurt van brandbare gassen. Daarom is het raadzaam om jezelf te aarden voordat je de pompen bij benzinestations aanraakt; je wilt niet dat een verdwaalde vonk eventuele benzinedampen verbrandt. Of u kunt investeren in het soort antistatische polsbandje dat veel wordt gebruikt door werknemers in de elektronische industrie om personen veilig te aarden voordat ze aan zeer gevoelige elektronische componenten gaan werken. Ze voorkomen statische elektriciteit dankzij een geleidend lint dat om je pols wikkelt.

In het dagelijks leven is de beste methode om de opbouw van lading te verminderen het gebruik van een luchtbevochtiger om de hoeveelheid vocht in de lucht te verhogen. Ook het vochtig houden van uw huid door het aanbrengen van een vochtinbrengende crème kan een groot verschil maken. Droogvellen voorkomen dat er zich ladingen ophopen terwijl uw kleding in de droger droogt, door een kleine hoeveelheid wasverzachter over de doek te verspreiden. Deze positieve deeltjes balanceren losse elektronen en de effectieve lading wordt teniet gedaan, wat betekent dat je kleding niet aan elkaar vastgeplakt uit de droger komt. U kunt wasverzachter op uw tapijten wrijven om opbouw van lading te voorkomen. Ten slotte is het dragen van katoenen kleding en schoenen met leren zolen beter dan wollen kleding en schoenen met rubberen zolen.

Statische elektriciteit benutten

Ondanks de hinder en mogelijke gevaren van statische elektriciteit heeft het zeker zijn voordelen.

Veel alledaagse toepassingen van moderne technologie zijn in cruciale mate afhankelijk van statische elektriciteit. Kopieerapparaten maken bijvoorbeeld gebruik van elektrische aantrekkingskracht om geladen toondeeltjes op papier te "lijmen". Luchtverfrissers zorgen er niet alleen voor dat de kamer lekker ruikt, maar elimineren ook slechte geuren door statische elektriciteit af te geven op stofdeeltjes, waardoor de slechte geur wordt gemaskeerd.

Op dezelfde manier gebruiken de schoorstenen in moderne fabrieken geladen platen om de vervuiling te verminderen. Terwijl rookdeeltjes door de schoorsteen omhoog bewegen, pikken ze negatieve ladingen op van een metalen rooster. Eenmaal opgeladen worden ze aangetrokken door platen aan de andere zijden van de schoorsteen die positief geladen zijn. Tenslotte worden de geladen rookdeeltjes opgevangen op een bakje van de opvangplaten die kunnen worden afgevoerd.

Statische elektriciteit heeft ook zijn weg gevonden naar de nanotechnologie, waar het bijvoorbeeld wordt gebruikt om afzonderlijke atomen op te pikken met laserstralen. Deze atomen kunnen vervolgens voor allerlei doeleinden worden gemanipuleerd, zoals in verschillende computertoepassingen. Een andere opwindende toepassing in de nanotechnologie is de besturing van nanoballonnen, die door statische elektriciteit kunnen worden geschakeld tussen een opgeblazen en een ingeklapte toestand. Deze moleculaire machines zouden op een dag medicijnen kunnen afleveren aan specifieke weefsels in het lichaam.

Statische elektriciteit bestaat al twee en een half millennium sinds de ontdekking ervan. Het is nog steeds curieus en hinderlijk, maar het is ook bewezen belangrijk te zijn voor ons dagelijks leven.

Sebastian Deffner is assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Maryland, Baltimore County. Dit artikel is co-auteur van Muhammed Ibrahim, die samen met Deffner onderzoek doet naar het verminderen van rekenfouten in kwantumgeheugens.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf Het gesprek onder een Creative Commons-licentie. Je kunt de vinden origineel artikel hier .