Elektrische lading is overal om u heen, maar u merkt het pas echt in zeldzame gevallen, zoals wanneer uw haar overeind staat nadat u een hoed hebt afgezet of wanneer je een scherpe zap krijgt wanneer je je hand uitsteekt om iets aan te raken nadat je je voeten over het tapijt hebt gewreven.

Deze twee fenomenen zijn voorbeelden van statische elektriciteit, iets waar je waarschijnlijk over leerde toen je een kind was. Maar hoe laat statische lading je haar overeind staan en waarom kan het je een statische schok geven?

Wat gebeurt er eigenlijk op atomair niveau dat deze universele ervaringen oplevert? Het leren van de details over statische elektriciteit geeft je een veel gedetailleerder inzicht in deze fascinerende eigenschap van materie.
De basisprincipes van elektrische lading

Elektrische lading is een fundamentele eigenschap van materie. Het is gescheiden in positieve ladingen en negatieve ladingen, en hoewel sommige deeltjes elektrisch neutraal zijn - zoals het neutron - zijn deze eigenlijk samengesteld uit nog meer fundamentele deeltjes die wel een elektrische lading dragen.

De twee belangrijkste geladen deeltjes om te weten wanneer je leert over statische elektriciteit zijn twee van de belangrijkste componenten van een atoom: protonen en elektronen.

Protonen zijn positief geladen, met een lading van + e
, terwijl elektronen negatief zijn geladen op - e
, waarbij e
\u003d 1.602 × 10 ^{- 19 C. De C staat hier voor coulombs, wat de SI-eenheid voor elektrische lading. De 10 - 19 vertelt je dat geladen deeltjes zeer kleine
laadwaarden hebben in vergelijking met één coulomb - twee ladingen van slechts 1 C gescheiden door een meter zouden een kracht genereren die groter is dan de stuwkracht van de raket van de Saturn V raket!}

De fundamentele regel voor hoe elektrische lading werkt, is dat tegengestelde ladingen aantrekken en soortgelijke ladingen afstoten. Dus als je een elektron in de buurt van een ander elektron zou brengen, zouden ze zichzelf uit elkaar duwen, terwijl als je een elektron in de buurt van een proton zou brengen, het er door zou worden aangetrokken.
Definitie van statische elektriciteit

niveau, statische elektriciteit verwijst eenvoudig naar ladingen die niet bewegen. Het belangrijkste ding over statische elektriciteit is dat het optreedt wanneer er een onbalans in lading is, en deze onbalans creëert in wezen elektrische potentiaal, wat betekent dat er de mogelijkheid is dat elektrische stroom vloeit (om de lading in evenwicht te brengen) vanwege de laadposities met deeltjes.

In atomen, en bij uitbreiding de meeste alledaagse voorwerpen, is er een evenwicht tussen de positieve en negatieve ladingen (dwz tussen de protonen en elektronen), dus ze zijn elektrisch neutraal wanneer ze allemaal samen worden beschouwd.

Dus als je het ene atoom dicht bij het andere zou brengen, zou er geen elektrische kracht tussen staan, omdat alle positieve ladingen worden gecompenseerd door negatieve ladingen, dus er is geen netto lading om een kracht te genereren.

Hoewel het echt een beetje gecompliceerder is dan dit (omdat elektronen altijd bewegen, dus ze niet altijd
de positieve lading van de protonen blokkeren), creëert deze neutrale situatie een duidelijk contrast met wat er gebeurt wanneerer is een opeenhoping van statische lading.

In wezen krijgt een object (zoals je haar nadat je er een ballon over hebt gewreven) een teveel of een tekort aan lading (dus meer of minder elektronen dan in zijn normale toestand) ), dan is het niet langer neutraal en kan het wat u statische elektriciteit noemt, genereren. Gewone elektriciteit is daarentegen een continue beweging van lading (in de vorm van elektronen in een elektrische stroom), terwijl statische elektriciteit geen beweging impliceert totdat de ladingen elkaar in evenwicht brengen - en je mogelijk een scherpe zap in het proces geven!
Hoe statische elektriciteit werkt

Statische elektriciteit is fundamenteel afhankelijk van een onbalans tussen positieve ladingen en negatieve ladingen, maar eigenlijk zijn het alleen de elektronen die daadwerkelijk bewegen om dit te creëren onbalans.

In een atoom zijn de protonen nauw samengebonden in de kern (samen met de neutronen), en beide zijn aanzienlijk zwaarder dan de negatief geladen elektronen die rond in een "wolk" blijven de buitenkant van de kern.

Omdat deze lichtere deeltjes zich aan de buitenkant bevinden, wanneer het ene object contact maakt met een ander, zijn het de elektronen die tussen hen kunnen overbrengen, en door ze tegen elkaar te wrijven wordt de opbouw van de lading verhoogd. Dus als een object extra elektronen opneemt, wordt het negatief geladen, terwijl als het elektronen verliest het positief wordt geladen.

Isolatiematerialen houden een statische lading goed vast, terwijl een goede geleider alleen een bepaalde statische lading behoudt situaties. Een geleider met extra elektronen houdt geen statische lading vast omdat de elektronen vrij door het materiaal kunnen stromen (wat de definitie is van een goede geleider).

Elke ladingopbouw verdwijnt dus te snel om merkbare statische elektriciteit te creëren , en het kan worden overgebracht naar andere objecten, tenzij het volledig is geïsoleerd van de rest van de omgeving. Omdat stroom niet kan stromen in een isolator, creëert de statische opbouw snel een opmerkelijke ladingsonbalans en genereert daardoor statische elektriciteit.

Omdat soortgelijke ladingen afstoten en tegengestelde ladingen aantrekken, wanneer iets een statische lading heeft zal vasthouden aan tegengesteld geladen items, en het kan soms ook atomen polariseren in een anders neutraal object en er ook aan blijven plakken - zoals een ballon aan een muur blijft plakken nadat je hem over je hoofd wrijft.

Als de lading opbouw is groot genoeg en een relatief hoge spanning wordt bereikt tussen de twee oppervlakken of objecten, de lading kan van het ene object naar het andere springen. Dit is waarom je een zap van de statische schok kunt krijgen als je met je voeten over de vloer wrijft en vervolgens een deurknop aanraakt.
Voorbeelden van statische elektriciteit

Er zijn veel voorbeelden van statische elektriciteit die je tegenkomen in het dagelijks leven, zelfs als u niet noodzakelijkerwijs nadenkt over de rol die statische lading speelt in hun werking.

Een bijzonder vaak voorkomend voorbeeld is statische hechting in kleding, vooral na het gebruik van de droger, die het ideale voorwaarden voor de ontwikkeling van statische elektriciteit, en houdt ook in dat kleding tegen elkaar wrijft en onderweg mogelijk extra elektronen oppikt. De statische schok van kleding die op deze manier is opgeladen, is meestal vrij klein, maar je merkt het zeker nog als je er een krijgt!

Fotokopieerapparaten zijn een goed voorbeeld van hoe statische elektriciteit goed kan worden gebruikt. Het felle licht dat het document scant, creëert een elektrische "schaduw" van het beeld op een fotogeleidende (dwz lichtgevoelige) riem, en terwijl de riem roteert, neemt het negatief geladen tonerdeeltjes op vanwege statische lading.

Daaronder brengt een andere riem een vel papier rond, waardoor het een sterke positieve statische lading krijgt in het proces. Wanneer de negatieve ladingen van de toner voldoen aan de positieve ladingen op het papier, drukt de toner zich op het stuk papier, in hetzelfde patroon als de schaduw die wordt opgepikt door de fotogeleidende riem.

Een ander voorbeeld zou u moeten nemen terug naar een natuurkundeles op school: de Van de Graaff-generator en de klassieke demonstratie waarbij iemand de bol aanraakt. De generator werkt op basis van de beweging van statische elektrische ladingen, met een bewegende riem over de lengte van het apparaat en twee metalen "kammen" om de statische lading te regelen.

Een positief geladen kam onderaan ( aangesloten op een toevoer van elektriciteit) trekt elektronen uit de riem en laat deze achter met een netto positieve lading, en deze lading wordt opgepikt door een kam aan de bovenkant, die deze verspreidt naar de grote koepel aan de bovenkant. Als je de koepel tijdens het oplaadproces aanraakt, pakken afzonderlijke haarstrengen bijpassende ladingen op en stoten ze elkaar af, waardoor deze rechtop blijft staan!
Benjamin Franklin's Vlieger-experiment

Bliksemschichten zijn een zeer dramatische demonstratie van de kracht van statische elektriciteit, en Benjamin Franklin bewees dit in een van de meest bekende wetenschappelijke demonstraties aller tijden door een sleutel tot een natte vliegerstring te binden tijdens een onweersbui.

Hoewel het een mythe is dat de vlieger werd eigenlijk geraakt door een bliksemschicht (dit zou waarschijnlijk Franklin hebben gedood), het elektrische veld van de storm werd opgepikt door de string, die - net als de klassieke demonstratie van de Van de Graaff-generator - de strengen van het touw liet staan einde. Ten slotte raakte Franklin de sleutel en voelde hij de zap van een statische schok, die duidelijk het verband aantoonde tussen elektriciteit en bliksem.

Natuurlijk hebben wetenschappers veel meer details over het proces ingevuld sinds de dagen van Benjamin Franklin. Net als kleding die tegen elkaar wrijft in de droger of een ballon die tegen je haar wrijft, komt de statische lading die bliksem veroorzaakt door wrijving en ijskristallen in koude lucht die waterdruppeltjes ontmoeten uit een warme luchtmassa.

De lading bouwt zich op verschillende plaatsen in de cloud op en wanneer er een voldoende groot verschil in elektrisch potentiaal tussen deze plaatsen is (dwz een voldoende hoge spanning), wordt deze vrijgegeven in de vorm van een bliksemschicht. Dit gebeurt meestal binnen de wolken of tussen twee wolken, maar af en toe zal de bout de grond raken.
De Triboelectric-serie

De opbouw van statische lading veroorzaakt door wrijving en wrijving is technisch het tribo-elektrisch effect genoemd, en op basis van dit artikel weet je al wat dit veroorzaakt en hoe het werkt. Voorwerpen die met elkaar in contact komen, leiden ertoe dat een van hen extra elektronen opneemt (allemaal met negatieve ladingen) en de andere een tekort aan elektronen ontwikkelt en dus een positieve netto lading.

De mate waarin materialen nemen negatieve lading op of verliezen elektronen en krijgen een positieve lading, afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal. Hoewel isolatoren over het algemeen beter zijn in het opnemen van statische lading, nemen verschillende isolatoren het op met verschillende snelheden.

Bijvoorbeeld, de meeste soorten rubber, en in het bijzonder Teflon, pikken elektronen zeer gemakkelijk op en zijn daarom geweldig voor demonstraties en stukjes technologie afhankelijk van statische elektriciteit. Materialen verschillen op basis van hun 'elektronegativiteit', wat in feite hun elektronenaffiniteit betekent, of hun neiging om ze van andere objecten op te pikken.

De tribo-elektrische reeks rangschikt verschillende materialen op basis van hun vermogen om een positieve op te pakken of een negatieve statische lading. Items geplaatst aan de bovenkant van de tribo-elektrische serie hebben de neiging om een positieve lading op te nemen, terwijl die aan de onderkant meer kans hebben om elektronen te krijgen en als gevolg een negatieve lading op te nemen. Hoe groter de scheiding tussen twee items in de tribo-elektrische serie, des te meer zal het samen wrijven een statische lading in beide veroorzaken.
De gevaren van statische elektriciteit

Terwijl de meeste demonstraties van statische elektriciteit zijn leuke displays of kleine curiosa die je in het dagelijks leven tegenkomt, het is belangrijk om te onthouden dat ongewenste statische lading ernstige gevolgen kan hebben.

Een enkele vonk van statische elektriciteit kan bijvoorbeeld brandbare vloeistoffen ontsteken of gassen en kunnen mogelijk leiden tot een explosie. De statische opeenhoping van glijden over uw autostoeltje kan zelfs een probleem veroorzaken als het gaat om het bijvullen van uw gas, en daarom moet u altijd het metalen deel van de auto aanraken voordat u tankt.

Natuurlijk, meestal is statische elektriciteit eigenlijk gewoon een interessant fenomeen, maar als u begrijpt hoe het werkt, kunt u in sommige situaties een ramp voorkomen.