Статическое электричество и трибоэлектрический эффект¶
Статическое электричество — совокупность явлений, связанных с возникновением, накоплением и разрядом электрических зарядов на поверхности или внутри диэлектриков и полупроводников. Один из способов его получения — натирание (трибоэлектризация), при котором два материала при трении обмениваются зарядами. Именно этот принцип лежит в основе бытового способа «наэлектризовать пипидастр» — кусочка пенопласта, который прилипает к стене или руке после натирания о шерсть, шёлк или сукно.
¶Трибоэлектрический эффект
Трибоэлектрический эффект — возникновение поверхностного заряда при контакте и последующем разделении двух материалов. При трении один материал отдаёт электроны другому, в результате на одной поверхности накапливается избыточный отрицательный заряд, на другой — положительный. Способность материала отдавать или принимать электроны характеризуется его положением в трибоэлектрической серии.
| Материал | Положение в серии |
|---|---|
| Политетрафторэтилен (тефлон) | Сильный отрицательный полюс |
| Полистирол, пенополистирол | Отрицательный полюс |
| Полиэтилен | Отрицательный полюс |
| Шёлк | Слабый отрицательный полюс |
| Шерсть, мех | Положительный полюс |
| Стекло | Положительный полюс |
| Кожа | Положительный полюс |
Пенополистирол (материал пипидастров) занимает отрицательную часть шкалы, а шерсть — положительную, поэтому при трении пенопласт отрицательно заряжается и притягивается к нейтрализованным объектам.
¶Как наэлектризовать пипидастр
Классический школьный опыт проводится следующим образом:
- Отрезать от куска пенопласта небольшой кусочек размером 2–5 см («пипидастр»).
- Натирать его о шерстяной свитер, шерстяной шарф, кусок шерсти или шёлковую ткань в течение 10–30 секунд.
- Поднести кусочек к стене, потолку или к ладони — он прилипнет за счёт электростатического притяжения.
После натирания на поверхности пенопласта накапливается поверхностный заряд. Заряженный пипидастр притягивает нейтральные тела: заряд индуцирует в них разделение зарядов (электростатическая индукция), и возникает притяжение, преодолевающее силу тяжести маленького кусочка.
Для усиления эффекта используют:
- более интенсивное трение;
- сухой воздух (во влажном воздухе заряд быстро стекает);
- изолирующие подставки (например, поставить пипидастр на стеклянную палочку).
¶Физика явления
При трении двух тел происходит многократный контакт и разрыв поверхностных слоёв. Электроны с большей сродством переходят на материал с более отрицательным потенциалом. Накопленный заряд распределяется по поверхности и сохраняется длительное время, если материал — хороший диэлектрик и воздух сухой.
Сила притяжения заряженного тела к нейтральному описывается законом Кулона с учётом индукции: заряд, находящийся на расстоянии r от нейтрального проводника, индуцирует в нём заряды противоположного знака, притяжение пропорционально q²/r⁴ для заряда над бесконечной плоскостью.
¶Практическое значение
Статическое электричество, получаемое трением, встречается в быту и технике:
- искрение при снятии синтетической одежды в темноте;
- прилипание к телу носков и плёнок;
- разряды на кузовах автомобилей;
- повреждение электронных компонентов при сборке;
- искрообразование в заправочных комплексах.
Для защиты от статического электричества применяют увлажнение воздуха, антистатические покрытия, заземление и ионизацию.
¶Интересные факты
- Трибоэлектрический эффект известен с античности: Фалес Милетский описал притяжение кусочков янтаря, натёртого о шерсть (греч. ἤλεκτρον — «янтарь» — отсюда термин «электричество»).
- Пипидастры из пенопласта используются в школьных кабинетах физики для демонстрации электростатики.
- Заряд на пенопласте сохраняется неделями, если хранить его в сухом месте.
¶Источники
- Фролов И. В. Курс общей физики. — М.: Высшая школа.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том II. Электричество. — М.: Физматлит.
- Перышкин А. В. Физика. 8 класс. — М.: Просвещение.
- Таблицы трибоэлектрических серий (Triboelectric series).