En ny rapport om Vetenskapens framsteg utvecklad av Mirco Kaponig och kollegor inom fysik och nanointegration i Tyskland, detaljerade det mycket grundläggande konceptet för kontaktelektrifiering mellan två metaller. I en ny experimentell metod, forskarna följde laddningen av en liten sfär som studsade på en jordad plan elektrod på en tidsskala ner till 1 mikrosekund. Teamet noterade hur sfären släpptes ut i kontaktögonblicket och varade i 6 till 8 mikrosekunder. Vid avbrott i den elektriska kontakten, sfären återfick laddning långt över förväntan i förhållande till kontaktpotentialskillnaden. Överskottsladdningen uppstod med ökande kontaktyta.

Kontakta elektrifiering

Kontaktelektrifiering är ett allestädes närvarande fenomen som uppstår när två ytor berörs. Processen är en elementär metod för triboelektricitet som kan observeras direkt i det dagliga livet. Fenomenet är ansvarigt för att lätta i åskväder, sandstormar eller vulkaniska plymer. Processen kan vara av stor oro vid hantering av potentiellt explosiva vätskor eller damm. Som ett resultat, Forskare har etablerat empiriska säkerhetsföreskrifter för att undvika faror orsakade av elektriska urladdningar genom triboelektrisk laddning. Även om fenomenet har beskrivits i mer än 2000 år, de underliggande mekanismerna diskuteras fortfarande. Forskare överväger vanligtvis tre typer av laddningsöverföring inklusive överföring av elektroner, joner eller material med partiell laddning. I metall-metallkontakter, elektroner kan överföras mellan två ytor för att etablera kontaktpotential. Mängden överförd laddning berodde också på den ömsesidiga kapaciteten när den elektriska kontakten avbryts, och den observerade laddningsöverföringen stödde starkt konceptet med elektronöverföring för metall-metallkontakter. Situationen är mindre uppenbar för metallisolator- eller isolator-isolatorkontakter. Kaponig et al. presenterade därför en ny experimentell teknik för att analysera laddningsöverföring under kontaktelektrifiering, med oöverträffad upplösning.

Arbetet avslöjade hur den elektriska potentialen hos en metallisk partikel som studsar från en metallyta utvecklades med tiden. Baserat på resultaten, Kaponig et al. noterade hur laddningen ökade med anslagshastigheten i metall-metallkontakter; en egenskap som vanligen observeras med metall-isolator- och isolator-isolator-kontakter men hittills obemärkt för metall-metall-kontakter. Under experimenten, detta ledde till oväntat höga elektriska potentialer för rena metalliska kontakter. Eftersom den elektriska kontakten endast etablerades under några mikrosekunder under mekanisk kontakt, processen behöll inte parametrarna för laddningen före kontakt. Sfärens potential reducerades därför endast till kontaktpotentialen på några tiondels volt. När den elektriska kontakten lossnade från ytan, dock, laddningen på sfären etablerade en potential på upp till 3 V under mindre än 1 mikrosekund.

Avgiftsöverföring

Forskare hade tidigare studerat laddningsöverföringen av partiklar som studsar på en lutande yta baserat på kontaktfri elektrostatisk detektering. Kaponig et al. utvecklade därför ett experimentellt schema för att mäta laddningen före och efter ytkontakt för att följa dynamiken i realtid. I inställningen, de fick en upplösning bättre än 1 mikrosekund i tid för cirka 6000 elektroner. De studerade rörelse- och kontaktelektrifieringen genom att släppa guldsfärer som är 1 mm i diameter genom en liten öppning i en kondensator med parallella plattor. Sfärerna studsade på en praktiskt taget jordad nedre platta, gör det möjligt för forskarna att mäta de inducerade och överförda laddningarna. Teamet utförde experimenten i vakuum. Signalen som detekterades vid den nedre plattan av uppställningen hade två bidrag inklusive laddningen på sfären och laddningen som överfördes till sfären. Teamet noterade displaysignalen för en guldsfär som studsade mer än 15 gånger på den nedre plattan av kondensatorn gjord av koppar, sfärens bana bestod av segment av fritt fall, start och avslutning via kontakt med plattan.

När Kaponig et al. inspekterade signalen noga, de identifierade kontaktögonblicken genom plötsliga förändringar av den uppmätta laddningen. De noterade hur tiden mellan två kontakter bestämde segmentet av banan. Teamet applicerade sedan en spänning vid rampen för att styra sfären till ingången till kondensatorn, där sfären var positivt laddad innan den gick in i kondensatorn och blev negativt laddad under den första kontakten. Den observerade storleken på laddningen var oväntat hög. Forskarna upprepade sedan experimentet med olika initiala laddningar, där sfären blev negativt laddad vid den första och efterföljande kontakten. En annan nyckel för att förstå kontaktelektrifiering inkluderade sfärens potential. Baserat på den höga storleken på laddningen på sfären, teamet noterade en potential på flera volt oväntat hög för ett rent metalliskt system. Den elektriska kontakten etablerades endast som en mekanisk kontakt under några mikrosekunder. Sfärens potential reducerades därför till kontaktpotentialen på några tiondels volt. När avståndet mellan sfären och plattan växte, potentialen ökade ytterligare.

Syn

Teamet beskrev observationerna med hjälp av en metallkontaktmodell där kontaktytan höjdes för den första kontakten, följt av en enorm kapacitet som bildas vid gränssnittet på grund av det minimala avståndet mellan laddningarna. Denna kapacitet laddas till kontaktpotentialen i storleksordningen picoculombs. Vid kontaktavbrott, de två intilliggande ytorna på plattan och sfären passar nästan tätt för att bilda en stor yta vid nära avstånd och en större kapacitet, där storleken på området berodde på sfärens hastighet. På det här sättet, Mirco Kaponig och kollegor visade hur en metallisk sfär som studsar från en metallplatta uppnådde en potential på upp till 10 V, på grund av en deformation av kontaktytan. Detta ledde till en ökad kapacitet mellan sfären och plattan vid elektrisk kontaktavbrott. Resultaten är viktiga för kontaktelektrifiering och triboelektricitet för förbättrad laddningsöverföring.

© 2021 Science X Network