Elektrisk laddning är runt omkring dig, men du märker det bara i sällsynta tillfällen, som när håret står i slutet när du tar av en hatt eller när du får en skarp zapp när du når ut att röra något efter att ha gnuglat fötterna längs mattan.

Dessa två fenomen är exempel på statisk elektricitet, något du antagligen lärde dig om när du var liten. Men hur gör statisk laddning att ditt hår står i slutet och varför kan det ge dig en statisk chock?

Vad händer egentligen på atomnivån som ger dessa universella upplevelser? Att lära sig detaljerna om statisk elektricitet ger dig en mycket mer detaljerad inblick i denna fascinerande egenskap av materia.
Basics of Electric Charge

Elektrisk laddning är en grundläggande egenskap hos materien. Det är uppdelat i positiva laddningar och negativa laddningar, och även om vissa partiklar är elektriskt neutrala - som neutronen - är de faktiskt sammansatta av ännu mer grundläggande partiklar som inte har en elektrisk laddning.

De två viktigaste laddade partiklarna att veta när du lär dig statisk elektricitet är två av huvudkomponenterna i en atom: protoner och elektroner.

Protoner är positivt laddade, med en laddning på + e
, medan elektroner är negativt laddade vid - e
, där e
\u003d 1,602 × 10 ^{- 19 C. C här står för coulombs, som är SI-enheten för elektrisk laddning. De 10 - 19 säger att laddade partiklar har mycket små och laddningsvärden jämfört med en coulomb - två laddningar på bara 1 C separerade med en meter skulle generera en kraft som är större än drivkraften hos Saturn V-raketens lanseringskraft!}

Den grundläggande regeln för hur elektrisk laddning fungerar är att motsatta laddningar lockar och likadana laddningar avvisar. Så om du tog en elektron nära en annan elektron skulle de skjuta sig isär, medan om du förde en elektron nära en proton, skulle den lockas till den.
Definition av statisk elektricitet

På det mest grundläggande nivå, statisk elektricitet hänvisar helt enkelt till avgifter som inte rör sig. Men det finns mycket mer än det! Det viktigaste med statisk elektricitet är att det uppstår när det finns en obalans i laddningen, och denna obalans skapar i huvudsak elektrisk potential, vilket innebär att det finns potential för elektrisk ström att flyta (för att balansera laddningen) på grund av laddningspositionerna- bärande partiklar.

I atomer, och i förlängningen de flesta vardagliga föremål, finns det en balans mellan de positiva och negativa laddningarna (dvs. mellan protonerna och elektronerna), så de är elektriskt neutrala när de betraktas som alla tillsammans.

Så om du förde en atom nära en annan skulle det inte finnas någon elektrisk kraft mellan dem eftersom alla positiva laddningar balanseras ut av negativa laddningar, så det finns ingen nettoladd för att generera en kraft.

Även om det verkligen är lite mer komplicerat än detta (eftersom elektroner alltid rör sig, så de inte alltid blockerar den positiva laddningen från protonerna), skapar denna neutrala situation en tydlig kontrast till vad som händer närdet finns en uppbyggnad av statisk laddning.

I huvudsak, när ett objekt (som ditt hår efter att ha gnuglat en ballong på den) får ett överskott eller ett underskott på laddning (så fler eller färre elektroner än i dess vanliga tillstånd ), då är den inte längre neutral och kan generera det du kallar statisk elektricitet. Däremot är vanlig elektricitet en kontinuerlig rörelse utan laddning (i form av elektroner i en elektrisk ström), medan statisk elektricitet inte innebär förflyttning förrän laddningarna balanserar varandra - och möjligen ge dig en skarp zap i processen!
Hur statisk elektricitet fungerar

Statisk elektricitet beror i grund och botten på en obalans mellan positiva laddningar och negativa laddningar, men egentligen är det bara elektronerna som faktiskt rör sig för att skapa detta obalans.

I en atom är protonerna tätt bundna i kärnan (tillsammans med neutronerna), och båda dessa är betydligt tyngre än de negativt laddade elektronerna som förblir i ett "moln" runt på utsidan av kärnan.

Eftersom dessa lättare partiklar finns på utsidan, när ett objekt kommer i kontakt med ett annat är det elektronerna som kan överföra mellan dem, och genom att gnugga ihop dem ökar hastigheten för laddningsuppbyggnad. Så om ett objekt plockar upp extraelektron blir det negativt laddat, medan det förlorar elektroner blir det positivt laddat.

Isolerande material håller en statisk laddning väl, medan en god ledare endast behåller en statisk laddning i vissa situationer. En ledare som ges extra elektroner har inte en statisk laddning eftersom elektronerna kan flyta fritt genom hela materialet (vilket är definitionen av en bra ledare).

Så varje laddningsuppbyggnad försvinner för snabbt för att skapa märkbar statisk elektricitet , och det kan överföras till andra objekt om det inte är helt isolerat från resten av miljön. Eftersom ström inte kan flöda i en isolator skapar den statiska uppbyggnaden snabbt en märkbar laddningsobalans och därmed genererar statisk elektricitet.

Eftersom liknande laddningar avvisar och motsatta laddningar lockar, när något har en statisk laddning, kommer att hålla sig till motsatt laddade föremål, och det kan också ibland polarisera atomer i ett annars neutralt objekt och hålla fast vid det också - hur en ballong fastnar på en vägg efter att du gnuggar den på huvudet.

Om laddningen uppbyggnad är tillräckligt stor och en relativt hög spänning uppnås mellan de två ytorna eller föremålen, laddningen kan hoppa från ett objekt till ett annat. Det är därför du kan få en zapp från den statiska chocken om du gnuggar fötterna över golvet och sedan vidrör en dörrhandtag.
Exempel på statisk elektricitet.

Det finns många exempel på statisk elektricitet som du möter i vardagen, även om du inte nödvändigtvis tänker på den roll som statisk laddning spelar i deras funktion.

Ett särskilt vanligt exempel är statisk klamring i kläder, särskilt efter att ha använt torkaren, vilket håller idealet förutsättningar för att statisk elektricitet ska utvecklas, och innebär också att kläder gnuggar mot varandra och eventuellt hämtar extra elektroner på vägen. Den statiska chocken från kläder som laddats på detta sätt tenderar att vara ganska liten, men du märker det ändå när du får en!

Kopieringsmaskiner är ett bra exempel på hur statisk elektricitet kan användas till god användning. Det starka ljuset som skannar dokumentet skapar en elektrisk "skugga" av bilden på ett fotokonduktivt (dvs ljuskänsligt) bälte, och när bältet roterar tar det upp negativt laddade tonerpartiklar på grund av statisk laddning.

Under detta ger ett annat bälte ett pappersark runt, vilket ger det en stark positiv statisk laddning under processen. När de negativa laddningarna från tonern uppfyller de positiva laddningarna på papperet, trycker tonern sig på papperet, i samma mönster som skuggan som tagits upp av det fotoledande bältet.

Ett annat exempel bör ta dig tillbaka till en fysikklass i skolan: Van de Graaff-generatorn och den klassiska demonstrationen där någon som berör sfären har håret på väg. Generatorn fungerar baserat på rörelsen av statiska elektriska laddningar, med ett rörligt bälte som går upp längden på enheten och två metalliska "kammar" för att kontrollera den statiska laddningen.

En positivt laddad kam i botten ( ansluten till en strömförsörjning) drar elektroner från bältet och lämnar det med en nettopositiv laddning, och denna laddning plockas upp av en kam i toppen som sprider den ut till den stora kupolen längst upp. Om du vidrör kupolen under laddningsprocessen, tar enskilda hårsträngar ihop matchande laddningar och avvisar varandra och får den att stå i slutet!
Benjamin Franklins drakexperiment |

Blixtbultar är en mycket dramatisk demonstration av kraften hos statisk elektricitet, och Benjamin Franklin bevisade detta i en av de mest kända vetenskapliga demonstrationerna genom tiderna genom att knyta en nyckel till en våt draksträng under åskväder.

Även om det är en myt att draken slogs faktiskt av en blixtbult (detta skulle sannolikt ha dödat Franklin), det elektriska fältet från stormen plockades upp av strängen, som - ungefär som den klassiska Van de Graaff-generatordemonstrationen - fick trådarna till att stå på slutet. Slutligen berörde Franklin nyckeln och kände att det var en statisk chock, vilket tydligt visade kopplingen mellan el och blixt.

Naturligtvis har forskare fyllt i många fler detaljer om processen sedan Benjamin Franklins dagar. Mycket som kläder som gnuggar mot varandra i torktumlaren eller en ballong som gnider mot håret, den statiska laddningen som skapar blixt kommer från friktion, och från iskristaller i kall luft möter vattendroppar från en varm luftmassa.

Laddning byggs upp på olika platser i molnet, och när det finns en tillräckligt stor skillnad i elektrisk potential mellan dessa platser (dvs. en tillräckligt hög spänning), släpps den i form av en blixtbult. Detta inträffar vanligtvis i moln eller mellan två moln, men ibland kommer bulten att slå marken.
Triboelectric Series |

Uppbyggnaden av statisk laddning orsakad av friktion och gnidning är tekniskt kallas triboelektrisk effekt, och baserat på denna artikel vet du redan detaljerna om vad som orsakar detta och hur det fungerar. Objekt som kommer i kontakt med varandra leder till att en av dem hämtar extra elektroner (alla bär negativa laddningar) och den andra utvecklar ett underskott på elektroner och därför en positiv nettoladdning.

Men i vilken grad olika material tar upp negativ laddning eller förlorar elektroner och får en positiv laddning varierar baserat på materialets egenskaper. Medan isolatorer generellt sett är bättre på att plocka upp statisk laddning, tar olika isolatorer upp den med olika hastigheter.

Till exempel, de flesta typer av gummi, och i synnerhet Teflon, plockar upp elektroner mycket enkelt och som sådana är bra för demonstrationer och teknikbitar beroende på statisk elektricitet. Material skiljer sig beroende på deras "elektronegativitet", vilket i grund och botten betyder deras elektronaffinitet, eller deras tendens att plocka upp dem från andra objekt.

Den triboelektriska serien sätter olika material i ordning baserat på deras förmåga att plocka upp en positiv eller en negativ statisk laddning. Föremål placerade mot toppen av triboelektriska serier är benägna att plocka upp en positiv laddning, medan de i botten är mer benägna att få elektroner och hämta en negativ laddning som ett resultat. Ju större åtskillnad mellan två artiklar i triboelektrisk serie, desto mer att gnugga ihop dem kommer att skapa en statisk laddning hos dem båda. är roliga skärmar eller mindre nyfikenheter som du stöter på i det dagliga livet, det är viktigt att komma ihåg att oönskad statisk laddning kan få allvarliga konsekvenser.

Till exempel kan en enda gnista från statisk elektricitet antända brandfarliga vätskor eller gaser och potentiellt resultera i en explosion. Den statiska uppbyggnaden från att glida över din bilstol kan till och med potentiellt orsaka problem när det gäller att fylla på din gas, och därför bör du alltid röra bilens metalldel innan du fyller på.

Naturligtvis mest av tiden statisk elektricitet är egentligen bara ett intressant fenomen, men att förstå hur det fungerar kan hjälpa dig att undvika katastrof i vissa situationer.