O p i s   z j a w i s k

      W ciałach nienaładowanych elektrycznie wartości ładunków dodatnich i ujemnych są jednakowe i wzajemnie się znoszą. Ciała takie są elektrycznie obojętne i nie oddziałują na zewnątrz. Jednak ładunki mogą być przenoszone z jednego ciała na drugie lub przemieszczać się w obrębie tego samego ciała. Ładunki nie pojawiają się znikąd i nie znikają. Zgodnie z zasadą zachowania ładunku w izolowanym układzie ciał całkowity ładunek elektryczny, nie ulega zmianie. Mechanizmy powstawania ładunków elektrostatycznych są różne, ale zawsze polegają na rozdzieleniu istniejących w materii zobojętnionych dotąd ładunków .
Jednostką ładunku elektrycznego jest Coulomb (C), a  elementarny ładunek (elektronu) ma wartość 1,60217655(35) *10-19 C.

A.  Elektryzowanie stykowe
      Według hipotezy Helmholtza przy zetknięciu dwóch ciał następuje przenoszenie ładunków z jednego na drugie. Powoduje to powstanie tzw. podwójnych warstw elektrycznych. Każda z nich składa się z dwóch warstw ładunków o znakach przeciwnych rozmieszczonych w pobliżu powierzchni. W rezultacie po rozdzieleniu w jednym z ciał może wystąpić nadmiar elektronów (ładunek ujemny) a w drugim niedobór elektronów (ładunek dodatni).

A1.  Różnica potencjałów przy styku dwóch metali
      Jeśli zbliży się metale na odległość rzędu kilku średnic atomów, to zachodzi tzw. efekt tunelowy (zjawisko Shottky'ego). Elektrony z metalu o mniejszej pracy wyjścia przechodzą przez barierę potencjału do metalu o większej pracy wyjścia, aż do wyrównania energii poziomów Fermiego. Przy styku różnych metali powstaje między nimi różnica potencjałów. Volta uszeregował metale w taki sposób, że każdy metal poprzedzający w szeregu przy zetknięciu z jakimkolwiek następującym elektryzuje się dodatnio.

           szereg Volty

A2.  Styk metalu z półprzewodnikiem i izolatorem
      W półprzewodnikach i izolatorach strefa przewodnictwa jest oddzielona od strefy walencyjnej pasmem zabronionym. Tylko silne pole elektryczne mogą dostarczyć elektronom dielektryka energii potrzebnej do przebicia się ze strefy walencyjnej do przewodnictwa. Przy zetknięciu z metalem, wskutek efektu tunelowego, następuje przechodzenie elektronów do metalu. W zależności od rodzaju materiału i zawartości ewentualnych domieszek na powierzchni izolatora mogą istnieć zarówno donorowe jak i akceptorowe dodatkowe poziomy energetyczne. Zatem możliwe jest także przechodzenie elektronów z metalu na poziomy powierzchniowe izolatora. Ze względu na dużą zmienność wpływu czynników określających przenoszenie ładunków, trudno jest przewidzieć który mechanizm będzie dominującym. Znak nagromadzonego ładunku jest zmienny.

A3.  Styk materiałów nieprzewodzących
      Według hipotezy Lenarda zakłada się, że ciała stałe (podobnie jak ciecze polarne)mogą mieć, w wyniku oddziaływania wzajemnego sił międzycząsteczkowych, zewnętrzne warstwy powierzchniowe naładowane ujemnie. W przypadku silniejszej polaryzacji (ciało o większej stałej dielektrycznej) ładunek ujemny warstwy zewnętrznej związany jest słabiej z ładunkiem dodatnim znajdującym się pod tą warstwą, niż w ciele o mniejszej stałej dielektrycznej. Stąd Coehn wywiódł regułę, według której materiał o większej stałej dielektrycznej łatwiej traci ładunki ujemne, które przechodzą z niego na ciało o mniejszej stałej dielektrycznej. Ciało o większej stałej dielektrycznej ładuje się dodatnio przy zetknięciu się z ciałem o mniejszej stałej dielektrycznej (które ładuje się ujemnie).
           szereg tryboelektryczny
      Zarówno wartość jak i znak ładunku zmienne są w zależności od wielu czynników wskutek bliżej nierozpoznanych mechanizmów. Podany przykładowy szereg wybranych materiałów nie jest niezmienny.

      Powstawanie ładunków przy styku dielektryków może być także związane w obecnością na ich powierzchni cząsteczek zorientowanych (dipoli), które mogą tworzyć podwójną warstwę elektryczną. Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego zachodzi polaryzacja cząsteczek dielektryka, tzn. określone ustawienie się dipoli, równoznaczne z wytworzeniem się na jego powierzchni ładunku elektrycznego. Takie pole może powstać pod wpływem różnicy potencjałów kontaktowych przy styku dwóch ciał.

B.  Elektryzowanie tarciowe (tryboelektryzacja)
      Elektryzowanie przez tarcie jest szczególnym przypadkiem elektryzowania stykowego. Elektryzacja przy tarciu może prowadzić do powstawania ładunków o dużej wartości. Sprzyja temu znaczny wzrost liczby punktów styku oraz silny wzrost temperatury. Energia wydzielana przy tarciu może być tak duża, że także jony z części mocniej nagrzanych mają możliwość przejścia na drugą powierzchnię o niższej temperaturze. Tryboelektryzacja występuje także przy tarciu tych samych materiałów. Powstające ładunki nie są rozłożone równomiernie na powierzchniach trących. Ten sam materiał może zajmować różne miejsce w szeregu tryboelektrycznym w zależności od gładkości jego powierzchni. Trybolektryzacja następuje także przy uderzaniu proszków, granulatu o powierzchnie stałe oraz przy tarciu o powietrze.

C.   Elektryzowanie indukcyjne
      Jeżeli obiekt przewodzący, izolowany od ziemi zostanie wprowadzony do pola elektrycznego, to wskutek działania sił pola nastąpi rozdzielenie ładunków wewnątrz przewodnika i zgromadzenie ich na powierzchni. Po zaniku zewnętrznego pola ładunki w przewodnikach ulegają neutralizacji i praktycznie zanikają. Jeśliby jednak ten przewodnik rozciąć i wyjąć z pola, to ładunki elektryczne pozostaną na obu częściach. Jeśli ładunki zostaną wyodrębnione przez pole w dielektryku, to po usunięciu pola zanik ładunków może trwać wiele godzin.

D.  Elektryzowanie ulotowe
      Jeżeli do elektrod urządzenia elektryzującego przyłożymy odpowiednio wysokie napięcie, to przy powierzchni elektrod powstanie wyładowanie ciche (ulot). Gaz wokół elektrod przybiera ładunek elektryczny odpowiedni do znaku elektrody. Pod wpływem sił pola powstałe jony zostają przenoszone. Jeżeli na ich drodze znajdzie się materiał nieprzewodzący, to na jego powierzchni będą gromadzić się ładunki elektrostatyczne.

E.  Elektryzowanie cieczy
      Powstawanie ładunków przy przepływie, przelewaniu rozbryzgiwaniu cieczy wywołane jest przez zjawiska występujące w warstwie powierzchniowej cieczy, na granicy z ciałem stałym lub gazem. Wskutek nierównowagi sił Coulomba na granicy faz powstaje ładunek zorientowany (szczególnie odnosi się to do cieczy polarnych). Przy przelewaniu lub zderzeniu z przeszkodą dochodzi do rozdzielenia ładunków. Jeżeli ciecz jest przewodząca ( rezystywność ρ<104 Ωm) to następuje szybki przepływ ładunków i wyrównanie potencjałów. Jeżeli rezystywność cieczy jest większa, to ładunki mogą gromadzić się na przeszkodach przepływu, końcach drogi przepływu, na ściankach rurociągów i zbiorników.

F.  Elektryzowanie przy krzepnięciu
      Ciecze, których cząsteczki posiadają moment dipolowy przechodzą podczas zamarzania proces porządkowania dipoli. Proces ten podobny jest do zjawiska rozdzielania ładunków. Jony z roztworu są pochłaniane przez rosnące kryształy i odpowiednio układane. Wskutek tego kryształy wykazują ładunek elektryczny.

G.  Elektryzowanie przez efekt piezoelektryczny
      W pewnych materiałach pod wpływem naprężeń mechanicznych pojawiają się na ich powierzchni ładunki elektryczne. W wyniku odkształceń dochodzi do rozsunięcia się "środków ciężkości" ładunku dodatniego i ujemnego. Powoduje to polaryzację elektryczną materiału.

                        Opracowano na podstawie:
                          "Elektryczność statyczna w przemyśle" J.Simorda,
                          "Elektryczność statyczna w pytaniach i odpowiedziach" J.Strojny

                                                                                                                       Do góry

          

© 1993-2017 by Miziak                                                                                                                                                         www.miziak.zgierz.eu