Statische elektriciteit

Eeuwen geleden werd ontdekt dat bepaalde soorten materialen elkaar op mysterieuze wijze zouden aantrekken nadat ze tegen elkaar waren gewreven. Na bijvoorbeeld een stuk zijde tegen een stuk glas te hebben gewreven, zouden de zijde en het glas de neiging hebben aan elkaar te kleven. Er was inderdaad een aantrekkingskracht die kon worden aangetoond, zelfs wanneer de twee materialen werden gescheiden:

Glas en zijde zijn niet de enige materialen waarvan bekend is dat ze zich zo gedragen. Iedereen die ooit tegen een latex ballon heeft gestreken om te ontdekken dat hij eraan probeert te kleven, heeft hetzelfde fenomeen ervaren. Paraffinewas en wollen stoffen zijn een ander paar materialen waarvan vroege onderzoekers erkenden dat ze aantrekkelijke krachten vertoonden nadat ze tegen elkaar waren gewreven:

Dit fenomeen werd nog interessanter toen werd ontdekt dat identieke materialen, na te zijn ingewreven met hun respectievelijke doeken, elkaar altijd afstoten:

Er werd ook opgemerkt dat wanneer een stuk glas dat met zijde was ingewreven, werd blootgesteld aan een stuk was dat met wol was ingewreven, de twee materialen elkaar zouden aantrekken:

Verder werd gevonden dat elk materiaal dat eigenschappen van aantrekking of afstoting vertoont nadat het is gewreven, in twee verschillende categorieën kan worden ingedeeld:aangetrokken door glas en afgestoten door was, of afgestoten door glas en aangetrokken door was. Het was het een of het ander:er zijn geen materialen gevonden die zowel door glas als was zouden worden aangetrokken of afgestoten, of die op de een reageerden zonder op de ander te reageren.

Er werd meer aandacht besteed aan de stukken stof die werden gebruikt om te wrijven. Er werd ontdekt dat na het wrijven van twee stukken glas met twee stukken zijden doek, niet alleen de stukken glas elkaar afstoten, maar ook de doeken. Hetzelfde fenomeen gold voor de stukken wol die werden gebruikt om de was te wrijven:

Dit was echt vreemd om te zien. Geen van deze objecten was immers zichtbaar veranderd door het wrijven, maar ze gedroegen zich beslist anders dan voordat ze werden gewreven. Welke verandering er ook plaatsvond om deze materialen elkaar aan te trekken of af te stoten, was onzichtbaar.

Sommige onderzoekers speculeerden dat onzichtbare "vloeistoffen" tijdens het wrijven van het ene object naar het andere werden overgebracht en dat deze "vloeistoffen" een fysieke kracht over een afstand konden uitoefenen. Charles Dufay was een van de eerste onderzoekers die aantoonde dat er zeker twee verschillende soorten veranderingen waren die tot stand werden gebracht door bepaalde paren objecten tegen elkaar te wrijven. Het feit dat er meer dan één type verandering zichtbaar was in deze materialen bleek duidelijk uit het feit dat er twee soorten krachten werden geproduceerd:aantrekking en afstoting . De hypothetische vloeistofoverdracht werd bekend als een lading .

Een baanbrekende onderzoeker, Benjamin Franklin, kwam tot de conclusie dat er slechts één vloeistof werd uitgewisseld tussen gewreven objecten, en dat de twee verschillende 'ladingen' niets meer waren dan een teveel of een tekort aan die ene vloeistof. Na te hebben geëxperimenteerd met was en wol, stelde Franklin voor dat de grove wol een deel van deze onzichtbare vloeistof uit de gladde was zou verwijderen, waardoor er een teveel aan vloeistof op de wol en een tekort aan vloeistof op de was ontstond. De resulterende ongelijkheid in vloeistofgehalte tussen de wol en was zou dan een aantrekkingskracht veroorzaken, omdat de vloeistof zijn vroegere evenwicht tussen de twee materialen probeerde te herwinnen.

Het veronderstellen van het bestaan ​​van een enkele "vloeistof" die ofwel werd gewonnen of verloren door wrijven, was het beste voor het waargenomen gedrag:dat al deze materialen netjes in een van de twee categorieën vielen wanneer ze werden gewreven, en vooral dat de twee actieve materialen tegen elkaar wreven andere vielen altijd in tegengestelde categorieën zoals blijkt uit hun onveranderlijke aantrekkingskracht tot elkaar. Met andere woorden, er was nooit een tijd waarin twee materialen tegen elkaar wreven beide werd ofwel positief of negatief.

Na Franklins speculatie dat de wol iets van de was wrijft, werd het type lading dat geassocieerd werd met gewreven was bekend als "negatief" (omdat het een vochttekort zou hebben), terwijl het type lading dat geassocieerd werd met het wrijven wol werd bekend als "positief" (omdat het een teveel aan vocht zou bevatten). Hij wist niet dat zijn onschuldige vermoeden in de toekomst veel verwarring zou veroorzaken bij studenten elektriciteit!

Nauwkeurige metingen van elektrische lading werden in de jaren 1780 uitgevoerd door de Franse natuurkundige Charles Coulomb met behulp van een apparaat dat een torsiebalans wordt genoemd. het meten van de kracht die wordt opgewekt tussen twee elektrisch geladen objecten. De resultaten van Coulombs werk leidden tot de ontwikkeling van een eenheid van elektrische lading die ter ere van hem werd genoemd, de coulomb . Als twee "punt"-objecten (hypothetische objecten zonder noemenswaardig oppervlak) gelijkelijk geladen zouden zijn tot een maat van 1 coulomb en 1 meter (ongeveer 1 yard) uit elkaar zouden worden geplaatst, zouden ze een kracht genereren van ongeveer 9 miljard Newton (ongeveer 2 miljard Newton). pond), hetzij aantrekkend of afstotend, afhankelijk van het soort kosten dat ermee gemoeid is. De operationele definitie van een coulomb als de eenheid van elektrische lading (in termen van gegenereerde kracht tussen puntladingen) bleek gelijk te zijn aan een teveel of een tekort van ongeveer 6.250.000.000.000.000.000 elektronen. Of, omgekeerd uitgedrukt, één elektron heeft een lading van ongeveer 0,000000000000000016 coulombs. Omdat dat ene elektron de kleinste bekende drager van elektrische lading is, wordt dit laatste ladingscijfer voor het elektron gedefinieerd als de elementaire lading .

Veel later werd ontdekt dat deze "vloeistof" eigenlijk was samengesteld uit extreem kleine stukjes materie die elektronen worden genoemd , zo genoemd ter ere van het oude Griekse woord voor barnsteen:een ander materiaal dat geladen eigenschappen vertoont wanneer het wordt ingewreven met een doek.

De samenstelling van het atoom

Experimenten hebben sindsdien aangetoond dat alle objecten zijn samengesteld uit extreem kleine "bouwstenen", bekend als atomen en dat deze atomen op hun beurt zijn samengesteld uit kleinere componenten die bekend staan ​​als deeltjes . De drie fundamentele deeltjes waaruit de meeste atomen bestaan, worden protonen genoemd , neutronen en elektronen . Hoewel de meeste atomen een combinatie van protonen, neutronen en elektronen hebben, hebben niet alle atomen neutronen; een voorbeeld is de protiumisotoop (1H1) van waterstof (Hydrogen-1), de lichtste en meest voorkomende vorm van waterstof die slechts één proton en één elektron heeft. Atomen zijn veel te klein om te zien, maar als we er naar zouden kunnen kijken, zou het er ongeveer zo uit kunnen zien:

Hoewel elk atoom in een stuk materiaal de neiging heeft om als een eenheid bij elkaar te blijven, is er eigenlijk veel lege ruimte tussen de elektronen en de cluster van protonen en neutronen die zich in het midden bevinden.

Dit ruwe model is dat van het element koolstof, met zes protonen, zes neutronen en zes elektronen. In elk atoom zijn de protonen en neutronen zeer nauw met elkaar verbonden, wat een belangrijke eigenschap is. De strak gebonden klomp protonen en neutronen in het centrum van het atoom wordt de kern genoemd. , en het aantal protonen in de atoomkern bepaalt de elementaire identiteit:verander het aantal protonen in de atoomkern, en je verandert het type atoom dat het is. Als je drie protonen uit de kern van een loodatoom zou kunnen verwijderen, heb je de droom van de oude alchemisten bereikt om een ​​goudatoom te produceren! De hechte binding van protonen in de kern is verantwoordelijk voor de stabiele identiteit van chemische elementen en het falen van alchemisten om hun droom te verwezenlijken.

Neutronen hebben veel minder invloed op het chemische karakter en de identiteit van een atoom dan protonen, hoewel ze net zo moeilijk aan de kern kunnen worden toegevoegd of eruit kunnen worden verwijderd, omdat ze zo nauw gebonden zijn. Als neutronen worden toegevoegd of gewonnen, behoudt het atoom nog steeds dezelfde chemische identiteit, maar de massa zal enigszins veranderen en het kan vreemde nucleaire krijgen eigenschappen zoals radioactiviteit.

Elektronen hebben echter aanzienlijk meer bewegingsvrijheid in een atoom dan protonen of neutronen. In feite kunnen ze uit hun respectievelijke posities worden geslagen (zelfs het atoom volledig verlaten!) met veel minder energie dan wat nodig is om deeltjes in de kern los te maken. Als dit gebeurt, behoudt het atoom nog steeds zijn chemische identiteit, maar treedt er een belangrijke onbalans op. Elektronen en protonen zijn uniek omdat ze over een afstand tot elkaar worden aangetrokken. Het is deze aantrekkingskracht over afstand die de aantrekkingskracht veroorzaakt tussen gewreven objecten, waarbij elektronen van hun oorspronkelijke atomen worden verwijderd om rond atomen van een ander object te verblijven.

Elektronen hebben de neiging om andere elektronen over een afstand af te stoten, net als protonen met andere protonen. De enige reden waarom protonen in de kern van een atoom aan elkaar binden, is vanwege een veel sterkere kracht die de sterke kernkracht wordt genoemd. die alleen effect heeft op zeer korte afstanden. Vanwege dit aantrekkings-/afstotingsgedrag tussen afzonderlijke deeltjes zouden elektronen en protonen tegengestelde elektrische ladingen hebben. Dat wil zeggen, elk elektron heeft een negatieve lading en elk proton een positieve lading. In gelijke aantallen binnen een atoom werken ze elkaars aanwezigheid tegen, zodat de netto lading binnen het atoom nul is. Daarom heeft de afbeelding van een koolstofatoom zes elektronen:om de elektrische lading van de zes protonen in de kern in evenwicht te brengen. Als elektronen vertrekken of extra elektronen arriveren, zal de netto elektrische lading van het atoom uit balans zijn, waardoor het atoom als geheel "geladen" blijft, waardoor het interageert met geladen deeltjes en andere geladen atomen in de buurt. Neutronen worden niet aangetrokken door of afgestoten door elektronen, protonen of zelfs andere neutronen en worden bijgevolg gecategoriseerd als helemaal geen lading.

Het proces van elektronen die aankomen of vertrekken is precies wat er gebeurt wanneer bepaalde combinaties van materialen tegen elkaar worden gewreven:elektronen van de atomen van het ene materiaal worden door het wrijven gedwongen om hun respectieve atomen te verlaten en over te gaan naar de atomen van het andere materiaal. Met andere woorden, elektronen vormen de "vloeistof" die door Benjamin Franklin werd verondersteld.

Wat is statische elektriciteit?

Het resultaat van een onbalans van deze "vloeistof" (elektronen) tussen objecten wordt statische elektriciteit genoemd. . Het wordt "statisch" genoemd omdat de verplaatste elektronen de neiging hebben stationair te blijven nadat ze van het ene isolatiemateriaal naar het andere zijn verplaatst. In het geval van was en wol werd door verdere experimenten vastgesteld dat elektronen in de wol daadwerkelijk werden overgebracht naar de atomen in de was, wat precies het tegenovergestelde is van het vermoeden van Franklin! Ter ere van Franklins aanduiding dat de lading van de was "negatief" is en de lading van de wol "positief", zouden elektronen een "negatieve" oplaadinvloed hebben. Dus een object waarvan de atomen een overschot aan elektronen hebben ontvangen, wordt negatief genoemd. geladen, terwijl een object waarvan de atomen geen elektronen hebben, positief . is geladen, hoe verwarrend deze benamingen ook mogen lijken. Tegen de tijd dat de ware aard van elektrische "vloeistof" werd ontdekt, was Franklins nomenclatuur van elektrische lading te goed ingeburgerd om gemakkelijk te kunnen worden gewijzigd, en zo is het tot op de dag van vandaag.

Michael Faraday bewees (1832) dat statische elektriciteit dezelfde is als die geproduceerd door een batterij of een generator. Statische elektriciteit is voor het grootste deel hinderlijk. Aan zwart poeder en rookloos poeder is grafiet toegevoegd om ontbranding door statische elektriciteit te voorkomen. Het veroorzaakt schade aan gevoelige halfgeleiderschakelingen. Hoewel het mogelijk is om motoren te produceren die worden aangedreven door hoogspannings- en lage stroomkarakteristieken van statische elektriciteit, is dit niet economisch. De weinige praktische toepassingen van statische elektriciteit zijn onder meer xerografisch printen, het elektrostatische luchtfilter en de hoogspannings-Van de Graaff-generator.

BEOORDELING:

• Alle materialen zijn opgebouwd uit kleine 'bouwstenen' die bekend staan ​​als atomen .
• Alle natuurlijk voorkomende atomen bevatten deeltjes genaamd elektronen , protonen , en neutronen , met uitzondering van de protiumisotoop (₁ H ¹ ) waterstof.
• Elektronen hebben een negatieve (-) elektrische lading.
• Protonen hebben een positieve (+) elektrische lading.
• Neutronen hebben geen elektrische lading.
• Elektronen kunnen veel gemakkelijker van atomen worden losgemaakt dan protonen of neutronen.
• Het aantal protonen in de atoomkern bepaalt zijn identiteit als uniek element.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad statische elektriciteit
• Werkblad Atoomstructuur