Electrificarea corpurilor poate duce la o distribuție mozaică a încărcăturilor de pe suprafața lor • Yuri Erin • Stiri despre "Elemente" • Fizica

Electrificarea corpurilor poate duce la o distribuție mozaică a sarcinilor pe suprafața lor.

Fig. 1. a) O listă de materiale care arată modul în care vor fi taxate când intră în contact (contact sau frecare). Materialul din lista de mai sus va fi încărcat pozitiv, sub – negativ. Această listă este stabilită empiric. Pozițiile anumitor substanțe, în special polimetil metacrilat (sticlă organică), polistiren și clorură de polivinil, pot varia în alte publicații. b) Un set de substanțe care formează o serie ciclică în procesul de electrizare a acestora (de exemplu, contactul zincului cu mătase va conduce la apariția unei încărcări pozitive asupra primei substanțe și a unui negativ asupra celei de-a doua substanțe). Imagine de la articol: Logan S. McCarty, George M. Whitesides. Încărcarea electrostatică datorită separării ionilor la interfețe: contactarea electrificării electretelor ionice într-un jurnal Angewandte Chemie International Edition

Este bine cunoscut faptul că contactul sau frecarea a două materiale conduce la apariția unei încărcări electrice pe suprafețele lor. Acest fenomen se numește electrificare prin frecare sau electrificare în contact. De mult timp sa crezut că în timpul electrificării, un corp este încărcat uniform pozitiv, iar celălalt – uniform negativ. Oamenii de știință din Statele Unite au demonstrat incorecta acestei afirmații pe exemplul compușilor de polimeri – dielectrici.Experimentele efectuate au stabilit că contactul acestor substanțe conduce la apariția pe suprafața lor a unui mozaic din regiuni nanoscopice care au sarcini diferite.

Atunci când două corpuri intră în contact sau frecare, fiind neutre din punct de vedere electric, ele dobândesc, respectiv, o sarcină electrică pozitivă și negativă, distribuită uniform pe suprafața lor (figura 1). Într-un curs de fizică școlară, acest fenomen se numește electrificare prin frecare sau electrificare de contact.

Deși fenomenul de electrificare a fost cunoscut din cele mai vechi timpuri (primul proces de electrificare a fost descris de Thales de Miletus), nu totul este clar cu el astăzi. În mod convențional, această problemă fizică poate fi împărțită în trei părți: electrificarea unui metal cu un metal, a unui dielectric cu un metal și a unui dielectric cu ajutorul unui dielectric. Pentru prima combinație de substanțe, procesul de electrificare este bine studiat și înțeles: distribuția încărcării continuă până când nivelurile Fermi ale celor două metale se opresc, iar substanța cu nivelul Fermi deasupra (de mai jos) este încărcată pozitiv (negativ). Acest fenomen în fizică este cunoscut mai des ca apariția unei diferențe de potențial de contact.

Electrificarea unui dielectric de către un metal este în prezent studiată foarte activ, dar rămâne neclar cât timp are loc transferul de sarcină între metal și dielectric, ceea ce determină sfârșitul acestui transfer – câmpul electric creat ca rezultat al electrificării sau numărul de stări electronice disponibile în dielectric (adică câte electroni permit să accepte / dau acest dielectric).

În cele din urmă, procesul de electrizare a dielectricului printr-un dielectric este studiat foarte slab, deși experții cred că dacă înțelegeți complet electrificarea unui dielectric cu un metal, atunci mai târziu va fi ușor să aflați mecanismul electrizării a două dielectrice.

În orice caz, se consideră că suprafața uneia dintre o pereche de substanțe este încărcată într-o manieră uniformă pozitivă, iar cealaltă este uniform negativă. Cu toate acestea, acest lucru nu ne permite să explicăm rezultatele unor experimente în care diferite particule din același material sau chiar regiuni macroscopice întregi ale aceluiași eșantion au caracteristici de încărcare diferite (a se vedea, de exemplu, articolul Electrification motiveprin care particule mici dintr-un mediu dielectric granular sunt încărcate negativ, iar cele mari – pozitiv).

În revista știință Lucrarea experimentală a echipei de oameni de știință din Statele Unite ale Americii a publicat mozaicul de încărcare a suprafeței în contact electrificarea, care demonstrează încă o dată că pentru unele corpuri macroscopice imaginea electrificării poate fi foarte diferită de cea general acceptată. Autorii articolului folosindu-se microscopul cu forță sonda Kelvin, o variantă a microscopiei de forță atomică, care permite vizualizarea distribuției potențialului electric al suprafeței obiectului studiat, a constatat că electrificarea compușilor polimerici individuali conduce la apariția unui mozaic special: taxele opuse.

Fig. 2. (A) Posibile scenarii de electrificare a contactului. în sus: după contactul și separarea a două suprafețe, una dintre ele este încărcată uniform pozitiv, cealaltă – negativ. Jos jos: electrificarea contactului a doi compuși polimerici conduce la apariția unui mozaic pe suprafețele lor – regiuni încărcate opus cu o dimensiune de aproximativ 100 nm. (B)-(D) – hărți tridimensionale ale distribuției potențialului electric pe suprafețele polimerilor, obținute prin metoda sondei Kelvin. (BA) Distribuția potențială pe suprafață a polidimetilsiloxanului (PDMS) înainte de electrificare. Aceeași distribuție uniformă a fost observată pe suprafața celorlalte materiale implicate în experiment. (CA) Distribuția potențială pe suprafața PDMS după contactul cu o altă suprafață PDMS. În ciuda încărcării mozaicului, taxa totală primită de PDMS este negativă; în timp ce densitatea suprafeței este -0,2 nC / cm2 (nanocolon pe centimetru pătrat). (DA) Suprafața policarbonat (PC) după contactul cu PDMS. Taxa primită este pozitivă. Densitatea suprafeței este de 0,16 nC / cm2. În coloana din stânga – proiecții ale hărților 3D corespunzătoare distribuției potențialului pe suprafața polimerului. Variații de culoare corespund unei modificări a potențialului de la -1 V la +1 V. Suprafața scanată de sonda Kelvin măsoară 4,5 cu 4,5 micrometri. Lungimea bara de scară este de 500 nm. Imagine din articol în discuție știință

Studiul apariției încărcărilor pe suprafața corpurilor în timpul electrificării a avut loc pe exemple de polidimetilsiloxan, policarbonat, politetrafluoretilen (Teflon), care au proprietăți dielectrice.Oamenii de știință au investigat de asemenea siliciul (semiconductorul) și aluminiu (metalul) pentru a arăta că un astfel de mozaic nu este observat pe suprafețele acestor materiale și, de asemenea, să se asigure că rezultatele obținute nu sunt un artifact al experimentului. Măsurarea densității sarcinii de suprafață și controlul electroneutralității suprafeței înainte de începerea electrificării a fost efectuată utilizând o cuvă Faraday atașată la un electrometru foarte precis. Toate experimentele au fost efectuate în condiții atmosferice normale (temperatură + 22 ° C, umiditate relativă 24%)

În fig. 2B, C și D sunt distribuțiile potențialului electric al suprafeței unui material dielectric polimeric obținut prin sonda Kelvin. Autorii articolului raportează că înainte de începerea electrificării nu au existat încărcături electrice pe suprafața materialelor, cel puțin echipamentul de măsurare, care lucra la limita preciziei, nu și-a înregistrat prezența (figura 2B). După electrificare, pe suprafața substanțelor cu proprietăți dielectrice s-au format regiuni nanoscopice cu semn de încărcare diferit. Autorii articolului au numit imaginea pe care au observat-o mozaic, notândcă distribuția elementelor mozaice a fost aleatoare și nu depinde de modul în care corpurile au fost încărcate în general în timpul electrificării (fig.2C, D). Aluminiu și siliciu nu au prezentat un astfel de comportament.

Sa constatat în cadrul studiilor ulterioare că rezultatele obținute nu suferă modificări calitative în cazul în care durata de contact între suprafețe este variată (de la 2 secunde la 1,5 ore). De asemenea, nu apare o metamorfoză semnificativă atunci când este aplicată o presiune asupra corpurilor de contact (de la 0,01 MPa la 4,5 MPa, adică de la 0,1 atmosferă la 45 atmosfere). Natura separării obiectelor de contact nu joacă nici un rol, adică încet sau repede se îndepărtează unul de celălalt.

Evoluția ulterioară a suprafețelor cu distribuție mozaică a încărcării nu diferă de materialele obișnuite electrificate. Acestea încep să se descarce, eliminând treptat diferența de încărcare dintre regiunile nanoscopice adiacente (figura 3).

Fig. 3. Evoluția distribuției potențiale a suprafeței polimerului polidimetilsiloxan (PDMS) înainte de electrificare (în partea de sus stânga), după 3000 (sus dreapta), 5000 (din stânga jos) și 8000 (din dreapta jos) secunde după electrificare.Imagini obținute prin metoda sondei Kelvin. Din articolul discutat în știință

Nu se limitează la un rezumat al rezultatelor experimentului, oamenii de știință din articolul lor au încercat să afle care mecanisme determină ca suprafața unui dielectric polimer să devină acoperită de nanoislanduri încărcate opus. Aplicând spectroscopia Raman și spectroscopia fotoelectronică, autorii au concluzionat că apariția mozaicului de încărcare este un proces complex, care aparent implică distrugerea legăturilor chimice între regiunile nanoscopice cu semne diferite de încărcare, schimbări în compoziția chimică a suprafeței și transferul materiei dintr-o contactând corpul cu altul.

Desigur, această concluzie ridică noi întrebări: ce tipuri specifice de legături chimice sunt distruse în timpul electrificării și cum afectează aceasta distribuția elementelor de mozaic? Dacă o substanță este transferată de la o suprafață la alta, poate acest fenomen să determine dimensiunea fragmentului mozaic? Potrivit autorilor, răspunsul la aceste întrebări poate fi obținut dacă se îmbunătățesc metodele experimentale utilizate, care, la rândul lor,va îmbunătăți detaliile distribuției mozaicului la nivel molecular, oferind un nou gând de gândire despre acest fenomen.

Sursa: H. T. Baytekin, A. Z. Patashinski, M. Branicki, B. Baytekin, S. Soh, B. A. Grzybowski. Mozaicul de încărcare a suprafeței în contact electrificare // știință. 2011. V. 333. p. 308.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: