Jokainen on kokenut staattista sähköä. Esimerkkejä: kun näet kipinän peilissä kampaillessasi hiuksiasi tai kosketat ovenkahvaa käveltyäsi talvella matolla. Näkemäsi kipinä on staattisen sähkön ’purkautumista’. Miksi sitä kutsutaan staattiseksi sähköksi? Sitä kutsutaan ”staattiseksi”, koska varaukset pysyvät erillään yhdellä alueella sen sijaan, että ne siirtyisivät tai ”virtaisivat” toiselle alueelle, kuten tapahtuu, kun sähkö virtaa johtimessa – tätä kutsutaan virtasähköksi.
Staattinen sähkö on tiedetty jo antiikin kreikkalaisille, että esineet saattoivat saada staattisen sähköisen ”varauksen” (staattisen sähkövarauksen) yksinkertaisesti hankaamalla niitä, mutta heillä ei ollut aavistustakaan siitä, että samaa energiaa voitiin käyttää valon tuottamiseen tai koneiden käyttövoimaksi. Benjamin Franklin auttoi tekemään sähkön tunnetuksi. Hän uskoi, että sähkö voitaisiin valjastaa salamasta.
Mitä staattinen sähkö tarkalleen ottaen on?
Staattinen sähkö on periaatteessa sähkövarausten epätasapaino materiaalin sisällä tai pinnalla. Varaus säilyy, kunnes se ”purkautuu”. Staattinen sähkövaraus voi syntyä aina, kun kaksi pintaa koskettaa toisiaan ja erkanee toisistaan, ja ainakin toisella pinnoista on suuri sähkövirran vastus (ja on siten sähköeriste). Staattisesta sähköiskusta tuttu kipinä – tarkemmin sanottuna sähköstaattinen purkaus – aiheutuu varauksen neutralisoitumisesta.
Mistä tuo varaus tulee?
Tiedämme, että kaikki esineet koostuvat atomeista ja atomit koostuvat protoneista, elektroneista ja neutroneista. Protonit ovat positiivisesti varautuneita, elektronit negatiivisesti varautuneita ja neutronit neutraaleja. Siksi kaikki esineet koostuvat varauksista. Vastakkaiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa (negatiivisesta positiiviseen). Samankaltaiset varaukset hylkivät toisiaan (positiivinen positiiviseen tai negatiivinen negatiiviseen). Useimmiten positiiviset ja negatiiviset varaukset ovat tasapainossa esineessä, jolloin esine on neutraali, kuten molekyylit.
Staattinen sähkö on seurausta negatiivisten ja positiivisten varausten epätasapainosta esineessä. Nämä varaukset voivat kerääntyä esineen pinnalle, kunnes ne löytävät tavan vapautua tai purkautua. Tiettyjen materiaalien hankaaminen toisiaan vasten voi siirtää negatiivisia varauksia eli elektroneja. Jos esimerkiksi hankaat kenkäsi mattoon, kehosi kerää ylimääräisiä elektroneja matosta. Elektronit tarttuvat kehoosi, kunnes ne voivat vapautua, kuten silloin, kun kosketat metallista ovenkahvaa.”
”… Staattisen sähkön ilmiö edellyttää positiivisten ja negatiivisten varausten erottumista toisistaan. Kun kaksi materiaalia koskettaa toisiaan, elektronit voivat siirtyä yhdestä materiaalista toiseen, jolloin toiseen materiaaliin jää ylimääräinen positiivinen varaus ja toiseen yhtä suuri negatiivinen varaus. Kun materiaalit erotetaan toisistaan, ne säilyttävät tämän varauksen epätasapainon…”
Miksi hiuksesi nousevat pystyyn, kun otat hattusi pois?
Kun otat hattusi pois, elektronit siirtyvät hatusta hiuksiin – miksi hiuksesi nousevat pystyyn? Koska esineet joilla on sama varaus hylkivät toisiaan .kun hiukset saavat lisää elektroneja niillä on sama varaus ja hiuksesi nousevat pystyyn. Hiuksesi yksinkertaisesti yrittävät päästä mahdollisimman kauas toisistaan!
Mikä on tribosähköinen ilmiö?
Tribosähköinen ilmiö on eräänlainen kosketussähköistyminen, jossa tietyt materiaalit varautuvat sähköisesti jouduttuaan kosketuksiin toisen erilaisen materiaalin kanssa, minkä jälkeen ne erkaantuvat toisistaan.
Suurin osa jokapäiväisestä staattisesta sähköstä on tribosähköistä. Syntyvien varausten polariteetti ja voimakkuus vaihtelevat materiaalien, pinnan karheuden, lämpötilan, rasituksen ja muiden ominaisuuksien mukaan.
Tribosähköisen ilmiön katsotaan nykyään liittyvän adheesioilmiöön, jossa kahdella eri molekyyleistä koostuvalla materiaalilla on taipumus tarttua toisiinsa eri molekyylien välisen vetovoiman vuoksi. Kemiallinen adheesio tapahtuu, kun kahden erillisen pinnan pinta-atomit muodostavat ioni-, kovalentti- tai vetysidoksia näissä olosuhteissa erityyppisten molekyylien välillä tapahtuu elektronien vaihtoa, jolloin molekyylien välille syntyy sähköstaattinen vetovoima, joka pitää molekyylit kiinni toisissaan.
Materiaalien tribosähköisistä ominaisuuksista riippuen toinen materiaali voi ”kaapata” osan toisen materiaalin elektroneista. Jos nämä kaksi materiaalia ovat nyt erillään toisistaan, syntyy varauksen epätasapaino.
Esimerkkejä tribosähköisistä sarjoista, jotka luovuttavat elektroneja:
POSITIIVINEN VARAUS – Kuiva ihmisen iho > nahka > jäniksen turkki > lasi > hiukset > nailon > villa > lyijy > silkki> alumiini > paperi VÄHIMMÄISEN POSITIIVINEN VARAUS
Esimerkkejä tribosähköisistä sarjoista, jotka luovuttavat elektroneja:
NEGATIIVINEN VARAUS – teflon > pii > PVC > skotch tape > saran wrap > styrox > polyesteri > kulta > nikkeli > kumi – VÄHINTÄÄN NEGATIIVINEN VARAUS
How to Create Static Electricity using a Van de Graaf Generator
Van de Graaff -generaattori on sähköstaattinen generaattori, joka käyttää liikkuvaa hihnaa keräämään sähkövarauksen eristetyn pylvään päällä olevaan onttoon metallipalloon. Näin voidaan luoda hyvin korkeita sähköpotentiaaleja. Se tuottaa erittäin korkeajännitteistä tasavirtasähköä (DC) pienellä virralla. Sen keksi amerikkalainen fyysikko Robert J. Van de Graaff vuonna 1929. (Ks. jäljempänä oleva viittaus Scientific Americanissa) Nykyaikaisissa Van de Graaff -generaattoreissa saavutettu potentiaaliero voi olla jopa 5 megavolttia. Pöytäversio voi tuottaa noin 100 000 volttia, ja se voi varastoida tarpeeksi energiaa näkyvän kipinän tuottamiseen. Pieniä Van de Graaff -generaattoreita valmistetaan viihdekäyttöön ja fysiikan luokkahuoneissa sähköstatiikan opettamiseen.
