Iedereen heeft wel eens te maken gehad met statische elektriciteit. Voorbeelden zijn: wanneer je een vonk ziet in de spiegel tijdens het kammen van je haar, of wanneer je een deurknop aanraakt nadat je in de winter over een tapijt hebt gelopen. De vonk die u ziet is statische elektriciteit die zich ‘ontlaadt’. Waarom wordt het dan statische elektriciteit genoemd? Het heet “statisch” omdat de ladingen gescheiden blijven in een gebied in plaats van te bewegen of te “stromen” naar een ander gebied zoals het geval is bij elektriciteit die in een draad stroomt – stroomelektriciteit genoemd.
Statische elektriciteit is al bekend sinds de oude Grieken dat dingen een statische elektrische “lading” (een opeenhoping van statische elektriciteit) konden krijgen door er gewoon over te wrijven, maar ze hadden geen idee dat dezelfde energie kon worden gebruikt om licht op te wekken of machines aan te drijven. Het was Benjamin Franklin die elektriciteit naar de voorgrond hielp brengen. Hij geloofde dat elektriciteit kon worden gewonnen uit bliksem.
Wat is statische elektriciteit precies?
Statische elektriciteit is in feite een onevenwicht van elektrische ladingen in of op het oppervlak van een materiaal. De lading blijft aanwezig tot ze wordt “ontladen”. Een statische elektrische lading kan ontstaan wanneer twee oppervlakken elkaar raken en zich van elkaar scheiden, en ten minste één van de oppervlakken een hoge weerstand tegen elektrische stroom heeft (en dus een elektrisch isolatiemiddel is). De bekende vonk die men ziet van een statische schok – meer specifiek, is een elektrostatische ontlading – veroorzaakt door de neutralisatie van lading.
Waar komt die lading vandaan?
We weten dat alle voorwerpen uit atomen bestaan en atomen zijn opgebouwd uit protonen, elektronen en neutronen. De protonen zijn positief geladen, de elektronen zijn negatief geladen, en de neutronen zijn neutraal. Daarom zijn alle dingen opgebouwd uit ladingen. Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan (negatief tegen positief). Gelijke ladingen stoten elkaar af (positief op positief of negatief op negatief). Meestal zijn positieve en negatieve ladingen in een voorwerp in evenwicht, waardoor dat voorwerp neutraal is, zoals moleculen.
Statische elektriciteit is het gevolg van een onevenwicht tussen negatieve en positieve ladingen in een voorwerp. Deze ladingen kunnen zich aan het oppervlak van een voorwerp ophopen totdat zij een manier vinden om te worden vrijgemaakt of ontladen. Door bepaalde materialen tegen elkaar aan te wrijven kunnen negatieve ladingen, of elektronen, worden overgedragen. Als u bijvoorbeeld met uw schoen over het tapijt wrijft, verzamelt uw lichaam extra elektronen van het tapijt. De elektronen klampen zich vast aan uw lichaam totdat ze kunnen worden losgelaten, zoals het geval is wanneer u een metalen deurklink aanraakt.
“… Het verschijnsel van statische elektriciteit vereist een scheiding van positieve en negatieve ladingen. Wanneer twee materialen met elkaar in contact zijn, kunnen elektronen van het ene materiaal naar het andere bewegen, waardoor een overmaat aan positieve lading op het ene materiaal achterblijft, en een gelijke negatieve lading op het andere. Wanneer de materialen van elkaar gescheiden zijn, behouden ze deze onbalans in lading…”
Waarom staat je haar overeind als je je hoed afneemt?
Als je je hoed afneemt, worden elektronen overgebracht van de hoed naar het haar – waarom staat je haar dan overeind? Omdat voorwerpen met dezelfde lading elkaar afstoten. Als het haar meer elektronen krijgt, zullen ze dezelfde lading hebben en zal je haar rechtop gaan staan. Je haren proberen gewoon zo ver mogelijk van elkaar af te staan!
Wat is het tribo-elektrisch effect?
Het tribo-elektrisch effect is een soort contactelektrificatie waarbij bepaalde materialen elektrisch geladen worden nadat ze in contact komen met een ander materiaal, en dan gescheiden worden.
De meeste alledaagse statische elektriciteit is tribo-elektrisch. De polariteit en de sterkte van de geproduceerde ladingen verschillen naar gelang van de materialen, de ruwheid van het oppervlak, de temperatuur, de spanning en andere eigenschappen.
Het tribo-elektrisch effect wordt thans geacht verband te houden met het verschijnsel adhesie, waarbij twee uit verschillende moleculen samengestelde materialen de neiging hebben aan elkaar te kleven door aantrekkingskracht tussen de verschillende moleculen. Chemische adhesie treedt op wanneer de oppervlakteatomen van twee afzonderlijke oppervlakken ionische, covalente of waterstofbruggen vormen onder deze omstandigheden is er een uitwisseling van elektronen tussen de verschillende soorten moleculen, resulterend in een elektrostatische aantrekkingskracht tussen de moleculen die hen bijeenhoudt.
Afhankelijk van de tribo-elektrische eigenschappen van de materialen, kan het ene materiaal enkele elektronen van het andere materiaal “vangen”. Als de twee materialen nu van elkaar gescheiden zijn, zal een ladingsonbalans optreden.
Voorbeelden van Tribo-elektrische reeksen die elektronen afstaan:
POSITIEVE LADING – Droge menselijke huid > leer > konijnenbont > glas > haar > nylon > wol > lood > zijde> aluminium > papier LAATSTE POSITIEVE LADING
Voorbeelden van Tribo-elektrische Reeksen die elektronen afstaan:
NEGATIEVE KARAKTERING – teflon > silicium > PVC > scotch tape > saran wrap > piepschuim > polyester > goud > nikkel > rubber -. MINSTE NEGATIEVE KERN
Hoe statische elektriciteit te creëren met behulp van een Van de Graaf Generator
Een Van de Graaff generator is een elektrostatische generator die een bewegende riem gebruikt om elektrische lading te accumuleren op een holle metalen bol op de top van een geïsoleerde kolom. Dit kan zeer hoge elektrische potentialen tot stand brengen. Hij produceert zeer hoge gelijkstroomspanning bij lage stroomniveaus. Het werd uitgevonden door de Amerikaanse natuurkundige Robert J. Van de Graaff in 1929. (Zie referentie hieronder in Scientific American) Het potentiaalverschil dat in moderne Van de Graaff-generatoren wordt bereikt, kan 5 megavolts bereiken. Een tafelmodel kan ongeveer 100.000 volt produceren en kan genoeg energie opslaan om een zichtbare vonk te produceren. Kleine Van de Graaff-machines worden geproduceerd voor amusement, en in natuurkundelokalen om elektrostatica te onderwijzen.
