Triboelektrische reeks: wanneer wordt iets statisch?

Haal een ballon door je haren, trek een wollen trui uit, wrijf met wol over polyester, aai een kat. Waarom knettert het?

Wellicht het bekendste voorbeeld van statische elektricteit is het overeind staan van de haren na er met een ballon overheen te hebben gewreven. Elektronen stromen van je haren naar de ballon waarbij je haren positief geladen raken en de ballon negatief. Maar waarom ontstaat deze lading? Dat was wat ik me afvroeg en dus ook een klein onderzoekje naar heb gedaan.

Er zijn vier verschillende manieren om statische elektriciteit op te wekken, elk gebasseerd op een ander principe:

1. Wrijving (zgn tribo-elektrisch effect)
2. Druk (zgn piëzo-elektrisch effect)
3. Verwarming (zgn pyro-elektrisch effect)
4. Ladingsscheiding (influentie)

Dit artikel gaat over het wrijvingsprincipe!

Bron: wikipedia

Het tribo-elektrisch effect wordt ook wel een ‘contactelektrificatie’ genoemd. Materialen komen met elkaar in aanraking en wisselen elektrische lading uit tijdens het wrijven. Als je vervolgens de voorwerpen die met elkaar in contact waren los van elkaar maakt zijn ze geladen.

De kracht van de elektrische lading (zie de tribo-elektrische reeks) wordt door verschillende factoren bepaald: materiaal, ruwheid, temperatuur en meerdere eigenschappen. Hierdoor is het niet heel erg makkelijk om een voorspelling te doen over wat er zal gaan gebeuren bij een wrijving tussen twee materialen. Bij het wrijven wordt er een adhesie-binding gevormd. Adhesie is de onderlinge aantrekkingskracht tussen ongelijke moleculen zonder dat er sprake is van een chemische binding. Zodra je dus begint te wrijven wordt er een binding gevormd. Elk voorwerp heeft een elektrische lading maar die zijn vrijwel nooit hetzelfde. De voorwerpen zullen proberen het elektrische potentiaal gelijk te stellen door uitwisseling van elektronen.

Via het contact stromen dus elektronen van het materiaal dat hoog(?) in de tribo-reeks staat naar het materiaal dat lager(?) in de tribo-reeks staat. Het materiaal hoog in de tribo-reeks wordt hierdoor positief geladen, het materiaal laag in de tribo-reeks wordt negatief.

Dit proces is wat tot de netto onevenwichtigheid tussen de materialen leidt. Zodra ze uit elkaar worden gehaald hebben sommige gebonden atomen de neiging om extra elektronen vast te houden, terwijl andere atomen de neiging hebben ze weg te geven, hoewel de onevenwichtigheid gedeeltelijk wordt ‘vernietigd’ door het ‘tunneleffect’ of ‘electrical breakdown’.

“Het tunneleffect of tunneling is het effect in de moderne kwantummechanica waarbij een deeltje door een barrière heen gaat terwijl het daartoe volgens de klassieke benadering onvoldoende energie zou moeten hebben. Electrical breakdown slaat op het niet volledig zijn van een elektrische kring. Een bekend voorbeeld hiervan is de auto. (Rijden kan leiden tot het ‘opladen’ van het metalen omhulsel van de auto (wat werkt als een soort van ‘Kooi van Faraday’).

Het materiaal is nu elektrisch geladen. Of het nu negatief of positief geladen is, elk contact met een ongeladen geleidend voorwerp of elk contact tussen voorwerpen met een substantieel ladingsverschil kan een ontlading veroorzaken, wat vervolgens een vonk kan veroorzaken. Toch is deze ontlading bijna altijd onschadelijk, omdat de energie van de vonk zeer klein is (ergens in de orde van grootte van micro Joule).

Het tribo-elektrisch effect is een soort contactelektrificatie waarbij de materialen die met elkaar in contact komen tijdens het wrijven elektrische lading uitwisselen en zo elektrisch opgeladen worden. Bron: https://nl.wikipedia.org/wiki/Tribo-elektrisch_effect

Contactelektrificatie door wrijving van twee verschillende materialen dus! Waarbij gezegd moet worden: het woord wrijving is misleidend! Contact is genoeg! Ik vermoed dat door wrijving het contact wordt geintensiveerd of dat wrijving moet worden gezien als contact maken en weer uit elkaar halen.

Droge lucht (lage relatieve luchtvochtigheidsgraad)

Allereerst wat je nodig hebt, is droge lucht. Dus als je experimenten met statische elektriciteit wilt doen, zijn dit de momenten die juist NIET gunstig zijn:

• regenachtige dagen
• 's morgens als de dauw nog op het gras staat
• lage druk

De volgende omstandigheden zijn juist wel gunstig:

• zonnige winterdag
• zodra je wasgoed heel makkelijk droogt, maar dan niet in de nabijheid van die was
• hoge druk

Wil je onder ongunstige omstandigheden toch je experiment met statische elektriciteit kunnen uitvoeren, gebruik dan een fön of een elektrische warmhoudplaat. Met de fön of met de warmhoudplaat verwarm je de omringende lucht die hierdoor droger wordt. Helemaal droog wordt lucht als je de koude lucht (van buiten) aan zuigt en verwarmt. Denk maar eens hoe het voelt als je op een koude winterdag de verwarming (zonder airco) in je auto aan staat. De lucht in je auto wordt dan zo kurkdroog, dat het zelfs op je keel slaat. Ook binnenshuis kan de lucht kurk droog worden in de winter. Vooral als je huis nog niet zo goed is ge-isoleerd. Met enkelglas waar de condens op slaat, tochtkieren waar koude lucht via de ramen binnen komt en die dan door de radiator wordt opgewarmd. Als je keel nog niet schor was, wordt die het vanzelf!

Befaamde materiaalcombinaties die bij wrijving statische elektriciteit opleveren:

In de triboreeks staat droge huid bovenaan en eboniet onderaan. Dus als je droge huid over eboniet wrijft, moet dit de meest statische situatie opleveren. Tip: je konijnenbontje heeft aan de binnenkant droge huid. En hoewel ik op dit moment niet met zekerheid kan zeggen of dit dezelfde droge huid is als degene die wordt vermeld in de tribotreeks, kan ik wel vertellen dat je met die binnenkant, droge huid dus, eboniet statisch kunt maken. Of het dan meer of minder statisch maakt dan met de harige kant, weet ik nu nog niet.

Papier staat (bijna) neutraal in de tribo-elekrische reeks

Waarom wordt papier dan aangetrokken door positief of negatief geladen objecten? Antwoord: onder invloed van de aanwezigheid van een elektrisch geladen object, ontstaat er in het papier een tijdelijke lading-scheiding. 

Experiment 1: piepschuim vs glas, piepschuim vs eboniet

Wij beschikken over glazen en ebonieten staven en een bak met fijne piepschuimkorrels. Volgens de tribo-elektrische reeks moet het glas positief geladen zijn, en piepschuim en eboniet zijn beiden negatief. U mag raden wat er gebeurt als je een glazen staaf en een ebonieten staaf in een bak gevuld met extra fijne piepschuim korrels steekt en ze er vervolgens langzaam weer uit haalt.

U raadt het denk ik wel: aan de glazen staaf hangen veel piepschuimkorrels, aan de ebonieten staaf hangen nauwelijk korrels.

Experiment 2: glas vs glas

Glas is erg vlak. dat betekent dat als je twee glazen platen op elkaar legt, het contactoppervlak groot is, vergeleken met het contactoppervlak tussen minder vlakke materialen. Twee glazen platen, op elkaar liggend zouden dus een intensief onderling contact moeten hebben. Glas staat vrij hoog in de tribo-reeks, dus beide platen zijn positief geladen. Nu komt het probleem!!! Ik verwachtte op basis van gevoel dat de glazen platen elkaar zouden aantrekken. Maar op basis van de tribo-reeks zou je moeten verwachten dat de platen elkaar afstoten. Uit een experiment waarbij ik twee spiegels op elkaar leg en dan de bovenste spiegel optil, blijkt dat de platen elkaar aanplakken. Heel even blijft de onderste spiegel 'plakken' aan de bovenste. Maar de zwaartekracht wint en de onderste spiegel valt alsnog.