چکیده: شارژ تریبو الکتریک زمانی اتفاق می­افتد که دو جسم با هم تماس فیزیکی پیدا کنند و سپس، از هم جدا شدند. رخ دادند این اثر در زندگی روزمرۀ ما بسیار ملموس است جذب خرده­های کاغذ یا مو توسط بادکنک یا شانۀ پلاستیکی که با یک خز مالش داده شده است نمونه­ای از این رخ داد است؛ تماس اصطکاکی بین قلم پلاستیکی و آستین ها نیز مثال دیگری در این باره به شمار می­رود. شدت این فرایند به مواد تماس داده شده، زبری سطح، دما و همچنین کرنش بستگی دارد[1]. الکترون از کلمه یونانی به معنای "کهربا" گرفته شده است. کلمه "تریبو" نیز از یونانی آمده است به معنی "مالیدن".  Tribo-charging مربوط به دو ماده است که در تماس هستند و به دنبال آن جدا می­شوند. در فرآیند تریبو شارژ، الکترون­ها از یک جسم به دیگری منتقل می­شوند. وقتی دو ماده متفاوت با پتانسیل الکتریکی متفاوت وجود داشته باشند، الکترون­ها می­توانند از یک ماده به ماده دیگر منتقل شوند. پس از جداسازی مواد، ماده­ای که الکترون اضافی دارد دارای بار منفی می­شود، در حالی که ماده­ای که الکترون را از دست داده بار مثبت پیدا می­کند. بنابراین، خاصیت ماده بر انتقال الکترون­ها تأثیر می­گذارد. بنابراین، تریبوالکتریسیته به الکتریکی شدن اجسام یا مواد غیرمشابه که در اثر برخورد اتفاق می­افتد و منجر به جریان فوق العاده الکترون­ها از یک ماده به ماده دیگر می­شود و اختلاف پتانسیل را متعادل می­کند، اطلاق می شود. فرآیند مالش مواد بر روی یکدیگر باعث افزایش تماس سطحی می­شود و بار الکتریکی تولید می­کند که به آن اثر تریبوالکتریک می­گویند. مطابق با مطالعات آقای جینز[2] نموداری را می توان ساخت که جهت انتقال بار را پیش بینی می­کند: استفاده از این لیست بدین گونه است که در اثر مالش هر دو ماده از این لیست ماده­ای که در قسمت بالاتری از این لیست قراردارد دارای بار مثبت می­شود و به عبارتی الکترون از دست می­دهد و ماده­ای که در بخش پایین­تر لیست واقع شده است الکترون به دست می­آورد و دارای بار منفی می­شود. در عصر مدرن، اثر تریبوالکتریک یک مفهوم آشنا در صنایع مختلف به ویژه صنعت هواپیماسازی است. بار استاتیک در هنگام برخورد اصطکاکی هواپیما با هوا ایجاد می شود که فتیله های ساکنی را روی بدنه هواپیما ایجاد می­کند. اثر تریبوالکتریک در زمینه ایمنی و همچنین آسیب احتمالی ناشی از اشتعال و حتی انفجار اهمیت صنعتی پیدا کرده است. با این حال می توان با استفاده از راهکارهایی این خطرات را به حداقل کاهش داد.

سری تریبوالکتریک[3]

بار استاتیک زمانی رخ می دهد که مواد در تماس باشند و سپس بدون هیچ گونه مالش ظاهری از هم جدا شوند، یا زمانی که مواد به هم مالیده می شوند. با مالش استاتیک بیشتری ایجاد می شود تا با تماس و جداسازی ساده (Blythe 1974; Sello and Stevens 1984). هنگامی که مواد در تماس هستند، بارهای الکتریکی ایجاد می شود. بارهای الکتریکی زمانی اتفاق می‌افتد که پیوندهای بین الکترون‌ها، که هنگام تماس مواد برقرار می‌شوند، پس از جدا شدن شکسته می‌شوند (Carleton 1962). تمام اجسام به طور مساوی از بارهای مثبت و منفی تشکیل شده اند (سلو و استیونز 1984). اساس شارژ الکترواستاتیکی یک پدیده سطحی است که در آن اختلال در شرایط تعادل در اتم خنثی دیده می شود (Commoner 1998). الکترون ها بار منفی دارند. وقتی انرژی به یک سیستم مادی اعمال می شود، مانند اصطکاک یا فشار، تعداد کمی الکترون می توانند از یک ماده به ماده دیگر بپرند. ماده‌ای که اتم‌های آن الکترون به دست می‌آورند با الکتریسیته ساکن دارای بار منفی می‌شوند، در حالی که موادی که الکترون‌ها را از دست می‌دهند دارای بار مثبت می‌شوند. هنگامی که دو ماده در تماس هستند، جریانی از الکترون ها از یکی به دیگری حرکت می کند، خواه یک ماده باشد یا بین دو نوع مختلف (شکل 1).

جریان الکتریکی حرکت یا تبادل الکترون از یک ماده به ماده دیگر است. همه مواد از اتم هایی با پدیده سطحی تشکیل شده اند که به موجب آن تعداد بارهای مثبت و منفی برابر است (سلو و استیونز 1984). هنگامی که انرژی به مواد در تماس اعمال می شود، مانند اصطکاک یا فشار، تعداد کمی الکترون می توانند از یک ماده به ماده دیگر بپرند (شکل 1). هر دو الکترون مثبت که به عنوان پوزیترون شناخته می شوند و الکترون های دارای بار منفی به طور پیوسته در هر دو جهت جریان دارند. اساس پدیده سطحی شارژ الکترواستاتیکی این است که شرایط تعادل اتم خنثی مختل می‌شود و به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا آزادانه تر حرکت کنند (Commoner 1998). ماده ای که الکترون می گیرد دارای بار منفی می شود در حالی که ماده ای که الکترون از دست می دهد بار مثبت می یابد.

شکل 1 شماتیک تبادل الکترون زمانی که دو ماده مختلف در تماس هستند و سپس از هم جدا می شوند.

برخلاف آهنرباها که فقط موادی را جذب می‌کنند که می‌توانند مغناطیسی شوند، طیف وسیع‌تری از مواد می‌توانند بار الکتریکی را در خود نگه دارند. علاوه بر این، یک جسم باردار ممکن است در صورت لمس یک جسم با بار خنثی، مقداری، اگر نه تمام، بار خود را از دست بدهد، در حالی که یک آهنربا در اثر لمس هیچ‌کدام از کارایی خود را از دست نخواهد داد.

از زمان های قدیم، شناخته شده است که مالش مواد خاصی مانند کهربا آن را قادر می سازد تا اجسام سبک از جنس های خاص را بلند کند (فاینمن 1964)، مانند تکه های پاپیروس، کاه و غبار. علاوه بر این، اگر کهربا به اندازه کافی مالیده شود، جرقه ایجاد می شود. در آن زمان اعتقاد بر این بود که این جاذبه مغناطیسی است. کار گیلبرت در سال 1600 مشخص کرد که سنگ لودستون مغناطیسی است و از الکتریسیته ساکن تولید شده توسط مالش کهربا متمایز است. بنابراین، گیلبرت کلمه الکتریکی را از کلمه یونانی λεκτρον به معنای "کهربا" ابداع کرد تا جاذبه بین اجسام کوچک را که پس از مالش وجود دارد توصیف کند. البته، این داستان در نهایت زمانی کامل شد که دانشمندان بعدی ارتباط بین مغناطیس و الکتریسیته را یافتند (Feynman 1964).

سری TRIBOELECTRIC:

موادی که می توانند الکترون به دست آورند یا از دست بدهند، مواد تریبوالکتریک نامیده می شوند. ترتیب تمایل به بدست آوردن یا از دست دادن الکترون ها سری تریبوالکتریک نامیده می شود (Sello and Stevens 1984). این سری بر اساس رسانایی هر ماده است. سطح شارژ به محل قرارگیری مواد در این سری مرتبط است (جدول همین متن). این فاصله دو ماده از یکدیگر در سری است که به جای مکان خاص در سری، اثر شارژ را افزایش می دهد. بنابراین، اگر دو ماده در تماس با همسایه خود در جدول باشند، تبادل کمتری وجود دارد، مانند پنبه و فولاد.

اما اگر از هم دور باشند، مهم نیست در کجای مقیاس، مبادله رخ می دهد. این جدول که از منابع زیادی گردآوری شده است، رتبه بندی مواد و مصنوعات نصب معمولی را نشان می دهد.

انواع مواد و مکان آنها در سری:

به طور کلی، پروتئین ها در قسمت بالایی سری قرار دارند، جایی که مواد مستعد از دست دادن الکترون و مثبت شدن هستند و فلزات در قسمت پایینی قرار دارند. سرب و آلومینیوم از این قاعده مستثنی هستند. مواد مصنوعی معمولاً در هر دو انتهای دور قرار می گیرند و هر دو شیشه و اکریلیک در انتهای بالایی سری قرار دارند.

دیده می شود که، لباس های پشمی نظامی، الیاف پلی استر موجود به سطح پارچه پشمی جذب می شوند. آیا به خاطر سطح ناهموار پارچه است؟ الیاف پنبه نیز همین کار را می کند. اما، نه، این پدیده فقط همان الیاف پلی استر مزاحم است (شکل 2). سری triboelectric همه چیز را توضیح می دهد: انسجام بین پشم و پلی استر به دلیل اشتراک الکترون بسیار قوی است.

شکل 2 الیاف پلی استر متصل به پارچه پشمی یک لباس نظامی

چند نکته در مورد مکان مواد در سری:

• الیاف گیاهی سلولزی در قسمت خنثی قرار گرفته و در وسط جدول به همراه پشم قرار دارند و در سری بسیار به هم نزدیک هستند.

• هنگام نصب اقلام کاغذی، از مواد مصنوعی برای تقویت قدرت نگهداری استفاده کنید.

• پروتئین ها، مانند الیاف حیوانی، منحصراً در قسمت بالایی و مثبت جدول قرار دارند، شاید به این دلیل که اسیدهای آمینه تمایل به اهدای الکترون دارند.

• مواد مصنوعی در انتهای متضاد قرار دارند، با نایلون و اکریلیک در مثبت ترین انتها و پلی استر، پلی اتیلن و سیلیکون در منفی ترین انتها.

• توپوگرافی مواد مهم است. هر چه سطح تماس بین مواد بیشتر باشد، احتمال تبادل الکترون آنها بیشتر است.

• شرایط محیطی مهم است. مواد آبدوست در رطوبت نسبی کم راحت تر از رطوبت نسبی بالا شارژ می شوند، در حالی که مواد آبگریز کمتر احتمال دارد بار را مبادله کنند. وجود رطوبت در هوا هرگونه تجمع بار روی سطح را محدود می کند. بنابراین، هر چه رطوبت نسبی محیط بیشتر باشد، پتانسیل استاتیکی یک ماده کمتر خواهد بود (Suh et al. 2010). به این ترتیب، رطوبت به عنوان زمین عمل می کند و بار استاتیکی را کاهش می دهد و در نتیجه رسانایی ماده را افزایش می دهد (Commoner 1998). الیاف طبیعی تمایل به آبدوست یا جذب آب دارند و بیشتر تحت تأثیر محیط قرار می گیرند، زیرا بیشتر الیاف مصنوعی آبگریز یا مقاوم در برابر آب هستند و بنابراین کمتر تحت تأثیر شرایط محیطی قرار می گیرند و با سهولت بیشتری شارژ ایجاد کنید.

• ممکن است یک ماده در حالی که بار مثبت دارد کثیف شود زیرا ذرات کثیفی با بار منفی را در هوا جذب می کند.

4. چسبندگی ها

اثر تریبوالکتریک بسیار شبیه به پدیده چسبندگی در نظر گرفته می‌شود که در آن دو ماده متشکل از مولکول‌های مختلف در اثر یک واکنش شیمیایی در تماس به هم می‌چسبند. چسبندگی بسیار شبیه یک پیوند شیمیایی است که در آن اتم‌های مجاور و در عین حال غیرمشابه الکترون‌ها را مبادله می‌کنند. هنگامی که یک ماده به طور فیزیکی از ماده دیگر دور می شود، نیروهای پیوند در چشم انسان به عنوان "اصطکاک" ظاهر می شوند. یک ماده الکترون می گیرد و در نتیجه الکترون های اضافی ایجاد می کند، در حالی که ماده دیگر آنها را از دست می دهد و در نتیجه کمبود الکترون ایجاد می کند.

چسبندگی می تواند آنقدر محکم باشد که حذف مواد چسبیده به یکدیگر دشوار باشد (Morton and Hearle 1962). حتی زمانی که الیاف باردار با ذرات بدون بار تماس می گیرند، چسبندگی ایجاد می شود.

5. نتیجه گیری ها

همه انواع صنایع به ایجاد الکتریسیته ساکن توجه دارند، مانند صنایعی که قطعات الکترونیکی حساس، بخارات و گرد و غبار قابل اشتعال، و مواد چاپی را تولید می کنند. اتاق های عمل بیمارستان نیز برای به حداقل رساندن الکتریسیته ساکن کار می کنند. به عنوان مثال، توجه داشته باشید که پدیده های مربوط به تبادل الکترون به پایداری نور و pH مواد مربوط می شود (Commoner 1998).

محافظان به طور معمول استاتیک را به عنوان یک مشکل اجتناب ناپذیر در نظر می گیرند. از بحث فوق، تبادل الکترون ها و ایجاد بار استاتیکی گاهی اوقات می تواند مفید باشد. اصطکاک می تواند یک دارایی یا یک بدهی باشد، اما سایش عموماً نامطلوب است. شاید میدان حفاظتی نیاز به تجدید نظر در عبارت "مثل با مشابه" داشته باشد یا حداقل زمانی که در نظر گرفتن انتخاب ماده با یک مصنوع مشخص می شود.