Elektryfikacja kontaktów
Elektryfikacja kontaktowa to wyrażenie opisujące zjawisko, w wyniku którego powierzchnie stają się naładowane elektrycznie za pośrednictwem szeregu możliwych mechanizmów, gdy dwa lub więcej obiektów zbliża się do siebie. Kiedy dwa obiekty są „dotknięte” razem, czasami przedmioty stają się spontanicznie naładowane. Jeden obiekt może wytworzyć ładunek ujemny netto, podczas gdy drugi wytworzy równy i przeciwny ładunek dodatni. Zjawisko to może być spowodowane różnymi procesami fizycznymi – tryboelektrycznością , efektem Volty, różnymi pracami roboczymi metali i innymi, które zbiorczo określa się mianem elektryfikacji kontaktowej.
Zjawisko elektryfikacji stykowej umożliwiło zbudowanie tzw. „tarciowych” generatorów elektrostatycznych , takich jak maszyny Ramsdena czy Wintera, ale doprowadziło też bezpośrednio [ potrzebne źródło ] do opracowania użytecznych urządzeń, takich jak baterie , ogniwa paliwowe , galwanizacja , termopary . Kontakt między materiałami jest odpowiedzialny za tak nowoczesną technologię elektryczną, jak półprzewodnikowe urządzenia połączeniowe, w tym diody detektorów radiowych , fotokomórki , diody LED i ogniwa termoelektryczne. [ potrzebne źródło ]
Historia
Teoria utrzymywała, że elektryczność statyczna była generowana w wyniku kontaktu między odmiennymi materiałami i była w ścisłej zgodzie z ówczesnymi zasadami elektryczności statycznej . Została ostatecznie zastąpiona obecną teorią elektrochemii , według której elektryczność powstaje w wyniku działania chemii i wymiany elektronów między atomami tworzącymi baterię. Istotnym faktem prowadzącym do odrzucenia teorii napięć kontaktowych była obserwacja, że korozja , czyli chemiczna degradacja akumulatora, wydaje się nieunikniona przy jego użytkowaniu, a im więcej prądu pobiera się z akumulatora, tym szybciej korozja zachodzi. kontynuowane.
Efekt Volty (opisany poniżej) odpowiada słabej różnicy potencjałów elektrycznych powstającej w wyniku kontaktu różnych metali. Obecnie jest to często określane jako kontaktowa różnica potencjałów . Efekt ten został po raz pierwszy odkryty przez Alessandro Voltę i można go zmierzyć za pomocą elektroskopu pojemnościowego zawierającego różne metale. Jednak ten efekt sam w sobie nie wyjaśnia działania baterii elektrycznych.
wiele suchych pali wysokiego napięcia , próbując znaleźć odpowiedź na to pytanie, a konkretnie w celu poparcia hipotezy Volty o napięciu kontaktowym. Oxford Electric Bell jest jednym z przykładów. Francis Ronalds w 1814 roku był jednym z pierwszych, którzy zdali sobie sprawę, że suche pale działają również w wyniku reakcji chemicznej, a nie kontaktu metalu z metalem, mimo że korozja nie była widoczna z powodu generowanych bardzo małych prądów.
Kontakt tryboelektryczny
Jeśli zetknie się ze sobą dwa różne izolatory , na przykład kawałek gumy zetknie się z kawałkiem szkła, wówczas powierzchnia gumy uzyska nadmiar ładunku ujemnego, a szkło uzyska równy ładunek dodatni. Jeśli powierzchnie zostaną następnie rozerwane, powstaje bardzo wysokie napięcie . Ten tak zwany efekt „tribo” lub „tarcia” nie jest dobrze poznany. Może to być spowodowane kradzieżą elektronów poprzez tunelowanie kwantowe lub przeniesieniem jonów powierzchniowych. Tarcie nie jest wymagane, chociaż w wielu sytuacjach znacznie zwiększa to zjawisko. Pewne zjawiska związane z tarciem generowanych ładunków elektrostatycznych znane są od starożytności, choć oczywiście współczesna teoria elektryczności powstała po rewolucji naukowej .
Kontakt stałe-stałe
Mechanizm elektryfikacji kontaktowej (CE) między ciałem stałym a ciałem stałym jest przedmiotem dyskusji od ponad 2600 lat. Najbardziej kontrowersyjnym tematem w CE jest tożsamość nośników ładunku: przenoszenie elektronów, przenoszenie jonów, a nawet przenoszenie gatunków materiałów. Niedawne badania z wykorzystaniem mikroskopii siłowej z sondą Kelvina sugerują, że przenoszenie elektronów jest dominującym nośnikiem ładunku w CE w przypadkach ciało stałe-ciało stałe. Gdy odległość międzyatomowa między dwoma atomami należącymi do dwóch materiałów jest mniejsza niż normalna długość wiązania (zwykle ~ 0,2 nm), elektrony przeniosą się na granicy faz. Oznacza to, że silne nakładanie się chmury elektronów (lub nakładanie się funkcji falowej) między dwoma atomami/cząsteczkami w obszarze odpychania zmniejszy międzyatomową barierę potencjału (ryc. 1) i spowoduje przejście elektronów między atomami/cząsteczkami. Siła kontaktu/tarcia w CE ma na celu wywołanie silnego nakładania się chmur elektronów (lub funkcji falowej w fizyce, wiązania w chemii).
Kontakt ciecz-ciało stałe
Oprócz przenoszenia jonów na granicy faz ciecz-ciało stałe zachodzi również przenoszenie elektronów. Jeśli chodzi o przypadek ciecz-ciało stałe, cząsteczki w cieczy miałyby chmurę elektronów nakładającą się na atomy na powierzchni ciała stałego przy pierwszym kontakcie z dziewiczą powierzchnią ciała stałego, a transfer elektronów jest wymagany do wytworzenia pierwszej warstwy ładunków elektrostatycznych na twardej powierzchni. Drugim etapem jest transfer jonów, który polega na redystrybucji jonów w roztworze z uwzględnieniem oddziaływań elektrostatycznych z naładowaną powierzchnią ciała stałego (rys. 2). Zarówno przenoszenie elektronów, jak i przenoszenie jonów współistnieją na granicy faz ciecz-ciało stałe.
Kontakt elektrolityczno-metaliczny
Jeśli kawałek metalu zostanie dotknięty materiałem elektrolitycznym , metal spontanicznie się naładuje, podczas gdy elektrolit uzyska równy i przeciwny ładunek. Przy pierwszym kontakcie na metalowej powierzchni zachodzi reakcja chemiczna zwana „ reakcją półogniw ”. Gdy jony metali są przenoszone do lub z elektrolitu, a metal i elektrolit stają się naładowane przeciwnie, rosnące napięcie na cienkiej warstwie izolacyjnej między metalem a elektrolitem będzie przeciwdziałać ruchowi przepływających jonów, powodując reakcję chemiczną zatrzymywać się. Jeśli drugi kawałek innego rodzaju metalu zostanie umieszczony w tej samej kąpieli elektrolitycznej, naładuje się i wzrośnie do innego napięcia. Jeśli pierwszy kawałek metalu zostanie dotknięty drugim, napięcie na dwóch metalowych kawałkach zostanie dociśnięte do siebie, a reakcje chemiczne będą przebiegać w sposób ciągły. W ten sposób „elektryfikacja styków” staje się ciągła. W tym samym czasie pojawi się prąd elektryczny, którego ścieżka tworzy zamkniętą pętlę, która prowadzi od jednej części metalowej do drugiej, poprzez reakcje chemiczne na pierwszej powierzchni metalowej, przez elektrolit, a następnie z powrotem przez reakcje chemiczne na powierzchni metalowej. druga metalowa powierzchnia. W ten sposób elektryfikacja styków prowadzi do wynalezienia ogniwa lub baterii galwanicznej .
Metaliczny kontakt
Jeśli zetknie się ze sobą dwa metale o różnych funkcjach pracy , jeden kradnie elektrony drugiemu, a przeciwne ładunki wypadkowe stają się coraz większe; to jest efekt Volty. Proces zostaje zatrzymany, gdy różnica potencjałów elektrycznych (potencjałów elektrostatycznych) między dwoma metalami osiągnie określoną wartość, a mianowicie różnicę wartości pracy wyjścia - zwykle mniejszą niż jeden wolt. W tym momencie poziomy Fermiego dla dwóch metali są równe i nie ma między nimi różnicy napięć. [Gdyby istniała między nimi różnica napięć, przepływałby między nimi prąd: więc „prąd zerowy” oznacza „zerową różnicę napięcia”.]
Kontakt półprzewodnikowy
Jeśli metal dotknie materiału półprzewodnikowego lub jeśli zetkną się dwa różne półprzewodniki, jeden zostanie naładowany lekko dodatnio, a drugi lekko ujemnie. Stwierdzono, że jeśli to złącze między półprzewodnikami zostanie podłączone do źródła zasilania, a napięcie zasilania zostanie ustawione na napięcie nieco wyższe niż naturalne napięcie powstające w wyniku elektryzowania się styków, to dla jednej biegunowości napięcia między dwie części półprzewodnikowe, ale jeśli biegunowość jest odwrócona, prąd zatrzymuje się. W ten sposób kontakt między materiałami doprowadził do wynalezienia diody półprzewodnikowej lub prostownika i zapoczątkował rewolucję w elektronice i fizyce półprzewodników .
W materiałach z bezpośrednim pasmem wzbronionym , jeśli jasne światło zostanie skierowane na jedną część obszaru styku między dwoma półprzewodnikami, napięcie w tym miejscu wzrośnie i pojawi się prąd elektryczny. Rozważając światło w kontekście elektryfikacji kontaktowej [ wymagane wyjaśnienie ] , energia świetlna jest zamieniana bezpośrednio na energię elektryczną, umożliwiając tworzenie ogniw słonecznych . Później odkryto, że ten sam proces można odwrócić, a jeśli prąd zostanie cofnięty przez obszar styku między półprzewodnikami, czasami zostanie wyemitowane światło, co umożliwi utworzenie diody elektroluminescencyjnej (LED ) .
- ^ Ronalds, BF (2016). Sir Francis Ronalds: Ojciec Telegrafu Elektrycznego . Londyn: Imperial College Press. ISBN 978-1-78326-917-4 .
- ^ Ronalds, BF (lipiec 2016). „Francis Ronalds (1788-1873): pierwszy inżynier elektryk?”. Obrady IEEE . doi : 10.1109/JPROC.2016.2571358 . S2CID 20662894 .
- Bibliografia _ Wang, AC (2019). „O pochodzeniu elektryfikacji kontaktów”. Materiały dzisiaj . 30 : 34. doi : 10.1016/j.mattod.2019.05.016 . S2CID 189987682 .
- Bibliografia _ Zi, Y.; Wang, AC; Zou, H.; Dai, Y.; On, X.; Wang, P.; Wang, C.; Feng, P.; Li, D.; Wang, ZL (2018). „O mechanizmie przenoszenia elektronów w efekcie elektryfikacji kontaktowej”. Zaawansowane materiały . 30 (15): 1706790. doi : 10.1002/adma.201706790 . PMID 29508454 . S2CID 3757981 .
- Bibliografia _ Xu, L.; Wang, AC; Wang, ZL (2020). „Ilościowe przenoszenie elektronów i przenoszenie jonów w elektryfikacji kontaktowej ciecz-ciało stałe oraz mechanizm tworzenia podwójnej warstwy elektrycznej” . Komunikacja natury . 11 (1): 399. doi : 10.1038/s41467-019-14278-9 . PMC 6972942 . PMID 31964882 .
- ^ Nie, JH; Ren, Z.; Xu, L.; Lin, SQ; Żan, F.; Chen, XY; Wang, ZL (2019). „Badanie przenoszenia elektronów i jonów indukowanych elektryfikacją styków na granicy faz ciecz-ciało stałe”. Zaawansowane materiały . 31 (2): 1905696. doi : 10.1002/adma.201905696 . PMID 31782572 . S2CID 208357834 .