Sürtünme ile elektriklenme

Sürtünme ile elektriklenme belli maddelerin başka maddeler ile sürtünme teması sonrası elektriksel olarak yüklü hale geldiği dokunma ile elektriklenmenin bir türüdür. Camın kürkle sürtünmesi ya da saçın taranması sürtünme ile elektriklenmeyi sağlar. Günlük hayattaki çoğu statik elektrik durumu sürtünme ile elektriklenme çeşididir. Oluşturulmuş kutupluluk ve yüklerin kuvvetliliği yüzey pürüzlüğü, sıcaklık, gerilme ve diğer özelliklere bağlı olarak maddeden maddeye değişmektedir.

Sürtünme ile elektriklenme çok iyi öngörülemez ve yalnızca yaygın genelleştirmeler yapılabilir. Örneğin, kehribar, yün gibi bir maddeyle temas ettirilip ayırıldığında (ya da sürtünme) elektrik yükü kazanabilir. Bu özellik ilk olarak “elektrik” sözcüğünü (William Gilbert’in ilk kelime deyiminden, “electra”) öneren Milet antik şehrinde yaşamış Thales tarafından kayda geçirilmiştir. Elektrik sözcüğü Yunanca’dan kehribar anlamına gelen “ēlektron” kelimesinden gelmektedir. Ön ek olan “tribo” (Yunancada ovma, sürtme) tribolojide olduğu gibi sürtünmeyi temsil etmektedir. Birbirine sürtüldüğünde yük kazanan diğer maddelerden örnek verilecek olursa, camın ipek kumaşla sürtünmesi ya da kauçuğun kürkle sürtünmesi söylenebilir.

Sürtünme ile elektriklenmenin adezyon olgusuna çok yakın olduğu kabul edilmektedir. Adezyon farklı moleküllerden oluşan iki maddenin kimyasal reaksiyonların biçiminden dolayı temas ile birbirine bağlanma yönelimidir. Bu durum kimyasal bağa oldukça yakındır. Birbirine benzemeyen bitişik moleküller elektronlarını değiş tokuş ederler. Bir madde fiziksel olarak diğerinden uzaklaştırıldığında deneyimlediğimiz bağlanma kuvvetlerini sürtünme olarak kabul ediyoruz. Sonuç olarak fazla elektronlar bir maddeden uzaklaştırılırken diğer maddede ise fazla elektronlar bulunmuş olur.

John Carl Wilcke 1757 yılında statik yükler üzerine yazdığı bir yazıda sürtünme ile elektriklenme dizisini ilk yayımlayan kişi oldu. Maddeler başka nesnelere dokundurulduğunda yük ayrılığının kutupluluğu baz alınarak belli bir sıraya göre listelenmiştir. Dizinin alt kısmındaki maddeler dizinin üst tarafındaki maddelere dokundurulduğu zaman daha fazla negatif yük kazanabilirler. Dizideki iki materyal arasında uzaklığın daha fazla artması, daha fazla yük transferini sağlar. Dizide birbirine yakın olan maddeler arasında yük değiş tokuşu olmayabilir ya da bunlar arasındaki yük alışverişi listede belirtilen değişimin tam tersi olabilir. Bu olay sürtünme, atıklar, oksitler ya da diğer değişkenler tarafından neden olunur. Listeler bazı maddelerin doğru sıralamasına göre biraz değişmektedir çünkü göreceli yük yakın maddeler için değişmektedir. Güncel testlerden, metaller arasındaki yük çekiciliğinin küçük olduğu ya da ölçülemileyecek bir farklılık içerdiği görülmüştür. Bunun nedeni muhtemelen iletim elektronlarının hızlı hareketinin bazı farklıkları ortadan kaldırmasıdır.

“Triboelectric” sözcüğünün “tribo” kısmı Yunanca ovma, sürtme (τρίβω (τριβή: sürtünme)) gelmesine rağmen, iki maddenin elektron değiş tokuş yapabilmesi için yalnızca temas haline gelmeleri yeterlidir. Temas sağlandıktan sonra iki yüzeyin bölümleri arasında kimyasal bağ oluşturulur ve buna adezyon denir. Elektrokimyasal potansiyellerinin eşit olabilmesi için yükler bir maddeden diğer maddeye doğru hareket ederler. Bu, nesneler arasındaki net yük dengesizliğini yaratır. Nesneler birbirinden ayırıldığında bağlı atomların bazıları fazla elektronu tutma eğilimine sahipken diğerleri elektronlarını verme eğiliminde bulunurlar. Bu dengesizlik, tünelleme ile ya da elektriksel kırılım ile (genellikle Korona deşarjı) kısmen yok edilebilir. Ayrıca bazı maddeler farklı hareketliliğe sahip iyonları değiş tokuş yapabilirler ya da büyük moleküllerin yüklü bölümlerini değiştirebilirler.

Sürtünme ile elektriklenme sürtünme ile ilgilidir çünkü ikisi de adezyon kapsamına girmektedir. Ama bu etki maddelerin birbirine sürtünmesiyle çok büyük ölçüde artmaktadır çünkü maddeler birçok kez birbirine dokunur ve ayrılır. Sürtme, farklı geometriye sahip yüzeylerde çıkıntı ısınmasına neden olur. Yüzeydeki küçük etkiler çok iyi bir şekilde çözülememiştir ve atomik kuvvet mikroskobu fiziğin bu alanında hızlı ilerlemeye olanak sağlamaktadır.

Maddenin yüzeyi şimdi elektriksel olarak negatif ya da pozitif olarak yüklü olduğu için, yüksüz herhangi bir iletkenle ya da esasen farklı bir yüke sahip bir nesne ile girilebilecek bir temas elektriksel boşalmaya yol açmaktadır: elektrik kıvılcımı. Bir halının üzerinden yürüyen bir insan binlerce voltluk potansiyel oluşturabilir. Bir kıvılcıma neden olabilmek için bir santimetrelik ya da daha fazla bir uzunluk yeterlidir. Hava ortamındaki düşük nem oranı gerilimi (voltajı) artırır. İletken maddenin yükü tutma özelliğinin artması ve havanın iletkenliğinin düşmesi yük yığınının kademeli olarak dağılmasını engeller ve burada elektriksel boşalma meydana gelir. Bir naylon gömlek ya da korseyi kaldırmak, uzaklaştırmak da kıvılcımın oluşmasını sağlayabilir. Araba ile yolculuk sürücü ve yolcular üzerinde yük yığılmasına neden olur çünkü sürücünün elbisesi ile derisi ya da arabanın içindeki plastik malzemeler arasında sürtünme vardır. Bu yük daha sonra arabanın metal kısımlarına, yakıt dağıtım sistemine ya da yakınındaki kapı kollarına doğru kıvılcım ile denge konumuna gelir. Eğer arabanın gövdesi statik yük oluşturursa (Faraday kafesi gibi hareket ederse) araba, tekerleklerdeki karbon sayesinde denge konumuna gelebilir. Araba park edildiğinde hala yüklü ise kıvılcımlar kapı çerçevesinden araba içerisinde oturan kişilere sıçrayabilir çünkü araba içerisinde oturan kişiler yer ile temas içerisine girmiştir.

Bu tip bir boşalma genellikle zararsızdır çünkü kıvılcımın enerjisi (1/2 * V^2 * C) çok küçüktür, tipik olarak kuru-soğuk havada onlarca mikro joule kadardır. Kıvılcımın enerjisi nemli ortamlarda bundan çok daha küçüktür. Ama bu kıvılcımlar yanıcı buharları tutuşturabilir, riskler ve önlemler kısmına bakınız.

Atmosfer ortamında uçan uçaklar, uçak gövdesindeki hava sürtünmesinden dolayı statik yük kazanabilirler. Bu statik, statik boşalma ya da statik fitiller ile deşarj edilebilir.

Bu etki endüstriyel alanda hem güvenlik hem de üretilen malların görebileceği olası zarar bakımından dikkate değer bir önem taşımaktadır. Statik boşalma tahıl asansörlerinde toz patlamalarından sorumlu olduğu için özel bir tehlike arz etmektedir. Üretilen kıvılcım petrol, eter dumanı, metan gazı gibi yanıcı buharları tamamen tutuşturabilme yeteneğine sahiptir. Yakıt teslim tankerleri ve yer ile bağlantısı yapılmış uzay aracı yakıtları, araç ile kapağı açılmış alıcı tank arasında oluşturulur. Benzin istasyonlarında gaz tüpünü açmadan önce ya da ağızlığa dokunmadan önce araba üzerindeki metal kısma yakıt pompasının değdirilmesi yakıt buharlarının statik tutuşma riskini azaltabilir.

Hastanelerde uçucu sıvı, yanıcı gaz ya da oksijen taşıyan hastane içi el arabalarının elektriksel olarak boşaltılmış olması gerekir. Çok küçük bir yük yaratıldığında bile pürüzsüz yüzeye doğru çekilen toz parçacıkları oluşur. Tekstil üretiminde ise bu olay elbisenin statik yük tarafından tutulan toz kümeleriyle temas ettiği yerde geçici kirli lekelerin oluşmasına neden olur. Toz çekimi, yalıtkan yüzeyin anti-statik madde ile etkileşimi sonucu azaltılabilir.

Özellikle CMOS, Mikroçip ve Mosfet transistörleri olmak üzere, bazı elektronik aletler yüksek gerilim statik boşalmasından dolayı kazara tahrip edilmektedir. Bu parçalar genellikle koruma amacıyla iletken köpük içerisine doldurulmaktadır. Bağlanmamış mikroçiplerin bakımı sırasında tezgâha dokunarak kendini topraklama ya da anti-statik bileklik ya da halhal kullanma standart uygulamalardır. Yükü yok etmenin bir diğer yolu ise karbon siyahı ya da ameliyat salonlarında kullanılan yüklü kauçuk paspaslar gibi iletken maddelerin kullanılmasıdır.

Hassas parçalara sahip elektronik aletler olağan kullanım sırasında, yükleme ve bağlantının koparıldığı sıralarda dış bağlantının ihtiyaç olduğu yerlerde sorunsuz bir şekilde korunmasına göre tasarlanmıştır. Elektronik aletlerin korunması daha güçlü aletlerin kullanılması sayesinde ya da aletin dış ara yüzlerindeki önlemler ile sağlanabilir. Bunlar belki az bir hassaslığa sahip transistör türü olan optoküpler ve varistör gibi baypas aletler olabilir.