האפקט הטריבואלקטרי

האפקט הטריבואלקטרי הוא המונח המדעי המקובל למרבית התופעות הקשורות בחשמל סטטי, שבמסגרתן חומרים מסוימים הופכים לטעונים חשמלית לאחר שהם מופרדים מחומר אחר איתו הם באו במגע. שפשוף שני החומרים אחד בשני מגדיל את המגע ביניהם, ולפיכך מגביר את האפקט הטריבואלקטרי. למשל, שפשוף זכוכית עם פרווה, או מסרק פלסטיק בשיער, יכול להביא לחשמול טריבואלקטרי. מרבית התופעות הקשורות בחשמל סטטי שאנו פוגשים בחיי היום יום הן תוצאה של האפקט הטריבואלקטרי. הקיטוב החשמלי היחסי של החומרים, כמו גם עוצמת המטען המופק, משתנים בהתאם לסוג החומרים, מידת החספוס של פני השטח שלהם, טמפרטורה, מעוות ותכונות אחרות.

האפקט הטריבואלקטרי הוא מאוד לא צפוי, וקשה לבנות לו מודל בעל דרגת כלליות גבוהה, אם כי דפוסים מסוימים ניתנים לזיהוי. ענבר למשל, יכול לצבור מטען חשמלי באמצעות מגע (או חיכוך) והפרדה עם חומר כמו צמר. תכונה זו תועדה לראשונה על ידי תאלס איש מילטוס. המילה "חשמל" מגיעה מהמינוח הראשוני של ויליאם גילברט, שלו עצמו מקור במילה היוונית לענבר, ēlektron. הקידומת "טריבו" מתייחסת לחיכוך, כמו בטריבולוגיה. דוגמאות אחרות לצמדי חומרים שצוברים מטען חשמלי כאשר הם משופשפים אחד בשני כוללים זכוכית ומשי, או גומי קשיח ופרווה. צמד חומרים ששפשופם זה בזה גורם להיווצרות חשמל סטטי חזק מכונה צמד טריבואלקטרי.

דוגמה מוכרת מאוד לאפקט היא השפשוף של עט פלסטיק בשרוול העשוי מחומרים כמו כותנה, צמר, פוליאסטר או בד מעורבב המשמש בביגוד מודרני. עט מחושמל כזה יכול להרים פיסות נייר בגודל שאינו עולה על סנטימטר רבוע כאשר הוא בא בקרבתן. הכוח שבו עט כזה מושך את פיסות הנייר הנייטרליות אינו נובע בהכרח ממטען הפוך של העט ופיסות הנייר, אלא כתוצאה מהפרדת המטען החיובי והשלילי בתוך הנייר עצמו (היווצרות דיפולים חשמליים, בדומה למתחולל בתוך חומר דיאלקטרי). כוח המשיכה הכולל שפועל על פיסות הנייר צומח כתוצאה מכך שעל המטען הקרוב יותר לעט (קצה אחד של הדיפול) פועל כוח משיכה חזק יותר מאשר כוח הדחייה הפועל בין העט למטען המרוחק יותר (הקצה השני של הדיפול), וזאת כתוצאה מהשדה החשמלי הלא אחיד שיוצר העט, הפוחת עם המרחק (בהתאם לחוק קולון). תופעה זו של הפרדת מטענים בפיסות הנייר יכולה לקרות גם בשדה חשמלי אחיד, כמו זה שבקבל לוחות מקבילים, אך במקרה זה הכוח הכולל שיפעל על פיסות הנייר יהיה אפס.

האפקט הטריבואלקטרי נתפס כעת כקשור ביסודו לתופעת האדהזיה, שבה חומרים המורכבים ממולקולות שונות נוטים להידבק יחדיו כתוצאה מהמשיכה בין המולקולות השונות. אף על פי שאדהזיה אינה קשר כימי, היא עשויה לערב תחלופה של אלקטרונים בין החומרים השונים, כך שלאחר ההפרדה חוסר אלקטרונים עשוי להיווצר על אחד החומרים, ועודף באלקטרונים נותר בחומר השני. מודל גנרי למנגנון שמאחורי האפקט הטריבואלקטרי הוצע, והוא מאפשר לתאר את תחלופת האלקטרונים הממוצעת הנגרמת כתוצאה מחפיפה חזקה של ענני האלקטרונים סביב המולקולות של חומרים המעורבים בתהליך; במסגרת המודל, הקרבה הגדולה בין האטומים של זוג החומרים המעורבים באפקט הטריבולוגי מגדילה את הסיכוי של אלקטרונים מהחומר הראשון למנהר קוונטית לחומר השני, וזאת משתי סיבות: ראשית, הקרבה בין האטומים מנמיכה את גובה מחסום הפוטנציאל דרכו האלקטרון צריך לעבור, ושנית, היא מנמיכה גם את רוחב מחסום הפוטנציאל. המולקולות המעורבות הן בדרך כלל בעלות נטייה שונה לשמור על עודף של אלקטרונים (או לוותר על אלקטרונים), כך שאת המעבר של אלקטרונים מחומר אחד לאחר ניתן להבין כניסיון של האלקטרונים להשוות את הפוטנציאל האלקטרוכימי. באופן זה ניתן להסביר את הנטייה של חומרים מסוימים להיטען חיובית (או שלילית) בסיום התהליך.

חשמל