Статическое электричество – совокупность явлений, связанных с электризацией. Электризацией, в свою очередь, называется явление, сопровождающее процессы трения двух различных материалов, которые при этом заряжаются (или электризуются).

В литературе чаще статическое электричество называют трибоэлектричеством (от греч. tribos – трение). Объяснение механизма появления трибоэлектрических зарядов дано Гельмгольцем. Предполагают, что при соприкосновении двух тел происходит переход зарядов от одного тела к другому. Так возникает в пограничном слое электрическое поле с очень короткими линиями. Это поле называют двойным слоем, а напряжение, возникающее в нем, – контактным напряжением. Расстояние между слоями, имеющими одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды, равно лишь несколько молекулярных диаметров (порядка 10^-10 м). То есть это своеобразный плоский конденсатор, с очень малым расстоянием между обкладками. При разъединении таких поверхностей, если контактное напряжение было даже очень маленьким, как следствие уменьшения емкости могут появиться очень большие разности потенциалов. Трение при электризации имеет второстепенное значение и способствует увеличению площади двойных слоев и температуры контактирующих поверхностей. Без трения между контактирующими поверхностями передача электрических зарядов имела бы место только в нескольких точках контакта, поскольку поверхность имеет шероховатости. В определенных случаях возможно образование двойного слоя только на одной поверхности. При контакте двух твердых тел наиболее вероятен перенос зарядов электронами, однако в некоторых случаях может происходить и перенос ионов. Двойные электрические слои возникают и при контакте твердого тела с жидкостью, металла с газом, металла с полупроводником, жидкости с жидкостью, жидкости с газом.

Поскольку двойной электрический слой является важным элементом в процессе генерации зарядов статического электричества, то коротко рассмотрим явление перехода зарядов с одной контактной поверхности на другую. Для этого напомним, что все тела по их удельной электропроводности разделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники имеют большое значение удельной электропроводности, диэлектрики обладают очень низким значением электропроводности (g < 10^-9 См/м), а полупроводники занимают промежуточное положение.

Все металлы с g > 10⁵ См/м являются проводниками. К полупроводникам относятся такие элементы и соединения, как Si (g = 2×10^-3 См/м), Ge (g = 2.1×10^-4 См/м), InSb (g = 5×10^-5 См/м), CuO (g = 5×10^-5 См/м), FeO (g = 1×10^-2 См/м), графит (g = 4×10^-1 См/м) и др.

Твердые тела металлического типа состоят из большого количества атомных ядер, размещенных в пространстве в соответствии с кристаллической структурой и жестко связанных между собой. Эта структура заполнена электронами двух видов. К первому виду относятся электроны, являющиеся «собственностью» каждого ядра и образующие электронные оболочки. Все эти оболочки заполнены. Ко второму виду относятся электроны, являющиеся коллективной «собственностью» ядер, образующих твердое тело. Эти электроны принадлежат периферийным энергетическим уровням изолированного атома, содержащим валентные электроны.

Движение электронов в твердом теле объясняется с помощью теории квантовой механики. Согласно этой теории следует, что существуют разрешенные и запрещенные энергетические зоны. По состоянию заполнения зон можно говорить о целиком заполненной, частично заполненной или свободной зоне. При температуре, равной абсолютному нулю, электроны распределяются на разрешенных уровнях, начиная с самого нижнего. В соответствии с числом электронов в атоме они полностью заполняют какое-то число зон или образуют одну частично заполненную зону. Разрешенные зоны играют роль энергетических уровней в изо

лированном атоме. Электроны, находящиеся на нижних зонах, как бы «привязаны» к одному атому, а те электроны, которые находятся в валентной зоне, могут перемещаться от одного атома к другому, образуя «электронный газ». Эти электроны и обеспечивают электропроводность металлов.

В нормальном состоянии в твердом теле вокруг каждого атомного ядра находятся электроны в количестве, необходимом и достаточном для точного уравновешивания заряда ядра. Это равновесие может быть нарушено за счет какого-либо внешнего воздействия, например электрического поля.

Электрическое поле, которое воздействует на совокупность электронов заполненной зоны, не приводит к появлению электрического тока. Заполненная зона, таким образом, не участвует в проводимости. Следовательно, тело, у которого все зоны заполнены, является диэлектриком.

Если существует незаполненная зона, то материал будет являться проводником. В случае, когда эта зона содержит небольшое число электронов, они будут смещены на нижние энергетические уровни. В этом случае будет иметь место электронная проводимость. Если зона почти заполнена и в ней имеется только несколько свободных мест на высоких уровнях, то эти свободные места заполняются электронами, но только с тем условием, что одновременно к ним прибавляются противоположные заряды +е. Насыщенная зона не дает тока. Ток будет следствием только фиктивных зарядов +е, которые введены вместо отсутствующих электронов. Все происходит так, как будто эти фиктивные заряды +е реально существуют. Их называют «дырками» и в этом случае говорят о дырочной проводимости.

Для того чтобы свободный электрон, находящийся на самом низком энергетическом уровне мог выйти за пределы металла и переместится в пустоте в бесконечность, необходимо, чтобы была совершена определенная работа W₀. Если электрон находится на уровне Ферми, то необходимая работа (называемая работой выхода) определяется выражением

W_вых = W₀ – W_F.

Здесь W_F – уровень Ферми.

У металлов работа выхода равна примерно 4 эВ.

У диэлектриков валентная зона, как и у проводников, заполнена полностью, а зона проводимости, в отличии от металлов, свободна. При температуре, превышающей 0 К, электроны могут переходить из насыщенной валентной зоны в свободную зону проводимости. При определенной температуре хороший диэлектрик может стать проводником. При этом зона проводимости будет обладать электронной проводимостью, а валентная зона – дырочной. И то и другое обуславливает протекание тока одного знака. У изоляторов расстояние между этими двумя зонами (называется шириной запрещенной энергетической зоны) примерно равно единицам электрон вольт и эффектом проводимости можно пренебречь.

Если интервал, отделяющий валентную зону от зоны проводимости, меньше 1 эВ, то даже при нормальной температуре значительная часть электронов переходит в зону проводимости и вещество становится проводником. Такое полупроводниковое вещество с внутренней проводимостью отличается от диэлектриков только шириной запрещенной зоны. Наряду с такими полупроводниками, существуют и так называемые полупроводники с примесной электропроводностью. Проводимость таких веществ обеспечивается наличием примеси в их кристаллах. Например, если взять 4-валентный Ge, у которого в валентной зоне четыре электрона в каждом атоме и добавить при его кристаллизации небольшое количество 5-валентного элемента (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут), то получится упорядоченная система, в которой один атом примеси замещает один атом Ge. В результате в кристалле получают избыточные электроны (один электрон на каждый атом примеси). С энергетической точки зрения эти электроны смещены в запрещенной зоне германия в дополнительные уровни. Расстояние между этими уровнями и зоной проводимости очень мало (около 0.01 эВ). Следовательно, эти дополнительные электроны очень легко переходят в зону проводимости

и, таким образом, делают вещество проводником. В таком случае говорят, что ввели донорные центры и получили полупроводник типа n.

Если при кристаллизации германия добавить трехвалентную примесь (бор, алюминий, галлий, индий), то в кристалле на каждый атом примеси будет не доставать одного электрона. В энергетической диаграмме это выражается появлением дополнительных уровней, остающихся свободными при низкой температуре. Расстояние от валентной зоны составляет примерно 0.01 эВ. Следовательно, при нормальной температуре эти уровни почти насыщены электронами, перешедшими из верхней части валентной зоны. Эта энергетическая зона становится частично заполненной и делает вещество проводником. При этом образуются акцепторные центры и вещество превращается в полупроводник р-типа (полупроводник с дырочной электропроводностью).

Рис. 2.1. Два бруска разных металлов

Рассмотрим теперь те явления, которые возникают при контакте между различными веществами. Пусть, например, два бруска разных металлов 1 и 2 в форме параллелепипедов контактируют между собой (рис. 2.1). Поскольку поверхности материалов шероховаты, то говорят, что между двумя металлами имеется контакт, если их плоскости соприкасаются хотя бы в одной точке. При контакте этих металлов электроны проводимости будут приходить из внутренних слоев одного металла и перемещаться в сторону другого. Направление движения электронов определяется соотношением между работами выхода материалов. Так, если первый проводник имеет работу выхода W₁, а второй – W₂, то при W₂ > W₁ будет наблюдаться переход электронов от первого проводника ко второму. Переходя во второй проводник, эти электроны не удаляются далеко от контактной поверхности, с одной стороны, из-за отталкивания электронов, находящихся в проводнике 2, а с другой стороны, из-за притяжения положительными зарядами тела 1. Поэтому в окрестности контактной поверхности тела 2 образуется слой электронов с определенной поверхностной плотностью зарядов s, превышающей нормальное значение. Симметрично в теле 1 появится слой, смежный с контактной поверхностью и заряженный положительно. Таким образом, образуется двойной электрический слой. Контактная разность потенциалов при этом определяется разностью работ выхода материалов и составляет для металлов 0.1 – 3 В. Однако создать на практике такие условия, при которых данные заряды оставались бы на каждом из проводников при удалении их друг от друга, не удается. Это можно объяснять по разному, но, как обычно говорят, – время разрушения контакта в данном случае больше времени релаксации зарядов. Поэтому принято считать, что при контакте двух металлов (или материалов, проводимость каждого из которых превышает 10^-5 См/м) они не электризуются.

При контакте двух материалов, один из которых является проводником, а другой – диэлектриком, объяснить появление двойного электрического слоя путем сопоставления работ выхода не представляется возможным. Это связано с тем, что в общем случае у диэлектриков работа выхода W_д равна примерно 1 эВ, а у металлов работа выхода W_м – примерно 4 эВ. Поскольку W_м > W_д, то электроны диэлектрика должны переходить в металл, образуя двойной слой. Однако в зоне проводимости диэлектрика электронов нет, следовательно между этими телами не должно появляться заряженных слоев. Экспериментально же установлено, что при контакте металл – диэлектрик двойной электрический слой появляется, тела электрически заряжаются и после разъединения контакта на них остаются избыточные электрические заряды, то есть они электризуются. Это явление объясняют тем, что диэлектрики несовершенны и в их структуре имеется много дефектов. Эти дефекты становятся ловушками для электронов, донорскими или акцепторными центрами в запрещенной зоне. Как гово

рят, что можно «сцарапать» с куска жести несколько электронов ногтем (диэлектриком) или стереть с куска алюминия полой пиджака.

При разъединении контакта металл – диэлектрик заряды на диэлектрике сохраняются длительное время, поскольку «опорожнение» ловушек электронов благодаря их большой глубине происходит очень медленно (около 10⁴ с).

Очень интересен в этом плане опыт, при котором из металлического сосуда высыпается в металлическую чашу смесь мельчайшей свинцовой дроби с легким порошком серы. При контакте сера и металл электризуются и образуется облако заряженной серной пыли. Даже при небольшой высоте падения разность потенциалов между чашей и облаком достигает тысячи вольт.

При контакте металла с полупроводником также появляется двойной электрический слой. Это связано с тем, что, поскольку работа выхода у металла больше, чем у полупроводника, то электроны перемещаются из полупроводника в металл, пока дно зоны проводимости не приблизится к уровню Ферми металла на определенную величину. В этом случае образуется потенциальный барьер, который препятствует дальнейшее перемещение электронов в направлении металла. При равновесии имеющийся положительный заряд на полупроводнике и отрицательный на металле образуют двойной слой. При разъединении контакта этих двух тел заряды на полупроводнике и металле (изолированном от земли) сохраняются.

При контакте двух диэлектриков одной из основных причин появления электрических зарядов на их поверхностях является трение. Объяснение и анализ данного явления достаточно сложны и нет никаких общих правил, позволяющих предвидеть значение и полярность электрических зарядов, особенно сложным является процесс электризации  при работе с техническими материалами. Поэтому для определения хотя бы знака заряда, появляющегося при контакте между различными материалами, составляются трибоэлектрические ряды. Так, всякий материал заряжается положительным зарядом при контакте с любым из последующих материалов ряда [98], приведенного в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Трибоэлектрический ряд для различных материалов

В 1898 г. Коен установил, что при трении двух диэлектриков положительно заряжается тот, у которого больше диэлектрическая проницаемость.

В табл. 2.2 – 2.4 [98], составленных Фрейтагом (Трибоэлектрический ряд Фрейтага),  приводится полярность различных материалов при их контактах.

Отметим, что существует и ряд других гипотез, объясняющих появление зарядов при контакте различных материалов.

Таблица 2.2 Полярность зарядов при контакте двух диэлектриков

Таблица 2.3 Полярность зарядов при контакте жидкости с твердым диэлектриком

Таблица 2.4 Полярность зарядов при контакте с диэлектриком

Электрические заряды появляются не только при контакте твердых тел, но и при движении жидкостей и газов (например, см. табл. 2.3). Объяснить это явление также можно на основе теории двойного слоя Гельмгольца.

Ф. Купер даже вывел выражение зависимости электрического тока от параметров жидкости [98]:

где Re – число Рейнольдса; С_х – коэффициент сопротивления Рейнольдса; u – средняя скорость течения жидкости; z = 4psх, где s – поверхностная плотность электрических зарядов; х – толщина двойного слоя.

При образовании льда во время замерзания водных растворов также возникают разности потенциалов, которые могут достигать нескольких сотен вольт. Обычно лед при этом заряжается положительными зарядами, а жидкость – отрицательными.