Jeśli przejdziesz przez dywan w wełnianych skarpetach, istnieje spora szansa, że następna klamka, którą dotkniesz, zaskoczy Cię iskrą. Elektryczność statyczna jest tak powszechna, że łatwo zapomnieć o jej dziwności.
Ale co się właściwie dzieje, gdy napotkasz te iskry?
Starożytny grecki filozof i matematyk Thales of Miletus jako pierwszy opisał elektryczność statyczną w VI wieku p.n.e., ale naukowcy od dziesięcioleci walczą o odpowiedź na to podstawowe pytanie. Jednak naukowcy pracujący w nanoskali zrobili właśnie ogromny krok naprzód w dążeniu do zrozumienia, dlaczego pocieranie dwóch powierzchni razem może prowadzić do szoku.
Bez względu na to, jak gładka może wyglądać powierzchnia, po zbliżeniu wystarczająco blisko zauważysz nierówności i wgłębienia. Naukowcy nazywają te niedoskonałości „dobrodziejstwami”. Każda powierzchnia, od balonów po włókna takie jak wełna lub włosy, pokryta jest mikroskopijnymi właściwościami. Te cechy są odpowiedzialne za wytwarzanie elektryczności statycznej, powiedział Christopher Mizzi, doktorant z inżynierii materiałowej i inżynierii na Northwestern University w Evanston, Illinois.
W badaniu opublikowanym we wrześniu w czasopiśmie Physical Review Letters Mizzi i jego współautorzy porównali niewidzialne niedoskonałości przedmiotów codziennego użytku z powierzchnią Ziemi. Jeśli spojrzysz na Ziemię z daleka, planeta „wygląda bardzo gładko, jak idealna kula” - powiedział Mizzi. Wiemy jednak, że w rzeczywistości Ziemia jest daleka od gładkości, ale trzeba ją dokładnie przyjrzeć, aby to zobaczyć. Tylko wtedy, gdy „powiększysz wystarczająco daleko, zauważysz, że są góry i wzgórza” - powiedział. Podobnie znane obiekty wyglądają gładko, dopóki nie zostaną oglądane z bliska.
Kiedy powierzchnie dwóch obiektów ocierają się o siebie, ich szczeliny ocierają się o siebie, tworząc tarcie. Naukowcy od dawna wiedzą, że tarcie odgrywa rolę w elektryczności statycznej. (W rzeczywistości naukowy termin na elektryczność statyczną, tryboelektryczność, ma swoje korzenie w tribologii, czyli badaniu tarcia.)
W nowym badaniu Mizzi i jego współautorzy wykazali, że właściwości powodujące tarcie powodują także szokującą różnicę w ładunku elektrycznym.
Coś niezwykłego w elektryczności statycznej polega na tym, że najłatwiej jest ją wytwarzać przy użyciu materiałów ograniczających elektryczność, zwanych izolatorami; Należą do nich guma, wełna i włosy. W obecnej elektryczności - codziennej formie energii elektrycznej zasilającej telefony, lampy i prawie całą elektronikę - elektrony wytwarzają prądy przepływając przez atomy w materiałach przewodzących, takich jak drut miedziany. Ale atomy izolatorów nie pozwalają elektronom przychodzić i odchodzić łatwo; zdobywają swoją nazwę, hamując przepływ elektronów.
Mizzi i jego koledzy odkryli, że elektryczność statyczna powstaje, gdy właściwości w izolatorach ocierają się o siebie i zakłócają obłoki elektronów. Ponieważ elektrony w izolatorach nie mogą się swobodnie poruszać, tarcie może spowodować zgięcie chmur elektronów z kształtu.
W tych materiałach chmura elektronów wokół atomów jest zwykle symetryczna. Kiedy patrzysz na te chmury, „nie możesz powiedzieć od góry do dołu, od lewej od prawej” - powiedział Mizzi.
Ale jeśli ściśniesz chmurę elektronów, deformuje się, stając się asymetryczna. Mizzi wyjaśnił, że w odpowiednich okolicznościach ten nowy kształt może nierównomiernie rozłożyć napięcie na materiał.
Co to ma wspólnego z wełnianymi skarpetkami na dywanie? Kiedy idziesz w takim obuwiu, połączenie ciężaru twojego ciała i twojego kroczącego ruchu powoduje, że włókna w twoich skarpetkach ślizgają się po włóknach w dywanie. Kiedy dwa materiały ocierają się o siebie w ten sposób, nierówności na jednej powierzchni ciągną się wzdłuż szczelin na przeciwnej powierzchni, powodując ich zgięcie. Kiedy dochodzi do tego zginania, chmury elektronów w atomach, które tworzą asperty, zostają zgniecione w asymetryczne kształty, powodując bardzo, bardzo małą różnicę napięcia.
Choć niewielkie, te zmiany napięcia sumują się. Aspekty są tak liczne, że wyciskanie się chmur elektronów powoduje znaczne nagromadzenie elektryczności statycznej - wystarczająco silnej, aby można ją było wyczuć po dotknięciu klamki lub uścisku dłoni.
To nowe zrozumienie elektryczności statycznej może wpłynąć na naukowców opracowujących tkaniny wytwarzające energię wytwarzaną przez tarcie do ładowania urządzeń do noszenia, co może zwiększyć wydajność produktów. Dzięki lepszemu zrozumieniu, które materiały z łatwością nie wytwarzają elektryczności statycznej, inżynierowie mogą pracować nad stworzeniem bezpieczniejszych środowisk produkcyjnych, na przykład eliminując cząsteczki pyłu, które mogą wywołać pożar, ocierając się o siebie.
„Gdy masz model, możesz zacząć przewidywać” - powiedział Mizzi.
