Если вы идете по ковру в шерстяных носках, вполне вероятно, что следующая дверная ручка, к которой вы прикоснетесь, удивит вас искрой. Статическое электричество настолько распространено, что легко забыть, как это странно.
Но что на самом деле происходит, когда вы сталкиваетесь с этими искрами?
Древнегреческий философ и математик Фалес из Милета был первым, кто описал статическое электричество в шестом веке до нашей эры, но ученые десятилетиями пытались ответить на этот основной вопрос. Тем не менее, исследователи, работающие в наномасштабе, только что сделали огромный шаг вперед в поиске, чтобы понять, почему трение двух поверхностей может привести к шоку.
Независимо от того, насколько гладкой может выглядеть поверхность, когда вы приблизитесь достаточно близко, вы заметите неровности и ямы. Ученые называют эти недостатки "неровностями". Каждая поверхность, от воздушных шаров до волокон, таких как шерсть или волосы, покрыта микроскопическими неровностями. И эти функции ответственны за производство статического электричества, сказал Кристофер Миззи, докторский кандидат в материаловедении и разработке в Северо-западном университете в Эванстоне, Иллинойс.
В исследовании, опубликованном в сентябре в журнале Physical Review Letters, Миззи и его соавторы сравнивали невидимые недостатки повседневных объектов с поверхностью Земли. Если вы посмотрите на Землю издалека, планета «выглядит очень гладкой, как идеальная сфера», сказала Мицци. Однако мы знаем, что в действительности Земля далеко не гладкая, но вы должны внимательно посмотреть на нее, чтобы увидеть это. Только когда «вы увеличиваете масштаб достаточно далеко, вы замечаете, что есть горы и холмы», сказал он. Точно так же знакомые объекты выглядят гладкими, пока их не рассматривают близко.
Когда поверхности двух предметов трутся друг о друга, их неровности скребутся, создавая трение. Ученые давно знают, что трение играет роль в статическом электричестве. (Фактически, научный термин для статического электричества, трибоэлектричества, коренится в трибологии, которая является изучением трения.)
В новом исследовании Мицци и его соавторы показали, что неровности, которые вызывают трение, также вызывают потрясающую разницу в электрическом заряде.
Что-то необычное в статическом электричестве заключается в том, что его легче всего производить с использованием материалов, ограничивающих электричество, известных как изоляторы; К ним относятся резина, шерсть и волосы. В текущем электричестве - повседневной форме электричества, которая питает телефоны, светильники и почти всю другую электронику - электроны создают токи, протекающие через атомы в проводящих материалах, таких как медный провод. Но атомы изоляторов не позволяют электронам приходить и уходить легко; они получают свое имя, подавляя поток электронов.
Мицци и его коллеги обнаружили, что статическое электричество возникает, когда неровности в изоляторах трутся друг о друга и мешают электронным облакам. Поскольку электроны в изоляторах не могут легко перемещаться, это трение может изогнуть электронные облака из формы.
В этих материалах облако электронов вокруг атомов обычно симметрично. Когда вы смотрите на эти облака, вы «не можете различить сверху вниз, слева направо», сказала Миззи.
Но если сжать это электронное облако, оно деформируется, становясь асимметричным. При правильных обстоятельствах, эта новая форма может неравномерно распределять напряжение по материалу, объяснил Миззи.
Какое это имеет отношение к шерстяным носкам на ковре? Когда вы ходите в такой обуви, сочетание веса вашего тела и ваших движущихся движений заставляет волокна в ваших носках скользить против волокон в ковре. Когда эти два материала трутся друг о друга, как это, удары на одной поверхности тянутся вдоль неровностей на противоположной поверхности, заставляя их изгибаться. Когда происходит этот изгиб, электронные облака в атомах, которые составляют неровности, сжимаются в асимметричные формы, вызывая очень, очень маленькую разницу в напряжении.
Хотя эти изменения напряжения небольшие, они складываются. Неровности настолько многочисленны, что сжатие электронных облаков вызывает значительное накопление статического электричества - достаточно мощного, чтобы вы могли почувствовать его, когда вы касаетесь дверной ручки или пожимаете чью-то руку.
Это новое понимание статического электричества может повлиять на ученых, разрабатывающих ткани, которые генерируют энергию, генерируемую трением, для зарядки носимых устройств, что может сделать продукты более эффективными. А благодаря лучшему пониманию того, какие материалы не способны легко создавать статическое электричество, инженеры могут работать над созданием более безопасных производственных условий, например, путем устранения частиц пыли, которые могут вызвать возгорание при трении друг о друга.
«Когда у вас есть модель, вы можете начать делать прогнозы», - сказал Миззи.
