Якщо ви переходите через килим у вовняних шкарпетках, є досить хороший шанс, що наступна ручка, яку ви торкаєтеся, здивує вас іскрою. Статична електрика настільки поширена, що легко забути, як це дивно.
Але що насправді відбувається, коли ти стикаєшся з цими іскрами?
Давньогрецький філософ і математик Фалес Мілетський першим описав статичну електрику в VI столітті до нашої ери, але вчені десятиліттями намагалися відповісти на це основне питання. Однак дослідники, які працюють на нанорозмаху, щойно зробили величезний крок вперед у пошуках, щоб зрозуміти, чому розтирання двох поверхонь разом може призвести до шоку.
Незалежно від того, наскільки гладкою може виглядати поверхня, коли ви наближаєтесь досить близько, ви помітите задирки та ями. Вчені називають ці недосконалості "афектами". Кожна поверхня, від повітряних кульок до таких волокон, як вовна або волосся, покрита мікроскопічними якостями. І ці функції відповідають за виробництво статичної електрики, - сказав Крістофер Міцзі, кандидат доктора наук з матеріалознавства та техніки в Північно-Західному університеті в Еванстоні, штат Іллінойс.
У дослідженні, опублікованому у вересні в журналі Physical Review Letters, Міцзі та його співавтори порівняли невидимі недосконалості побутових предметів із поверхнею Землі. Якщо дивитися на Землю здалеку, планета "виглядає дуже гладкою, як ідеальна сфера", - сказав Міцзі. Ми знаємо, однак, що насправді Земля далеко не гладка, але вам потрібно це уважно подивитися на це. І лише коли "ви збільшите масштаб досить далеко, ви помітите, що є гори та пагорби", - сказав він. Так само знайомі предмети виглядають гладкими, поки їх не дивляться близько.
Коли поверхні двох предметів протираються один про одного, їх асиметричні показники зіскоблюються між собою, створюючи тертя. Вченим давно відомо, що тертя грає роль у статичній електриці. (Насправді, науковий термін статичної електрики, трибоелектрики, має корінь з трибологією, що є вивчення тертя.)
У новому дослідженні Міцзі та його співавтори показали, як розбіжності, які викликають тертя, також викликають шокуючу різницю в електричному заряді.
Щось незвичне в статичній електриці полягає в тому, що її найпростіше виготовити, використовуючи матеріали, що обмежують електроенергію, відомі як ізолятори; До них відносяться гума, шерсть і волосся. У поточній електриці - щоденній формі електроенергії, яка живить телефони, світло і майже всю іншу електроніку - електрони створюють струми, протікаючи по атомах в струмопровідних матеріалах, як мідний дріт. Але атоми ізоляторів не дозволяють електронам легко приходити та йти; вони заробляють свою назву, гальмуючи потік електронів.
Міцзі та його колеги виявили, що статична електрика виробляється, коли розбіжності в ізоляторах протираються один одному та заважають хмарам електронів. Оскільки електрони в ізоляторах не можуть легко пересуватися, то тертя може вивести електронні хмари з форми.
У цих матеріалах хмара електронів навколо атомів зазвичай симетрична. Коли ви дивитесь на ці хмари, ви "не можете розказувати знизу, зліва направо", - сказала Міцзі.
Але якщо стиснути ту електронну хмару, вона деформується, стаючи асиметричною. За правильних обставин ця нова форма може розподіляти напругу нерівномірно по матеріалу, пояснив Міцзі.
Що це стосується вовняних шкарпеток на килимі? Коли ви ходите в такому взутті, поєднання ваги вашого тіла та ваших крокуючих рухів змушує волокна у ваших шкарпетках ковзати проти волокон у килимі. Коли два матеріали натираються один про одного так, удари на одній поверхні тягнуться по нерівностях на протилежній поверхні, внаслідок чого вони згинаються. Коли це відбувається вигин, електронні хмари в атомах, що складають невідповідності, врізаються в асиметричні форми, викликаючи дуже і дуже малу різницю напруги.
Ці зміни напруги хоч і невеликі. Розбіжності настільки численні, що струшування електронних хмар призводить до значного накопичення статичної електрики - однієї, достатньо потужної для того, щоб відчути це, коли торкаєтесь дверної ручки або потискуєте чиюсь руку.
Це нове розуміння статичної електрики може вплинути на вчених, що розробляють тканини, які виробляють енергію, що генеруться від тертя, для заряджання носячих пристроїв, що може зробити продукти ефективнішими. І з кращим розумінням того, які матеріали не можуть легко створити статичну електрику, інженери можуть працювати над створенням безпечніших виробничих середовищ, наприклад, усуваючи пилові частинки, які можуть розпалювати пожежі, протираючи один про одного.
"Коли у вас є модель, ви можете почати робити прогнози", - сказала Міцзі.
