Pokud jdete po koberci ve vlněných ponožkách, je docela velká šance, že vás další klika, které se dotknete, překvapí jiskrou. Statická elektřina je tak běžná, že je snadné zapomenout, jak je zvláštní.
Ale co se vlastně děje, když se s těmito jiskrami setkáte?
Jako první popsal statickou elektřinu starořecký filozof a matematik Thalés z Milétu v 6. století př. n. l., ale vědci se po celá desetiletí snažili na tuto základní otázku odpovědět. Vědci pracující v nanoměřítku však právě učinili obrovský krok vpřed ve snaze pochopit, proč tření dvou povrchů o sebe může vést k elektrickému šoku.
Související:
Nezáleží na tom, jak hladce povrch vypadá, ale když ho přiblížíte dostatečně zblízka, všimnete si hrbolků a důlků. Vědci tyto nedokonalosti nazývají „asperity“. Každý povrch, od balónů až po vlákna, jako je vlna nebo vlasy, je pokryt mikroskopickými asperitami. Podle Christophera Mizziho, doktoranda v oboru materiálové vědy a inženýrství na Northwestern University v Evanstonu ve státě Illinois, jsou tyto prvky zodpovědné za vznik statické elektřiny.
Ve studii publikované v září v časopise Physical Review Letters Mizzi a jeho spoluautoři porovnávali neviditelné nedokonalosti na předmětech denní potřeby s povrchem Země. Pokud se na Zemi podíváte z dálky, planeta „vypadá velmi hladce, jako dokonalá koule,“ řekl Mizzi. Víme však, že ve skutečnosti Země zdaleka není hladká, ale musíte se na ni podívat zblízka, abyste to viděli. Teprve když „si ji dostatečně přiblížíte, všimnete si, že jsou na ní hory a kopce,“ řekl. Podobně i známé objekty vypadají hladce, dokud se na ně nepodíváme zblízka.
Když se povrchy dvou objektů o sebe třou, jejich asperity se o sebe škrábou a vytvářejí tření. Vědci již dlouho vědí, že tření hraje roli při vzniku statické elektřiny. (Ve skutečnosti má vědecký termín pro statickou elektřinu, triboelektřina, společný kořen s tribologií, což je nauka o tření.)
V nové studii Mizzi a jeho spoluautoři ukázali, jak asperity, které způsobují tření, způsobují také šokující rozdíl v elektrickém náboji.
Něco neobvyklého na statické elektřině je, že se nejsnáze vyrábí pomocí materiálů omezujících elektrický proud, známých jako izolátory; mezi ně patří guma, vlna a vlasy. V proudové elektřině – každodenní formě elektřiny, která napájí telefony, světla a téměř veškerou další elektroniku – vytvářejí elektrony proudy prouděním přes atomy ve vodivých materiálech, jako jsou měděné dráty. Atomy izolátorů však nepropouštějí elektrony snadno; své jméno si vysloužily tím, že brání toku elektronů.
Mizzi a jeho kolegové zjistili, že statická elektřina vzniká, když se asperity v izolátorech o sebe třou a ruší mračna elektronů. Protože se elektrony v izolantech nemohou snadno pohybovat, může toto tření vychýlit tvar elektronových mračen.
V těchto materiálech jsou mračna elektronů kolem atomů obvykle symetrická. Když se na tyto mraky podíváte, „nerozeznáte nahoře od dole, vlevo od vpravo,“ řekl Mizzi.
Pokud však tento oblak elektronů stlačíte, zdeformuje se a stane se asymetrickým. Za správných okolností může tento nový tvar nerovnoměrně rozložit napětí po celém materiálu, vysvětlil Mizzi.
Co to má společného s vlněnými ponožkami na koberci? Když v takové obuvi chodíte, kombinace váhy vašeho těla a pohybu při chůzi způsobuje, že vlákna ponožek kloužou po vláknech koberce. Když se tyto dva materiály o sebe takto třou, nerovnosti na jednom povrchu se táhnou podél asperitů na opačném povrchu a způsobují jejich ohýbání. Při tomto ohybu se mračna elektronů v atomech, které tvoří asperity, zmačkají do asymetrických tvarů, což způsobí velmi, velmi malý rozdíl v napětí.
Ačkoli jsou tyto změny napětí malé, sčítají se. Asperitů je tolik, že mačkání elektronových mračen způsobuje značné nahromadění statické elektřiny – natolik silné, že ji ucítíte, když se dotknete kliky nebo někomu podáte ruku.
Toto nově objevené poznání statické elektřiny by mohlo ovlivnit vědce vyvíjející látky, které produkují energii vznikající třením pro nabíjení nositelných zařízení, což by mohlo zefektivnit výrobky. A díky lepšímu pochopení toho, které materiály statickou elektřinu snadno nevytvářejí, mohou inženýři pracovat na vytvoření bezpečnějších výrobních prostředí, například eliminací prachových částic, které mohou třením o sebe vyvolat požár.
„Když máte model, můžete začít dělat předpovědi,“ řekl Mizzi.
- Může vás při močení zasáhnout elektrický proud?“
- Making Money Work:
- Kde berou elektrony energii na otáčení kolem jádra atomu?
Původně publikováno na Live Science.
Aktuální zprávy