Jos kävelet matolla villasukat jalassa, on melko todennäköistä, että seuraava ovenkahva, johon kosket, yllättää sinut kipinällä. Staattinen sähkö on niin yleistä, että on helppo unohtaa, miten outoa se on.
Mutta mitä oikeastaan tapahtuu, kun kohtaat kipinöitä?
Vanha kreikkalainen filosofi ja matemaatikko Thales Miletolainen kuvasi ensimmäisenä staattisen sähkön kuudennella vuosisadalla eaa., mutta tiedemiehet ovat vuosikymmeniä ponnistelleet vastatakseen tähän peruskysymykseen. Nanokokoluokassa työskentelevät tutkijat ovat kuitenkin juuri ottaneet valtavan askeleen eteenpäin pyrkiessään ymmärtämään, miksi kahden pinnan hankaaminen toisiaan vasten voi aiheuttaa sähköiskun.
Suhteessa: Why Do Some Fruits and Vegetables Conduct Electricity?
Niin sileältä kuin pinta näyttääkin, kun zoomaat tarpeeksi lähelle, huomaat kuoppia ja kuoppia. Tutkijat kutsuvat näitä epätäydellisyyksiä ”asperiteeteiksi”. Jokainen pinta, ilmapalloista villan tai hiusten kaltaisiin kuituihin, on mikroskooppisten asperiteettien peitossa. Nämä piirteet tuottavat staattista sähköä, sanoo Christopher Mizzi, joka on materiaalitieteen ja -tekniikan tohtorikoulutettava Northwestern-yliopistossa Evanstonissa, Illinoisin osavaltiossa.
Syyskuussa Physical Review Letters -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa Mizzi ja hänen työtoverinsa vertasivat jokapäiväisten esineiden näkymättömiä epätäydellisyyksiä Maan pintaan. Jos Maata katsoo kaukaa, planeetta ”näyttää hyvin sileältä, kuin täydelliseltä pallolta”, Mizzi sanoi. Tiedämme kuitenkin, että todellisuudessa maapallo on kaikkea muuta kuin sileä, mutta sitä on katsottava tarkasti, jotta sen huomaa. Vasta kun ”zoomaa tarpeeksi kauas, huomaa, että siellä on vuoria ja kukkuloita”, hän sanoi. Samoin tutut esineet näyttävät sileiltä, kunnes niitä katsotaan läheltä.
Kun kahden esineen pinnat hankautuvat toisiaan vasten, niiden asperiteetit raapivat toisiaan ja luovat kitkaa. Tutkijat ovat jo pitkään tienneet, että kitkalla on merkitystä staattisessa sähkössä. (Itse asiassa staattisen sähkön tieteellinen termi, tribosähkö, jakaa juuren tribologian kanssa, joka on kitkan tutkimusta.)
Uudessa tutkimuksessa Mizzi ja hänen työtoverinsa osoittivat, miten kitkaa aiheuttavat asperiteetit aiheuttavat myös järkyttävän eron sähkövarauksessa.
Epätavallista staattisessa sähkössä on se, että sitä on helpointa tuottaa käyttämällä sähköä rajoittavia materiaaleja, joita kutsutaan eristeiksi; näitä ovat esimerkiksi kumi, villa ja hiukset. Virtavirrassa – sähkön jokapäiväisessä muodossa, joka antaa virtaa puhelimille, valoille ja lähes kaikelle muulle elektroniikalle – elektronit luovat virtoja virtaamalla atomien yli johtavissa materiaaleissa, kuten kuparilangassa. Eristimien atomit eivät kuitenkaan päästä elektroneja tulemaan ja menemään helposti, vaan ne ansaitsevat nimensä estämällä elektronien virtauksen.
Mizzi ja hänen kollegansa havaitsivat, että staattinen sähkö syntyy, kun eristeiden asperiteetit hankautuvat toisiaan vasten ja häiritsevät elektronipilviä. Koska elektronit eivät eristeissä pääse liikkumaan helposti, tuo hankautuminen voi taivuttaa elektronipilviä pois muodosta.
Näissä materiaaleissa atomien ympärillä oleva elektronipilvi on yleensä symmetrinen. Kun näitä pilviä katsoo, ”ei voi erottaa ylhäältä alas, vasemmalta oikealle”, Mizzi sanoi.
Mutta jos tuota elektronipilveä puristaa, se epämuodostuu ja muuttuu epäsymmetriseksi. Oikeissa olosuhteissa tämä uusi muoto voi jakaa jännitteen epätasaisesti koko materiaaliin, Mizzi selitti.
Mitä tekemistä tällä on villasukkien kanssa matolla? Kun kävelet tällaisilla jalkineilla, kehon painon ja askellusliikkeen yhdistelmä saa sukkien kuidut liukumaan maton kuituja vasten. Kun nämä kaksi materiaalia hankautuvat toisiaan vasten, toisen pinnan kuopat vetävät vastakkaisen pinnan kuoppia pitkin, jolloin ne taipuvat. Kun tämä taipuminen tapahtuu, asperiteetin muodostavien atomien elektronipilvet puristuvat epäsymmetriseen muotoon, mikä aiheuttaa hyvin, hyvin pienen jännite-eron.
Vaikka nämä jännitemuutokset ovat pieniä, ne summautuvat. Asperiteetteja on niin paljon, että elektronipilvien puristuminen aiheuttaa merkittävän staattisen sähkön kerääntymisen – niin voimakkaan, että sen voi tuntea, kun koskettaa ovenkahvaa tai kättelee jotakuta.
Tämä uusi ymmärrys staattisesta sähköstä voisi vaikuttaa tutkijoihin, jotka kehittävät kankaita, jotka tuottavat kitkan tuottamaa virtaa puettavien laitteiden lataamiseen, mikä voisi tehdä tuotteista tehokkaampia. Ja kun tiedetään paremmin, mitkä materiaalit eivät synnytä helposti staattista sähköä, insinöörit voivat pyrkiä luomaan turvallisempia tuotantoympäristöjä esimerkiksi poistamalla pölyhiukkaset, jotka voivat sytyttää tulipaloja hankautumalla toisiaan vasten.
”Kun sinulla on malli, voit alkaa tehdä ennusteita”, Mizzi sanoi.
- Voitko saada sähköiskun pissaamalla?
- Making Money Work: Using Coins to Generate Electricity
- Where Do Electrons Get Energy to Spin Around an Atom’s Nucleus?
Originally published on Live Science.
Tuoreimmat uutiset