Ha gyapjúzokniban sétálsz a szőnyegen, nagy az esélye, hogy a következő kilincs, amit megérintesz, szikrával lep meg. A statikus elektromosság annyira gyakori, hogy könnyen elfelejtjük, mennyire furcsa.
De mi történik valójában, amikor a szikrákkal találkozol?
Az ókori görög filozófus és matematikus, Thalész Milétoszi Thalész írta le először a statikus elektromosságot az i. e. hatodik században, de a tudósok évtizedek óta küzdenek az alapvető kérdés megválaszolásával. A nanoszinten dolgozó kutatók azonban most hatalmas lépést tettek előre annak megértésében, hogy két felület egymáshoz dörzsölése miért vezethet áramütéshez.
Kapcsolódnak:
Nem számít, hogy milyen sima egy felület, ha elég közelről közelítjük meg, észrevehetjük a dudorokat és a gödröcskéket. A tudósok ezeket a tökéletlenségeket “aszperitásoknak” nevezik. Minden felületet, a léggömböktől az olyan szálakig, mint a gyapjú vagy a haj, mikroszkopikus aszperitások borítanak. És ezek a jellemzők felelősek a statikus elektromosság előállításáért, mondta Christopher Mizzi, az Illinois állambeli Evanstonban található Northwestern Egyetem anyagtudomány és mérnöki tudományok doktorjelöltje.
A Physical Review Letters című folyóiratban szeptemberben megjelent tanulmányban Mizzi és szerzőtársai a hétköznapi tárgyak láthatatlan tökéletlenségeit a Föld felszínéhez hasonlították. Ha messziről nézzük a Földet, a bolygó “nagyon simának tűnik, mint egy tökéletes gömb” – mondta Mizzi. Tudjuk azonban, hogy a valóságban a Föld messze nem sima, de közelről kell megnézni, hogy ezt észrevegyük. Csak akkor vesszük észre, hogy vannak hegyek és dombok, amikor “elég nagyra közelítünk” – mondta. Hasonlóképpen, az ismerős tárgyak is simának tűnnek, amíg közelről nem nézzük őket.
Amikor két tárgy felülete egymáshoz dörzsölődik, a súrlódások súrlódást okoznak. A tudósok már régóta tudják, hogy a súrlódás szerepet játszik a statikus elektromosságban. (Valójában a statikus elektromosság tudományos kifejezése, a triboelektromosság, közös gyökerű a tribológiával, amely a súrlódás tanulmányozását jelenti.)
Az új tanulmányban Mizzi és szerzőtársai kimutatták, hogy a súrlódást okozó aszperitások az elektromos töltés megdöbbentő különbségét is okozzák.
A statikus elektromossággal kapcsolatban szokatlan, hogy a legkönnyebben az elektromosságot gátló, úgynevezett szigetelő anyagokkal lehet előállítani; ezek közé tartozik a gumi, a gyapjú és a haj. Az áramerősségben – az elektromosság mindennapi formája, amely a telefonokat, lámpákat és szinte minden más elektronikai eszközt működtet – az elektronok áramot hoznak létre azáltal, hogy a vezető anyagokban, például a rézhuzalban lévő atomokon keresztül áramlanak. A szigetelők atomjai azonban nem engedik az elektronokat könnyen jönni és menni; nevüket azzal érdemlik ki, hogy gátolják az elektronok áramlását.
Mizzi és kollégái felfedezték, hogy a statikus elektromosság akkor keletkezik, amikor a szigetelőkben lévő aszperitások egymáshoz dörzsölődnek és zavarják az elektronfelhőket. Mivel a szigetelőkben az elektronok nem tudnak könnyen mozogni, ez a dörzsölődés ki tudja hajlítani az elektronfelhőket.
Ezekben az anyagokban az atomok körüli elektronfelhő általában szimmetrikus. Ha megnézzük ezeket a felhőket, “nem tudjuk megkülönböztetni a fentet a lentitől, a balt a jobbtól”, mondta Mizzi.
De ha összenyomjuk ezt az elektronfelhőt, akkor deformálódik, aszimmetrikussá válik. Megfelelő körülmények között ez az új forma egyenetlenül oszthatja el a feszültséget az anyagban, magyarázta Mizzi.
Mi köze van ennek a gyapjúzoknikhoz a szőnyegen? Ahogy ilyen lábbeliben járunk, a testsúlyunk és a lépésmozgásunk kombinációja azt okozza, hogy a zokni szálai a szőnyeg szálaihoz csúsznak. Amikor a két anyag így dörzsölődik egymáshoz, az egyik felület dudorai végighúzódnak a szemközti felület egyenetlenségein, így azok meghajlanak. Amikor ez a hajlítás megtörténik, az aszperitásokat alkotó atomok elektronfelhői aszimmetrikus alakzatba préselődnek, ami nagyon-nagyon kis feszültségkülönbséget okoz.
Az ilyen feszültségváltozások, bár kicsik, mégis összeadódnak. Az aszperitások olyan sokan vannak, hogy az elektronfelhők összenyomódása jelentős statikus elektromosság felhalmozódását okozza – elég erős ahhoz, hogy érezzük, amikor megérintünk egy kilincset vagy kezet fogunk valakivel.
A statikus elektromosság ezen újonnan felfedezett megértése befolyásolhatja a tudósokat, akik olyan szöveteket fejlesztenek, amelyek a súrlódás által generált energiát termelnek a viselhető eszközök töltéséhez, ami hatékonyabbá teheti a termékeket. És annak jobb megértésével, hogy mely anyagok nem képesek könnyen statikus elektromosságot létrehozni, a mérnökök dolgozhatnak a biztonságosabb gyártási környezet kialakításán, például a porszemcsék kiküszöbölésével, amelyek egymáshoz dörzsölődve tüzet okozhatnak.
“Ha van egy modell, akkor elkezdhetünk előrejelzéseket készíteni” – mondta Mizzi.
- Hozhat-e áramütést a pisilés?
- Making Money Work: Using Coins to Generating Electricity
- Where Do Electrons Get Energy to Spin Around an Atom’s Nucleus?
Originally published on Live Science.
Recent news