Se cammini su un tappeto con i calzini di lana, c’è una buona probabilità che la maniglia della porta successiva che tocchi ti sorprenda con una scintilla. L’elettricità statica è così comune che è facile dimenticare quanto sia strana.
Ma cosa succede realmente quando si incontrano queste scintille?
L’antico filosofo e matematico greco Talete di Mileto fu il primo a descrivere l’elettricità statica, nel sesto secolo a.C., ma gli scienziati hanno lottato per decenni per rispondere a questa domanda fondamentale. Tuttavia, i ricercatori che lavorano su scala nanometrica hanno appena fatto un enorme passo avanti nella ricerca per capire perché lo sfregamento di due superfici può portare a una scossa.
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Non importa quanto una superficie possa sembrare liscia, quando si ingrandisce abbastanza, si notano dossi e buchi. Gli scienziati chiamano queste imperfezioni “asperità”. Ogni superficie, dai palloni alle fibre come la lana o i capelli, è coperta da microscopiche asperità. E queste caratteristiche sono responsabili della produzione di elettricità statica, ha detto Christopher Mizzi, un dottorando in scienza dei materiali e ingegneria alla Northwestern University di Evanston, Illinois.
In uno studio pubblicato a settembre sulla rivista Physical Review Letters, Mizzi e i suoi coautori hanno paragonato le imperfezioni invisibili sugli oggetti quotidiani alla superficie della Terra. Se si guarda la Terra da lontano, il pianeta “sembra molto liscio, come una sfera perfetta”, ha detto Mizzi. Sappiamo, però, che in realtà la Terra è tutt’altro che liscia, ma bisogna guardarla da vicino per capirlo. È solo quando “si ingrandisce abbastanza da notare che ci sono montagne e colline”, ha detto. Allo stesso modo, gli oggetti familiari sembrano lisci fino a quando non vengono visti da vicino.
Quando le superfici di due oggetti sfregano l’una contro l’altra, le loro asperità si raschiano, creando attrito. Gli scienziati sanno da molto tempo che l’attrito gioca un ruolo nell’elettricità statica. (Infatti, il termine scientifico per l’elettricità statica, triboelettricità, condivide una radice con la tribologia, che è lo studio dell’attrito.)
Nel nuovo studio, Mizzi e i suoi coautori hanno mostrato come le asperità che causano l’attrito causano anche una scioccante differenza di carica elettrica.
Un aspetto insolito dell’elettricità statica è che è più facile da produrre usando materiali che limitano l’elettricità, noti come isolanti; questi includono gomma, lana e capelli. Nell’elettricità corrente – la forma quotidiana di elettricità che alimenta i telefoni, le luci e quasi tutti gli altri dispositivi elettronici – gli elettroni creano correnti scorrendo attraverso gli atomi nei materiali conduttori, come il filo di rame. Ma gli atomi degli isolanti non lasciano che gli elettroni vadano e vengano facilmente; si guadagnano il loro nome inibendo il flusso di elettroni.
Mizzi e i suoi colleghi hanno scoperto che l’elettricità statica viene prodotta quando le asperità degli isolanti si sfregano tra loro e interferiscono con le nuvole di elettroni. Poiché gli elettroni negli isolanti non possono muoversi facilmente, questo sfregamento può piegare le nuvole di elettroni fuori forma.
In questi materiali, la nuvola di elettroni intorno agli atomi è solitamente simmetrica. Quando si guardano queste nuvole, “non si può distinguere l’alto dal basso, la sinistra dalla destra”, ha detto Mizzi.
Ma se si schiaccia quella nuvola di elettroni, si deforma, diventando asimmetrica. Nelle giuste circostanze, quella nuova forma può distribuire la tensione in modo non uniforme nel materiale, ha spiegato Mizzi.
Che cosa ha a che fare questo con i calzini di lana sul tappeto? Quando si cammina con queste calzature, la combinazione del peso del corpo e del movimento del passo fa sì che le fibre delle calze scivolino contro le fibre del tappeto. Quando i due materiali sfregano l’uno contro l’altro in questo modo, le protuberanze su una superficie trascinano le asperità sulla superficie opposta, facendole piegare. Quando questo piegamento avviene, le nuvole di elettroni negli atomi che compongono le asperità vengono schiacciate in forme asimmetriche, causando una differenza di tensione molto, molto piccola.
Anche se piccole, queste variazioni di tensione si sommano. Le asperità sono così numerose che lo schiacciamento delle nuvole di elettroni provoca un accumulo significativo di elettricità statica – abbastanza potente da poterlo sentire quando si tocca una maniglia o si stringe la mano di qualcuno.
Questa nuova comprensione dell’elettricità statica potrebbe influenzare gli scienziati che sviluppano tessuti che producono energia generata dall’attrito per caricare i dispositivi indossabili, il che potrebbe rendere i prodotti più efficienti. E con una migliore comprensione di quali materiali non riescono a creare facilmente elettricità statica, gli ingegneri possono lavorare per creare ambienti di produzione più sicuri, per esempio eliminando le particelle di polvere che possono innescare incendi sfregando l’una contro l’altra.
“Quando si ha un modello, si può iniziare a fare previsioni”, ha detto Mizzi.
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Originariamente pubblicato su Live Science.
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