Als je met wollen sokken over een tapijt loopt, is de kans groot dat de volgende deurknop die je aanraakt je verrast met een vonk. Statische elektriciteit is zo gewoon dat je vergeet hoe vreemd het is.
Maar wat gebeurt er eigenlijk als je die vonken tegenkomt?
De oude Griekse filosoof en wiskundige Thales van Miletus was de eerste die statische elektriciteit beschreef, in de zesde eeuw voor Christus, maar wetenschappers hebben decennialang geworsteld om die fundamentele vraag te beantwoorden. Onderzoekers die op nanoschaal werken, hebben echter net een enorme stap voorwaarts gezet in de zoektocht om te begrijpen waarom het tegen elkaar wrijven van twee oppervlakken tot een schok kan leiden.
Gerelateerd: Waarom geleiden sommige vruchten en groenten elektriciteit?
Hoe glad een oppervlak er ook uitziet, als je goed inzoomt, zie je hobbels en putjes. Wetenschappers noemen deze imperfecties “asperiteiten”. Elk oppervlak, van ballonnen tot vezels zoals wol of haar, is bedekt met microscopisch kleine asperiteiten. En deze kenmerken zijn verantwoordelijk voor het produceren van statische elektriciteit, zegt Christopher Mizzi, een promovendus in de materiaalkunde en engineering aan de Northwestern University in Evanston, Illinois.
In een studie die in september gepubliceerd werd in het tijdschrift Physical Review Letters, vergeleken Mizzi en zijn mede-auteurs de onzichtbare imperfecties op alledaagse voorwerpen met het oppervlak van de aarde. Als je van veraf naar de aarde kijkt, ziet de planeet er “heel glad uit, als een perfecte bol,” zei Mizzi. We weten echter dat de aarde in werkelijkheid verre van glad is, maar je moet er goed naar kijken om dat te zien. Pas als je ver genoeg inzoomt, zie je dat er bergen en heuvels zijn,” zei hij. Ook bekende voorwerpen zien er glad uit totdat ze van dichtbij bekeken worden.
Wanneer de oppervlakken van twee voorwerpen tegen elkaar wrijven, schuren hun asperiteiten tegen elkaar en ontstaat er wrijving. Wetenschappers weten al heel lang dat wrijving een rol speelt bij statische elektriciteit. (De wetenschappelijke term voor statische elektriciteit, tribo-elektriciteit, heeft een gemeenschappelijke stam met tribologie, de studie van wrijving.)
In de nieuwe studie toonden Mizzi en zijn co-auteurs aan hoe de asperiteiten die wrijving veroorzaken ook een schokkend verschil in elektrische lading veroorzaken.
Het ongewone aan statische elektriciteit is dat het het gemakkelijkst te produceren is met behulp van elektriciteitsbeperkende materialen die bekend staan als isolatoren; deze omvatten rubber, wol en haar. Bij huidige elektriciteit – de alledaagse vorm van elektriciteit die telefoons, lampen en bijna alle andere elektronica van stroom voorziet – creëren elektronen stromen door over atomen te stromen in geleidende materialen, zoals koperdraad. Maar de atomen van isolatoren laten de elektronen niet gemakkelijk komen en gaan; ze verdienen hun naam door de elektronenstroom te remmen.
Mizzi en zijn collega’s ontdekten dat statische elektriciteit ontstaat wanneer de asperiteiten in isolatoren tegen elkaar wrijven en de elektronenwolken verstoren. Omdat de elektronen in isolatoren zich niet gemakkelijk kunnen verplaatsen, kan dat wrijven de elektronenwolken uit hun vorm buigen.
In die materialen is de elektronenwolk rond atomen meestal symmetrisch. Wanneer je naar deze wolken kijkt, kun je “niet zien wat boven van beneden is, of links van rechts,” zei Mizzi.
Maar als je in die elektronenwolk knijpt, vervormt hij en wordt hij asymmetrisch. Onder de juiste omstandigheden kan die nieuwe vorm spanning ongelijk verdelen over het materiaal, legde Mizzi uit.
Wat heeft dit te maken met wollen sokken op tapijt? Als je met dergelijk schoeisel loopt, zorgt de combinatie van je lichaamsgewicht en je pasbewegingen ervoor dat de vezels in je sokken tegen de vezels in het tapijt schuiven. Wanneer de twee materialen op deze manier tegen elkaar wrijven, slepen de oneffenheden aan het ene oppervlak langs de asperiteiten op het andere oppervlak, waardoor ze verbuigen. Wanneer dit buigen gebeurt, worden de elektronenwolken in de atomen waaruit de asperiteiten bestaan, in asymmetrische vormen geperst, waardoor een zeer, zeer klein verschil in spanning ontstaat.
Hoewel klein, tellen deze veranderingen in spanning op. Asperiteiten zijn zo talrijk dat het samenpersen van elektronenwolken een aanzienlijke opbouw van statische elektriciteit veroorzaakt – zo sterk dat je het kunt voelen als je een deurknop aanraakt of iemand de hand schudt.
Dit pas ontdekte begrip van statische elektriciteit kan van invloed zijn op wetenschappers die stoffen ontwikkelen die door wrijving gegenereerde stroom produceren voor het opladen van draagbare apparaten, waardoor producten efficiënter zouden kunnen worden. En met een beter begrip van welke materialen niet gemakkelijk statische elektriciteit opwekken, kunnen ingenieurs werken aan het creëren van veiligere productieomgevingen, bijvoorbeeld door het elimineren van stofdeeltjes die brand kunnen veroorzaken door tegen elkaar aan te wrijven.
“Als je een model hebt, kun je voorspellingen gaan doen,” zei Mizzi.
- Kan je geëlektrocuteerd worden door te plassen?
- Geld laten werken: Munten gebruiken om elektriciteit op te wekken
- Waar halen elektronen de energie vandaan om rond de kern van een atoom te draaien?
Oorspronkelijk gepubliceerd op Live Science.
Recent nieuws