Jeśli chodzisz po dywanie w wełnianych skarpetach, jest całkiem spora szansa, że następna klamka, której dotkniesz, zaskoczy cię iskrą. Elektryczność statyczna jest tak powszechna, że łatwo zapomnieć, jak bardzo jest dziwna.
Ale co się właściwie dzieje, gdy napotykasz te iskry?
Starożytny grecki filozof i matematyk Thales z Miletu jako pierwszy opisał elektryczność statyczną w VI wieku p.n.e., ale naukowcy przez dziesięciolecia zmagali się z odpowiedzią na to podstawowe pytanie. Jednak naukowcy pracujący w nanoskali właśnie zrobili ogromny krok naprzód w dążeniu do zrozumienia, dlaczego pocieranie dwóch powierzchni razem może prowadzić do wstrząsu.
Related: Why Do Some Fruits and Vegetables Conduct Electricity?
Niezależnie od tego, jak gładka powierzchnia może wyglądać, kiedy powiększysz ją wystarczająco blisko, zauważysz nierówności i wżery. Naukowcy nazywają te niedoskonałości „asperity”. Każda powierzchnia, od balonów po włókna takie jak wełna czy włosy, pokryta jest mikroskopijnymi wypustkami. Te cechy są odpowiedzialne za wytwarzanie elektryczności statycznej, powiedział Christopher Mizzi, doktorant w dziedzinie nauki i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Northwestern w Evanston, Illinois.
W badaniu opublikowanym we wrześniu w czasopiśmie Physical Review Letters, Mizzi i jego współautorzy porównali niewidoczne niedoskonałości na przedmiotach codziennego użytku do powierzchni Ziemi. Jeśli spojrzeć na Ziemię z daleka, planeta „wygląda bardzo gładko, jak idealna kula” – powiedział Mizzi. Wiemy jednak, że w rzeczywistości Ziemia jest daleka od gładkości, ale trzeba się jej przyjrzeć z bliska, by to dostrzec. Dopiero gdy „powiększysz obraz wystarczająco daleko, zauważysz, że są tam góry i wzgórza” – powiedział. Podobnie znajome obiekty wyglądają na gładkie, dopóki nie przyjrzymy się im z bliska.
Gdy powierzchnie dwóch obiektów ocierają się o siebie, ich nierówności zgarniają się, tworząc tarcie. Naukowcy od dawna wiedzą, że tarcie odgrywa rolę w elektryczności statycznej. (W rzeczywistości termin naukowy określający elektryczność statyczną, triboelektryczność, ma wspólne korzenie z trybologią, która zajmuje się badaniem tarcia.)
W nowym badaniu Mizzi i jego współautorzy pokazali, że nierówności powodujące tarcie powodują również szokującą różnicę w ładunku elektrycznym.
Coś niezwykłego w elektryczności statycznej polega na tym, że najłatwiej jest ją wytworzyć przy użyciu materiałów ograniczających elektryczność, znanych jako izolatory; należą do nich guma, wełna i włosy. W prądzie elektrycznym – codziennej formie elektryczności, która zasila telefony, światła i prawie wszystkie inne urządzenia elektroniczne – elektrony tworzą prądy przepływając przez atomy w materiałach przewodzących, takich jak drut miedziany. Ale atomy izolatorów nie pozwalają elektronom łatwo przychodzić i odchodzić; ich nazwa pochodzi od hamowania przepływu elektronów.
Mizzi i jego koledzy odkryli, że elektryczność statyczna jest wytwarzana, gdy nierówności w izolatorach ocierają się o siebie i zakłócają chmury elektronów. Ponieważ elektrony w izolatorach nie mogą się łatwo poruszać, to pocieranie może wygiąć chmury elektronowe z kształtu.
W tych materiałach, chmura elektronów wokół atomów jest zazwyczaj symetryczna. Kiedy patrzysz na te chmury, „nie możesz odróżnić góry od dołu, lewej od prawej”, powiedział Mizzi.
Ale jeśli ściśniesz tę chmurę elektronów, deformuje się ona, stając się niesymetryczna. W odpowiednich okolicznościach, ten nowy kształt może rozprowadzać napięcie nierównomiernie w całym materiale, wyjaśnił Mizzi.
Co to ma wspólnego z wełnianymi skarpetami na dywanie? Kiedy chodzisz w takim obuwiu, połączenie ciężaru twojego ciała i twojego ruchu powoduje, że włókna w skarpetach ślizgają się po włóknach dywanu. Kiedy te dwa materiały ocierają się o siebie w ten sposób, wypustki na jednej powierzchni ciągną się za wypustkami na przeciwległej powierzchni, powodując ich zginanie. Kiedy to zginanie ma miejsce, chmury elektronów w atomach, które tworzą asperity zostają zgniecione w asymetryczne kształty, powodując bardzo, bardzo małą różnicę w napięciu.
Chociaż małe, te zmiany w napięciu sumują się. Asperity są tak liczne, że zgniatanie chmur elektronów powoduje znaczne nagromadzenie elektryczności statycznej – na tyle silne, że można je poczuć, gdy dotkniemy klamki lub podamy komuś rękę.
To nowo odkryte zrozumienie elektryczności statycznej może wpłynąć na naukowców rozwijających tkaniny, które wytwarzają energię generowaną przez tarcie do ładowania urządzeń noszonych, co może sprawić, że produkty będą bardziej wydajne. A dzięki lepszemu zrozumieniu, które materiały nie są w stanie łatwo wytworzyć elektryczności statycznej, inżynierowie mogą pracować nad stworzeniem bezpieczniejszych środowisk produkcyjnych, na przykład poprzez wyeliminowanie cząsteczek kurzu, które mogą wywoływać pożary, ocierając się o siebie.
„Kiedy masz model, możesz zacząć tworzyć prognozy,” powiedział Mizzi.
- Czy można zostać porażonym prądem przez sikanie?
- Making Money Work: Using Coins to Generate Electricity
- What Do Electrons Get Energy to Spin Around an Atom’s Nucleus?
Originally published on Live Science.
Recent news