Om du går över en matta i ullstrumpor finns det en ganska stor chans att nästa dörrhandtag du rör vid kommer att överraska dig med en gnista. Statisk elektricitet är så vanligt förekommande att det är lätt att glömma hur konstigt det är.
Men vad händer egentligen när du möter dessa gnistor?
Den gamle grekiske filosofen och matematikern Thales av Miletus var den förste som beskrev statisk elektricitet, på 600-talet f.Kr., men vetenskapsmännen har i årtionden kämpat för att besvara den grundläggande frågan. Forskare som arbetar på nanoskala har dock just tagit ett stort steg framåt i strävan efter att förstå varför gnidning av två ytor mot varandra kan leda till en chock.
Relaterat: Varför leder vissa frukter och grönsaker elektricitet?
Oavsett hur slät en yta än ser ut, kommer du att upptäcka ojämnheter och gropar när du zoomar in tillräckligt nära. Forskare kallar dessa ojämnheter för ”asperiteter”. Varje yta, från ballonger till fibrer som ull eller hår, är täckt av mikroskopiska asperiteter. Och det är dessa egenskaper som producerar statisk elektricitet, säger Christopher Mizzi, doktorand i materialvetenskap och materialteknik vid Northwestern University i Evanston, Illinois.
I en studie som publicerades i september i tidskriften Physical Review Letters jämförde Mizzi och hans medförfattare de osynliga bristerna på vardagliga föremål med jordens yta. Om man tittar på jorden på långt håll ser planeten ”mycket slät ut, som en perfekt sfär”, säger Mizzi. Vi vet dock att jorden i verkligheten är långt ifrån slät, men man måste titta noga på den för att se det. Det är först när man zoomar in tillräckligt långt som man märker att det finns berg och kullar”, sade han. På samma sätt ser välkända föremål släta ut tills de betraktas på nära håll.
När ytorna på två föremål gnider mot varandra skrapar deras eggar mot varandra, vilket skapar friktion. Forskare har länge vetat att friktion spelar en roll för statisk elektricitet. (Faktum är att den vetenskapliga termen för statisk elektricitet, triboelektricitet, delar en rot med tribologi, som är studiet av friktion.)
I den nya studien visade Mizzi och hans medförfattare hur de asperger som orsakar friktion också orsakar en chockerande skillnad i elektrisk laddning.
Något ovanligt med statisk elektricitet är att den är lättast att framkalla med hjälp av material som hindrar elektricitet, så kallade isolatorer; dessa inkluderar gummi, ull och hår. Vid strömningselektricitet – den vardagliga formen av elektricitet som driver telefoner, lampor och nästan all annan elektronik – skapar elektroner strömmar genom att flöda över atomer i ledande material, t.ex. koppartråd. Men atomer i isolatorer låter inte elektroner komma och gå lätt; de förtjänar sitt namn genom att hämma elektronflödet.
Mizzi och hans kollegor upptäckte att statisk elektricitet produceras när asperiterna i isolatorer gnider mot varandra och stör elektronmolnen. Eftersom elektronerna i isolatorer inte kan röra sig lätt kan denna gnidning böja elektronmolnen ur form.
I dessa material är elektronmolnet runt atomerna vanligtvis symmetriskt. När man tittar på dessa moln kan man ”inte skilja upp från ner, vänster från höger”, säger Mizzi.
Men om man klämmer på elektronmolnet deformeras det och blir asymmetriskt. Under rätt omständigheter kan den nya formen fördela spänningen ojämnt över materialet, förklarade Mizzi.
Vad har detta att göra med ullstrumpor på mattan? När du går i sådana skor får kombinationen av din kroppsvikt och din skrittrörelse fibrerna i strumporna att glida mot fibrerna i mattan. När de två materialen gnider mot varandra på detta sätt drar stötarna på den ena ytan längs asperiterna på den motsatta ytan, vilket gör att de böjs. När denna böjning sker, blir elektronmolnen i atomerna som utgör asperiterna komprimerade till asymmetriska former, vilket orsakar en mycket, mycket liten skillnad i spänning.
Och även om de är små, summerar dessa förändringar i spänning. Asperiterna är så många att elektronmolnens sammanpressning orsakar en betydande uppbyggnad av statisk elektricitet – tillräckligt kraftfull för att du ska kunna känna den när du rör vid ett dörrhandtag eller skakar någons hand.
Denna nyvunna förståelse av statisk elektricitet skulle kunna påverka forskare som utvecklar tyger som producerar friktionsgenererad ström för att ladda bärbara enheter, vilket skulle kunna göra produkterna mer effektiva. Och med en bättre förståelse för vilka material som misslyckas med att lätt skapa statisk elektricitet kan ingenjörer arbeta för att skapa säkrare tillverkningsmiljöer, till exempel genom att eliminera dammpartiklar som kan utlösa bränder genom att gnugga mot varandra.
”När man har en modell kan man börja göra förutsägelser”, säger Mizzi.
- Kan man bli elektrifierad av att kissa?
- Making Money Work:
- Where Do Electrons Get Energy to Spin Around an Atom’s Nucleus?
Originally published on Live Science.
Recent news