Ако минавате през килим във вълнени чорапи, има доста добър шанс следващата докосната ключалка да ви изненада с искра. Статичното електричество е толкова често срещано, че е лесно да се забрави колко е странно.
Но какво всъщност се случва, когато срещнете тези искри?
Древногръцкият философ и математик Талес от Милет е първият, който описва статичното електричество, през шести век пр.н.е., но учените се борят десетилетия да отговорят на този основен въпрос. Въпреки това, изследователите, работещи в наноразмер, просто направиха огромна крачка напред в стремежа да разберат защо триенето на две повърхности заедно може да доведе до шок.
Колкото и гладка да изглежда повърхността, когато увеличите достатъчно близо, ще забележите неравности и ями. Учените наричат тези несъвършенства "асистенции". Всяка повърхност, от балони до влакна като вълна или коса, е покрита с микроскопични различия. И тези характеристики са отговорни за производството на статично електричество, заяви Кристофър Мици, доктор по специалност „Математика и инженерство“ в Северозападния университет в Еванстън, Илинойс.
В проучване, публикувано през септември в списанието Physical Review Letters, Mizzi и неговите съавтори сравняват невидимите несъвършенства на всекидневните предмети с повърхността на Земята. Ако погледнете Земята отдалеч, планетата "изглежда много гладка, като перфектна сфера", каза Мици. Знаем обаче, че в действителност Земята далеч не е гладка, но трябва да я разгледате отблизо, за да видите това. Едва когато "увеличите достатъчно далеч, забележите, че има планини и хълмове", каза той. По същия начин, познатите предмети изглеждат гладки, докато не се гледат отблизо.
Когато повърхностите на два предмета се търкат един върху друг, техните асиметрии се изстъргват заедно, създавайки триене. Учените отдавна знаят, че триенето играе роля в статичното електричество. (Всъщност научният термин за статично електричество, трибоелектричност, споделя корен с трибологията, което е изследването на триенето.)
В новото проучване Мици и неговите съавтори показаха как асиметриите, които предизвикват триене, също предизвикват шокираща разлика в електрическия заряд.
Нещо необичайно в статичното електричество е, че е най-лесно да се произвежда, използвайки материали, ограничаващи електричеството, известни като изолатори; те включват гума, вълна и коса. В настоящото електричество - ежедневната форма на електричество, която захранва телефони, светлини и почти цялата друга електроника - електроните създават токове, преминавайки през атоми в проводими материали, като медна жица. Но атомите на изолаторите не позволяват електроните да идват и да отиват лесно; те печелят името си, като инхибират потока на електроните.
Мици и неговите колеги откриха, че статичното електричество се произвежда, когато асистенциите в изолаторите се трият един върху друг и пречат на електронните облаци. Тъй като електроните в изолаторите не могат да се движат лесно, това триене може да извие електронните облаци извън формата.
В тези материали облакът от електрони около атомите обикновено е симетричен. Когато гледате тези облаци, вие „не можете да разберете отдолу, отляво отдясно“, каза Мици.
Но ако стиснете този облак от електрон, той се деформира, ставайки асиметричен. При правилните обстоятелства тази нова форма може да разпределя напрежението неравномерно в материала, обясни Мизи.
Какво общо има това с вълнени чорапи на килим? Докато ходите в такива обувки, комбинацията от теглото на вашето тяло и вашето усилено движение кара влакната в чорапите ви да се плъзгат към влакната в килима. Когато двата материала се търкат един върху друг по този начин, неравностите по една повърхност се влачат по аспертите на противоположната повърхност, което ги кара да се огъват. Когато това огъване се случи, електронните облаци в атомите, които съставляват несъответствията, се преплитат в асиметрични форми, причинявайки много, много малка разлика в напрежението.
Макар и малки, тези промени в напрежението се сумират. Асперитетите са толкова много, че свиването на електронни облаци причинява значително натрупване на статично електричество - достатъчно мощно, за да го почувствате, когато докоснете копче или натиснете нечия ръка.
Това новооткрито разбиране за статичното електричество може да повлияе на учените, разработващи тъкани, които произвеждат генерирана от триене енергия за зареждане на носими устройства, което би могло да направи продуктите по-ефективни. И с по-добро разбиране кои материали не успяват да създадат статично електричество лесно, инженерите могат да работят за създаване на по-безопасни производствени среди, например чрез елиминиране на прахови частици, които могат да разпалят пожари, като се търкат един върху друг.
"Когато имате модел, можете да започнете да правите прогнози", каза Мици.
