Ja staigājat pa paklāju vilnas zeķēs, pastāv diezgan liela iespēja, ka nākamā durvju rokturis, kuru pieskaraties, pārsteigs ar dzirksteli. Statiskā elektrība ir tik izplatīta, ka ir viegli aizmirst, cik tas ir dīvaini.
Bet kas patiesībā notiek, sastopoties ar šīm dzirkstelēm?
Senajā grieķu filozofs un matemātiķis Thales of Miletus bija pirmais, kurš aprakstīja statisko elektrību, sestajā gadsimtā B.C., bet zinātnieki gadu desmitiem ilgi cīnījās, lai atbildētu uz šo pamatjautājumu. Tomēr pētnieki, kas strādā nanomēroga skalā, ir tikko spēruši milzīgu soli uz priekšu, lai saprastu, kāpēc divu virsmu berzēšana kopā var izraisīt šoku.
Neatkarīgi no tā, cik gluda var izskatīties virsma, pietuvinot pietiekami tuvu, jūs pamanīsit izciļņus un bedres. Zinātnieki šīs nepilnības sauc par "asperities". Katra virsma, sākot no baloniem un beidzot ar šķiedrām, piemēram, vilnu vai matiem, ir pārklāta ar mikroskopiskiem pamatiem. Šīs īpašības ir atbildīgas par statiskās elektrības ražošanu, sacīja Kristofers Mizzi, doktora kandidāts materiālu zinātnē un inženierzinātnēs Ziemeļrietumu universitātē Evanstonā, Ilinoisā.
Pētījumā, kas septembrī publicēts žurnālā Physical Review Letters, Mizzi un viņa līdzautori salīdzināja ikdienas priekšmetu neredzamās nepilnības Zemes virsmā. Ja paskatās uz Zemi no tālienes, planēta "izskatās ļoti gluda, piemēram, perfekta sfēra", sacīja Mizzi. Tomēr mēs zinām, ka patiesībā Zeme nav tālu no gludas, taču, lai to redzētu, jums tas ir rūpīgi jāskatās. Tikai tad, kad "tuvinaties pietiekami tālu, pamanāt, ka ir kalni un kalni", viņš teica. Līdzīgi pazīstami objekti izskatās gludi, līdz tiek tuvāk apskatīti.
Kad divu priekšmetu virsmas beržas viena pret otru, to asperitātes nokasās kopā, radot berzi. Zinātnieki jau sen ir zinājuši, ka berzei ir nozīme statiskā elektrībā. (Faktiski zinātniskais statiskās elektrības termins, triboelektrība, ir sakne ar triboloģiju, kas ir berzes izpēte.)
Jaunajā pētījumā Mizzi un viņa līdzautori parādīja, kā asperitātes, kas izraisa berzi, rada arī šokējošas atšķirības elektriskajā lādiņā.
Kaut kas neparasts statiskās elektrības ziņā ir tas, ka to ir visvieglāk ražot, izmantojot elektrību ierobežojošus materiālus, kas pazīstami kā izolatori; to skaitā ir gumija, vilna un mati. Pašreizējā elektrībā - ikdienas elektrības formā, kas darbina tālruņus, apgaismojumu un gandrīz visu citu elektroniku - elektroni rada strāvas, plūstot pāri atomiem vadošos materiālos, piemēram, vara stieplē. Bet izolatora atomi neļauj elektroniem viegli nākt un iet; viņi nopelna savu vārdu, kavējot elektronu plūsmu.
Mizzi un viņa kolēģi atklāja, ka statiskā elektrība tiek ražota, kad izolatoru asperitātes berzējas viena pret otru un traucē elektronu mākoņus. Tā kā elektroni izolatoros nevar viegli pārvietoties, ka berzēšana var saliekt elektronu mākoņus ārpus formas.
Šajos materiālos elektronu mākonis ap atomiem parasti ir simetrisks. Skatoties uz šiem mākoņiem, jūs "nevarat pateikt augšā no apakšas, pa kreisi no labās puses", sacīja Mizzi.
Bet, ja jūs izspiežat šo elektronu mākoni, tas deformējas, kļūstot asimetriskam. Pareizos apstākļos šī jaunā forma var vienmērīgi sadalīt spriegumu visā materiālā, skaidroja Mizzi.
Kāds tam sakars ar vilnas zeķēm uz paklāja? Ejot šādos apavos, ķermeņa svara un kustīgās kustības apvienojumā jūsu zeķēs esošās šķiedras slīd pret paklāja šķiedrām. Kad abi materiāli šādā veidā berzē viens pret otru, izciļņi uz vienas virsmas velk gar pretējās virsmas asperācijām, liekot tiem saliekties. Kad notiek šī saliekšana, elektronu mākoņi atomos, kas veido asperitīvus, tiek sadalīti asimetriskās formās, izraisot ļoti, ļoti mazas sprieguma atšķirības.
Kaut arī šīs sprieguma izmaiņas ir nelielas, tās palielinās. Asperities ir tik daudz, ka elektronu mākoņu saraušanās izraisa ievērojamu statiskās elektrības uzkrāšanos - pietiekami spēcīgu, lai jūs varētu just to, pieskaroties durvju rokturim vai pakratot kādam roku.
Šī jaunradītā statiskās elektrības izpratne varētu ietekmēt zinātniekus, kuri izstrādā audumus, kas ražo berzes radītu enerģiju valkājamo ierīču uzlādēšanai, kas varētu padarīt produktus efektīvākus. Labāk izprotot, kuri materiāli nespēj viegli radīt statisko elektrību, inženieri var strādāt, lai radītu drošāku ražošanas vidi, piemēram, novēršot putekļu daļiņas, kas var izraisīt ugunsgrēku, berzējot viena pret otru.
"Kad jums ir modelis, jūs varat sākt izteikt prognozes," sacīja Mizzi.
