Αν περπατήσετε σε ένα χαλί σε κάλτσες μαλλί, υπάρχει μια αρκετά καλή πιθανότητα ότι το επόμενο πόμολο που αγγίζετε θα σας εκπλήξει με μια σπίθα. Ο στατικός ηλεκτρισμός είναι τόσο κοινός που είναι εύκολο να ξεχνάμε πόσο περίεργο είναι.
Αλλά τι πραγματικά συμβαίνει όταν συναντάς αυτές τις σπίθες;
Ο αρχαίος Έλληνας φιλόσοφος και μαθηματικός Thales of Miletus ήταν ο πρώτος που περιγράφει τον στατικό ηλεκτρισμό, τον 6ο αι. Π.Χ., αλλά οι επιστήμονες αγωνίστηκαν εδώ και δεκαετίες να απαντήσουν σε αυτό το βασικό ερώτημα. Ωστόσο, οι ερευνητές που εργάζονται σε νανοκλίμακα έχουν κάνει ένα τεράστιο βήμα προς τα εμπρός στην προσπάθεια να καταλάβουν γιατί το τρίψιμο δύο επιφανειών μαζί μπορεί να οδηγήσει σε σοκ.
Ανεξάρτητα από το πόσο ομαλή μπορεί να έχει μια επιφάνεια, όταν ζουμάρετε αρκετά κοντά, θα παρατηρήσετε εξογκώματα και λάκκους. Οι επιστήμονες αποκαλούν αυτές τις ατέλειες "αστραπές". Κάθε επιφάνεια, από μπαλόνια μέχρι ίνες όπως μαλλί ή τρίχες, καλύπτεται με μικροσκοπικές ασκήσεις. Και αυτά τα χαρακτηριστικά είναι υπεύθυνα για την παραγωγή στατικού ηλεκτρισμού, δήλωσε ο Christopher Mizzi, υποψήφιος διδακτορικός για την επιστήμη και τη μηχανική των υλικών στο Northwestern University στο Evanston, Illinois.
Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε το Σεπτέμβριο στο περιοδικό Physical Review Letters, ο Mizzi και οι συν-συγγραφείς του συνέκριναν τις αόρατες ατέλειες στα καθημερινά αντικείμενα στην επιφάνεια της Γης. Αν κοιτάξετε τη Γη από μακριά, ο πλανήτης "φαίνεται πολύ ομαλός, σαν μια τέλεια σφαίρα", είπε ο Mizzi. Γνωρίζουμε, ωστόσο, ότι στην πραγματικότητα, η Γη δεν είναι ομαλή, αλλά πρέπει να το δούμε προσεκτικά. Μόνο όταν «μεγεθύνετε αρκετά, παρατηρείτε ότι υπάρχουν βουνά και λόφους», είπε. Ομοίως, τα οικεία αντικείμενα φαίνονται ομαλά έως ότου τα βλέπουν κοντά.
Όταν οι επιφάνειες των δύο αντικειμένων τρίβονται μεταξύ τους, οι άκρες τους ξεφλουδίζουν, δημιουργώντας τριβή. Οι επιστήμονες γνωρίζουν εδώ και πολύ καιρό ότι η τριβή παίζει ρόλο στον στατικό ηλεκτρισμό. (Στην πραγματικότητα, ο επιστημονικός όρος για τον στατικό ηλεκτρισμό, το triboelectricity, μοιράζεται μια ρίζα με tribology, η οποία είναι η μελέτη της τριβής.)
Στη νέα μελέτη, ο Mizzi και οι συν-συγγραφείς του έδειξαν πως οι αστραπές που προκαλούν τριβές προκαλούν επίσης μια συγκλονιστική διαφορά στο ηλεκτρικό φορτίο.
Κάτι ασυνήθιστο για τον στατικό ηλεκτρισμό είναι ότι είναι ευκολότερο να παράγεται με υλικά που περιορίζουν την ηλεκτρική ενέργεια γνωστά ως μονωτήρες. Αυτά περιλαμβάνουν το καουτσούκ, το μαλλί και τα μαλλιά. Στην τρέχουσα ηλεκτρική ενέργεια - η καθημερινή μορφή ηλεκτρικής ενέργειας που εξουσιοδοτεί τα τηλέφωνα, τα φώτα και σχεδόν όλα τα άλλα ηλεκτρονικά - τα ηλεκτρόνια δημιουργούν ρεύματα ρέοντας μεταξύ ατόμων σε αγώγιμα υλικά, όπως το σύρμα χαλκού. Αλλά τα άτομα των μονωτήρων δεν αφήνουν τα ηλεκτρόνια να έρχονται και να φεύγουν εύκολα. κερδίζουν το όνομά τους αναστέλλοντας τη ροή ηλεκτρονίων.
Ο Mizzi και οι συνάδελφοί του ανακάλυψαν ότι ο στατικός ηλεκτρισμός παράγεται όταν οι αστραπές σε μονωτήρες τρίβονται μεταξύ τους και παρεμβάλλονται στα νέφωνα ηλεκτρονίων. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια στα μονωτικά δεν μπορούν να κινηθούν εύκολα, αυτό το τρίψιμο μπορεί να λυγίσει τα σύννεφα των ηλεκτρονίων.
Σε αυτά τα υλικά, το σύννεφο των ηλεκτρονίων γύρω από τα άτομα είναι συνήθως συμμετρικό. Όταν κοιτάς αυτά τα σύννεφα, δεν μπορείς να το πεις από κάτω, αριστερά από δεξιά », είπε ο Mizzi.
Αλλά αν συμπιέσετε αυτό το σύννεφο ηλεκτρονίων, παραμορφώνεται, καθιστώντας ασύμμετρη. Κάτω από τις σωστές συνθήκες, αυτό το νέο σχήμα μπορεί να κατανέμει την τάση άνισα σε όλο το υλικό, εξήγησε ο Mizzi.
Τι έχει να κάνει με κάλτσες από μαλλί σε χαλί; Καθώς περπατάτε σε τέτοια υποδήματα, ο συνδυασμός του βάρους του σώματός σας και της κλονιστικής κίνησης σας κάνει τις ίνες στις κάλτσες σας να γλιστρήσουν ενάντια στις ίνες του χαλιού. Όταν τα δύο υλικά τρίβονται μεταξύ τους έτσι, οι εξογκώματα σε μία επιφάνεια σύρονται κατά μήκος των αστραπών στην αντίθετη επιφάνεια, προκαλώντας τους να κάμπτονται. Όταν συμβαίνει αυτή η κάμψη, τα ηλεκτρόνια στα άτομα που συνθέτουν τις αστρικές δυνάμεις γκρεμίζονται σε ασύμμετρα σχήματα, προκαλώντας πολύ μικρή διαφορά στην τάση.
Αν και μικρές, αυτές οι αλλαγές στην τάση προστίθενται. Οι αστραπές είναι τόσο πολυάριθμες ώστε η σάρωση των νεφών ηλεκτρονίων προκαλεί μια σημαντική συσσώρευση στατικού ηλεκτρισμού - μία αρκετά ισχυρή για να την νιώσετε όταν αγγίζετε ένα πόμολο ή κουνάτε το χέρι κάποιου.
Αυτή η νέα κατανόηση του στατικού ηλεκτρισμού θα μπορούσε να επηρεάσει τους επιστήμονες που αναπτύσσουν υφάσματα που παράγουν ενέργεια που παράγεται με τριβή για τη φόρτιση φορητών συσκευών, γεγονός που θα μπορούσε να καταστήσει τα προϊόντα πιο αποδοτικά. Και με την καλύτερη κατανόηση των υλικών που αποτυγχάνουν να δημιουργήσουν εύκολα τον στατικό ηλεκτρισμό, οι μηχανικοί μπορούν να εργαστούν για να δημιουργήσουν ασφαλέστερα περιβάλλοντα κατασκευής, για παράδειγμα εξαλείφοντας τα σωματίδια σκόνης που μπορούν να προκαλέσουν πυρκαγιές, τρίβοντας το ένα το άλλο.
«Όταν έχετε ένα μοντέλο, μπορείτε να αρχίσετε να κάνετε προβλέψεις», είπε ο Mizzi.
