Ha gyapjúzokni egy szőnyegen sétálsz, nagyon jó esély van arra, hogy a következő kilincs, amelyet megérint, szikraval fog meglepni. A statikus elektromosság annyira általános, hogy könnyű elfelejteni, milyen furcsa ez.
De mi történik valójában, ha találkozik ezekkel a szikrákkal?
Az ókori görög filozófus és Miletus Thales matematikus először írta le a statikus elektromosságot, a hatodik században, de a tudósok évtizedek óta küzdöttek arra, hogy megválaszolják ezt az alapkérdést. A nanoskálán dolgozó kutatók ugyanakkor óriási lépést tettek annak érdekében, hogy megértsék, miért okozhat sokkot két felület együttes dörzsölése.
Nem számít, mennyire sima lehet egy felület, ha elég közelről nagyít, észreveheti a dudorokat és a gödröket. A tudósok ezeket a tökéletlenségeket "csillagosságoknak" hívják. Minden felületet, a léggömböktől a szálakig, például a gyapjúig vagy a hajig, mikroszkopikus aspirációk fedik. És ezek a tulajdonságok felelősek a statikus elektromosság előállításáért - mondta Christopher Mizzi, az anyagtudomány és a mérnöki tudományok doktori jelöltje az északnyugati egyetemen, Evanstonban, Illinoisban.
A Physical Review Letters folyóiratban szeptemberben közzétett tanulmányban Mizzi és társszerzői a mindennapi tárgyak láthatatlan hiányosságait hasonlították össze a Föld felszínével. Ha távolról nézünk a Földre, a bolygó "nagyon simanak néz ki, mint egy tökéletes gömb" - mondta Mizzi. Tudjuk azonban, hogy a valóságban a Föld messze nem egyenletes, de ezt közelebbről meg kell nézni. Csak akkor, ha "elég messzire nagyít, észreveszi, hogy vannak hegyek és hegyek" - mondta. Hasonlóképpen, az ismerős tárgyak simán néznek ki, amíg közelről nem tekintik őket.
Amikor két tárgy felülete egymással szemben dörzsöli, azok aszperitása összekaparódik, súrlódást okozva. A tudósok már régóta tudják, hogy a súrlódás szerepet játszik a statikus elektromosságban. (Valójában a statikus elektromosság tudományos kifejezése, a triboelektrikum, megoszlik a tribológiával, amely a súrlódás vizsgálata.)
Az új tanulmányban Mizzi és társszerzői megmutatták, hogy a súrlódást okozó aszférások miként okoznak sokkoló különbséget az elektromos töltésben.
A statikus elektromosság szempontjából szokatlan az, hogy legegyszerűbben előállítani szigetelőként ismert, villamos energiát korlátozó anyagból; ezek közé tartozik a gumi, a gyapjú és a haj. A jelenlegi villamos energiában - a telefonok, a lámpák és szinte az összes többi elektronika energiájának mindennapi formájában - az elektronok áramot hoznak létre azáltal, hogy az atomokon átvezetnek vezetőképes anyagokban, például a rézhuzalban. A szigetelők atomjai azonban nem engedik, hogy az elektronok könnyen jönnek és menjenek; az elektronikus áramlás gátlásával kapják a nevüket.
Mizzi és munkatársai felfedezték, hogy a statikus elektromosság akkor keletkezik, amikor a szigetelők aszférói egymással szemben dörzsölnek és zavarják az elektronfelhőket. Mivel a szigetelő elektronok nem tudnak könnyedén mozogni, ez a dörzsölés meghajolhatja az elektron felhőket a formájuktól.
Ezekben az anyagokban az atomok körül az elektronok felhője általában szimmetrikus. Amikor ezeket a felhőket nézi, akkor "nem tud felfelé, jobbról balra felmondani" - mondta Mizzi.
De ha kinyomja az elektron felhőt, akkor deformálódik, és aszimmetrikusvá válik. Megfelelő körülmények között az új forma egyenetlenül oszlik meg a feszültség alatt az anyagon - magyarázta Mizzi.
Mi köze van ennek a szőnyegen lévő gyapjúzoknihoz? Amint sétálsz az ilyen lábbeliben, a test súlyának és a mozgásodnak a kombinációja miatt a zokniban lévő szálak elcsúsznak a szőnyegen lévő szálakhoz. Amikor a két anyag így dörzsöli egymást, az egyik felületen lévő dudorok az ellenkező felületre eső erősségek mentén húzódnak, meghajlítva őket. Amikor ez a hajlítás megtörténik, az atomok elektronfelhői, amelyek alkotják a csillagképességeket, aszimmetrikus alakba kerülnek, és nagyon-nagyon kis különbséget okoznak a feszültségben.
Bár ezek a feszültségváltozások kicsik, addig összeadódnak. A csillagosságok annyira nagyok, hogy az elektron felhők felpiszkálása jelentős statikus elektromosság felhalmozódást okoz - ez egy olyan erős, hogy érezze, amikor megérinti egy ajtógombot, vagy megrázza valaki kezét.
A statikus elektromosság ezen újfajta megértése befolyásolhatja a tudósokat olyan szövetek kifejlesztésén, amelyek súrlódás által generált energiát termelnek a hordható eszközök töltésére, és ezáltal a termékek hatékonyabbak lehetnek. És jobban megértve, hogy mely anyagok nem képesek könnyen előállítani a statikus elektromosságot, a mérnökök biztonságosabb gyártási környezet kialakításán dolgozhatnak, például azáltal, hogy eltávolítják a porrészecskéket, amelyek egymásba dörzsölve szikrázhatnak.
"Ha van modellje, elkezdhet előrejelzéseket készíteni" - mondta Mizzi.
