Po raz pierwszy naukowcy wyjaśniają, w jaki sposób pocieranie powierzchni wytwarza prąd elektryczny.
Naukowcy z Uniwersytet Północno-Zachodni rozwikłali długoletnią tajemnicę, dlaczego pocieranie przedmiotów o siebie generuje elektryczność statyczną. Odkryli, że różne siły działające z przodu i z tyłu przesuwającego się obiektu powodują różne ładunki elektryczne, które wytwarzają prąd. To spostrzeżenie, wywodzące się ze starożytnych obserwacji Talesa z Miletu, ma znaczące implikacje, od zapobiegania wypadkom przemysłowym po zwiększanie dawkowania środków farmaceutycznych.
Zrozumienie elektryczności statycznej: przełomowe odkrycie
Każdy, kto kiedykolwiek pogłaskał kota lub stąpał po dywanie, wie, że pocieranie przedmiotów o siebie generuje elektryczność statyczną. Jednak wyjaśnienie tego zjawiska wymykało się badaczom przez ponad dwa tysiące lat.
Teraz naukowcy z Northwestern University w końcu odkryli mechanizm, który tu leży.
Naukowcy odkryli, że kiedy obiekt się ślizga, przednia i tylna część tego obiektu działają na różne siły. Ta różnica sił powoduje gromadzenie się różnych ładunków elektrycznych na przedniej i tylnej części obiektu. A różnica ładunków elektrycznych wytwarza prąd, co prowadzi do wybuchu światła.
Wyjaśnienie zjawiska odwiecznego
„Po raz pierwszy jesteśmy w stanie wyjaśnić tajemnicę, której nikt wcześniej nie był w stanie wyjaśnić: dlaczego pocieranie ma znaczenie” – powiedział Laurence Marks z Northwestern, który kierował badaniem. „Ludzie próbowali, ale nie potrafili wyjaśnić wyników eksperymentów bez przyjęcia założeń, które nie były uzasadnione ani uzasadnione. Teraz możemy, a odpowiedź jest zaskakująco prosta. Samo występowanie różnych odkształceń – a co za tym idzie różnych ładunków – z przodu i z tyłu czegoś, co się ślizga, prowadzi do prądu.
Marks, ekspert w dziedzinie struktur powierzchniowych, jest emerytowanym profesorem nauk o materiałach i inżynierii w McCormick School of Engineering w Northwestern. Karl Olson, doktorant studentka grupy badawczej Marksa, jest pierwszym autorem artykułu.
Kontekst historyczny badań statycznych
Grecki filozof Tales z Miletu po raz pierwszy doniósł o elektryczności statycznej wywołanej tarciem w 600 roku p.n.e. Po potarciu bursztynu futrem zauważył, że futro przyciąga kurz.
„Od tego czasu stało się jasne, że pocieranie powoduje ładowanie statyczne we wszystkich izolatorach, nie tylko w futrze” – powiedział Marks. „Jednak mniej więcej w tym miejscu konsensus naukowy się zakończył”.
Ścinanie: sekret statyki
Marks i jego zespół zaczęli odkrywać tajemnicę w 2019 r. W ramach badania opublikowany W Listy z przeglądu fizycznegopodali, że pocieranie o siebie dwóch materiałów powoduje wyginanie maleńkich wypukłości na powierzchni tych materiałów. Naukowcy odkryli, że te wygięte, zdeformowane występy powodują powstawanie napięcia.
„W 2019 roku mieliśmy zalążek tego, co się działo. Jednakże, jak wszystkie nasiona, potrzebował czasu, aby urosnąć” – powiedział Marks. „Teraz rozkwitło. Opracowaliśmy nowy model obliczający prąd elektryczny. Wartości prądu dla szeregu różnych przypadków były zgodne z wynikami eksperymentów.”
Sercem nowego modelu jest koncepcja zwana „ścinaniem elastycznym”. Ścinanie elastyczne może wystąpić, gdy materiał opiera się sile ślizgowej. Jeśli ktoś popchnie talerz po stole, talerz będzie odporny na przesuwanie się. Gdy tylko osoba przestanie go pchać, płyta przestaje się poruszać. To dodatkowe tarcie — spowodowane oporem ślizgania — powoduje przemieszczanie się ładunków elektrycznych.
„Poślizg i ścinanie są ze sobą ściśle powiązane” – powiedział Marks.
Praktyczne implikacje elektryczności statycznej
Chociaż elektryczność statyczna może powodować zabawne wpadki, takie jak jeżenie włosów po zjechaniu na zjeżdżalni na placu zabaw, może również prowadzić do poważnych problemów. Na przykład iskry z elektryczności statycznej powodują pożary przemysłowe, a nawet eksplozje. Może również utrudniać spójne dawkowanie sproszkowanych środków farmaceutycznych. Dzięki lepszemu zrozumieniu zachodzących mechanizmów badacze mogliby potencjalnie wprowadzić nowe rozwiązania tych problemów.
„Elektryczność statyczna wpływa na życie zarówno w prosty, jak i głęboki sposób” – powiedział Marks. „Ładowanie ziaren elektrycznością statyczną ma duży wpływ na sposób mielenia i smak ziaren kawy. Ziemia prawdopodobnie nie byłaby planetą bez kluczowego etapu zlepiania się cząstek tworzących planety, co zachodzi w wyniku elektryczności statycznej generowanej przez zderzające się ziarna. To niesamowite, jak duża część naszego życia jest dotknięta elektrycznością statyczną i jak duża część wszechświata jest od niej zależna”.
Odniesienie: „Co stawia „Tribo” w tryboelektryczności?” Karl P. Olson i Laurence D. Marks, 17 września 2024 r., Nanolitery.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03656
