Če hodite čez preprogo v volnenih nogavicah, obstaja precej dobra možnost, da vas bo naslednja ključavnica, ki se je dotaknete, presenetila z iskrico. Statična elektrika je tako pogosta, da je enostavno pozabiti, kako čudna je.
Toda kaj se dejansko dogaja, ko naletite na te iskre?
Starogrški filozof in matematik Thales iz Mileta je prvi opisal statično elektriko v šestem stoletju pred našim štetjem, vendar so se znanstveniki desetletja borili, da bi odgovorili na to osnovno vprašanje. Vendar pa so raziskovalci, ki delajo na nanosmerki, pravkar naredili velik korak naprej v prizadevanjih, da bi razumeli, zakaj drgnjenje dveh površin skupaj lahko privede do šoka.
Ne glede na to, kako gladka je površina videti, ko približate dovolj blizu, boste opazili izbokline in jamice. Znanstveniki te nepopolnosti imenujejo "neskladnosti". Vsaka površina, od balonov do vlaken, kot so volna ali lasje, je prekrita z mikroskopskimi barvami. In te lastnosti so odgovorne za proizvodnjo statične električne energije, je dejal Christopher Mizzi, doktorski kandidat za znanosti o materialih in tehniki na univerzi Northwestern v Evanstonu v Illinoisu.
V raziskavi, objavljeni septembra v reviji Physical Review Letters, sta Mizzi in njegovi soavtorji primerjali nevidne nepopolnosti na vsakodnevnih predmetih s površjem Zemlje. Če na Zemljo gledate od daleč, planet "izgleda zelo gladko, kot popolna krogla", je dejala Mizzi. Vemo pa, da v resnici Zemlja še zdaleč ni gladka, vendar jo morate natančno pogledati, da to vidite. Šele ko "približate dovolj daleč, opazite, da obstajajo gore in hribi," je dejal. Podobno so znani predmeti videti gladki, dokler jih ne pogledamo od blizu.
Ko se površine dveh predmetov drgnejo drug proti drugemu, se njihove razlike strdijo, kar ustvarja trenje. Znanstveniki že dolgo vedo, da igra trenje vlogo pri statični elektriki. (Pravzaprav znanstveni izraz za statično elektriko, triboelektričnost, korenino deli s tribologijo, ki je študija trenja.)
Mizzi in njegovi soavtorji so v novi študiji pokazali, kako razlike, ki povzročajo trenje, povzročajo tudi šokantno razliko v električnem naboju.
Nekaj nenavadnega pri statični elektriki je, da jo je najlažje izdelati z uporabo materialov, ki omejujejo elektriko, znanih kot izolatorji; ti vključujejo gumo, volno in lase. V trenutni električni energiji - vsakodnevni obliki električne energije, ki napaja telefone, luči in skoraj vso drugo elektroniko - elektroni ustvarjajo tokove s tokom, ko tečejo po atomih v prevodnih materialih, kot bakrena žica. Toda atomi izolatorjev ne pustijo, da elektroni zlahka prihajajo in odhajajo; svoje ime si pridobijo z zaviranjem pretoka elektronov.
Mizzi in njegovi sodelavci so odkrili, da se statična elektrika proizvaja, ko se razlike v izolatorjih drgnejo drug ob drugega in motijo oblake elektronov. Ker se elektroni v izolatorjih ne morejo zlahka premikati, lahko drgnjenje elektronske oblake upogne v obliko.
V teh materialih je oblak elektronov okoli atomov ponavadi simetričen. Ko gledate te oblake, "ne morete povedati navzdol, levo od desne", je dejal Mizzi.
Če pa elektronski oblak stisnete, se ta deformira in postane asimetričen. Mizzi je v pravih okoliščinah lahko z novo obliko enakomerno porazdelil napetost po materialu.
Kaj ima to veze z volnenimi nogavicami na preprogi? Ko hodite v takšni obutvi, kombinacija teže telesa in vašega naprednega gibanja povzroči, da se vlakna v nogavicah drsijo proti vlaknom v preprogi. Ko se ta dva materiala drgneta drug proti drugemu, se izbokline na eni površini vlečejo po robu na nasprotni površini, zaradi česar se upognejo. Ko se to upogibanje zgodi, se elektroni v oblakih atomov, ki sestavljajo odstopanje, zmečkamo v asimetrične oblike, kar povzroči zelo, zelo majhno razliko v napetosti.
Čeprav so te spremembe napetosti še vedno majhne, se seštevajo. Razsežnosti so tako številne, da škiljenje elektronskih oblakov povzroči znatno nabiranje statične elektrike - eno dovolj zmogljivo, da jo začutite, ko se dotaknete kljuke ali stresete nekoga.
Novo novo razumevanje statične elektrike bi lahko vplivalo na znanstvenike, ki razvijajo tkanine, ki proizvajajo energijo, ki nastane zaradi trenja, za polnjenje nosljivih naprav, kar bi lahko izboljšalo učinkovitost izdelkov. In z boljšim razumevanjem, kateri materiali ne ustvarijo statične elektrike, lahko inženirji delajo pri ustvarjanju varnejših proizvodnih okolij, na primer z odstranjevanjem prašnih delcev, ki lahko sprožijo požare, tako da se drgnejo drug proti drugemu.
"Ko imate model, lahko začnete napovedovati," je dejal Mizzi.
