Jei vaikščiosite per kilimą vilnonėmis kojinėmis, yra nemaža tikimybė, kad kita jūsų paliesta durų rankenėlė nustebins jus kibirkštimi. Statinė elektra yra tokia dažna, kad lengva pamiršti, kokia ji keista.
Bet kas iš tikrųjų nutinka, kai susiduri su tomis kibirkštimis?
Senovės graikų filosofas ir matematikas Thalesas Miletusas pirmasis aprašė statinę elektrą, VI amžiuje - B.C., tačiau mokslininkai dešimtmečius stengėsi atsakyti į šį pagrindinį klausimą. Vis dėlto nanoskalėje dirbantys tyrėjai ką tik žengė didžiulį žingsnį į priekį siekdami išsiaiškinti, kodėl dviejų paviršių trinimas kartu gali sukelti šoką.
Nesvarbu, koks lygus paviršius gali atrodyti, pakankamai arti priartinę pastebėsite iškilimus ir duobes. Mokslininkai šiuos trūkumus vadina „netobulumais“. Kiekvienas paviršius, nuo balionų iki pluošto, pavyzdžiui, vilnos ar plaukų, yra padengtas mikroskopinėmis savybėmis. Šios savybės yra atsakingos už statinės elektros energijos gamybą, - sakė Christopheris Mizzi, medžiagų mokslo ir inžinerijos doktorantas Šiaurės Vakarų vakarų universitete Evanstono mieste Ilinojaus valstijoje.
Rugsėjo mėnesį žurnale „Physical Review Letters“ paskelbtame tyrime Mizzi ir jo bendraautoriai palygino nematomus kasdienių objektų trūkumus Žemės paviršiuje. Jei pažvelgsite į Žemę iš toli, planeta „atrodo labai lygi, tarsi tobula sfera“, sakė Mizzi. Tačiau mes žinome, kad iš tikrųjų Žemė nėra tolygiai padaryta, tačiau, norėdami pamatyti tai, turite atidžiai pažvelgti į ją. Tik tada, kai „priartėjus pakankamai toli, pastebite, kad yra kalnai ir kalvos“, - sakė jis. Panašiai pažįstami objektai atrodo sklandžiai, kol nėra žiūrimi iš arti.
Kai dviejų objektų paviršiai trinasi vienas prie kito, jų asperitetai subraižomi, sukuriant trintį. Mokslininkai ilgą laiką žinojo, kad trintis vaidina statinę elektrą. (Tiesą sakant, mokslinis statinės elektros, triboelektriškumo terminas turi šaknis su tribologija, ty trinties tyrimu.)
Naujame tyrime Mizzi ir jo bendraautoriai parodė, kaip trintį sukeliantys asperijai taip pat sukelia šokiruojantį skirtumą tarp elektros krūvio.
Kai kas neįprasta statinės elektros atžvilgiu, tai lengviausia gaminti naudojant elektros energiją ribojančias medžiagas, žinomas kaip izoliatoriai; tai apima gumą, vilną ir plaukus. Dabartinėje elektros energijoje - kasdienėje elektros energijoje, kuria maitinami telefonai, šviestuvai ir beveik visa kita elektronika - elektronai sukuria sroves, tekėdami per atomus laidžiosiose medžiagose, tokiose kaip varinė viela. Bet izoliatorių atomai neleidžia elektronams lengvai ateiti ir išeiti; jie užsitarnauja savo vardą slopindami elektronų srautą.
Mizzi ir jo kolegos atrado, kad statinė elektra gaminama, kai izoliatorių asperijos trinasi viena prieš kitą ir trukdo elektronų debesims. Kadangi izoliatorių elektronai negali lengvai judėti, šis trynimas gali išlenkti elektronų debesis iš formos.
Šiose medžiagose elektronų debesis aplink atomus paprastai yra simetriškas. Kai žiūrite į šiuos debesis, jūs „negalite pasakyti aukštyn iš apačios, į kairę iš dešinės“, sakė Mizzi.
Bet jei išspausdinsite tą elektronų debesį, jis deformuosis, tapdamas asimetriškas. Tinkamomis aplinkybėmis ta nauja forma gali paskirstyti įtampą netolygiai medžiagai, paaiškino Mizzi.
Ką tai turi bendro su vilnonėmis kojinėmis ant kilimo? Vaikščiojant tokia avalyne, jūsų kūno svorio ir staigiai judesio dėka kojinėse esančios skaidulos slysta prieš kilimą. Kai abi medžiagos panašiai trinasi viena prieš kitą, iškilimai ant vieno paviršiaus pasislenka ties priešingo paviršiaus asperijomis, todėl jos sulenkiamos. Kai įvyksta toks lenkimas, atomų, sudarančių asperitetus, elektronų debesys suskaidomi į asimetriškas formas, sukeldami labai, labai mažą įtampos skirtumą.
Nors šie įtampos pokyčiai yra maži, jie vis dar padidėja. Asperitetų yra tiek daug, kad dėl elektronų debesų susitraukimo labai padidėja statinė elektros energija - pakankamai galinga, kad galėtumėte tai pajusti, kai liečiate durų rankenėlę ar purtote kieno nors ranką.
Šis naujai suprantamas statinės elektros supratimas galėjo paveikti mokslininkus, kuriančius audinius, gaminančius trinties generuojamą energiją nešiojamų prietaisų įkrovimui, o tai galėtų padaryti gaminius efektyvesnius. Geresniam supratimui, kurios medžiagos nesugeba lengvai sukurti statinės elektros, inžinieriai gali sukurti saugesnę gamybos aplinką, pavyzdžiui, pašalindami dulkių daleles, kurios gali sukelti gaisrą, trindamos viena kitą.
„Kai turite modelį, galite pradėti prognozuoti“, - teigė Mizzi.
