Американские исследователи выяснили, как механические действия создают статическое электричество. Построенная модель хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Любой, кто гладил кошку достаточно долго или натирал воздушный шарик о голову, знает, что такое трение создает статическое электричество, способное поднимать волоски и производить чувствительные удары током. Однако объяснения этого явления в научном смысле до сих пор не существовало.
Научный консенсус остановился на том, что трение генерирует статическое электричество в любых изоляторах. Детали процесса оставались неясными. Специалисты пытались объяснить возникновение зарядов через трение, но интерпретация результатов требовала использования неподтвержденных предположений.
Недавно американские исследователи изучили механику процесса. Они обнаружили, что трение двух материалов на микроуровне изгибает неровности поверхности. На наноуровне разные механические деформации одной неровности генерируют заряды на передней и задней частях объекта.
Это различие приводит к накоплению противоположных электрических зарядов на противоположных частях объекта. Такая разница создает ток, который может вызвать легкий электрический разряд.
Ученые разработали модель вычисления величины статического электрического тока. Расчетные значения для различных случаев хорошо совпали с экспериментальными результатами. Исследование опубликовано в журнале Nano Letters.
В основе новой модели ученые использовали понятие упругого сдвига. Он происходит, когда материал сопротивляется скользящему усилию. Например, если кто-то толкает тарелку по столу, та оказывает сопротивление. Как только внешнее усилие прекращают прилагать, движение тарелки останавливается. Это добавленное трение — вызванное сопротивлением скольжению — вызывает движение электрических зарядов.
Зарядка зерен статическим электричеством значительно влияет на помол и вкус кофе. Земля, вероятно, не стала бы планетой без слипания частиц из-за действия статического электричества, возникающего при столкновении частиц.
Статическое электричество может повлечь и серьезные проблемы, а не только поднятие волос при спуске с горки. Разряды и искры приводят к промышленным пожарам и взрывам. Кроме того, статическое электричество мешает равномерной дозировке порошкообразных медикаментов. Понимание механизмов генерации статического электричества поможет разработать новые решения этих проблем.