Американские ученые установили, каким образом механическое воздействие приводит к возникновению статического электричества. Разработанная ими модель демонстрирует высокую степень соответствия результатам экспериментов.
Все, кто хоть раз погладил кошку или потирал воздушный шарик о волосы, знакомы с тем, что трение приводит к образованию статического электричества, которое может поднимать волоски и вызывать слабые электрические разряды. Однако до сих пор не было научного объяснения этому процессу.
В научном сообществе признается, что трение вызывает образование статического электричества в любых изоляторах. Однако механизм этого процесса до сих пор остается недостаточно изученным. Исследователи пытались объяснить возникновение зарядов в результате трения, но для интерпретации полученных данных приходилось использовать непроверенные гипотезы.
Американские ученые провели исследование, посвященное механике данного процесса. В ходе работы было установлено, что трение двух материалов на микроуровне приводит к изгибу неровностей их поверхности. На наноуровне различные механические деформации одной неровности вызывают генерацию зарядов на передней и задней сторонах объекта.
Различие в потенциалах приводит к накоплению электрических зарядов разного знака на разных сторонах объекта. Возникшая разница потенциалов вызывает электрический ток, который может проявляться в виде слабого разряда.
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 новой модели ученые опирались на концепцию упругого сдвига. Этот процесс возникает, 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 оказывает существенное 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 способно вызывать не только эффект поднятия волос при движении по горке, но и представлять серьезную опасность. Искры и разряды могут приводить к возникновению пожаров и взрывов на промышленных объектах. Также оно негативно влияет на равномерность распределения порошкообразных лекарственных препаратов. Изучение процессов, лежащих в основе образования статического электричества, позволит создать инновационные способы решения этих задач.