Каждый, кто когда-либо гладил кошку или шаркал ногами по ковру, знает, что трение предметов друг о друга генерирует статическое электричество. Но объяснение этого явления ускользало от исследователей более двух тысячелетий.
Теперь ученые Северо-Западного университета наконец раскрыли механизм этого явления.
Когда объект скользит, передняя и задняя части этого объекта испытывают разные силы, обнаружили исследователи. Эта разница в силах приводит к тому, что на передней и задней частях объекта накапливаются разные электрические заряды. И разница в электрических зарядах создает ток, приводящий к легкому удару.
Исследование опубликовано в журнале Nano Letters.
«Впервые мы смогли объяснить тайну, которую никто не мог объяснить раньше: почему трение имеет значение», — сказал Лоуренс Маркс из Северо-Западного университета, возглавлявший исследование. «Люди пытались, но они не могли объяснить экспериментальные результаты, не делая предположений, которые не были оправданы или оправданы. Теперь мы можем, и ответ на удивление прост. Просто наличие разных деформаций — и, следовательно, разных зарядов — спереди и сзади чего-то скользящего приводит к появлению тока».
Эксперт в области поверхностных структур, Маркс является почетным профессором материаловедения и инженерии в Школе инженерии Маккормика Северо-Западного университета. Карл Олсон, аспирант исследовательской группы Маркса, является первым автором статьи.
Греческий философ Фалес Милетский впервые описал статическое электричество, возникающее при трении, в 600 году до нашей эры. Натерев янтарь мехом, он заметил, что мех притягивает пыль.
«С тех пор стало ясно, что трение вызывает статический заряд во всех изоляторах, а не только в мехе», — сказал Маркс. «Однако на этом научный консенсус более или менее закончился».
Маркс и его команда начали разгадывать тайну в 2019 году. В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, они сообщили, что трение двух материалов друг о друга изгибает крошечные выступы на поверхности этих материалов. Эти изогнутые, деформированные выступы вызывают напряжение, обнаружили исследователи.
«В 2019 году у нас было семя того, что происходило. Однако, как и всем семенам, ему нужно было время, чтобы прорасти», — сказал Маркс. «Теперь оно расцвело. Мы разработали новую модель, которая вычисляет электрический ток. Значения тока для ряда различных случаев хорошо согласуются с экспериментальными результатами».
Концепция, называемая «упругим сдвигом», лежит в основе новой модели. Упругий сдвиг может возникнуть, когда материал сопротивляется скользящей силе. Если человек толкает пластину по столу, пластина будет сопротивляться скольжению. Как только человек прекращает толкать ее, пластина перестает двигаться. Это дополнительное трение, вызванное сопротивлением скольжению, заставляет электрические заряды перемещаться.
«Скольжение и сдвиг тесно связаны», — сказал Маркс.
Хотя статическое электричество может вызывать забавные неприятности, например, вставание волос дыбом после спуска с детской горки, оно также может привести к серьезным проблемам. Например, искры от статического электричества вызывают промышленные пожары и даже взрывы. Оно также может препятствовать последовательному дозированию порошкообразных фармацевтических препаратов. С лучшим пониманием механизмов действия исследователи потенциально могли бы предложить новые решения этих проблем.
«Статическое электричество влияет на жизнь как простыми, так и глубокими способами», — сказал Маркс. «Зарядка зерен статическим электричеством оказывает большое влияние на то, как измельчаются и приобретают вкус кофейные зерна. Земля, вероятно, не была бы планетой без ключевого шага в слипании частиц, которые формируют планеты, что происходит из-за статического электричества, генерируемого сталкивающимися зернами. Удивительно, как много в нашей жизни затронуто статическим электричеством и как много во вселенной зависит от него».
