Jos kävelet maton yli villasukeissa, on melko hyvä mahdollisuus, että seuraava kosketusnäppäin yllättää kipinöllä. Staattinen sähkö on niin yleistä, että on helppo unohtaa kuinka outo se on.
Mutta mitä todella tapahtuu, kun kohtaat nuo kipinät?
Muinaiskreikkalainen filosofi ja Miletusin matemaatikko Thales kuvasi ensimmäisenä staattista sähköä kuudennella vuosisadalla, mutta tutkijat ovat vuosikymmenien ajan kamppailleet vastatakseen tähän peruskysymykseen. Nanomittakaavassa työskentelevät tutkijat ovat kuitenkin juuri ottaneet valtavan askeleen eteenpäin pyrkiessään ymmärtämään, miksi kahden pinnan hierominen voi johtaa sokkiin.
Huolimatta siitä, kuinka sileä pinta voi näyttää, kun zoomaat tarpeeksi lähelle, huomaat kuoppia ja kuoppia. Tutkijat kutsuvat näitä epätäydellisyyksiä "epäkohteiksi". Jokainen pinta, ilmapalloista kuituihin, kuten villa tai karva, peitetään mikroskooppisilla asperiteeteilla. Ja nämä ominaisuudet ovat vastuussa staattisen sähkön tuotannosta, sanoi Christopher Mizzi, materiaalitieteen ja tekniikan tohtorikoulutettava Northwestern Universityssä Evanstonissa, Illinoisissa.
Syyskuussa Physical Review Letters -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa Mizzi ja hänen tekijänsä vertasivat arjen esineiden näkymättömiä puutteita maan pinnalle. Jos katsot maapalloa kaukaa, planeetta "näyttää erittäin sileältä kuin täydellinen pallo", Mizzi sanoi. Tiedämme kuitenkin, että todellisuudessa Maa on kaukana sujuvasta, mutta sinun on tarkasteltava sitä tarkkaan nähdäksesi sen. Vasta kun "zoomaat tarpeeksi pitkälle huomaat, että siellä on vuoria ja kukkuloita", hän sanoi. Vastaavasti tutut esineet näyttävät sileiltä, kunnes ne katsotaan läheltä.
Kun kahden esineen pinnat hierovat toisiaan vasten, niiden asperiteetit raapistuvat yhteen muodostaen kitkaa. Tutkijat ovat jo kauan tiedän, että kitkalla on merkitys staattisessa sähkössä. (Itse asiassa staattisen sähkön tieteellisellä termillä, triboelektrisellä, on juuri tribologian kanssa, joka on kitkan tutkimus.)
Mizzi ja hänen tekijänsä osoittivat uudessa tutkimuksessa, kuinka kitkaa aiheuttavat asperiteetit aiheuttavat myös järkyttävän eron sähkövarauksessa.
Jotain epätavallista staattisessa sähkössä on, että se on helpointa valmistaa käyttämällä eristeinä tunnettuja sähköä rajoittavia materiaaleja; näihin kuuluvat kumi, villa ja hiukset. Nykyisessä sähkössä - jokapäiväisessä sähkön muodossa, joka käyttää puhelimia, valoja ja melkein kaikkea muuta elektroniikkaa - elektronit luovat virtauksia virtaamalla johtavien materiaalien, kuten kuparilangan, atomien poikki. Mutta eristeiden atomit eivät anna elektronien tulla ja mennä helposti; he ansaitsevat nimensä estämällä elektronivirtauksen.
Mizzi ja hänen kollegansa havaitsivat, että staattista sähköä syntyy, kun eristeiden asperiteet hierovat toisiaan vastaan ja häiritsevät elektronipilviä. Koska eristeiden elektronit eivät voi liikkua helposti, tämä hankaus voi taivuttaa elektronipilviä epämuodossa.
Näissä materiaaleissa atomien ympärillä oleva elektronien pilvi on yleensä symmetrinen. Kun katsot näitä pilviä, et "voi kertoa ylöspäin alhaalta, vasemmalta oikealta", Mizzi sanoi.
Mutta jos puristat tätä elektronipilviä, se muodonmuutos muuttuu epäsymmetriseksi. Oikeissa olosuhteissa uusi muoto voi jakaa jännitteen epätasaisesti koko materiaaliin, Mizzi selitti.
Mitä tekemistä tällä on matolla olevien villasukkien kanssa? Kun kävelet sellaisissa jalkineissa, kehosi painon ja askelmasi liikkeen yhdistelmä saa sukkien kuidut liukumaan maton kuituja vasten. Kun nämä kaksi materiaalia hierovat toisiaan näin, yhden pinnan kohoumat vetävät vastakkaisella pinnalla olevia reikiä pitkin aiheuttaen niiden taipumisen. Kun tämä taivutus tapahtuu, elektronipilvet atomien sisällä, jotka muodostavat epäsuhteet, hajoavat epäsymmetrisiin muotoihin aiheuttaen erittäin, hyvin pienen eron jännitteessä.
Vaikka nämä jännitteen muutokset ovat pieniä, ne kasvavat. Asperiteetteja on niin paljon, että elektronipilvien huiskaaminen aiheuttaa merkittävän staattisen sähkön kertymisen - riittävän voimakkaan, jotta tunnet sen koskettaessasi ovenkahvaa tai ravistamalla jonkun kättä.
Tämä staattisen sähkön ymmärtäminen voi vaikuttaa tutkijoihin, jotka kehittelevät kankaita, jotka tuottavat kitkan tuottamaa energiaa puettavien laitteiden lataamiseen, mikä voisi tehdä tuotteista tehokkaampia. Ja kun ymmärretään paremmin, mitkä materiaalit eivät pysty staattisesti tuottamaan sähköä helposti, insinöörit voivat luoda turvallisempia tuotantoympäristöjä, esimerkiksi poistamalla pölyhiukkaset, jotka voivat sytyttää tulipaloja hankaamalla toisiaan vastaan.
"Kun sinulla on malli, voit alkaa tehdä ennusteita", Mizzi sanoi.
