Невероятно, но впервые ученые раскрыли механизмы, действующие, когда трение о поверхность создает электрический ток. Впервые это было зафиксировано еще в 600 году до нашей эры, но до сих пор не было полностью изучено. И хотя кошки не являются главными виновниками создания статического электричества, их шерсть является идеальным проводником.
Исследователи Северо-Западного университета работали над неуловимой загадкой того, как работает статическое электричество, более полувека, и предварительный прорыв был совершен в 2019 году. В предыдущем исследовании они обнаружили, что наноразмерные деформации в области поверхности объектов и процесс скольжения объекта по этой поверхности играют ключевую роль в создании электрических зарядов.
Теперь они обнаружили, что из-за этих деформаций в процессе скольжения одного объекта по другому, например, руки при поглаживании кошки, накапливаются различные электрические заряды. Затем этого тока достаточно, чтобы вызвать этот вызванный статическим электричеством «разряд», когда заряженный объект встречается с другой поверхностью, особенно в условиях низкой влажности.
«Впервые мы можем объяснить тайну, которую никто не мог объяснить раньше: почему трение имеет значение», — сказал ведущий исследователь Лоуренс Маркс, профессор материаловедения и инженерии в Северо-Западном университете. «Люди пытались, но 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».
Впервые это явление, насколько свидетельствуют записи, наблюдал греческий философ Фалес Милетский, который писал о статическом электричестве, создаваемом при трении янтаря о мех, который затем притягивал пыль, в 600 году до н. э.
«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».
В ходе своего исследования 2019 года команда Северо-Западного университета создала модель, которая измеряет электрические токи, вызванные трением, которое они называют «упругим сдвигом». По сути, заряд связан с силой и трением — как описывает третий закон физики Ньютона — и тем, как заряды смещаются в этом процессе. Когда материалы с этими наномасштабными деформациями трутся друг о друга, они создают этот статический заряд спереди назад, который приводит к накоплению тока.
«Скольжение и сдвиг тесно связаны», — сказал Маркс.
Хотя раскрытие сложного механизма, вызывающего статическое электричество, может и не предотвратить неприятные «удары», которые возникают, когда неосознанно заряжаешь руку, поглаживая кошку, исследователи говорят, что понимание этого процесса может помочь предотвратить серьезные события, такие как пожары и взрывы в промышленных масштабах.
«Статическое электричество влияет на жизнь как простыми, так и глубокими способами», — сказал Маркс. «Зарядка зерен статическим электричеством оказывает большое влияние на то, как измельчаются кофейные зерна и каков их вкус. 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».
На практическом уровне существует несколько решений для минимизации ударов статического электричества — например, выбор натуральных волокон, хождение босиком и повышение влажности в помещениях, поскольку все, что ниже относительной влажности 40%, имеет тенденцию повышать проводимость этого процесса «упругого сдвига». Если вы обнаружите, что получаете удары током от своей кошки, особенно зимой, вы даже можете противостоять заряду, сначала погладив ее влажной тканью — однако, возможно, небольшой удар током — лучшее из двух зол. К сожалению, кошачья шерсть является отличным источником электростатического заряда.
По крайней мере, теперь мы знаем, почему.
«Поляризация и связанные с ней заряды спереди и сзади не одинаковы, и разница между ними приводит к возникновению тока, аналогичного разнице в давлении воздуха над и под крылом самолета, приводящей к подъемной силе», — пояснили исследователи в своем исследовании.
Исследование было опубликовано в журнале Nano Letters.
