Dacă treceți pe un covor cu șosete din lână, există o șansă destul de bună ca următorul buton pe care îl atingeți să vă surprindă cu o scânteie. Electricitatea statică este atât de comună încât este ușor să uiți cât de ciudat este.
Dar ce se întâmplă de fapt când întâlnești acele scântei?
Vechiul filosof și matematician grec Thales din Milet a fost primul care a descris electricitatea statică, în secolul al VI-lea î.Hr., dar oamenii de știință s-au luptat zeci de ani pentru a răspunde la această întrebare de bază. Cu toate acestea, cercetătorii care lucrează la nano-scară au făcut doar un pas imens în încercarea de a înțelege de ce frecarea a două suprafețe împreună poate duce la un șoc.
Oricât de netedă ar putea arăta o suprafață, când măriți suficient de aproape, veți observa denivelări și gropi. Oamenii de știință numesc aceste imperfecțiuni „asperități”. Fiecare suprafață, de la baloane până la fibre precum lâna sau părul, este acoperită în asperități microscopice. Iar aceste caracteristici sunt responsabile de producerea de electricitate statică, a declarat Christopher Mizzi, candidat la doctorat în știința și ingineria materialelor la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois.
Într-un studiu publicat în septembrie în revista Physical Review Letters, Mizzi și coautorii săi au comparat imperfecțiunile invizibile ale obiectelor de zi cu zi pe suprafața Pământului. Dacă privești Pământul de departe, planeta „arată foarte lin, ca o sferă perfectă”, a spus Mizzi. Știm, totuși, că, în realitate, Pământul este departe de a fi neted, dar trebuie să îl privești îndeaproape pentru a vedea asta. Abia când „măriți suficient de departe observați că există munți și dealuri”, a spus el. În mod similar, obiectele familiare arată neted până când sunt vizualizate de aproape.
Atunci când suprafețele a două obiecte se freacă una de cealaltă, asperitățile lor se răzuiesc, creând frecare. Oamenii de știință știu de mult timp că frecarea joacă un rol în electricitatea statică. (De fapt, termenul științific pentru electricitate statică, triboelectricitate, are o rădăcină cu tribologia, care este studiul frecării.)
În noul studiu, Mizzi și coautorii săi au arătat cum asperitățile care provoacă frecare provoacă, de asemenea, o diferență șocantă în sarcina electrică.
Ceva neobișnuit în ceea ce privește electricitatea statică este că este mai ușor să produci folosind materiale care restricționează energia electrică cunoscute sub denumirea de izolatori; acestea includ cauciucul, lâna și părul. În curentul electric - forma de zi cu zi a energiei electrice care alimentează telefoanele, luminile și aproape toate celelalte electronice - electronii creează curenți circulând prin atomi în materiale conductoare, precum sârmă de cupru. Dar atomii izolatorilor nu lasă electronii să vină și să meargă ușor; își câștigă numele inhibând fluxul de electroni.
Mizzi și colegii săi au descoperit că energia electrică statică este produsă atunci când asperitățile din izolatori se freacă între ei și interferează cu norii de electroni. Deoarece electronii din izolatori nu se pot mișca cu ușurință, frecarea respectivă poate îndoi norii de electroni în formă.
În acele materiale, norul de electroni din jurul atomilor este de obicei simetric. Când te uiți la acești nori, nu poți să zici de jos, la stânga de la dreapta, a spus Mizzi.
Dar dacă stoarceți acel nor de electroni, acesta se deformează, devenind asimetric. În circumstanțele potrivite, acea nouă formă poate distribui tensiunea inegal în material, a explicat Mizzi.
Ce legătură are asta cu șosetele de lână de pe covor? Pe măsură ce pășești în astfel de încălțăminte, combinația dintre greutatea corpului și mișcarea ta strălucitoare face ca fibrele din șosete să alunece împotriva fibrelor din covor. Când cele două materiale se freacă unul de celălalt astfel, denivelările pe o suprafață se târăsc de-a lungul asperităților de pe suprafața opusă, determinându-le să se îndoaie. Atunci când această îndoire se întâmplă, norii de electroni din atomii care alcătuiesc asperitățile sunt tăiați în forme asimetrice, provocând o diferență de tensiune foarte, foarte mică.
Deși mici, aceste modificări de tensiune se adaugă. Asperitățile sunt atât de numeroase încât zgâlțâirea norilor de electroni provoacă o acumulare semnificativă de electricitate statică - una suficient de puternică pentru ca tu să o simți atunci când atingi un buton sau strângeți mâna cuiva.
Această nouă înțelegere a electricității statice ar putea influența oamenii de știință care dezvoltă țesături care produc putere generată de frecare pentru încărcarea dispozitivelor purtabile, ceea ce ar putea face produsele mai eficiente. Și cu o mai bună înțelegere a materialelor care nu reușesc să creeze electricitate statică cu ușurință, inginerii pot lucra pentru a crea medii de producție mai sigure, de exemplu prin eliminarea particulelor de praf care pot provoca incendii prin frecare unul față de celălalt.
„Când aveți un model, puteți începe să faceți predicții”, a spus Mizzi.
