Kui kõnnite üle villase soki vaiba, on üsna hea võimalus, et järgmine puudutatav uksenupp üllatab teid sädemega. Staatiline elekter on nii tavaline, et seda on kerge unustada, kui imelik see on.
Mis aga juhtub, kui neid sädemeid kohtab?
Vana-Kreeka filosoof ja matemaatik Thales of Miletus kirjeldas esimesena staatilist elektrit, kuuendal sajandil B.C., kuid teadlased on selle põhiküsimuse lahendamiseks aastakümneid vaeva näinud. Kuid nanomõõtmetes töötavad teadlased on just teinud suure sammu edasi püüdlustes mõista, miks kahe pinna kokku hõõrumine võib põhjustada šoki.
Pole tähtis, kui sile pind võib välja näha, kui lähedale suumite, näete muhke ja süvendeid. Teadlased nimetavad neid puudusi "ebaoluliseks". Iga pind, alates õhupallidest kuni kiududeni, nagu vill või juuksed, on kaetud mikroskoopiliste õmblustega. Ja need omadused vastutavad staatilise elektri tootmise eest, ütles Christopher Mizzi, Illinoisi Evanstoni loodeosas asuva Loodeülikooli materjaliteaduse ja inseneriteaduse doktorant.
Septembris ajakirjas Physical Review Letters avaldatud uuringus võrdlesid Mizzi ja tema kaasautorid igapäevaste objektide nähtamatuid puudusi Maa pinnaga. Kui vaadata Maad kaugelt, näeb planeet "väga sile, nagu täiuslik kera", ütles Mizzi. Teame siiski, et tegelikult pole Maa kaugeltki sile, kuid selle nägemiseks peate seda tähelepanelikult vaatama. Alles siis, kui "suumite piisavalt kaugele, märkate, et seal on mägesid ja künkaid", ütles ta. Samuti näevad tuttavad objektid siledad, kuni lähedalt vaadatakse.
Kui kahe objekti pinnad üksteise vastu hõõruvad, kraapivad nende asperiteed kokku, tekitades hõõrdumist. Teadlased on juba pikka aega teadnud, et hõõrdumine mängib staatilises elektris rolli. (Tegelikult jagab staatilise elektri teaduslik termin, triboelektrilisus, juuri triboloogiaga, mis on hõõrdumise uurimine.)
Uues uuringus näitasid Mizzi ja tema kaasautorid, kuidas hõõrdumist põhjustavad asperitsioonid põhjustavad ka elektrilaengu šokeerivat erinevust.
Staatilise elektri puhul on midagi ebaharilikku selles, et seda on kõige lihtsam toota isolaatoritena tuntud elektrit piiravatest materjalidest; nende hulka kuuluvad kumm, vill ja juuksed. Praeguses elektris - telefonide, tulede ja peaaegu kogu muu elektroonika toiteks kasutatava elektrienergia igapäevases vormis - tekitavad elektronid voolusid, voolates juhtivate materjalide, näiteks vasktraadi aatomite kaudu. Kuid isolaatorite aatomid ei lase elektronidel kergelt tulla ja minna; nad teenivad oma nime, takistades elektronide voolu.
Mizzi ja tema kolleegid avastasid, et staatilist elektrit toodetakse siis, kui isolaatorite õmblused hõõruvad üksteise vastu ja segavad elektronpilvi. Kuna isolaatorites olevad elektronid ei saa hõlpsalt ringi liikuda, võib see hõõrumine painutada elektronpilved vormist välja.
Nendes materjalides on aatomite ümber olev elektronide pilv tavaliselt sümmeetriline. Neid pilvi vaadates ei saa te "alla üles, paremalt vasakule öelda", ütles Mizzi.
Kuid kui te seda elektronpilve pigistate, deformeerub see, muutudes asümmeetriliseks. Mizzi selgitas, et see uus kuju võib õigetes tingimustes jaotada pinge materjali vahel ebaühtlaselt.
Kuidas on sellel pistmist vaibal olevate villaste sokkidega? Sellistes jalatsites kõndides põhjustab keharaskuse ja teie liikuva liikumise kombinatsioon libisemiseks sokkides olevad kiud vaibal olevate kiudude vastu. Kui kaks materjali hõõruvad niimoodi üksteise vastu, lohistavad ühe pinna konarused piki vastaskülje õõnesid, põhjustades nende painutamise. Kui see painutamine juhtub, jagunevad elektronide pilved aatomites, mis moodustavad asperiteedi, asümmeetrilisteks kujunditeks, põhjustades väga, väga väikese pingeerinevuse.
Kuigi need pingemuutused on väikesed, liidavad need veelgi. Asperities on nii palju, et elektronpilvede tursumine põhjustab märkimisväärset staatilise elektri kogunemist - üks piisavalt võimas, et tunneksite seda, kui koputate ukse nuppu või loksutate kellegi kätt.
See statistilise elektri uus arusaam võib mõjutada teadlasi, kes arendavad kangaid kantavate seadmete laadimiseks hõõrdumisel tekkivat elektrit tootvat kangast, mis võib muuta tooted efektiivsemaks. Ja tänu paremale mõistmisele, millistest materjalidest ei õnnestu hõlpsasti staatilist elektrit luua, saavad insenerid töötada ohutuma tootmiskeskkonna loomiseks, näiteks üksteise vastu hõõrudes tolmuosakesed, mis võivad tulekahjusid tekitada.
"Kui teil on mudel, võite hakata ennustusi tegema," ütles Mizzi.
