Ak prejdete cez koberec vo vlnených ponožkách, je dosť dobrá šanca, že ďalšia kľučka, ktorú sa dotknete, vás prekvapí iskrou. Statická elektrina je taká bežná, že je ľahké zabudnúť, aká je divná.
Čo sa však vlastne deje, keď narazíte na tieto iskry?
Staroveký grécky filozof a matematik Thales z Milétu bol prvým, ktorý v šiestom storočí opísal statickú elektrinu, ale vedci už celé desaťročia zápasia o odpoveď na túto základnú otázku. Vedci pracujúci v nanomateriáli však práve urobili obrovský krok vpred, aby pochopili, prečo trenie dvoch povrchov môže viesť k šoku.
Bez ohľadu na to, ako hladký povrch môže vyzerať, pri priblížení dostatočne blízko si všimnete hrbole a jamy. Vedci označujú tieto nedostatky za „asperity“. Každý povrch, od balónov po vlákna, ako je vlna alebo vlasy, je pokrytý mikroskopickými nerovnosťami. A tieto vlastnosti sú zodpovedné za výrobu statickej elektriny, uviedol Christopher Mizzi, doktorand v odbore vedy o materiáloch a strojárstve na Northwestern University v Evanston, Illinois.
V štúdii uverejnenej v septembri v časopise Physical Review Letters porovnával Mizzi a jeho spoluautori neviditeľné nedokonalosti každodenných predmetov s povrchom Zeme. Ak sa pozriete na Zem z ďaleka, planéta „vyzerá veľmi hladko, ako dokonalá guľa,“ povedal Mizzi. Vieme však, že v skutočnosti nie je Zem ani zďaleka plynulá, ale musíte sa na ňu dôkladne pozrieť, aby ste to videli. Je to iba vtedy, keď „priblížite zobrazenie dostatočne ďaleko, všimnete si, že existujú hory a kopce,“ povedal. Podobne známe objekty vyzerajú hladko, kým nie sú pozorované zblízka.
Keď sa povrchy dvoch predmetov trú o seba, ich nerovnosti sa zoškrabnú a vytvoria trenie. Vedci už dlhú dobu vedia, že trenie zohráva úlohu v statickej elektrine. (V skutočnosti vedecký termín pre statickú elektrinu, triboelektriku, má koreň s tribológiou, čo je štúdium trenia.)
V novej štúdii Mizzi a jeho spoluautori ukázali, že nerovnosti, ktoré spôsobujú trenie, tiež spôsobujú šokujúci rozdiel v elektrickom náboji.
Niečo neobvyklé v súvislosti so statickou elektrinou je to, že je najjednoduchšie vyrobiť pomocou materiálov obmedzujúcich elektrinu známych ako izolátory; patria sem guma, vlna a vlasy. Pri súčasnej elektrine - každodennej forme elektriny, ktorá poháňa telefóny, svetlá a takmer všetku ostatnú elektroniku - elektróny vytvárajú prúdy prúdením cez atómy vo vodivých materiáloch, ako je medený drôt. Atómy izolátorov však nedovoľujú, aby elektróny prichádzali a odchádzali ľahko; svoje meno zarobia tým, že inhibujú tok elektrónov.
Mizzi a jeho kolegovia zistili, že statická elektrina sa vyrába vtedy, keď sa roztrhnutia izolátorov navzájom otriasajú a interferujú s elektrónovými mrakmi. Pretože elektróny v izolátoroch sa nemôžu ľahko pohybovať, môže ich trenie ohýbať oblaky elektrónov z tvaru.
V týchto materiáloch je oblak elektrónov okolo atómov obvykle symetrický. Keď sa pozriete na tieto oblaky, „nemôžete to povedať zdola, zľava sprava,“ povedal Mizzi.
Ale ak stlačíte ten elektrónový oblak, deformuje sa a stáva sa asymetrickým. Za správnych okolností môže tento nový tvar nerovnomerne distribuovať napätie v materiáli, vysvetlil Mizzi.
Čo to má spoločné s vlnenými ponožkami na koberci? Keď kráčate v takejto obuvi, kombinácia hmotnosti vášho tela a vášho kráčajúceho pohybu spôsobí, že sa vlákna v ponožkách skĺznu proti vláknam v koberci. Keď sa tieto dva materiály navzájom omotajú, hrče na jednom povrchu sa potiahnu pozdĺž asperít na protiľahlom povrchu a spôsobia ich ohýbanie. Keď dôjde k tomuto ohybu, elektrónové oblaky v atómoch, ktoré tvoria asperity, sa rozkvitajú do asymetrických tvarov, čo spôsobuje veľmi malý rozdiel v napätí.
Hoci sú tieto zmeny napätia malé, sčítajú sa. Asperity sú také početné, že mrhanie elektrónovými mrakmi spôsobuje značné hromadenie statickej elektriny - dostatočne silné na to, aby ste to cítili, keď sa dotknete kľučky alebo potriasť niekoho rukou.
Toto nové pochopenie statickej elektriny by mohlo ovplyvniť vedcov vyvíjajúcich látky, ktoré vyrábajú energiu generovanú trením pre nabíjanie nositeľných zariadení, čo by mohlo zvýšiť účinnosť výrobkov. A s lepším pochopením toho, ktoré materiály nedokážu ľahko vytvoriť statickú elektrinu, môžu inžinieri pracovať na vytvorení bezpečnejších výrobných prostredí, napríklad odstránením prachových častíc, ktoré môžu vznietiť požiare vzájomným trením.
„Keď máte model, môžete začať robiť predpovede,“ povedal Mizzi.
