|
Статическое электричество - одна загадок физики
|
|
|
|
Статическое электричество долгое время оставалось одной из самых непредсказуемых загадок физики. Однако новое исследование, проведенное группой Вайтукайтиса из Австрийского института науки и технологий (ISTA), возможно, наконец-то внесло порядок в этот хаос.
|
|
|
|
Исследование показывает, что история электрических контактов материалов определяет, как они обмениваются зарядами, предлагая долгожданное объяснение случайности обмена статическим электричеством. Используя идентичные материалы, команда обнаружила ранее не подозреваемый фактор, который контролирует передачу заряда.
|
|
|
|
Загадки статического электричества
|
|
|
|
Статическое электричество влияет на повседневную жизнь знакомыми способами — удар током от прикосновения к дверной ручке, воздушный шарик, прилипший к волосам ребенка, или пенопласт, прилипший к домашнему животному. Несмотря на его повсеместное распространение, ученые долгое время пытались полностью понять “контактную электризацию” - процесс, посредством которого материалы обмениваются зарядом при контакте.
|
|
|
|
“В просторечии мы называем контактную электрификацию ”статической", но движение и контакт являются основными составляющими мероприятия", - объясняет Скотт Вайтукайтис, руководитель группы Вайтукайтиса в ISTA.
|
|
|
|
|
|
|
“От контактной электризации никуда не деться, ее испытывает каждый. Вот почему для нас может оказаться неожиданностью, что мы не понимаем, как именно это происходит”, - добавляет он.
|
|
|
|
Вайтукайтис руководил исследованием вместе с кандидатом наук ISTA Хуаном Карлосом Собарцо, который вспоминал момент, когда исследовательская группа достигла поворотного момента.
|
|
|
|
“Мы протестировали различные параметры, которые могли бы повлиять на электризацию контактов, но ни один из них не смог обоснованно объяснить наши результаты. Вот тут-то мы и задумались: а что, если на процесс зарядки влияет сам контакт? Слово ”контакт" уже присутствует в названии, однако многие не обращали на него внимания".
|
|
|
|
Странные эффекты статического электричества
|
|
|
|
Физики и химики веками ломали голову над статическим электричеством. В то время как ученые поняли, как происходит обмен зарядами в металлах, еще в 1950-х годах, этот процесс оставался неясным для изоляторов.
|
|
|
|
Со временем исследователи предложили “трибоэлектрический ряд” — ранжирование материалов, основанное на их склонности получать или терять электроны. Однако эти исследования были сопряжены с противоречиями. Разные исследовательские группы выдавали противоречивые приказы, и даже повторные эксперименты, проводимые одним и тем же ученым, иногда давали разные результаты.
|
|
|
|
“Понимание того, как изоляционные материалы обмениваются зарядами, в течение очень долгого времени казалось полной неразберихой: эксперименты совершенно непредсказуемы и иногда могут показаться совершенно случайными”, - говорит Вайтукайтис.
|
|
|
|
Еще больше усложняет ситуацию то, что даже идентичные материалы непредсказуемо обмениваются зарядами, что заставляет ученых задуматься о том, что определяет направление переноса заряда.
|
|
Сведение к минимуму переменных
|
|
|
|
Для проведения исследования команда сосредоточилась на электризации контактов из идентичных материалов, которая оказалась самой непредсказуемой - и, следовательно, наиболее показательной — формой обмена зарядами.
|
|
|
|
Исключив как можно больше переменных, они разработали эксперимент с использованием полидиметилсилоксана (PDMS), прозрачного силиконового полимера. Их первоначальная гипотеза предполагала, что случайные изменения поверхности влияют на обмен зарядами. Однако первые тесты дали такие же хаотичные, противоречивые результаты, как и предыдущие исследования.
|
|
|
|
Решив выяснить причину, исследователи проверили, будут ли отдельные образцы PDMS со временем образовывать трибоэлектрический ряд. Именно тогда Собарцо сделал удивительное открытие.
|
|
|
|
“Я взял набор образцов, который был у меня под рукой — тогда я использовал их повторно для множества экспериментов — и, к своему удивлению, с первой попытки увидел, что они упорядочены в серии”, - вспоминает он.
|
|
Роль истории контактов в статическом электричестве
|
|
|
|
Чтобы подтвердить это открытие, команда повторила эксперимент с трибоэлектрической серией со свежими, неиспользованными образцами. Каковы результаты? Случайность вернулась.
|
|
|
|
“На этом этапе мы могли бы сдаться”, - говорит Собарзо. “Однако на следующий день я решил повторить попытку с тем же набором образцов. Результаты выглядели лучше, поэтому я продолжал попытки, пока с пятой попытки образцы не выстроились в идеальную серию”.
|
|
|
|
Этот прорыв привел исследователей к важному осознанию: повторный контакт со временем изменяет поведение заряда образцов. Повторно использованные образцы уже подверглись многократному обмену зарядами, что постепенно изменило их электрические свойства.
|
|
|
|
“Как только мы начали отслеживать историю контактов с образцами, случайность и хаос на самом деле обрели смысл”, - говорит Вайтукайтис.
|
|
|
|
В ходе дальнейшего тестирования команда обнаружила, что примерно после 200 контактов образцы начали вести себя предсказуемо. Важно отметить, что образец с более длительной историей контакта постоянно заряжался отрицательно при соединении с более новым образцом.
|
|
|
|
Что еще более примечательно, их результаты показали, что трибоэлектрическая серия может быть специально разработана, просто контролируя количество и порядок контактов между материалами.
|
|
Новый взгляд на статическое электричество
|
|
|
|
Открытие истории контакта как определяющего фактора обмена зарядами является совершенно новым и помогает объяснить, почему предыдущие эксперименты давали такие противоречивые результаты.
|
|
|
|
Однако остается один вопрос: что физически изменяется в материале во время контакта?
|
|
|
|
Исследователи изучили несколько свойств своих образцов PDMS и обнаружили только одно изменение, поддающееся измерению, — микроскопические изменения шероховатости поверхности. Каждый контакт слегка сглаживал крошечные неровности поверхности, что указывает на потенциальную связь между механическим износом и поведением заряда.
|
|
|
|
Тем не менее, точный механизм остается неизвестным.
|
|
|
|
“Нам удалось найти ключ к разгадке неуловимого механизма, который является фундаментальным для нашего понимания электричества и электростатики и который так долго озадачивал ученых”, - говорит Собарзо. Вайтукайтис заключает, едва скрывая свое волнение: “Мы показали, что наука о статическом электричестве уже не так безнадежна”.
|
|
|
|
Источник
|
