Электричество: раскрыта загадка 2000-летней давности
Любой, кто когда-либо гладил кошку или передвигал ногами по ковру, знает, что трущиеся предметы создают статическое электричество.
Однако объяснение этого явления ускользало от исследователей на протяжении более двух тысячелетий.
Теперь ученые Северо-Западного университета наконец открыли действующую механику. В основе создания статического электричества лежат микровыступы, присутствующие на поверхностях, даже на первый взгляд гладких. Деформация этих выступов под действием силы является основой генерации электричества трения.
Эта разница в силах приводит к накоплению разных электрических зарядов на передней и задней части объекта.
Разница электрических зарядов создает ток, который приводит к небольшому разряду.
Загадка 2000-летней давности
«Впервые мы можем объяснить тайну, которую никто раньше не мог объяснить: почему трение имеет значение», — сказал Лоуренс Маркс из Northwestern, возглавлявший исследование.
«Люди пытались объяснить это, но не могли оправдать результаты экспериментов, не делая предположений, которые не были доказаны или доказуемы. Теперь мы можем, и ответ на удивление прост. Просто наличие разных деформаций – и, следовательно, разных зарядов – спереди и сзади чего-то скользящего, приводит к возникновению тока».
Маркс — эксперт в области поверхностных структур и почетный профессор материаловедения и инженерии Инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета. Карл Олсон , докторант исследовательской группы Маркса, является первым автором статьи.
Греческий философ Фалес Милетский впервые сообщил о статическом электричестве, вызванном трением, в 600 году до нашей эры. Потерев янтарь мехом, он заметил, что мех притягивает пыль.
«С тех пор стало ясно, что трение вызывает статический заряд во всех изоляционных материалах, а не только в мехе», — сказал Маркс. «Однако это более или менее конечная точка научного консенсуса».
Секрет электрического заряда
Маркс и его команда начали разгадывать тайну в 2019 году.
В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, сообщается, что трение двух материалов друг о друга сгибает небольшие выступы на поверхности этих материалов. Исследователи обнаружили, что эти изогнутые и деформированные выступы вызывают напряжения.
«В 2019 году у нас было начало того, что происходило. Однако, как и всем семенам, ему нужно время, чтобы вырасти», — сказал Маркс.
«Теперь оно расцвело. Мы разработали новую модель, которая рассчитывает электрический ток. Текущие значения для ряда различных случаев хорошо согласовывались с экспериментальными результатами».
В основе новой модели лежит концепция под названием «эластичный крой». Упругий сдвиг может возникнуть, когда материал сопротивляется силе скольжения. Если человек толкает тарелку на стол, тарелка сопротивляется скольжению.
Как только человек перестает тужиться, пластина перестает двигаться. Это дополнительное трение, вызванное сопротивлением скольжению, заставляет электрические заряды двигаться.
Помимо прочего, модель объясняет, почему материалы, которые обычно используются для изоляции, часто способны генерировать статическое электричество: в этом случае энергия, генерируемая микровыступами, накапливается на них, не имеет возможности течь и поэтому разряжается только при контакт с проводящим телом.
Опасность электрического заряда от трения
Статическое электричество может стать причиной забавных происшествий, таких как волосы, вставшие дыбом после спуска с игровой площадки, но оно также может привести к серьезным проблемам. Например, искры, возникающие от статического электричества, вызывают промышленные пожары и даже взрывы.
Это также может препятствовать последовательному дозированию порошкообразных лекарств или мешать другим производственным процессам.
Лучше понимая действующие механизмы, исследователи могли бы предложить новые решения этих проблем, в том числе путем изучения поверхности задействованных материалов на микроскопическом уровне.
«Статическое электричество влияет на жизнь как простым, так и глубоким образом», — вспоминает Маркс. «Зарядка кофейных зерен статическим электричеством оказывает большое влияние на то, как помолоты кофейные зерна и на их вкус. Земля, вероятно, не была бы планетой без ключевого этапа слипания частиц, образующих планеты, которое происходит из-за статического электричества, генерируемого сталкивающимися зернами. Удивительно, насколько сильно статическое электричество влияет на нашу жизнь и насколько от него зависит Вселенная».
Благодаря нашему Telegram-каналу вы можете быть в курсе публикаций новых статей «Экономические сценарии».
Статья «Электричество: разгадана 2000-летняя загадка» взята из журнала Scenari Economici .
Это автоматический перевод публикации, опубликованной в журнале Scenari Economici по адресу https://scenarieconomici.it/elettricita-risolto-un-mistero-che-dura-da-2000-anni/ в Sun, 22 Sep 2024 08:00:43 +0000.