Ako idete preko tepiha u vunenim čarapama, postoji prilično dobra šansa da vas sljedeća kvaka na vratima iznenadi iskrom. Statička struja toliko je česta da je lako zaboraviti koliko je čudna.
Ali što se zapravo događa kad naiđete na te iskre?
Drevni grčki filozof i matematičar Thales iz Mileta prvi je opisao statički elektricitet u šestom stoljeću prije Krista, ali znanstvenici su se desetljećima borili da odgovore na to osnovno pitanje. Međutim, istraživači koji rade na nanorazgradnji upravo su napravili ogroman korak naprijed u potrazi za razumijevanjem zašto trljanje dvije površine zajedno može dovesti do šoka.
Bez obzira koliko glatka površina izgledala, kad zumirate dovoljno blizu, primijetit ćete izbočine i udubine. Znanstvenici nazivaju ove nesavršenosti "asperitetima". Svaka površina, od balona do vlakana poput vune ili kose, prekrivena je mikroskopskim asperitetima. A ove su karakteristike odgovorne za proizvodnju statičkog elektriciteta, rekao je Christopher Mizzi, doktorski studij znanosti i inženjerstva materijala na Sveučilištu Northwestern u Evanstonu, Illinois.
U studiji objavljenoj u rujnu u časopisu Physical Review Letters, Mizzi i njegovi koautori usporedili su nevidljive nesavršenosti svakodnevnih objekata s površinom Zemlje. Ako Zemlju gledate iz daleka, planet "izgleda vrlo glatko, poput savršene sfere", rekla je Mizzi. Znamo, međutim, da je u stvarnosti Zemlja daleko od glatke, ali morate to pogledati izbliza kako biste to vidjeli. Tek kada "zumirate dovoljno daleko, primijetite da postoje planine i brda", rekao je. Slično tome, poznati predmeti izgledaju glatko dok se ne gledaju izbliza.
Kada se površine dvaju predmeta trljaju jedna o drugu, njihove se asperzije strše, stvarajući trenje. Znanstvenici već duže vrijeme znaju da trenje igra ulogu u statičkom elektricitetu. (Zapravo, znanstveni izraz za statički elektricitet, triboelektričnost, dijeli korijen s tribologijom, a to je studija trenja.)
U novoj su studiji Mizzi i njegovi koautori pokazali kako razlike koje uzrokuju trenje također uzrokuju šokantnu razliku u električnom naboju.
Nešto neobično u statičkom elektricitetu je da je to najlakše proizvesti korištenjem materijala koji ograničavaju struju i koji su poznati kao izolatori; tu spadaju guma, vuna i kosa. U trenutnoj električnoj energiji - svakodnevnom obliku električne energije koji pokreće telefone, svjetla i gotovo svu drugu elektroniku - elektroni stvaraju struje protokom kroz atome u vodljivim materijalima, poput bakrene žice. Ali atomi izolatora ne dopuštaju da elektroni lako dolaze i odlaze; oni dobivaju svoje ime inhibiranjem protoka elektrona.
Mizzi i njegovi kolege otkrili su da se statički elektricitet proizvodi kada se razlike u izolatorima trljaju jedna o drugu i interferiraju s oblacima elektrona. Budući da se elektroni u izolatorima ne mogu lako kretati, to trljanje može izvući oblake elektrona iz oblika.
U tim je materijalima oblak elektrona oko atoma obično simetričan. Kada gledate ove oblake, "ne možete se rangirati odozdo, lijevo s desna", rekao je Mizzi.
Ali ako stisnete taj oblak elektrona, deformira se, postajući asimetričan. Pod pravim okolnostima, taj novi oblik može neravnomjerno rasporediti napon kroz materijal, objasnio je Mizzi.
Kakve to veze ima s vunenim čarapama na tepihu? Dok hodate u takvoj obući, kombinacija težine vašeg tijela i vašeg naglog gibanja uzrokuje da vlakna u vašim čarapama klize prema vlaknima u tepihu. Kada se dva materijala ovako trljaju jedan o drugi, udarci na jednoj površini povlače se po visini na suprotnoj površini, zbog čega se savijaju. Kada se ovo savijanje dogodi, elektroni se oblaci u atomima koji čine asperitivi pretapaju u asimetrične oblike, uzrokujući vrlo, vrlo malu razliku u naponu.
Iako su male, ove promjene napona zbrajaju se. Asperiteti su toliko brojni da škljocanje elektronskih oblaka uzrokuje značajno nakupljanje statičkog elektriciteta - dovoljno snažnog da ga osjetite kada dodirnete kvaku ili stisnete nečiju ruku.
Ova nova spoznaja statičkog elektriciteta mogla bi utjecati na znanstvenike koji razvijaju tkanine koje proizvode snagu trenja za punjenje nosivih uređaja, što bi moglo učiniti proizvode učinkovitijima. A s boljim razumijevanjem koji materijali ne stvaraju statički elektricitet lako, inženjeri mogu raditi na stvaranju sigurnijeg proizvodnog okruženja, na primjer uklanjanjem čestica prašine koje mogu požare izazvati trljanjem jedna o drugu.
"Kad imate model, možete početi predvidjeti", rekla je Mizzi.
