Hvis du går på tværs af et tæppe i uldstrømper, er der en ret god chance for, at den næste dørhåndtag, du rører ved, vil overraske dig med en gnist. Statisk elektricitet er så almindeligt, at det er let at glemme, hvor underligt det er.
Men hvad sker der faktisk, når du støder på disse gnister?
Den antikke græske filosof og matematiker Thales fra Milet var den første, der beskrev statisk elektricitet i det sjette århundrede f.Kr., men forskere har kæmpet i årtier for at besvare det grundlæggende spørgsmål. Imidlertid har forskere, der arbejder på nanoskalaen, lige gjort et stort skridt fremad i søgen efter at forstå, hvorfor gnide to overflader sammen kan føre til et chok.
Uanset hvor glat en overflade kan se ud, når du zoomer ind tæt nok, vil du bemærke stød og grober. Forskere kalder disse ufuldkommenheder "asperiteter." Hver overflade, fra balloner til fibre som uld eller hår, er dækket af mikroskopiske asperiteter. Og disse funktioner er ansvarlige for produktion af statisk elektricitet, sagde Christopher Mizzi, en doktorgradskandidat i materialevidenskab og teknik ved Northwestern University i Evanston, Illinois.
I en undersøgelse, der blev offentliggjort i september i tidsskriftet Physical Review Letters, sammenlignede Mizzi og hans medforfattere de usynlige ufuldkommenheder på hverdagens genstande med jordoverfladen. Hvis du ser på Jorden fra langt væk, ser planeten "meget glat ud som en perfekt sfære," sagde Mizzi. Vi ved dog, at i virkeligheden er Jorden langt fra glat, men du skal se nærmere på den for at se det. Det er kun, når "du zoomer langt ind, du bemærker, at der er bjerge og bakker," sagde han. Tilsvarende ser kendte objekter glatte ud, indtil de ses tæt på.
Når overfladerne på to genstande gnider mod hinanden, skraber deres asperiteter sammen og skaber friktion. Forskere har i lang tid vidst, at friktion spiller en rolle i statisk elektricitet. (Faktisk deler den videnskabelige betegnelse for statisk elektricitet, triboelektricitet, en rod med tribologi, som er studiet af friktion.)
I den nye undersøgelse viste Mizzi og hans medforfattere, hvordan asperities, der forårsager friktion, også forårsager en chockerende forskel i elektrisk ladning.
Noget usædvanligt ved statisk elektricitet er, at det er nemmest at producere ved hjælp af elektricitetsbegrænsende materialer kendt som isolatorer; disse inkluderer gummi, uld og hår. I den nuværende elektricitet - den daglige form for elektricitet, der driver telefoner, lys og næsten al anden elektronik - skaber elektroner strømme ved at flyde over atomer i ledende materialer, som kobbertråd. Men isolatorers atomer lader ikke elektroner komme og gå let; de tjener deres navn ved at hæmme elektronstrømmen.
Mizzi og hans kolleger opdagede, at der produceres statisk elektricitet, når overfladen i isolatorer gnider mod hinanden og forstyrrer elektronskyerne. Da elektronerne i isolatorerne ikke kan bevæge sig let rundt, kan det at gnide bøje elektronskyene ude af form.
I disse materialer er skyen af elektroner omkring atomer normalt symmetrisk. Når du ser på disse skyer, kan du "ikke fortælle det fra nede, fra venstre fra højre," sagde Mizzi.
Men hvis du klemmer elektronskyen, deformeres den og bliver asymmetrisk. Under de rigtige omstændigheder kan den nye form fordele spænding ujævnt over materialet, forklarede Mizzi.
Hvad har dette at gøre med uldsokker på tæppet? Når du går i sådan fodtøj, får kombinationen af din krops vægt og din bevægende bevægelse fibrene i dine sokker til at glide mod fibrene i tæppet. Når de to materialer gnider mod hinanden sådan, trækkes bulerne på den ene overflade langs asperiteterne på den modstående overflade, hvilket får dem til at bøje sig. Når denne bøjning sker, klemmes elektronskyene i atomerne, der udgør asperiteterne, i asymmetriske former, hvilket forårsager en meget, meget lille spændingsforskel.
Selvom de er små, tilføjes disse spændingsændringer. Asperiteterne er så mange, at kløningen af elektronskyer forårsager en betydelig opbygning af statisk elektricitet - en kraftig nok til at du kan føle det, når du rører ved en dørhåndtag eller ryster andres hånd.
Denne nyvundne forståelse af statisk elektricitet kunne påvirke videnskabsfolk, der udvikler stoffer, der producerer friktionsgenereret strøm til opladning af bærbare enheder, hvilket kunne gøre produkter mere effektive. Og med en bedre forståelse af hvilke materialer, der ikke skaber let statisk elektricitet, kan ingeniører arbejde for at skabe mere sikre fremstillingsmiljøer, for eksempel ved at fjerne støvpartikler, der kan udløse brande ved at gnide mod hinanden.
”Når du har en model, kan du begynde at forudsige,” sagde Mizzi.
