Наконец-то раскрыт главный секрет статического электричества

Исследователи смогли объяснить непредсказуемость контактной электризации, обнаружив порядок в том, что долгое время считалось хаосом.


Статическое электричество — в частности, трибоэлектрический эффект, также известный как контактная электризация, — повсеместно встречается в повседневной жизни. Оно возникает, если воздушный шарик потереть о волосы, или когда кусочки упаковочного пенопласта прилипают к кошачьей шерсти, человеческой коже, стеклянным столешницам и практически повсюду.

Сами основы физического явления хорошо изучены. Но всё ещё оставались загадки, в частности, как разные материалы обмениваются положительными и отрицательными зарядами. Дело в том, что иногда «детальки» выстраиваются в предсказуемую последовательность, а иногда проявляют полную хаотичность.

И вот учёные из Института науки и технологий Австрии (ISTA) выявили важнейший фактор. Они объяснили присущую электричеству непредсказуемость. Оказалось, что именно история контактов между материалами определяет, как они обмениваются зарядами при контактной электризации.

В 1757 году шведский физик-экспериментатор Йохан Карл Вильке описал склонность различных материалов к самоорганизации в зависимости от того, как они накапливают положительный или отрицательный заряд. Но понимание того, как изоляционные материалы обмениваются зарядом, очень долго ускользало от исследователей, сказал Скотт Вайтукайтис из ISTA.


— Вайтукайтис.

Например, положительность или отрицательность заряда предметов из целлюлозы могут зависеть от того, вогнутая или выпуклая у них поверхность. Два материала могут обмениваться зарядом от положительного к отрицательному, но со временем этот обмен может измениться на противоположный. А ещё есть «трибоэлектрические треугольники»: иногда материал A приобретает положительный заряд при трении о материал B, но B приобретает положительный заряд при трении о третий материал, C. Но этот C, в свою очередь, приобретает положительный заряд при контакте с A. Даже идентичные материалы иногда могут обмениваться зарядами при контакте.

Лопасти самолётов и вертолётов могут накапливать трибоэлектрический (статический) заряд в результате трения о воздух. Космические аппараты, накапливающие достаточно трибоэлектрического заряда, могут создавать помехи в системах связи. Трибоэлектрический заряд также может вызывать проблемы с медицинскими кабелями. В шинах автомобиля содержится технический углерод, который помогает рассеивать накапливающийся трибоэлектрический заряд. С другой стороны, трибоэлектричество можно использовать в наногенераторах для преобразования механической энергии в электричество.



Вайтукайтис и его коллеги решили сосредоточиться на трибоэлектрическом заряде, возникающем при контакте одинаковых материалов, полагая, что это может пролить свет на давнюю загадку. Это также помогло им сократить количество усложняющих картину переменных. Для своих экспериментов они решили использовать пластиковые блоки из прозрачного силикона, и измерить, как разные детали обмениваются зарядом в разных условиях. Особенно хотелось понять, будут ли одинаковые детали выстраиваться в трибоэлектрическую последовательность.

После 200 повторных экспериментальных контактов предмет с наибольшим количеством взаимодействий неизменно приобретал отрицательный заряд по сравнению с деталькой с наименьшим количеством контактов в серии опытов.

Учёные пришли к выводу, что непредсказуемость контактной электризации, возможно, не так уж и бесполезна. Внимательно изучив историю контактов между деталями из силикона, можно не только объяснить непредсказуемость системы, но и даже управлять ею.

Понимание трибоэлектричества важно, потому что статический заряд возникает повсюду и может иметь серьёзные последствия. Например, в трубах, по которым транспортируется горючее топливо, тот же газ, может накапливаться значительный заряд вдоль стенок. Такие системы подачи топлива могут загореться, если во время использования накапливается слишком много трибоэлектричества. Например, в 2017 году на китайском заводе произошёл химический взрыв, в результате которого погиб один человек и пострадали ещё несколько. Причиной стала искра, возникшая из-за того, что кто-то просто протёр рельсу рядом с резервуаром для химикатов, когда этот резервуар наполняли легковоспламеняющимся веществом.