Непостижимая сила природы: статическое электричество до сих пор остается загадкой для науки
Ученые годами не могли объяснить, почему одинаковые материалы заряжаются по-разному при контакте
Статическое электричество знакомо каждому еще с детства, но стоящий за ним механизм оставался загадкой для науки более двух тысяч лет.
Ученые научились ловить микроскопический стеклянный шарик в воздухе, чтобы разгадать один из старейших физических загадок.
Новое исследование показало, что даже самые простые случаи статического электричества скрывают механизмы, которые физики до сих пор не могли объяснить. Ученые из разных стран объединили усилия, чтобы наконец сложить пазл, над которым человечество сражается с древних времен. Оказалось, что разгадка может скрываться там, где ее никто не искал.
Как пишет издание Science News, физик Гальен Гросжан из Автономного университета Барселоны годами ухаживал за крохотными стеклянными шариками, словно бесценные артефакты. Малейшая неосторожность во время эксперимента могла исказить результаты или вообще уничтожить недели работы.
Исследователь поднимал стеклянный шарик в воздух с помощью звуковых волн во избежание прямого контакта руками. Затем на мгновение выключал ультразвук, шарик падал, ударялся о пластину и подпрыгивал назад, где его снова подхватывало звуковое поле. Такой трюк позволил впервые точно измерить, сколько заряда передается при одном столкновении двух одинаковых материалов.
Главная загадка статического электричества состоит в том, что никто до сих пор точно не знает, что именно передается между двумя поверхностями при прикосновении. Это могут быть отдельные электроны, заряженные атомы или целые кусочки материала. Когда предметы касаются друг друга, баланс зарядов смещается, часто удивительно сложным способом.
Самое удивительное то, что даже два шарика из совершенно одинакового материала могут заряжаться по-разному. Одна из них становилась все более положительно заряженной с каждым отскоком, а другая - все отрицательнее, словно они сделаны из разных веществ. Ученые подозревали, что причина скрывается в загрязнении поверхности, и решили это проверить.
Когда исследователи тщательно очистили шарики плазмой и прогрели их при температуре 200 градусов Цельсия, результат оказался поразительным: все "чистые" шарики начали заряжаться отрицательно, независимо от того, как вели себя раньше. Но уже через сутки предыдущая закономерность возвращалась снова - что-то невидимое успевало нарастать на поверхности заново.
Вместе со специалистами по спектроскопии команда обнаружила, что на поверхности необработанных материалов оседает тонкий слой углеродсодержащих молекул из воздуха. Именно этот "углеродный налет" и определяет, в какую сторону потечет заряд при контакте двух одинаковых веществ.
"Этот углеродный налет просто нарастает во всем и в любой среде", - объяснил физик Скотт Вайтукайтис из Института науки и технологий Австрии.
Похожая неразбериха властвует и с привычными металлами. Исследователи выяснили, что даже контакт золотого шарика с медной пластиной зависит от скорости удара: чем сильнее толчок, тем больше материалы сжимаются при столкновении. Это увеличивает площадь контакта и количество переданного заряда. С полимерами, то есть пластиком и резиной, ситуация еще запутаннее – на заряд влияет даже прошлое предмета, сколько раз и с чем он уже контактировал раньше.
Ученые признаются, что даже после многих лет работы чувствуют себя как дети, которые только начинают понимать мир вокруг себя. Физики, химики и инженеры все еще видят статическое электричество по-своему, каждый из своей профессиональной колокольни, и только объединив знания, можно составить полную картину явления.
Статическое электричество - не просто бытовая мелочь вроде становящейся дыбом волос. Считается, что именно она помогла сформироваться планетам, включая Землю, из столкновений пылевых частиц еще на заре Солнечной системы. Она порождает молнии, усиливает пылевые бури и помогает пыльце прилипать к насекомым-опылителям. В то же время это явление способно вызвать пожары на производствах, портить фармацевтическое оборудование и выводить из строя чувствительную электронику.
Понимание механизмов статического электричества может казаться сугубо теоретическим вопросом, но касается технологий, которые окружают нас ежедневно - от печати на принтере до безопасности топливных цистерн. Исследователи надеются, что постепенное составление этого научного пазла наконец-то даст ответ на вопрос, который волновал еще древнегреческих философов более двух тысяч лет назад.
