Незбагненна сила природи: статична електрика досі залишається загадкою для науки
Науковці роками не могли пояснити, чому однакові матеріали заряджаються по-різному при контакті
Статична електрика знайома кожному ще з дитинства, але механізм, який стоїть за нею, залишався загадкою для науки понад дві тисячі років.
Вчені навчилися ловити мікроскопічну скляну кульку в повітрі, щоб розгадати одну з найстаріших фізичних загадок.
Нове дослідження показало, що навіть найпростіші випадки статичної електрики приховують механізми, які фізики досі не могли пояснити. Науковці з різних країн об'єднали зусилля, щоб нарешті скласти пазл, над яким людство б'ється зі стародавніх часів. Виявилося, що розгадка може ховатися там, де її ніхто не шукав.
Як пише видання Science News, фізик Гальєн Гросжан з Автономного університету Барселони роками доглядав крихітні скляні кульки, наче безцінні артефакти. Найменша необережність під час експерименту могла спотворити результати або й узагалі знищити тижні роботи.
Дослідник підіймав скляну кульку в повітря за допомогою звукових хвиль, щоб уникнути прямого контакту руками. Потім на мить вимикав ультразвук, кулька падала, вдарялася об пластину і підстрибувала назад, де її знову підхоплювало звукове поле. Такий трюк дозволив вперше точно виміряти, скільки заряду передається під час одного зіткнення двох однакових матеріалів.
Головна загадка статичної електрики полягає в тому, що ніхто досі точно не знає, що саме передається між двома поверхнями під час дотику. Це можуть бути окремі електрони, заряджені атоми чи навіть цілі шматочки матеріалу. Коли предмети торкаються один одного, баланс зарядів зміщується, часто у дивовижно складний спосіб.
Найдивніше те, що навіть дві кульки з абсолютно однакового матеріалу можуть заряджатися по-різному. Одна з них ставала дедалі більш позитивно зарядженою з кожним відскоком, а інша - дедалі більш негативно, наче вони зроблені з різних речовин. Науковці підозрювали, що причина ховається у забрудненні поверхні, і вирішили це перевірити.
Коли дослідники ретельно очистили кульки плазмою і прогріли їх за температури 200 градусів Цельсія, результат виявився вражаючим: усі "чисті" кульки почали заряджатися негативно, незалежно від того, як поводилися раніше. Але вже за добу попередня закономірність поверталася знову - щось невидиме встигало наростати на поверхні заново.
Разом зі спеціалістами зі спектроскопії команда виявила, що на поверхні необроблених матеріалів осідає тонкий шар вуглецевмісних молекул із повітря. Саме цей "вуглецевий наліт" і визначає, у який бік потече заряд при контакті двох однакових речовин.
"Цей вуглецевий наліт просто наростає на всьому і в будь-якому середовищі", - пояснив фізик Скотт Вайтукайтіс з Інституту науки і технологій Австрії.
Схожа плутанина панує і зі звичними металами. Дослідники з'ясували, що навіть контакт золотої кульки з мідною пластиною залежить від швидкості удару: чим сильніший поштовх, тим більше матеріали стискаються при зіткненні. Це збільшує площу контакту і кількість переданого заряду. З полімерами, тобто пластиком і гумою, ситуація ще заплутаніша - на заряд впливає навіть минуле предмета, скільки разів і з чим він уже контактував раніше.
Учені зізнаються, що навіть після багатьох років роботи почуваються немов діти, які тільки починають розуміти світ навколо себе. Фізики, хіміки та інженери досі бачать статичну електрику по-своєму, кожен зі своєї професійної дзвіниці, і лише об'єднавши знання, можна скласти повну картину явища.
Статична електрика - не просто побутова дрібниця на кшталт волосся, що стає дибки. Вважається, що саме вона допомогла сформуватися планетам, включно із Землею, зі зіткнень пилових часточок ще на зорі Сонячної системи. Вона ж породжує блискавки, підсилює пилові бурі та допомагає пилку прилипати до комах-запилювачів. Водночас це явище здатне спричиняти пожежі на виробництвах, псувати фармацевтичне обладнання і виводити з ладу чутливу електроніку.
Розуміння механізмів статичної електрики може здаватися суто теоретичним питанням, але воно стосується технологій, які оточують нас щодня - від друку на принтері до безпеки паливних цистерн. Дослідники сподіваються, що поступове складання цього наукового пазла нарешті дасть відповідь на питання, яке хвилювало ще давньогрецьких філософів понад дві тисячі років тому.
