إذا كنت تمشي على سجادة في جوارب صوف ، فهناك فرصة جيدة جدًا أن يفكك مقبض الباب التالي الذي تلمسه بشرارة. الكهرباء الساكنة شائعة جدًا لدرجة أنه من السهل نسيان مدى غرابة هذه الكهرباء.
ولكن ما الذي يحدث بالفعل عندما تصادف تلك الشرارات؟
كان الفيلسوف وعالم الرياضيات اليوناني تاليس ميليتوس أول من وصف الكهرباء الساكنة ، في القرن السادس قبل الميلاد ، لكن العلماء كافحوا لعقود للإجابة على هذا السؤال الأساسي. ومع ذلك ، قام الباحثون العاملون في مقياس النانو بخطوة هائلة إلى الأمام في السعي لفهم سبب فرك سطحين معًا يمكن أن يؤدي إلى صدمة.
بغض النظر عن مدى سلاسة السطح ، عند التكبير قريبًا بما فيه الكفاية ، ستلاحظ نتوءات وحفر. يطلق العلماء على هذه العيوب "العيوب". كل سطح ، من البالونات إلى الألياف مثل الصوف أو الشعر ، مغطى بالفتحات المجهرية. وقال كريستوفر ميزي ، مرشح الدكتوراه في علوم المواد والهندسة في جامعة نورث وسترن في إيفانستون ، إلينوي ، إن هذه الميزات مسؤولة عن إنتاج الكهرباء الساكنة.
في دراسة نشرت في سبتمبر في مجلة Physical Review Letters ، قارن Mizzi وشركاؤه العيوب غير المرئية على الأشياء اليومية بسطح الأرض. وقال Mizzi إذا نظرت إلى الأرض من بعيد ، فإن الكوكب "يبدو سلسًا للغاية ، مثل المجال المثالي". ومع ذلك ، نعلم أنه في الواقع ، الأرض بعيدة عن أن تكون ناعمة ، ولكن عليك أن تنظر إليها عن كثب لترى ذلك. وقال إنه فقط عندما "تكبر مسافة كافية تلاحظ وجود جبال وتلال". وبالمثل ، تبدو الأشياء المألوفة سلسة حتى يتم عرضها عن قرب.
عندما تحتك أسطح جسمين ببعضهما البعض ، تتداعى شذراتهما معًا ، مما يخلق احتكاكًا. عرف العلماء لفترة طويلة أن الاحتكاك يلعب دورًا في الكهرباء الساكنة. (في الواقع ، فإن المصطلح العلمي للكهرباء الساكنة ، كهرباء الاحتكاك ، يشترك في الجذر مع علم Tribology ، وهو دراسة الاحتكاك.)
في الدراسة الجديدة ، أظهر Mizzi وشركاؤه كيف أن الحساسيات التي تسبب الاحتكاك تسبب أيضًا اختلافًا صادمًا في الشحنة الكهربائية.
شيء غير عادي حول الكهرباء الساكنة هو أنه من الأسهل إنتاجها باستخدام مواد تقييد الكهرباء المعروفة باسم العوازل ؛ وتشمل هذه المطاط والصوف والشعر. في الكهرباء الحالية - الشكل اليومي للكهرباء التي تشغل الهواتف والأضواء وجميع الإلكترونيات الأخرى تقريبًا - تخلق الإلكترونات تيارات من خلال التدفق عبر الذرات في المواد الموصلة ، مثل الأسلاك النحاسية. لكن ذرات العوازل لا تدع الإلكترونات تأتي وتذهب بسهولة ؛ يكسبون اسمه عن طريق منع تدفق الإلكترون.
اكتشف Mizzi وزملاؤه أن الكهرباء الساكنة يتم إنتاجها عندما تتداعى العواصف في العوازل وتتداخل مع السحب الإلكترونية. نظرًا لأن الإلكترونات الموجودة في العوازل لا يمكنها التحرك بسهولة ، فإن هذا الاحتكاك يمكن أن ينحني عن سحب السحب الإلكترونية.
في هذه المواد ، عادة ما تكون سحابة الإلكترونات حول الذرات متماثلة. قال Mizzi عندما تنظر إلى هذه الغيوم ، "لا يمكنك أن تخبر من أسفل إلى اليسار من اليمين".
ولكن إذا ضغطت سحابة الإلكترون ، فإنها تتشوه وتصبح غير متكافئة. وأوضح المزي أنه في ظل الظروف المناسبة ، يمكن لهذا الشكل الجديد توزيع الجهد بشكل غير متساو عبر المواد.
ما علاقة ذلك مع الجوارب الصوفية على السجادة؟ أثناء المشي في مثل هذه الأحذية ، يؤدي الجمع بين وزن جسمك وحركتك المتدحرجة إلى انزلاق الألياف الموجودة في الجوارب إلى الألياف الموجودة في السجادة. عندما تفرك المادتان على بعضهما البعض مثل هذا ، فإن المطبات على سطح واحد تسحب على طول الحواجز على السطح المقابل ، مما يتسبب في انثناءهما. عندما يحدث هذا الانحناء ، يتم سحب سحابات الإلكترونات في الذرات التي تشكل التعقيدات إلى أشكال غير متناظرة ، مما يتسبب في فرق صغير جدًا في الجهد.
على الرغم من صغرها ، فإن هذه التغييرات في الجهد تضاف. هناك الكثير من العوامل التي تؤدي إلى أن سحب غيوم الإلكترونات يتسبب في تراكم كبير للكهرباء الساكنة - قوة قوية بما يكفي لتشعر بها عند لمس مقبض الباب أو مصافحة شخص ما.
يمكن أن يؤثر هذا الفهم الجديد للكهرباء الساكنة على العلماء الذين يطورون أقمشة تنتج طاقة مولدة بالاحتكاك لشحن الأجهزة القابلة للارتداء ، مما قد يجعل المنتجات أكثر كفاءة. ومع الفهم الأفضل للمواد التي تفشل في توليد الكهرباء الساكنة بسهولة ، يمكن للمهندسين العمل على خلق بيئات تصنيع أكثر أمانًا ، على سبيل المثال من خلال إزالة جزيئات الغبار التي يمكن أن تثير الحرائق عن طريق الاحتكاك ببعضها البعض.
قال المزي "عندما يكون لديك نموذج ، يمكنك البدء في عمل التنبؤات".
