Статическое электричество

В настоящее время команда Северо-Западного университета разработала новую модель, которая показывает, что трение двух объектов вместе создает статическое электричество или трибоэлектричество, изгибая крошечные выступы на поверхности материалов.

Это новое понимание может иметь важные последствия для существующих электростатических применений, таких как сбор энергии и печать, а также для предотвращения потенциальных опасностей, таких как пожары, вызванные искрами от статического электричества.

Исследование будет опубликовано в четверг, 12 сентября, в журнале Physical Review Letters. Лоуренс Маркс, профессор материаловедения и инженерии в северо-западной школе Маккормика, руководил исследованием. Кристофер Миззи и Алекс Лин, докторанты в лаборатории Маркса, были соавторами статьи.

Греческий философ Фалес из Милета впервые сообщил о статическом электричестве, вызванном трением, в 600 году до нашей эры. Потерев янтарь мехом, он заметил, что мех привлек пыль.

«С тех пор стало ясно, что трение вызывает статический заряд во всех изоляторах — не только на меху», — сказал Маркс. «Тем не менее, это более или менее, где научный консенсус закончился».

На наноуровне все материалы имеют шероховатую поверхность с бесчисленными крошечными выступами. Когда два материала вступают в контакт и трутся друг о друга, эти выступы изгибаются и деформируются.

Команда Маркса обнаружила, что эти деформации вызывают напряжения, которые в конечном итоге вызывают статический заряд. Это явление называется «флексоэлектрическим эффектом», который возникает, когда разделение заряда в изоляторе возникает в результате деформаций, таких как изгиб.

Используя простую модель, северо-западная команда показала, что напряжения, возникающие в результате изгибных выступов во время протирки, действительно достаточно велики, чтобы вызвать статическое электричество. В этой работе объясняется ряд экспериментальных наблюдений, например, почему возникают заряды, даже когда два куска одного и того же материала соприкасаются друг с другом, и предсказываются экспериментально измеренные заряды с замечательной точностью.

«Это прекрасный пример того, как фундаментальные исследования могут объяснить повседневные явления, которые не были поняты ранее, и как исследования в одной области — в данном случае трение и износ — могут привести к неожиданным достижениям в другой области», — сказал он. Эндрю Уэллс, программный директор национального научного фонда (NSF), который финансировал исследования. «NSF финансирует такие исследования в области материаловедения и инженерии для новых знаний, которые однажды могут открыть новые возможности».