Разгадана загадка, как трение приводит к статическому электричеству

Ученые разработали новую модель, которая показывает, что трение двух объектов вместе создает статическое электричество или трибоэлектричество, изгибая крошечные выступы на поверхности материалов.

Большинство людей испытали эффект статического электричества при расчесывании волос. Хотя этот опыт является обычным явлением, детальное понимание того, как оно происходит, ускользает от ученых более 2500 лет.

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.

Руководил исследованием Лоуренс Маркс (Laurence Marks), профессор материаловедения и инженерии в Северо-западной Школе Маккормика. Кристофер Мицци (Christopher Mizzi) и Алекс Лин (Alex Lin), докторанты в лаборатории Маркса, были соавторами работы.

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 в мехе, - сказал Маркс. - Однако это было все, чем закончился научный консенсус».

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 приводят к напряжениям, которые в конечном итоге вызывают статический заряд. Это явление называется «флексоэлектрическим эффектом», который появляется, когда разделение заряда в изоляторе возникает в результате деформаций, таких как изгиб.

Используя простую модель, команда показала, что напряжения, возникающие в результате наличия выступов во время трения, 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.

«Наши результаты показывают, что трибоэлектричество, флексоэлектричество и трение неразрывно связаны, - сказал Маркс. - Это позволяет лучше понять особенности трибоэлектрической производительности для современных приложений и расширить функциональность до новых технологий».

«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 трения и износа - могут привести к неожиданным достижениям в другой области, - сказал Эндрю Уэллс (Andrew Wells), 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».