Pokud přejdete po koberci ve vlněných ponožkách, je zde docela dobrá šance, že vás další klika klikou překvapí jiskrou. Statická elektřina je tak běžná, že je snadné zapomenout, jak je to divné.
Ale co se vlastně děje, když narazíte na tyto jiskry?
Starověký řecký filozof a matematik Thales of Miletus byl první, kdo popsal statickou elektřinu, v šestém století B.C., ale vědci se po desetiletí snažili odpovědět na tuto základní otázku. Vědci pracující v nanoměřítku však právě udělali obrovský krok vpřed ve snaze pochopit, proč otření dvou povrchů může vést k šoku.
Bez ohledu na to, jak hladký může povrch vypadat, při přiblížení dostatečně blízko si všimnete hrbolů a jám. Vědci označují tyto nedostatky za „asperity“. Každý povrch, od balónků po vlákna, jako je vlna nebo vlasy, je zakryt v mikroskopických nerovnostech. A tyto funkce jsou zodpovědné za výrobu statické elektřiny, uvedl Christopher Mizzi, doktorand v oboru materiálových věd a inženýrství na Northwestern University v Evanstonu ve státě Illinois.
Ve studii zveřejněné v září v časopise Physical Review Letters porovnal Mizzi a jeho spoluautoři neviditelné nedokonalosti každodenních objektů s povrchem Země. Když se podíváte na Zemi z dálky, vypadá planeta „velmi hladce, jako dokonalá koule,“ řekl Mizzi. Víme však, že ve skutečnosti není Země zdaleka hladká, ale musíte to pozorně sledovat, abyste to viděli. Je to jen tehdy, když si "přiblížíte dost daleko, všimnete si, že existují hory a kopce," řekl. Podobně známé objekty vypadají hladce, dokud nejsou pozorovány zblízka.
Když se povrchy dvou předmětů otírají jeden o druhého, jejich asperity seškrábnou dohromady a vytvoří tření. Vědci dlouho věděli, že tření hraje roli ve statické elektřině. (Ve skutečnosti, vědecký termín pro statickou elektřinu, triboelectricity, sdílí kořen s tribology, který je studium tření.)
V nové studii Mizzi a jeho spoluautoři ukázali, jak asperity způsobující tření také způsobují šokující rozdíl v elektrickém náboji.
Něco neobvyklého na statické elektřině je to, že je nejsnadnější vyrobit pomocí materiálů omezujících elektřinu známých jako izolátory; mezi ně patří guma, vlna a vlasy. Při současné elektřině - každodenní formě elektřiny, která pohání telefony, světla a téměř veškerou ostatní elektroniku - vytvářejí elektrony proudy prouděním atomů ve vodivých materiálech, jako je měděný drát. Atomy izolátorů však nedovolí, aby elektrony přicházely a odcházely snadno; oni vydělávají jejich jméno tím, že potlačí tok elektronů.
Mizzi a jeho kolegové objevili, že statická elektřina je produkována, když se asperity v izolátorech otírají proti sobě a interferují s elektronovými mračny. Protože elektrony v izolátorech se nemohou snadno pohybovat, může toto tření ohýbat elektronová mračna z tvaru.
V těchto materiálech je cloud elektronů kolem atomů obvykle symetrický. Když se podíváte na tyto mraky, „nemůžete to říci shora dolů, zleva zprava,“ řekl Mizzi.
Pokud ale stlačíte ten elektronový mrak, deformuje se a stává se asymetrickým. Za správných okolností může tento nový tvar rozložit napětí nerovnoměrně napříč materiálem, vysvětlil Mizzi.
Co to má společného s vlněnými ponožkami na koberci? Při chůzi v takovéto obuvi způsobuje kombinace hmotnosti vašeho těla a vašeho kráčejícího pohybu vlákna v ponožkách klouzání proti vláknům v koberci. Když se oba materiály otírají o sebe takhle, hrboly na jednom povrchu táhnou podél asperitů na protilehlém povrchu a způsobují jejich ohýbání. Když dojde k tomuto ohýbání, elektronová mračna v atomech, které tvoří asperity, se rozštípnou do asymetrických tvarů, což způsobí velmi, velmi malý rozdíl v napětí.
Přestože jsou tyto změny napětí malé, sčítají se. Asperity jsou tak četné, že kvílení elektronových mraků způsobuje výrazné hromadění statické elektřiny - dostatečně silné, abyste to cítili, když se dotknete kliky nebo potřásli rukou.
Toto nové chápání statické elektřiny by mohlo ovlivnit vědce vyvíjející látky, které vyrábějí energii generovanou třením pro nabíjení nositelných zařízení, což by mohlo zefektivnit výrobky. A s lepším pochopením toho, které materiály nedokážou snadno vytvořit statickou elektřinu, mohou inženýři pracovat na vytvoření bezpečnějších výrobních prostředí, například tím, že odstraní prachové částice, které mohou zažehnout ohně tím, že se o sebe otřou.
„Když máš model, můžeš začít předpovídat,“ řekl Mizzi.
