Учёные наконец разобрались, как статическое электричество возникает от трения

В 600 году до н. э. греческий философ Фалес Милетский заметил, что, когда он трёт мехом янтарь, мех притягивает пыль. Возникающий при этом крошечный заряд стал известен как статическое электричество. У вас оно может проявляться в виде треска и распушения волос во время расчёсывания, или вы можете знать детский трюк – если потереть воздушный шарик о голову, он потом «пристаёт» к стене или потолку.

Теперь, наконец, мы знаем, почему так происходит: В начале и в конце скользящего движения, порождающего статическое электричество, действуют разные силы — в результате возникает разность зарядов между передней и задней частями, что и приводит к треску статического электричества.

«Впервые мы смогли объяснить загадку, которую никто не мог разгадать раньше: почему трение даёт такой эффект, — говорит материаловед Лоуренс Маркс из Северо-Западного университета в США. — Люди пытались, но они не могли объяснить экспериментальные результаты, не делая необоснованных или неоправданных предположений. Теперь мы можем это сделать, и ответ удивительно прост. Просто наличие различных деформаций — и, следовательно, различных зарядов — на передней и задней части чего-то скользящего приводит к возникновению тока».

Статическое электричество — чрезвычайно распространённое явление, и мы хорошо знаем условия, при которых оно может возникнуть. Когда оно возникает в результате трения двух материалов друг о друга, его называют трибоэлектричеством, а перенос заряда между двумя поверхностями – трибоэлектрическим эффектом.

Сначала, в 2019 году, Маркс и его коллеги совершили первый прорыв: они обнаружили, что трение двух материалов друг о друга деформирует микроскопические выступы на их поверхности. Деформации в текстуре поверхности создают электрическое напряжение.

В новой работе Маркс и первый автор Карл Олсон из Северо-Западного университета достроили остальную часть головоломки.

«В 2019 году у нас были зачатки теории происходящего. Однако, как и всем семенам, ей нужно было время, чтобы вырасти, — говорит Маркс. — Теперь она расцвела. Мы разработали новую модель, которая рассчитывает электрический ток. Значения тока для различных случаев хорошо согласуются с экспериментальными результатами».

Расчёты и эксперименты показали, что концепция, лежащая в основе трения, имеет решающее значение для возникновения статического электричества. Она называется упругим сдвигом — способностью материала противостоять деформации при скольжении. Когда вы трёте два материала друг о друга, они сопротивляются движению, создавая трение. Именно поэтому, даже если вы скользите по полированному полу в носках, в конце концов вы останавливаетесь.

Когда изолирующие поверхности трутся друг о друга, упругие деформации в передней части тела отличаются от деформаций в задней части. Таким образом, заряды и поляризация на передней и задней частях материала тоже отличаются, что приводит к возникновению тока между двумя разными зарядами.

Модель не объясняет всех аспектов трибоэлектричества, но, похоже, решает основную часть проблемы. Дальнейший анализ и эксперименты помогут учёным выяснить мелкие детали, что, как мы надеемся, приведёт не только к пониманию трибоэлектричества, но и к способу его контролировать.