Hvis du går over et teppe i ullsokker, er det ganske god sjanse for at den neste dørhåndtaket du berører kommer til å overraske deg med en gnist. Statisk elektrisitet er så vanlig at det er lett å glemme hvor rart det er.
Men hva skjer egentlig når du støter på gnistene?
Den eldgamle greske filosofen og matematikeren Thales of Miletus var den første som beskrev statisk elektrisitet, på 600-tallet f.Kr., men forskere har kjempet i flere tiår for å svare på det grunnleggende spørsmålet. Imidlertid har forskere som jobber på nanoskala nettopp gjort et stort skritt frem i søken etter å forstå hvorfor å gni to flater sammen kan føre til et sjokk.
Uansett hvor glatt overflaten kan se ut, når du zoomer inn nær nok, vil du merke buler og groper. Forskere kaller disse ufullkommenhetene "asperiteter." Hver overflate, fra ballonger til fibre som ull eller hår, er dekket av mikroskopiske asperiteter. Og disse funksjonene er ansvarlige for å produsere statisk elektrisitet, sa Christopher Mizzi, en doktorgradskandidat i materialvitenskap og ingeniørvitenskap ved Northwestern University i Evanston, Illinois.
I en studie publisert i september i tidsskriftet Physical Review Letters, sammenlignet Mizzi og hans medforfattere de usynlige ufullkommenhetene på hverdagsobjekter med jordoverflaten. Hvis du ser på Jorden fra langt borte, ser planeten "veldig jevn ut, som en perfekt sfære," sa Mizzi. Vi vet imidlertid at jorden i virkeligheten er langt fra jevn, men du må se nøye på den for å se det. Det er først når du "zoomer langt nok inn, at du merker at det er fjell og åser," sa han. På samme måte ser kjente gjenstander jevne ut til de vises på nært hold.
Når overflatene til to gjenstander gnir mot hverandre, skraper deres asperiteter sammen og skaper friksjon. Forskere har visst lenge at friksjon spiller en rolle i statisk elektrisitet. (Den vitenskapelige betegnelsen statisk elektrisitet, triboelektrisitet, deler faktisk en rot med tribologien, som er studiet av friksjon.)
I den nye studien viste Mizzi og hans medforfattere hvordan asperitetene som forårsaker friksjon også forårsaker en sjokkerende forskjell i elektrisk ladning.
Noe uvanlig med statisk elektrisitet er at det er enklest å produsere ved bruk av elektrisitetsbegrensende materialer kjent som isolatorer; disse inkluderer gummi, ull og hår. I dagens strøm - den daglige formen for elektrisitet som driver telefoner, lys og nesten all annen elektronikk - skaper elektroner strømmer ved å strømme over atomer i ledende materialer, som kobbertråd. Men isolatorers atomer lar ikke elektroner komme og gå lett; de tjener navnet sitt ved å hemme elektronstrømmen.
Mizzi og kollegene oppdaget at statisk elektrisitet blir produsert når asperitetene i isolatorer gnir mot hverandre og forstyrrer elektronskyene. Siden elektronene i isolatorene ikke kan bevege seg lett rundt, kan det å gni bøye elektronskyene ut av form.
I disse materialene er skyen av elektroner rundt atomer vanligvis symmetrisk. Når du ser på disse skyene, kan du "ikke fortelle deg fra nede, fra venstre," sa Mizzi.
Men hvis du klemmer den elektroniske skyen, deformeres den og blir asymmetrisk. Under riktige omstendigheter kan den nye formen fordele spenning ujevnt over materialet, forklarte Mizzi.
Hva har dette med ullsokker på teppet å gjøre? Når du går i slikt fottøy, får kombinasjonen av kroppens vekt og din bevegelige bevegelse fibrene i sokkene til å gli mot fibrene i teppet. Når de to materialene gnir mot hverandre slik, drar bulene på den ene overflaten langs asperitetene på den motstående overflaten, og får dem til å bøye seg. Når denne bøyningen skjer, blir elektronskyene i atomene som utgjør asperitetene squished i asymmetriske former, noe som forårsaker en veldig, veldig liten spenningsforskjell.
Selv om de er små, øker disse spenningsendringene. Asperitetene er så mange at knusing av elektronskyer forårsaker en betydelig opphopning av statisk elektrisitet - en kraftig nok til at du kan føle det når du berører en dørhåndtak eller rister noens hånd.
Denne nyvunne forståelsen av statisk elektrisitet kan påvirke forskere som utvikler stoffer som produserer friksjonsgenerert kraft for å lade bærbare enheter, noe som kan gjøre produktene mer effektive. Og med en bedre forståelse av hvilke materialer som ikke klarer å lage statisk elektrisitet lett, kan ingeniører jobbe for å skape tryggere produksjonsmiljøer, for eksempel ved å eliminere støvpartikler som kan utløse branner ved å gni mot hverandre.
"Når du har en modell, kan du begynne å komme med spådommer," sa Mizzi.
