В 600 году до нашей эры греческий философ Фалес Милетский заметил, что, если потереть янтарь о мех, он начинает притягивать мелкие частицы, такие как пыль. Это явление позже назвали статическим электричеством.
Вы могли сталкиваться с ним в повседневной жизни: когда ваши волосы электризуются после расчесывания или когда воздушный шарик прилипает к стене после того, как вы потерли его о голову. Люди веками замечали это явление, но ученые долго не могли понять, почему так происходит.
Теперь они наконец нашли ответ. Оказывается, при трении между двумя предметами действуют разные силы в начале и в конце этого процесса, что приводит к образованию зарядов на передней и задней частях предметов. Эти заряды и вызывают появление статического электричества.
Мы смогли объяснить то, что оставалось загадкой на протяжении многих веков: почему трение так важно. Раньше все делали предположения, но не могли объяснить результаты экспериментов. Теперь у нас есть четкий ответ, и он довольно простой. Различия в деформациях и зарядах на разных частях поверхности создают ток, — рассказывает ученый Лоуренс Маркс.
Статическое электричество встречается повсюду, и все мы знаем ситуации, когда его вероятность возрастает. Например, оно чаще возникает, если вы трете разные материалы друг о друга. Этот процесс называется трибоэлектричеством, а заряд, который при этом передается, — трибоэлектрическим эффектом. До недавнего времени мы знали лишь одно: трение вызывает трибоэлектричество.
В 2019 году Лоуренс Маркс и его коллеги сделали важное открытие: трение между двумя материалами вызывает деформации микроскопических неровностей на их поверхности, что и создает электрическое напряжение.
В новом исследовании Маркс и его соавтор Карл Олсон решили оставшуюся часть загадки.
В 2019 году у нас было представление о том, что происходит. Сейчас мы разработали модель, которая позволяет рассчитать электричество, возникающее при трении. Наши расчеты совпадают с результатами экспериментов, — объясняет Маркс.
Они выяснили, что ключом к возникновению статического электричества является упругий сдвиг — это способность материала сопротивляться трению. Когда вы трете два предмета друг о друга, они сопротивляются движению, и именно это трение вызывает электрический заряд. Это также объясняет, почему, даже когда вы скользите по полированному полу в носках, вы в конечном итоге останавливаетесь.
При трении изолирующих материалов упругие напряжения на передней и задней частях их поверхности разные. Это вызывает различие зарядов, что и приводит к возникновению электрического тока между ними.
Хотя эта модель не объясняет всех нюансов трибоэлектричества, она решает большую часть загадки. В дальнейшем ученые надеются выяснить оставшиеся детали и, возможно, научатся контролировать этот процесс. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nano Letters.