什么导致静电?

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如果您穿羊毛袜走过地毯,那么碰到的下一扇门把手很有可能会给您带来火花。静电非常普遍,很容易忘记它有多怪异。

但是,当您遇到这些火花时实际发生了什么?

公元前六世纪,古希腊哲学家和数学家米勒图斯(Thales of Miletus)首先描述了静电,但几十年来,科学家们一直在努力回答这个基本问题。但是,纳米级研究人员在了解为什么将两个表面摩擦在一起会导致电击的过程中迈出了一大步。

无论表面看起来有多光滑,当放大到足够近时,您都会注意到颠簸和凹坑。科学家称这些缺陷为“缺点”。从气球到像羊毛或头发之类的纤维的每个表面都被微小的粗糙物覆盖。伊利诺伊州埃文斯顿西北大学材料科学与工程专业的博士生克里斯托弗·米兹(Christopher Mizzi)说,这些特征是产生静电的原因。

在9月发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一项研究中,米兹(Mizzi)和他的合著者比较了日常物体与地球表面的隐形缺陷。Mizzi说,如果从远处看地球,行星“看起来非常光滑,就像一个完美的球体。” 但是,我们知道现实中的地球远非光滑,但是您必须仔细观察它才能看到它。他说,只有当“放大得足够多时,您会发现有山丘陵”。同样,熟悉的对象看起来很光滑,直到近距离观看为止。

当两个物体的表面相互摩擦时,它们的凹凸会刮擦在一起,产生摩擦。长期以来,科学家们都知道摩擦在静电中起着重要作用。(实际上,静电的科学术语,摩擦电,与摩擦学有着共同的根源,摩擦学是对摩擦学的研究。)

在这项新的研究中,米兹(Mizzi)和他的合著者展示了引起摩擦的粗糙结构也如何引起电荷上的惊人差异。

静电的一个非同寻常之处在于,使用称为绝缘子的限电材料最容易产生静电。这些包括橡胶,羊毛和头发。在当前的电力中,电子是通过电话流过导电材料(如铜线)中的原子而产生的电流,电流是为电话,灯和几乎所有其他电子设备供电的日常电力。但是绝缘子的原子不会让电子轻易地来来去去;他们通过抑制电子流动而赢得了声誉。

Mizzi和他的同事发现,当绝缘子的凹凸相互摩擦并干扰电子云时,会产生静电。由于绝缘子中的电子不易移动,这种摩擦会使电子云变形。

在这些材料中,原子周围的电子云通常是对称的。米兹说:“当你看着这些云层时,你“不能从下往上说,从左到右”。

但是,如果您挤压该电子云,它将变形并变得不对称。Mizzi解释说,在适当的情况下,这种新形状可以使材料上的电压分布不均匀。

这和地毯上的羊毛袜有什么关系?当您穿着这种鞋时,身体的重量和迈步动作的结合会导致袜子中的纤维在地毯上滑动。当两种材料像这样相互摩擦时,一个表面上的凸块会沿着相对表面上的凹凸拖动,从而导致它们弯曲。当这种弯曲发生时,构成凹凸的原子中的电子云被压缩为不对称形状,从而引起非常非常小的电压差。

这些电压变化虽然很小,但它们的总和却很大。粗糙非常多,以至于电子云的挤压会导致大量的静电积聚-当您触摸门把手或握手时,静电的强度足以让您感觉到。

对静电的这种新发现可能会影响科学家开发的织物,该织物会产生摩擦产生的电能,为可穿戴设备充电,从而使产品效率更高。而且,通过更好地了解哪些材料无法轻易产生静电,工程师可以努力创造更安全的制造环境,例如,消除可能因相互摩擦而引发火灾的灰尘颗粒。

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