راز هزاران ساله «الکتریسیته ساکن» بالاخره کشف شد

در سال ۶۰۰ قبل از میلاد، «تالس» فیلسوف یونانی متوجه شد که وقتی خز را روی کهربا می‌مالد، خز گرد و غبار را به خود جذب می‌کند.

این بار اندک تولید شده به عنوان «الکتریسیته ساکن» شناخته می‌شود.

شما ممکن است آن را به عنوان صدای ریز ترقه‌مانندی که از میان موها در هنگام شانه زدن می‌آید یا نیرویی که یک بادکنک را پس از مالیدن آن به موهای سر به سقف می‌چسباند، بشناسید، اما دانشمندان برای قرن‌ها همواره در تلاش بوده‌اند تا به دلیل آن پی ببرند و دریابند که چه چیزی این پدیده را ایجاد می‌کند.

اکنون ما بالاخره به یک پاسخ رسیده‌ایم. ابتدا و انتهای حرکت لغزشی که الکتریسیته ساکن را تولید می‌کند، نیروهای مختلفی را تجربه می‌کند که منجر به اختلاف بار بین جلو و عقب می‌شود و همچنین موجب صدای ترقه‌مانند الکتریسیته ساکن می‌شود.

لارنس مارکس(Laurence Marks) دانشمند مواد از دانشگاه نورث وسترن در ایالات متحده می‌گوید: ما برای اولین بار قادر به توضیح رازی هستیم که قبلاً هیچ کس نمی‌توانست آن را توضیح دهد.

وی افزود: دانشمندان قبلا تلاش کرده‌اند، اما نتوانسته‌اند نتایج تجربی را بدون ارائه فرضیاتی توضیح دهند که موجه یا قابل توجیه باشند. ما اکنون می‌توانیم و پاسخ آن به طرز شگفت‌آوری ساده است. فقط داشتن تغییر شکل‌های مختلف و بارهای مختلف در جلو و پشت یک چیز حاصل از لغزش منجر به جریان الکتریکی می‌شود.

الکتریسیته ساکن بسیار رایج است و ما اکنون در شرایطی که احتمال وقوع آن را بیشتر می‌کند، کنترل بسیار خوبی داریم. هنگامی که الکتریسیته ساکن در نتیجه مالش دو ماده به یکدیگر ایجاد می‌شود، به عنوان تریبوالکتریک(triboelectricity) شناخته می‌شود و انتقال بار بین دو سطح نیز «اثر تریبوالکتریک»(triboelectric effect) نامیده می‌شود.

تعیین اثر تریبوالکتریک کمی دشوارتر بوده است. تنها چیزی که ما به طور قطع می‌دانستیم این بود که مالش دو ماده با هم باعث تولید تریبوالکتریک می‌شود.

سپس در سال ۲۰۱۹، مارکس و همکارانش به پیشرفتی دست پیدا کردند و دریافتند که مالش دو ماده به یکدیگر، برجستگی‌های میکروسکوپی روی سطوح آن مواد را تغییر شکل می‌دهد و این تغییر شکل در بافت سطح، ولتاژ ایجاد می‌کند.

حالا در یک کار جدید، مارکس و همکارش کارل اولسون(Karl Olson) از دانشگاه نورث وسترن بقیه این پازل را چیده‌اند.

مارکس می‌گوید: در سال ۲۰۱۹ ما بذر آنچه را که در حال وقوع بود، کاشتیم. با این حال مانند همه بذرها برای رشد به زمان نیاز داشت. ما یک مدل جدید توسعه دادیم که جریان الکتریکی را محاسبه می‌کند. مقادیر جریان برای طیف وسیعی از موارد مختلف با نتایج تجربی مطابقت خوبی داشت.

محاسبات و آزمایشات آنها نشان می‌دهد که مفهوم نهفته در قلب اصطکاک برای تولید الکتریسیته ساکن بسیار مهم است که برش الاستیک(elastic shear) نامیده می‌شود و توانایی یک ماده را برای مقاومت در برابر فشار ناشی از لغزش توصیف می‌کند.

هنگامی که دو ماده را به هم مالش می‌دهید، آنها در برابر حرکت مقاومت می‌کنند و اصطکاک ایجاد می‌کنند. به همین دلیل است که حتی وقتی با جوراب خود روی یک سطح صاف و صیقلی می‌لغزید، در نهایت متوقف می‌شوید.

هنگامی که سطوح عایق به هم ساییده می‌شوند، کشش‌های الاستیک در جلوی بدنه با قسمت‌های پشتی متفاوت است. بنابراین بارها و پلاریزاسیون در جلو و پشت مواد نیز متفاوت است که منجر به ایجاد یک جریان بین دو بار مختلف می‌شود.

این مدل تمام جنبه‌های تریبوالکتریکی را توضیح نمی‌دهد، اما به نظر می‌رسد بخش اصلی مشکل را حل می‌کند. تجزیه و تحلیل و آزمایش‌های بیشتر به دانشمندان کمک می‌کند تا جزئیات دقیق را کشف کنند که امیدواریم نه تنها به درک تریبوالکتریک، بلکه راهی برای کنترل آن منجر شود.

دلایل خوبی برای شناخت بیشتر از الکتریسیته ساکن وجود دارد. ایجاد آن می‌تواند مشکلاتی را در ساخت و توربین‌های بادی ایجاد کند، چرا که جرقه‌های ناشی از الکتریسیته ساکن می‌توانند باعث آتش‌سوزی شوند.

همچنین الکتریسیته ساکن ممکن است تا حدی مسئول اساس وجودی ما باشد، چرا که تصور می‌شود میلیاردها سال پیش نیروهای الکترواستاتیک به مانند چسبی که اولین دانه‌های گرد و غبار را که سیاره ما از آن رشد کرده است، به هم متصل کرده‌اند.

مارکس می‌گوید: الکتریسیته ساکن به دو روش ساده و عمیق بر زندگی تأثیر می‌گذارد. شگفت انگیز است که چقدر از زندگی ما تحت تأثیر الکتریسیته ساکن است و چقدر از جهان به آن وابسته است.

این پژوهش در مجله Nano Letters منتشر شده است.