Это повседневное электрическое явление не имело общепринятого научного объяснения - возможно, до сих пор.
Где-то в кампусе Северо-Западного университета может быть ответ на загадку 2600-летней давности: откуда именно берется статическое электричество. Каждый известный материал создает его, и он часто непропорционально мощен по сравнению с количеством энергии, необходимой для его создания. Удивительно, но это повседневное электрическое явление не имело общепризнанного научного объяснения - возможно, до сих пор.
Решение, скрытое в густых зарослях математики, было создано Алексом Лином и Кристофером Мицци, двумя аспирантами Северо-Запада, работающими в лаборатории профессора Лоуренса Маркса. Их ответ заключается в микроскопических выступах на поверхности материала и в двух старых физических концепциях, которые игнорировались десятилетиями.
Если модель подтвердится, она может найти широкое практическое применение, помогая ученым подавлять искры статического электричества там, где они могут быть опасны, и, возможно, даже использовать статическое электричество для питания медицинских устройств или для повышения мощности ветряных генераторов.
Что вызывает статическое электричество?
«Все видели трибоэлектричество», - говорит Маркс со своим низким лаконичным английским акцентом, используя научный термин для обозначения статического электричества. «Но когда вы начинаете спрашивать: «Ну, почему это происходит?», никто на самом деле не знает. Или, по крайней мере, никто не знал, по крайней мере, насколько я могу судить.
Первое упоминание о феномене в западном мире относится к 600 г. до н.э. Фалес Милетский, отец греческой философии, натирал мех кусочком янтаря. Его только что заряженная шкура начала притягивать пыль, как копия «Бесконечной шутки». С тех пор появилось множество теорий причин возникновения статического электричества; никто не был принят всеми.
Маркс думал, что ответ может заключаться в двух явлениях, которые мы уже понимаем: трение и флексоэлектричество. Трение хорошо изучено и имеет решающее значение для статического электричества, что может подтвердить любой, кто тер носки о ковер.
Другой компонент (флексоэлектричество) немного более экзотичен. Все материалы имеют молекулярную структуру, и когда эта структура изгибается неравномерно, это смещение может создавать электрический заряд. Маркс считал, что объединение этих двух концепций может создать полезную модель трибоэлектричества.
«В конце концов я уговорил Алекса (Лин) и Криса (Миззи) - с небольшой поддержкой - и они сделали большую часть работы», - смеется Маркс. Лин и Миззи, обмениваясь идеями с Марксом, продвигались вперед в течение полугода, прежде чем пришли к своей модели.
Даже поверхности, которые выглядят совершенно плоскими, покрыты небольшими выступами на наноуровне. Когда эти крошечные выступы трутся друг о друга благодаря трению, они создают флексоэлектричество; заряд, создаваемый этим эффектом, вызывает то, что мы называем статическим электричеством. Это красивая простая модель, сделанная из изношенных деталей, хотя процессы, которые она объясняет, сложны.
Но чтобы доказать это, Лин и Мицци пришлось просмотреть научные записи в поисках уравнений, моделирующих трение и флексоэлектричество. Мышление в душе акцентировало процесс, отступая, когда они танцевали с тысячелетней тайной. Они искали документы в Интернете, собирая все уравнения, которые им могли понадобиться, затем выполняя математические операции вручную, пока, наконец, облако чисел и символов не объединилось в модель, которая действительно работала.
«В конце концов, мы хотели запечатлеть общую картину», - говорит Лин.
Модель имеет смысл, говорит Майкл Макалпайн, профессор инженерии в Университете Миннесоты.«Это такое простое объяснение, что я удивился, что не понял его», - говорит Макалпайн. Конечный результат, одобренный бритвой Оккама, и тот факт, что модель построена на проверенных и верных уравнениях, также делают ее привлекательной.
Модель дает убедительное объяснение статического электричества, возникающего между материалами одного и того же типа, но то, что вызывает его в других типах материалов, например, при трении жидкости о газ, необходимо будет проверить. модель тоже. Каждый материал на Земле может создавать статическое электричество, так что недостатка в испытуемых нет.
Результат
Если модель окажется точной, области применения могут быть широкими. Наногенераторы - это крошечные устройства, которые собирают удивительно мощную энергию статического электричества. Имея достаточные базовые знания, мы могли бы начать использовать силу любого трения о любой материал.
Трибоэлектроэнергетика имеет большой потенциал, говорит Вэньчжуо Ву, доцент кафедры инженерии в Purdue. Если бы основы статического электричества были лучше поняты, мы могли бы максимизировать эффективность генераторов энергии ветра или волн, говорит Ву.
Собственные движения тела могут использоваться для питания внутренних медицинских устройств. Представьте, что вы можете создать крышу, форма которой позволяет использовать силу капли дождя - трение дождя, проходящего по поверхности, - для выработки трибоэлектричества, питающего здание под ней.
Или модель может помочь сделать прямо противоположное. Базовые знания могут привести к лучшему контролю или даже устранению статического электричества. Явление шокирующе опасно в любой среде, где нужно избегать искры. Точное понимание того, что вызывает трибоэлектричество, может заложить основу для того, как его предотвратить.
«Люди думали об этом, а также переживали это, даже не осознавая, что они пережили в течение очень долгого времени», - говорит Мицци. «Масштаб этого действительно аккуратный и скромный».