Wenn Sie in Wollsocken über einen Teppich laufen, besteht eine gute Chance, dass der nächste Türknauf, den Sie berühren, Sie mit einem Funken überrascht. Statische Elektrizität ist so häufig, dass man leicht vergisst, wie seltsam sie ist.
Aber was passiert eigentlich, wenn Sie auf diese Funken stoßen?
Der antike griechische Philosoph und Mathematiker Thales von Milet war der erste, der im 6. Jahrhundert v. Chr. Statische Elektrizität beschrieb, aber Wissenschaftler haben jahrzehntelang darum gekämpft, diese grundlegende Frage zu beantworten. Forscher im Nanobereich haben jedoch gerade einen großen Schritt nach vorne gemacht, um zu verstehen, warum das Reiben zweier Oberflächen zu einem Schock führen kann.
Egal wie glatt eine Oberfläche aussehen mag, wenn Sie nah genug heran zoomen, werden Sie Unebenheiten und Gruben bemerken. Wissenschaftler nennen diese Unvollkommenheiten "Unebenheiten". Jede Oberfläche, von Luftballons bis zu Fasern wie Wolle oder Haar, ist mit mikroskopischen Unebenheiten bedeckt. Und diese Eigenschaften sind für die Erzeugung statischer Elektrizität verantwortlich, sagte Christopher Mizzi, Doktorand in Materialwissenschaften und -technik an der Northwestern University in Evanston, Illinois.
In einer im September in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Studie verglichen Mizzi und seine Co-Autoren die unsichtbaren Unvollkommenheiten von Alltagsgegenständen mit der Erdoberfläche. Wenn Sie die Erde von weitem betrachten, sieht der Planet "sehr glatt aus, wie eine perfekte Kugel", sagte Mizzi. Wir wissen jedoch, dass die Erde in Wirklichkeit alles andere als glatt ist, aber man muss sie genau betrachten, um das zu sehen. Erst wenn "Sie weit genug hineinzoomen, bemerken Sie, dass es Berge und Hügel gibt", sagte er. Ebenso sehen vertraute Objekte glatt aus, bis sie aus der Nähe betrachtet werden.
Wenn die Oberflächen zweier Objekte aneinander reiben, kratzen ihre Unebenheiten zusammen und erzeugen Reibung. Wissenschaftler wissen seit langem, dass Reibung bei statischer Elektrizität eine Rolle spielt. (Tatsächlich hat der wissenschaftliche Begriff für statische Elektrizität, Triboelektrizität, eine Wurzel mit der Tribologie, die das Studium der Reibung ist.)
In der neuen Studie zeigten Mizzi und seine Co-Autoren, wie die Unebenheiten, die Reibung verursachen, auch einen schockierenden Unterschied in der elektrischen Ladung verursachen.
Etwas Ungewöhnliches an statischer Elektrizität ist, dass es am einfachsten ist, mit elektrizitätsbeschränkenden Materialien zu produzieren, die als Isolatoren bekannt sind. Dazu gehören Gummi, Wolle und Haare. In der gegenwärtigen Elektrizität - der alltäglichen Form der Elektrizität, die Telefone, Lichter und fast alle anderen elektronischen Geräte antreibt - erzeugen Elektronen Ströme, indem sie in leitfähigen Materialien wie Kupferdraht über Atome fließen. Aber die Atome der Isolatoren lassen Elektronen nicht leicht kommen und gehen; Sie verdienen ihren Namen, indem sie den Elektronenfluss hemmen.
Mizzi und seine Kollegen entdeckten, dass statische Elektrizität entsteht, wenn die Unebenheiten in Isolatoren aneinander reiben und die Elektronenwolken stören. Da sich die Elektronen in Isolatoren nicht leicht bewegen können, kann dieses Reiben die Elektronenwolken aus ihrer Form bringen.
In diesen Materialien ist die Elektronenwolke um Atome normalerweise symmetrisch. Wenn Sie sich diese Wolken ansehen, können Sie "nicht von oben nach unten, von links nach rechts unterscheiden", sagte Mizzi.
Wenn Sie diese Elektronenwolke zusammendrücken, verformt sie sich und wird asymmetrisch. Unter den richtigen Umständen kann diese neue Form die Spannung ungleichmäßig über das Material verteilen, erklärte Mizzi.
Was hat das mit Wollsocken auf Teppich zu tun? Wenn Sie in solchen Schuhen laufen, gleiten die Fasern in Ihren Socken aufgrund der Kombination aus Körpergewicht und Schrittbewegung gegen die Fasern im Teppich. Wenn die beiden Materialien auf diese Weise aneinander reiben, ziehen sich die Unebenheiten auf einer Oberfläche entlang der Unebenheiten auf der gegenüberliegenden Oberfläche, wodurch sie sich verbiegen. Wenn diese Biegung auftritt, werden die Elektronenwolken in den Atomen, aus denen die Unebenheiten bestehen, in asymmetrische Formen gequetscht, was einen sehr, sehr kleinen Spannungsunterschied verursacht.
Obwohl klein, summieren sich diese Spannungsänderungen. Die Unebenheiten sind so zahlreich, dass das Quetschen von Elektronenwolken zu einem erheblichen Aufbau statischer Elektrizität führt - eine, die stark genug ist, um sie zu spüren, wenn Sie einen Türknauf berühren oder jemandem die Hand schütteln.
Dieses neu gewonnene Verständnis der statischen Elektrizität könnte Wissenschaftler bei der Entwicklung von Stoffen beeinflussen, die reibungserzeugten Strom zum Laden tragbarer Geräte erzeugen, wodurch Produkte effizienter werden könnten. Und mit einem besseren Verständnis, welche Materialien nicht leicht statische Elektrizität erzeugen können, können Ingenieure daran arbeiten, sicherere Fertigungsumgebungen zu schaffen, indem sie beispielsweise Staubpartikel entfernen, die durch Reiben aneinander Brände auslösen können.
"Wenn Sie ein Modell haben, können Sie Vorhersagen treffen", sagte Mizzi.
