หากคุณเดินข้ามพรมด้วยถุงเท้าขนสัตว์มีโอกาสดีทีเดียวที่ลูกบิดประตูถัดไปที่คุณสัมผัสจะทำให้คุณประหลาดใจด้วยประกายไฟ ไฟฟ้าสถิตย์เป็นเรื่องธรรมดาจนลืมได้ง่ายว่ามันแปลกแค่ไหน
แต่สิ่งที่เกิดขึ้นจริงเมื่อคุณพบประกายไฟเหล่านั้น?
นักปรัชญาชาวกรีกโบราณและนักคณิตศาสตร์ Thales of Miletus เป็นคนแรกที่อธิบายไฟฟ้าสถิตย์ในศตวรรษที่หกก่อนคริสต์ศักราช แต่นักวิทยาศาสตร์ได้ต่อสู้มานานหลายทศวรรษเพื่อตอบคำถามพื้นฐานนั้น อย่างไรก็ตามนักวิจัยที่ทำงานในระดับนาโนได้ก้าวไปข้างหน้าอย่างมากในการสืบหาเพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมการถูพื้นผิวสองด้านเข้าด้วยกันอาจทำให้เกิดความตกใจ
ไม่ว่าพื้นผิวจะเรียบแค่ไหนเมื่อคุณซูมเข้าใกล้พอคุณจะสังเกตเห็นการกระแทกและหลุม นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า "ความไม่สมบูรณ์" ทุกพื้นผิวตั้งแต่ลูกโป่งไปจนถึงเส้นใยเช่นขนสัตว์หรือผมถูกปกคลุมด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบไม่สัมผัส และคุณสมบัติเหล่านี้มีความรับผิดชอบในการผลิตไฟฟ้าสถิตย์ Christopher Mizzi ผู้สมัครระดับปริญญาเอกด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมจาก Northwestern University ใน Evanston รัฐอิลลินอยส์กล่าว
ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในเดือนกันยายนในวารสาร Physical Review Letters Mizzi และผู้เขียนร่วมของเขาได้เปรียบเทียบความไม่สมบูรณ์ที่มองไม่เห็นบนวัตถุในชีวิตประจำวันกับพื้นผิวโลก ถ้าคุณมองโลกจากที่ไกล ๆ ดาวเคราะห์ก็จะดูเรียบเนียนเหมือนทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ Mizzi กล่าว อย่างไรก็ตามเรารู้ว่าในความเป็นจริงโลกอยู่ไกลจากความราบรื่น แต่คุณต้องมองอย่างใกล้ชิดเพื่อดูสิ่งนั้น มันก็ต่อเมื่อ "คุณขยายมากพอที่คุณจะสังเกตเห็นว่ามีภูเขาและเนินเขา" เขากล่าว วัตถุที่คุ้นเคยดูเรียบเนียนจนกระทั่งมองใกล้
เมื่อพื้นผิวของวัตถุสองชิ้นถูกันซึ่งจะทำให้เกิดการเสียดสี นักวิทยาศาสตร์รู้จักกันมานานแล้วว่าความเสียดทานมีบทบาทในไฟฟ้าสถิต (อันที่จริงคำศัพท์ทางวิทยาศาสตร์สำหรับไฟฟ้าสถิตย์, triboelectricity, แบ่งปันรากกับ tribology ซึ่งเป็นการศึกษาความเสียดทาน)
ในการศึกษาใหม่ Mizzi และผู้เขียนร่วมของเขาแสดงให้เห็นว่าภาวะที่ทำให้เกิดแรงเสียดทานนั้นทำให้เกิดประจุไฟฟ้าที่ต่างออกไป
สิ่งที่ผิดปกติเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตย์คือมันง่ายที่สุดในการผลิตโดยใช้วัสดุ จำกัด ไฟฟ้าที่เรียกว่าฉนวน เหล่านี้รวมถึงยางขนสัตว์และผม ในกระแสไฟฟ้าในปัจจุบัน - รูปแบบของการใช้ไฟฟ้าในชีวิตประจำวันที่ให้อำนาจแก่โทรศัพท์แสงและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ เกือบทั้งหมด - อิเล็กตรอนสร้างกระแสโดยไหลผ่านอะตอมในวัสดุนำไฟฟ้าเช่นลวดทองแดง แต่อะตอมของฉนวนนั้นไม่ปล่อยให้อิเล็กตรอนมาและไปได้อย่างง่ายดาย พวกเขาได้รับชื่อโดยยับยั้งการไหลของอิเล็กตรอน
มิซซี่และเพื่อนร่วมงานของเขาค้นพบว่าไฟฟ้าสถิตย์นั้นเกิดขึ้นเมื่อภาวะความเป็นฉนวนของฉนวนถูเข้าหากันและรบกวนกับเมฆอิเล็กตรอน เนื่องจากอิเล็กตรอนในฉนวนไม่สามารถเคลื่อนที่ไปมาได้อย่างง่ายดายการถูนั้นสามารถทำให้เมฆอิเล็กตรอนหลุดออกจากรูปร่าง
ในวัสดุเหล่านี้เมฆของอิเล็กตรอนรอบ ๆ อะตอมมักจะมีความสมมาตร เมื่อคุณมองดูเมฆเหล่านี้คุณ "ไม่สามารถบอกจากเบื้องล่างซ้ายจากขวา" Mizzi กล่าว
แต่ถ้าคุณบีบเมฆอิเล็คตรอนออกมามันก็จะเปลี่ยนรูปและไม่สมดุลกัน ภายใต้สถานการณ์ที่เหมาะสมรูปร่างใหม่สามารถกระจายแรงดันไฟฟ้าได้อย่างไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งวัสดุ Mizzi อธิบาย
สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับถุงเท้าขนสัตว์บนพรมไหม ขณะที่คุณเดินในรองเท้าเช่นนี้การรวมกันของน้ำหนักตัวของคุณและท่าทางการเคลื่อนไหวของคุณทำให้เส้นใยในถุงเท้าของคุณลื่นไถลไปกับเส้นใยในพรม เมื่อวัสดุทั้งสองถูกันเช่นนี้การกระแทกบนพื้นผิวด้านหนึ่งจะลากไปตามพื้นผิวที่เป็นปฏิปักษ์ทำให้พวกมันงอ เมื่อเกิดการโค้งงอเกิดขึ้นอิเล็กตรอนเมฆในอะตอมที่รวมกันเป็นแอสเพริตีจะถูกทำให้เป็นทรงอสมมาตรทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันเล็กน้อย
แม้ว่าจะมีขนาดเล็กการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น Asperities มีจำนวนมากจนทำให้เกิดเมฆอิเล็กตรอนที่ก่อให้เกิดการสะสมของไฟฟ้าสถิตที่สำคัญ - อันทรงพลังพอที่คุณจะรู้สึกเมื่อสัมผัสลูกบิดประตูหรือจับมือของใครบางคน
การทำความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตย์อาจมีผลต่อนักวิทยาศาสตร์ในการพัฒนาผ้าที่ผลิตพลังงานที่สร้างแรงเสียดทานสำหรับการชาร์จอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้ และด้วยความเข้าใจที่ดีขึ้นว่าวัสดุใดที่ไม่สามารถสร้างไฟฟ้าสถิตย์ได้อย่างง่ายดายวิศวกรสามารถทำงานเพื่อสร้างสภาพแวดล้อมการผลิตที่ปลอดภัยตัวอย่างเช่นการกำจัดฝุ่นละอองที่สามารถจุดประกายไฟโดยการถูซึ่งกันและกัน
"เมื่อคุณมีแบบจำลองคุณสามารถเริ่มทำนายได้" Mizzi กล่าว
