Ο στατικός ηλεκτρισμός αψηφά την απλή εξήγηση

Εάν έχετε κουνήσει ποτέ ένα μπαλόνι στα μαλλιά σας, ξέρετε ότι το τρίψιμο μεταξύ δύο διαφορετικών υλικών μπορεί να δημιουργήσει στατικό ηλεκτρισμό. Αλλά το τρίψιμο κομματιών από το ίδιο υλικό μπορεί επίσης να δημιουργήσει στατική. Τώρα, οι ερευνητές έχουν καταρρίψει μια ιδέα δεκαετιών για το πώς προκύπτει αυτό το ίδιο στατικό υλικό.

Το φαινόμενο του ίδιου υλικού παράγει σημαντικά αποτελέσματα στον πραγματικό κόσμο, όπως η δημιουργία κεραυνών σε ηφαιστειακές εκρήξεις, η εξόντωση της επεξεργασίας σκόνης στην κατασκευή και η πρόκληση εκρήξεων σε ανελκυστήρες σιτηρών. Οι φυσικοί νόμιζαν ότι καταλάβαιναν τι συνέβαινε, αλλά ξαφνικά «η κυρίαρχη θεωρία φαίνεται να είναι νεκρή», λέει ο Troy Shinbrot, εφαρμοσμένος φυσικός στο Πανεπιστήμιο Rutgers, New Brunswick, στο New Jersey, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα εργασία.

Το κόλπο με το μπαλόνι περιλαμβάνει το τρίψιμο δύο διαφορετικών μονωτικών υλικών -των μαλλιών σας και του λατέξ του μπαλονιού- που συγκρατούν ηλεκτρικά φορτία με διαφορετικές αντοχές. Έτσι, περισσότερο θετικό ηλεκτρικό φορτίο συσσωρεύεται στο ένα και περισσότερα αρνητικά φορτία συλλέγονται στο άλλο. Όπως τα φορτία απωθούν το ένα το άλλο, γεγονός που εξηγεί γιατί στη συνέχεια τα μαλλιά σου σηκώνονται. Μπορεί να πιστεύετε ότι το τρίψιμο κομματιών από το ίδιο υλικό δεν θα δημιουργούσε στατικό, καθώς κρατούν φορτία με την ίδια δύναμη. Αλλά η φόρτιση μπορεί να συμβεί εάν τα κομμάτια είναι διαφορετικών μεγεθών. Το 1986, ο John Lowell και ο William Truscott του Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο εξήγησαν πώς μπορεί να λειτουργήσει αυτό.

Φαντάστηκαν να τρίβουν μια μικρή μονωτική σφαίρα σε ένα επίπεδο από το ίδιο υλικό, το οποίο αντιπροσωπεύει ένα μεγάλο αντικείμενο. Υπέθεσαν ότι οι δύο επιφάνειες ήταν στικτές με ενεργειακά ηλεκτρόνια παγιδευμένα σε τυχαία σημεία, πιθανώς επειδή είχαν εκτοξευθεί από τις συνήθεις θέσεις χαμηλότερης ενέργειας μέσα στο υλικό. Όταν οι επιφάνειες έρχονται σε επαφή, τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταπηδήσουν από τις κούρνιες υψηλής ενέργειας στη μία επιφάνεια σε καταστάσεις χαμηλής ενέργειας στην άλλη.

Εάν ίσος αριθμός ηλεκτρονίων πηδούσαν και προς τις δύο κατευθύνσεις, τίποτα δεν θα άλλαζε. Αλλά εκεί είναι που εμφανίζεται η διαφορά μεγέθους. Όπως εξήγησαν οι Lowell και Truscott, μόνο ένα σημείο της σφαίρας αγγίζει το επίπεδο και έχει μόνο λίγα ηλεκτρόνια να δώσει και έναν μεγαλύτερο αριθμό κενών καταστάσεων για να τα απορροφήσει. Αντίθετα, μια μεγαλύτερη λωρίδα του επιπέδου έρχεται σε επαφή με τη σφαίρα, άρα έχει πολλά ηλεκτρόνια να δώσει. Έτσι περισσότερα ηλεκτρόνια πηδούν από επίπεδο σε σφαίρα παρά το αντίστροφο, αφήνοντας τη σφαίρα αρνητικά φορτισμένη και το επίπεδο θετικά φορτισμένο και δημιουργώντας τη στατική. Άλλοι ερευνητές έδειξαν πώς η θεωρία θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε κόκκους δύο διαφορετικών μεγεθών.

Δυστυχώς, η θεωρία δεν λειτουργεί, αναφέρει ο Heinrich Jaeger, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο στο Ιλινόις, και οι συνεργάτες του. Ανέμειξαν κόκκους μονωτικού διοξειδίου του ζιρκονίου-πυριτικού με διαμέτρους 251 μικρομέτρων και 326 μικρομέτρων και τους έριξαν μέσα από ένα οριζόντιο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο ωθούσε θετικά φορτισμένα σωματίδια από τη μία πλευρά και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια από την άλλη. Παρακολούθησαν δεκάδες χιλιάδες σωματίδια - ρίχνοντας μια κάμερα υψηλής ταχύτητας 85.000 δολαρίων δίπλα τους. (Δείτε το παραπάνω βίντεο.) Σίγουρα, τα μικρότερα έτειναν να φορτίζονται αρνητικά και τα μεγαλύτερα θετικά, με το καθένα να συσσωρεύει 2 εκατομμύρια φορτίσεις κατά μέσο όρο.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές διερεύνησαν εάν αυτά τα φορτία θα μπορούσαν να προέρχονται από ηλεκτρόνια που ήταν ήδη παγιδευμένα στις επιφάνειες των κόκκων. Ζέσταιναν απαλά φρέσκους κόκκους για να απελευθερώσουν τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια και να τους αφήσουν να «χαλαρώσουν» πίσω σε λιγότερο ενεργητικές καταστάσεις. Καθώς ένα ηλεκτρόνιο υφίσταται μια τέτοια μετάβαση, εκπέμπει ένα φωτόνιο. Έτσι, μετρώντας φωτόνια, οι ερευνητές μπορούσαν να μετρήσουν τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια. "Είναι πολύ εκπληκτικό για μένα ότι μετρούν κάθε ηλεκτρόνιο σε ένα σωματίδιο", λέει ο Shinbrot.

Ο απολογισμός έδειξε ότι τα σφαιρίδια ξεκινούν με πολύ λίγα παγιδευμένα ηλεκτρόνια για να εξηγηθεί η στατική συσσώρευση, λέει ο Jaeger. Στην πραγματικότητα, ακόμη κι αν οι ερευνητές προσπαθήσουν να κάνουν τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια να βράσουν μέχρι την επιφάνεια εκθέτοντας τους κόκκους στο φως, η πυκνότητα των παγιδευμένων ηλεκτρονίων παραμένει μικρότερη από το 1/100.000 αυτής που θα χρειαζόταν για να εξηγηθεί το αποτέλεσμα, αναφέρουν οι ερευνητές σε μια χαρτί υπό έκδοση στο Physical Review Letters .

«Δείχνουν αρκετά πειστικά ότι η ιδέα της μεταφοράς αυτών των παγιδευμένων ηλεκτρονίων δεν είναι έγκυρη», λέει ο Daniel Lacks, χημικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο Case Western Reserve στο Κλίβελαντ του Οχάιο, ο οποίος εφάρμοσε τη θεωρία Lowell και Truscott σε κοκκώδη υλικά. P>

Εάν οι κόκκοι δεν ανταλλάσσουν ηλεκτρόνια, τότε από πού προέρχονται τα φορτία; Θα μπορούσαν να προέρχονται από ιόντα υδροξειδίου σε ένα στρώμα νερού πάχους ενός μορίου που αναπόφευκτα επικαλύπτει τους κόκκους, εικάζει ο Jaeger. Ή η φόρτιση θα μπορούσε να περιλαμβάνει τη μεταφορά του υλικού ζιρκονίου από κόκκους σε κόκκους, σημειώνει ο Keith Forward, χημικός μηχανικός στο Πολιτειακό Πολυτεχνείο της Καλιφόρνια, στην Πομόνα.

Το να προσδιορίσετε ποιο σενάριο είναι σωστό μπορεί να είναι δύσκολο. Η επανάληψη του πειράματος υπό συνθήκες που θα εξαφάνιζαν οποιοδήποτε νερό θα ήταν πολύ δύσκολο, λέει ο Jaeger. Ο Forward προτείνει ότι μπορεί να είναι ευκολότερο να προσπαθήσουμε να ανιχνεύσουμε την παρουσία ιόντων υδροξειδίου χρησιμοποιώντας τη χημεία. Η επίλυση αυτού του μικρού μυστηρίου θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες και τους μηχανικούς υλικών να ελέγξουν το αποτέλεσμα, το οποίο θα μπορούσε να είναι ένα όφελος για τους κατασκευαστές φαρμάκων και άλλες βιομηχανίες.

(Πιστοποίηση βίντεο:Scott Waitukaitis και Heinrich Jaeger, το Πανεπιστήμιο του Σικάγο)