Šokující věda za mazlením koček – aneb jak funguje statická elektřina

Je neuvěřitelné, že vědci poprvé odhalili mechanismy, které jsou ve hře, když třením povrchu vzniká elektrický proud, něco, co bylo poprvé zaznamenáno v roce 600 př. n. l., ale dosud to nebylo plně pochopeno. A i když kočky nejsou hlavními viníky vytváření této statické elektřiny, jejich srst je ideálním vodičem.

Vědci z Northwestern University pracují na nepolapitelném tajemství, jak funguje statická elektřina více než půl desetiletí, s předběžným průlomem v roce 2019. V předchozí studii zjistili, že deformace nanorozměrů v povrchové oblasti objektů a akt klouzání předmětu po tomto povrchu hrál klíčovou roli při vytváření elektrických nábojů.

Nyní zjistili, že v důsledku těchto deformací vznikají různé elektrické náboje v procesu klouzání jednoho předmětu po druhém – například po ruce při hlazení kočky. Tento proud je pak dostatečný k tomu, aby dodal onen statickou elektřinou poháněný „zap“, když se nabitý objekt setká s jiným povrchem, zejména v podmínkách nízké vlhkosti.

„Poprvé jsme schopni vysvětlit záhadu, kterou předtím nikdo nedokázal: proč je tření důležité,“ řekl vedoucí výzkumu Laurence Marks, profesor materiálové vědy a inženýrství na Northwestern. „Lidé se snažili, ale nedokázali vysvětlit experimentální výsledky, aniž by vytvořili předpoklady, které nebyly oprávněné nebo ospravedlnitelné. Nyní můžeme a odpověď je překvapivě jednoduchá. Jen různé deformace – a tedy různé náboje – na přední a zadní části něčeho klouzavého vede k proudu.“

Tento jev poprvé – jak ukazují záznamy – pozoroval řecký filozof Thales z Milétu, který v roce 600 př. n. l. psal o statické elektřině vytvářené třením jantaru o srst, která pak přitahovala prach.

„Od té doby se ukázalo, že tření vyvolává statický náboj ve všech izolantech – nejen v kožešině,“ řekl Marks. „Nicméně zde vědecký konsenzus víceméně skončil.“

Na základě svého výzkumu z roku 2019 vytvořil tým Northwestern model, který měřil elektrické proudy způsobené třením, které nazývají „elastický smyk“. Náboj v podstatě souvisí se silou a třením – jak nastiňuje třetí Newtonův fyzikální zákon – a jak se náboje v procesu posouvají. Když se materiály s těmito deformacemi v nanoměřítku třou o sebe, vytvářejí ten přední a zadní statický náboj, který vede k nahromadění proudu.

„Klouzání a střih jsou úzce propojeny,“ řekl Marks.

Zatímco odhalení složitého mechanismu, který způsobuje statickou elektřinu, nemusí zabránit nepříjemným „šokům“, které zažijete po nevědomém nabití ruky, která hladí kočku, vědci tvrdí, že pochopení procesu může pomoci předejít vážným událostem, jako jsou požáry a výbuchy v průmyslovém měřítku.

„Statická elektřina ovlivňuje život jednoduchým i hlubokým způsobem,“ řekl Marks. „Nabíjení zrn statickou elektřinou má zásadní vliv na to, jak jsou kávová zrna namleta a jak chutná. Země by pravděpodobně nebyla planetou bez klíčového kroku ve shlukování částic, které tvoří planety, k němuž dochází kvůli statické elektřině generované kolizí zrn. Je úžasné, jak velkou část našich životů ovlivňuje statická elektřina a jak velká část vesmíru na ní závisí.“

Na praktické úrovni existuje několik řešení pro minimalizaci výbojů statické elektřiny – jako je volba přírodních vláken, chůze naboso a přidání větší vlhkosti do vnitřního prostředí, protože cokoliv pod 40 % relativní vlhkosti má tendenci zvyšovat vodivost tohoto „elastického smyku“ proces. Pokud zjistíte, že od vaší kočky dostáváte šoky, zejména v zimě, můžete dokonce čelit obvinění tím, že se nejprve pohladíte vlhkým hadříkem – ale možná je malý šok lepší ze dvou zel. Kočičí srst je bohužel výborným zdrojem elektrostatického náboje.

Teď už alespoň víme proč.

„Polarizace a související náboje na přední a zadní straně nejsou stejné a rozdíl mezi nimi vede k proudění podobnému rozdílu v tlaku vzduchu nad a pod křídlem letadla, který vede ke vztlaku,“ vysvětlili vědci ve studii. .

Výzkum byl publikován v časopise Nano dopisy.

Zdroj: Northwestern University