Статическое электричество - неотъемлемая часть повседневной жизни. Это повсюду вокруг нас, иногда забавное и очевидное - например, когда волосы встают дыбом, - иногда скрытое и полезное, например, когда оно запряжено электроникой в вашем мобильном телефоне. Сухие зимние месяцы - разгар сезона для досадного недостатка статического электричества - электрических разрядов, подобных крошечным ударам молнии, всякий раз, когда вы касаетесь дверных ручек или теплых одеял, только что вынутых из сушилки для белья.
Статическое электричество - одно из старейших научных явлений, которые люди наблюдали и описывали. Греческий философ Фалес Милетский сделал первый отчет; в своих трудах в шестом веке до нашей эры он отмечал, что если янтарь натереть достаточно сильно, к нему начнут прилипать мелкие частицы пыли. Триста лет спустя Теофраст продолжил эксперименты Фалеса, натерев различные виды камней, а также обнаружил «силу притяжения». Но ни один из этих натурфилософов не нашел удовлетворительного объяснения увиденному.
Прошло еще почти 2000 лет, прежде чем было впервые придумано английское слово «электричество», основанное на латинском «electricus», что означает « как янтарь ». Некоторые из самых известных экспериментов были проведены Бенджамином Франклином в его стремлении понять основной механизм электричества, что является одной из причин, почему его лицо улыбается от 100-долларовой банкноты. Люди быстро осознали потенциальную пользу электричества.
Конечно, в 18 веке люди в основном использовали статическое электричество в фокусах и других представлениях. Например, эксперимент Стивена Грея с « летающим мальчиком » стал популярной публичной демонстрацией: Грей использовал лейденскую банку, чтобы зарядить молодежь, подвешенную на шелковых шнурах, а затем показал, как он может переворачивать страницы книги с помощью статического электричества или просто поднимать небольшие предметы. используя статическое притяжение.
Опираясь на идеи Франклина, в том числе его осознание того, что электрический заряд бывает положительным и отрицательным, и что общий заряд всегда сохраняется, мы теперь понимаем на атомном уровне, что вызывает электростатическое притяжение, почему оно может вызывать мини-молнии и как использовать что может мешать при использовании в различных современных технологиях.
Что это за крошечные искры?
Статическое электричество сводится к силе взаимодействия между электрическими зарядами . В атомном масштабе отрицательные заряды переносятся крошечными элементарными частицами, называемыми электронами. Большинство электронов аккуратно упаковано внутри материи, будь то твердый и безжизненный камень или мягкая живая ткань вашего тела. Однако многие электроны также находятся прямо на поверхности любого материала. Каждый материал удерживает эти поверхностные электроны со своей собственной характеристической силой. Если два материала трутся друг о друга, электроны могут вырваться из «более слабого» материала и оказаться на материале с более сильной силой связи.
Этот перенос электронов - то, что мы называем искрой статического электричества - происходит постоянно. Печально известные примеры - это дети, скатывающиеся с горки на игровой площадке, шаркающие ноги по ковру или кто-то, снимающий шерстяные перчатки, чтобы пожать руку.
Но мы чаще замечаем его действие в засушливые зимние месяцы, когда воздух имеет очень низкую влажность . Сухой воздух является электрическим изолятором, а влажный воздух - проводником. Вот что происходит: в сухом воздухе электроны захватываются на поверхности с большей силой связи. В отличие от влажного воздуха, они не могут найти путь обратно к поверхности, откуда они пришли, и они не могут снова сделать распределение зарядов однородным.
Статическая электрическая искра возникает, когда объект с избытком отрицательных электронов приближается к другому объекту с меньшим отрицательным зарядом, а избыток электронов достаточно велик, чтобы электроны «подпрыгивали». Электроны текут от того места, где они скопились - например, после того, как вы прошли по шерстяному ковру - к следующему предмету, с которым вы соприкасаетесь, не имеющему избытка электронов, например, к дверной ручке.
Когда электронам некуда деться, на поверхности накапливается заряд - до тех пор, пока он не достигнет критического максимума, и разрядится в виде крошечной молнии. Дайте электронам место для движения - например, вытянутый палец - и вы наверняка почувствуете удар.
Сила мини-искр
Хотя иногда это и раздражает, величина заряда статического электричества обычно довольно мала и невинна. Напряжение может примерно в 100 раз превышать напряжение типичных розеток. Однако об этих огромных напряжениях не о чем беспокоиться, поскольку напряжение - это всего лишь мера разницы в зарядах между объектами. «Опасная» величина - это ток, который показывает, сколько электронов течет. Поскольку обычно в статическом электрическом разряде передается всего несколько электронов, эти разряды довольно безвредны .
Тем не менее, эти маленькие искры могут быть фатальными для чувствительной электроники, например, аппаратных компонентов компьютера. Небольшой ток, переносимый всего несколькими электронами, может быть достаточно, чтобы случайно их поджарить. Вот почему рабочие в электронной промышленности должны оставаться заземленными, которые, по сути, являются проводным соединением, и электроны выглядят как пустой дом на шоссе. Заземлиться тоже легко, прикоснувшись к металлическому компоненту или держа ключ в руке. Металлы - очень хорошие проводники, поэтому электроны с радостью отправляются туда.
Более серьезная угроза - электрический разряд в непосредственной близости от легковоспламеняющихся газов. Поэтому перед тем, как прикасаться к насосам на заправочных станциях, желательно заземлить себя; Вы не хотите, чтобы случайная искра воспламенила паразиты бензина. Или вы можете приобрести антистатический браслет, который широко используется рабочими в электронной промышленности для безопасного заземления людей перед тем, как они начнут работать с очень чувствительными электронными компонентами. Они предотвращают накопление статического электричества с помощью проводящей ленты, которая обвивается вокруг вашего запястья.
В повседневной жизни лучший способ уменьшить накопление заряда - использовать увлажнитель, чтобы увеличить количество влаги в воздухе. Также большое значение может иметь поддержание влажности кожи с помощью увлажняющего крема. Сушильные салфетки предотвращают накопление заряда во время сушки одежды, нанося небольшое количество смягчителя ткани на ткань. Эти положительные частицы уравновешивают свободные электроны, а эффективный заряд сводится к нулю, а это означает, что ваша одежда не будет выходить из сушилки, прилипая друг к другу. Вы можете натереть ковры кондиционером для белья, чтобы предотвратить накопление заряда. Наконец, одежда из хлопка и обувь на кожаной подошве лучше, чем шерстяная одежда и обувь на резиновой подошве.
Использование статического электричества
Несмотря на неудобства и возможные опасности статического электричества, оно определенно имеет свои преимущества.
Многие повседневные применения современных технологий в значительной степени зависят от статического электричества. Например, копировальные аппараты используют электрическое притяжение, чтобы «приклеивать» заряженные частицы тона к бумаге. Освежители воздуха не только создают приятный запах в комнате, но и устраняют неприятные запахи, снимая статическое электричество с частиц пыли, тем самым устраняя неприятный запах.
Точно так же в дымовых трубах современных фабрик используются заряженные пластины для уменьшения загрязнения. По мере того, как частицы дыма поднимаются вверх по дымовой трубе, они собирают отрицательные заряды с металлической сетки. После зарядки они притягиваются к пластинам на других сторонах дымовой трубы, которые заряжены положительно. Наконец, заряженные частицы дыма собираются на поддоне с собирающих пластин, которые можно утилизировать.
Статическое электричество также нашло свое применение в нанотехнологиях , где оно используется, например, для улавливания одиночных атомов лазерными лучами. Затем этими атомами можно манипулировать для любых целей, например, в различных вычислительных приложениях. Еще одно захватывающее применение в нанотехнологиях - это управление наношариками , которые с помощью статического электричества можно переключать между надутым и свернутым состоянием. Эти молекулярные машины однажды смогут доставлять лекарства в определенные ткани тела.
Статическое электричество прошло два с половиной тысячелетия с момента его открытия. Тем не менее, это любопытство и неприятность, но также доказано, что это важно для нашей повседневной жизни.
Себастьян Деффнер - доцент физики в Университете Мэриленда, округ Балтимор. Соавтором этой статьи является Мухаммед Ибрагим, который проводит совместное с Деффнером исследование по уменьшению вычислительных ошибок в квантовой памяти.
Эта статья переиздана из The Conversation по лицензии Creative Commons. Вы можете найти оригинальную статью здесь .
