אם אתה מסתובב על שטיח בגרבי צמר, יש סיכוי לא רע כי ידית הדלת הבאה שתגע בה הולכת להפתיע אותך עם ניצוץ. חשמל סטטי נפוץ כל כך שקל לשכוח עד כמה הוא מוזר.
אבל מה בעצם קורה כשאתה נתקל באותם ניצוצות?
הפילוסוף והמתמטיקאי היווני הקדום תאלס ממילטוס היה הראשון שתיאר חשמל סטטי, במאה השישית לפנה"ס. אולם מדענים נאבקים במשך עשרות שנים כדי לענות על השאלה הבסיסית. עם זאת, חוקרים שעובדים בתחום הננו-סקר עשו צעד ענק קדימה במסע להבין מדוע שפשוף של שני משטחים זה בזה עלול להוביל להלם.
לא משנה כמה חלק משטח עשוי להיראות, כשאתה מתקרב מספיק קרוב, תבחין בליטות ובורות. מדענים מכנים פגמים אלה "אי-שוויון". כל משטח, מבלונים ועד סיבים כמו צמר או שיער, מכוסה בשטחים מיקרוסקופיים. ותכונות אלה אחראיות על ייצור חשמל סטטי, אמר כריסטופר מיזי, מועמד לדוקטורט במדע חומרים והנדסה באוניברסיטת נורת'ווסטרן באוונסטון, אילינוי.
במחקר שפורסם בספטמבר בכתב העת Physical Review Letters, מיצי וחבריו לעבודה השוו בין הפגמים הבלתי נראים על חפצים יומיומיים אל פני כדור הארץ. אם אתה מסתכל על כדור הארץ מרחוק, הכוכב "נראה חלק מאוד, כמו כדור מושלם", אמר מיזי. עם זאת אנו יודעים שבמציאות, כדור הארץ רחוק מלהיות חלק, אבל צריך להסתכל עליו מקרוב כדי לראות זאת. רק כאשר "מתקרבים מספיק רחוק אתה שם לב שיש הרים וגבעות", אמר. באופן דומה, חפצים מוכרים נראים חלקים עד שהם נראים מקרוב.
כאשר משטחים של שני חפצים משתפשפים זה בזה, חוסר השיפוע שלהם מתגרד זה בזה ויוצר חיכוך. מדענים יודעים מזה זמן רב כי החיכוך ממלא תפקיד בחשמל סטטי. (למעשה, המונח המדעי לחשמל סטטי, חשמלי שבבי, חולק שורש עם הטבולוגיה, שהיא חקר החיכוך.)
במחקר החדש, מיצי וחבריו המשותפים הראו כיצד השיפור שגורם לחיכוך גורם גם להבדל מזעזע במטען חשמלי.
משהו חריג בחשמל סטטי הוא שהכי קל לייצר באמצעות חומרים המגבילים חשמל המכונים מבודדים; אלה כוללים גומי, צמר ושיער. בחשמל הנוכחי - צורת החשמל היומיומית המפעילה טלפונים, אורות וכמעט כל האלקטרוניקה האחרת - אלקטרונים יוצרים זרמים על ידי זרימה על פני אטומים בחומרים מוליכים, כמו חוטי נחושת. אבל אטומי המבודדים לא נותנים לאלקטרונים לבוא וללכת בקלות; הם מרוויחים את שמם על ידי עיכוב זרימת האלקטרונים.
מיצי ועמיתיו גילו שחשמל סטטי מיוצר כאשר השינויים בבידוד משפשפים זה בזה ומפריעים לענני האלקטרונים. מכיוון שהאלקטרונים בבידוד אינם יכולים לנוע בקלות, שפשוף זה יכול לכופף את ענני האלקטרונים מכושרם.
באותם חומרים ענן האלקטרונים סביב האטומים הוא בדרך כלל סימטרי. כשאתה מסתכל על העננים האלה, אתה "לא יכול לסבול מלמטה, משמאל מימין", אמר מיזי.
אבל אם אתה סוחט את ענן האלקטרונים הזה, הוא מתעוות והופך לא סימטרי. בנסיבות הנכונות, צורה חדשה זו יכולה להפיץ מתח בצורה לא אחידה על פני החומר, הסביר מיזי.
מה זה קשור לגרבי צמר על השטיח? כשאתה הולך בהנעלה כזו, השילוב בין משקל גופך לתנועתך הגורמת גורם לסיבים בגרביים שלך להחליק כנגד הסיבים בשטיח. כששני החומרים מתחככים זה בזה זה בזה, הבליטות על משטח אחד גוררות לאורך השיאים שעל פני השטח המנוגדים, וגורמות להם להתכופף. כאשר כיפוף זה מתרחש, ענני האלקטרונים באטומים המרכיבים את השטחים נעצרים בצורות א-סימטריות, וגורמים להבדל מאוד קטן במתח.
אם כי קטן, שינויים אלה במתח מתחברים. השטחים רבים כל כך, עד שציוצת ענני האלקטרונים גורמת להצטברות משמעותית של חשמל סטטי - כזה חזק מספיק בשביל שתרגיש אותו כשאתה נוגע בכפתור דלת או לוחץ את ידו של מישהו.
הבנה חדשה זו של חשמל סטטי עשויה להשפיע על מדענים המפתחים בדים המייצרים כוח שנוצר בחיכוך לטעינת מכשירים לבישים, דבר שעלול לייעל את המוצרים. ובהבנה טובה יותר של חומרים שלא מצליחים ליצור חשמל סטטי בקלות, המהנדסים יכולים לעבוד כדי ליצור סביבות ייצור בטוחות יותר, למשל על ידי ביטול חלקיקי אבק העלולים להצית שריפות על ידי שפשוף זה בזה.
"כשיש לך מודל, אתה יכול להתחיל לחזות," אמרה מיזי.
