Jika anda berjalan di atas karpet dalam kaus kaki bulu, ada peluang yang cukup baik bahawa doorknob seterusnya anda sentuh akan mengejutkan anda dengan percikan api. Elektrik statik sangat biasa sehingga mudah lupa betapa anehnya itu.
Tetapi apa yang sebenarnya terjadi apabila anda menghadapi percikan api itu?
Ahli falsafah Yunani purba dan ahli matematik Thales dari Miletus adalah yang pertama menggambarkan elektrik statik, pada abad keenam B.C, tetapi saintis telah bergelut selama beberapa dekad untuk menjawab soalan asas itu. Walau bagaimanapun, penyelidik yang bekerja di nanoscale baru sahaja membuat langkah besar dalam usaha untuk memahami mengapa menggosok dua permukaan bersama-sama boleh menyebabkan kejutan.
Tidak kira betapa lancar permukaan kelihatan, apabila anda mengezum dengan cukup dekat, anda akan melihat bonggol dan lubang. Para saintis memanggil ketidaksempurnaan ini "asperities." Setiap permukaan, dari belon hingga serat seperti bulu atau rambut, diliputi dalam asperiti mikroskopik. Dan ciri-ciri ini bertanggungjawab untuk menghasilkan elektrik statik, kata Christopher Mizzi, calon doktor dalam bidang sains dan kejuruteraan bahan di Northwestern University di Evanston, Illinois.
Dalam satu kajian yang diterbitkan pada bulan September dalam jurnal Journal Review Letters, Mizzi dan pengarang bersamanya membandingkan ketidaksempurnaan yang tidak kelihatan pada objek setiap hari ke permukaan bumi. Jika anda melihat Bumi dari jauh, planet ini "kelihatan sangat lancar, seperti sfera yang sempurna," kata Mizzi. Kita tahu, bagaimanapun, bahawa pada hakikatnya, Bumi jauh dari halus, tetapi anda perlu melihatnya dengan teliti untuk melihatnya. Ia hanya apabila "anda mengezum dengan cukup jauh, anda dapati terdapat gunung dan bukit," katanya. Begitu juga, objek biasa kelihatan licin sehingga dilihat dekat.
Apabila permukaan dua objek menggosok satu sama lain, keragaman mereka mengikis bersama-sama, mewujudkan geseran. Para saintis telah lama mengetahui bahawa geseran memainkan peranan dalam elektrik statik. (Sebenarnya, istilah saintifik untuk elektrik statik, triboelektrik, berkongsi akar dengan tribologi, yang merupakan kajian geseran.)
Dalam kajian baru ini, Mizzi dan pengarangnya menunjukkan bagaimana keragaman yang menyebabkan geseran juga menyebabkan perbezaan yang mengejutkan dalam cas elektrik.
Sesuatu yang luar biasa tentang elektrik statik adalah bahawa ia adalah paling mudah untuk menghasilkan menggunakan bahan yang menyekat elektrik yang dikenali sebagai penebat; Ini termasuk getah, bulu dan rambut. Dalam elektrik semasa - bentuk elektrik setiap hari yang menggunakan telefon, lampu dan hampir semua elektronik lain - elektron membuat arus dengan mengalir merentasi atom dalam bahan konduktif, seperti dawai tembaga. Tetapi atom penebat tidak membiarkan elektron datang dan pergi dengan mudah; mereka mendapat nama mereka dengan menghalang aliran elektron.
Mizzi dan rakan-rakannya mendapati bahawa elektrik statik dihasilkan apabila asperiti dalam insulator menggosok antara satu sama lain dan mengganggu awan elektron. Oleh kerana elektron-elektron dalam penebat tidak dapat bergerak dengan mudah, penggosok boleh membengkokkan awan elektron daripada bentuk.
Dalam bahan tersebut, awan elektron di sekeliling atom biasanya bersimetri. Apabila anda melihat awan ini, anda "tidak boleh mengatakan dari bawah, kiri dari kanan," kata Mizzi.
Tetapi jika anda memerah awan elektron, ia berubah bentuk, menjadi tidak simetris. Di bawah keadaan yang betul, bentuk baru itu boleh mengedarkan voltan tanpa merentasi bahan, Mizzi menjelaskan.
Apa yang perlu dilakukan dengan stoking bulu pada karpet? Semasa berjalan kaki di kasut, kombinasi berat badan dan gerakan bergerak anda menyebabkan serat dalam kaus kaki anda meluncur terhadap serat di permaidani. Apabila kedua-dua bahan menggosok antara satu sama lain seperti ini, benjolan di satu permukaan menyeret sepanjang asperities pada permukaan lawan, menyebabkan mereka membungkuk. Apabila lenturan ini berlaku, awan elektron dalam atom-atom yang membentuk asperiti dapat dilengkapkan ke dalam bentuk asimetris, menyebabkan perbezaan voltan sangat kecil.
Walaupun kecil, perubahan dalam voltan ini meningkat. Asperities sangat banyak sehingga pengikisan awan elektron menyebabkan pembentukan elektrik statik yang ketara - satu yang cukup kuat untuk anda merasakannya apabila anda menyentuh pintu gerbang atau menggoncang tangan seseorang.
Pemahaman baru tentang elektrik statik ini boleh mempengaruhi ahli sains membangunkan kain yang menghasilkan kuasa yang dihasilkan oleh geseran untuk mengenakan peranti yang boleh pakai, yang boleh menjadikan produk lebih efisien. Dan dengan pemahaman yang lebih baik mengenai bahan-bahan yang gagal untuk menghasilkan elektrik statik dengan mudah, para jurutera dapat bekerja untuk mewujudkan persekitaran pembuatan yang lebih selamat, misalnya dengan menghilangkan zarah debu yang dapat mencetuskan kebakaran dengan menggosok satu sama lain.
"Apabila anda mempunyai model, anda boleh mula membuat ramalan," kata Mizzi.
