Учёные наконец объяснили природу электризации трением

С древнейших времён известно, что после трения небольшие предметы притягиваются друг к другу или, наоборот, отталкиваются. Столетия назад учёные обнаружили, что причина в электрическом заряде. А вот о том, почему заряжаются трущиеся тела, физики спорят и поныне. Но недавно специалисты наконец нашли ответ.

Новая версия, прекрасно согласующаяся с экспериментальными данными, описана в научной статье, принятой к публикации в журнал Physical Review Letters. Пока же можно ознакомиться с её препринтом. Исследованиями руководил Лоуренс Маркс (Laurence Marks) из Северо-Западного университета в США.

Первое упоминание электризации трением связано с именем древнегреческого философа Фалеса Милетского, жившего в VII–VI веках до нашей эры. Он заметил, что мех, потёртый янтарной палочкой, притягивает пылинки. К слову, древнегреческое слово "электрон" (ἤλεκτρον) буквально означает "янтарь".

"С тех пор стало ясно, что трение создаёт статический заряд на [поверхности] всех диэлектриков, не только меха, – рассказывает Маркс. – Однако примерно здесь научный консенсус и закончился".

До сегодняшнего дня физикам не удавалось достоверно установить, какой же механизм стоит за электризацией трением, также именуемой в научных кругах трибоэлектрическим эффектом.

Новая теория связывает его с флексоэлектрическим эффектом. Это явление имеет место, когда диэлектрик подвергается неравномерной деформации (то есть степень деформации меняется от точки к точке), в нём возникает разность потенциалов. Это происходит из-за того, что внутри вещества перераспределяются электрические заряды.

Между тем даже самые гладкие поверхности на наноуровне представляют собой невообразимый хаос из "горных хребтов" и "впадин". При трении эти крошечные неровности деформируются, что должно провоцировать флексоэлектрический эффект.

По расчётам авторов, при этом возникает разность потенциалов ±1-10 вольт. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить электризацию трением.

Модель хорошо согласуется с несколькими видами экспериментальных результатов. Так, она объясняет, почему предметы заряжаются при трении, даже если они сделаны из одного и того же материала. Также становится понятным неоднородное распределение трибоэлектрического заряда. Кроме того, теория прекрасно прогнозирует результаты измерений плотности поверхностного заряда.

"Наши результаты показывают, что трибоэлектричество, флексоэлектричество и трение неразрывно связаны", – резюмирует Маркс.

Добавим, что данное открытие сулит и практическую пользу. Так, электризация трением используется в разнообразных устройствах. А в других случаях её, наоборот, надо предотвращать, ведь проскочившая искра может стать причиной пожара. Более глубокое понимание природы эффекта позволит инженерам эффективнее его использовать или, напротив, избавляться от него.

Ну и, разумеется, приятно знать, почему любимый кот пускает искры (хотя не исключено, что это всё-таки древняя кошачья магия).