Iedereen die ooit een kat heeft geaaid of met zijn voeten over het tapijt heeft geschuifeld, weet dat het wrijven van voorwerpen tegen elkaar statische elektriciteit genereert. Maar een verklaring voor dit fenomeen ontgaat onderzoekers al meer dan twee millennia.
Wetenschappers van de Northwestern University hebben eindelijk de mechanismen achter dit fenomeen ontrafeld.
Wanneer een object glijdt, ervaren de voor- en achterkant van dat object verschillende krachten, ontdekten onderzoekers. Dit verschil in krachten zorgt ervoor dat er verschillende elektrische ladingen worden opgebouwd op de voor- en achterkant van het object. En het verschil in elektrische ladingen creëert een stroom, wat leidt tot een lichtschok.
De studie was gepubliceerd in het dagboek Nano-brieven.
“Voor het eerst kunnen we een mysterie ontrafelen dat voorheen voor niemand mogelijk was: waarom wrijven zo belangrijk is”, aldus Laurence Marks van Northwestern, die het onderzoek leidde.
“Mensen hebben het geprobeerd, maar ze konden experimentele resultaten niet verklaren zonder aannames te doen die niet gerechtvaardigd of te rechtvaardigen waren. Dat kunnen we nu wel, en het antwoord is verrassend eenvoudig. Alleen al door verschillende vervormingen te hebben — en dus verschillende ladingen — aan de voor- en achterkant van iets dat schuift, ontstaat er stroom.”
Marks is een expert in oppervlaktestructuren en emeritus hoogleraar materiaalkunde en -techniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. Karl Olson, een Ph.D.-student in Marks’ onderzoeksgroep, is de eerste auteur van het artikel.
De Griekse filosoof Thales van Milete maakte voor het eerst melding van door wrijving veroorzaakte statische elektriciteit, rond 600 v.Chr. Nadat hij barnsteen met bont had gewreven, merkte hij dat de bont stof aantrok.
“Sindsdien is het duidelijk geworden dat wrijven statische lading in alle isolatoren induceert, niet alleen in bont,” aldus Marks. “Maar dit is min of meer waar de wetenschappelijke consensus eindigde.”
Marks en zijn team begonnen in 2019 met het ontrafelen van het mysterie. In een studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenmeldden ze dat het wrijven van twee materialen tegen elkaar kleine uitsteeksels op de oppervlakken van die materialen verbuigt. Die verbogen, vervormde uitsteeksels veroorzaken spanningen, ontdekten de onderzoekers.
“In 2019 hadden we het zaadje van wat er gaande was. Maar zoals alle zaadjes had het tijd nodig om te groeien,” zei Marks. “Nu is het tot bloei gekomen. We hebben een nieuw model ontwikkeld dat elektrische stroom berekent. De waarden voor de stroom voor een reeks verschillende gevallen kwamen goed overeen met experimentele resultaten.”
Een concept genaamd “elastische schuifkracht” vormt de kern van het nieuwe model. Elastische schuifkracht kan optreden wanneer een materiaal weerstand biedt aan een glijdende kracht. Als iemand een plaat over een tafel duwt, zal de plaat weerstand bieden aan het glijden. Zodra de persoon stopt met duwen, stopt de plaat met bewegen. Deze extra wrijving, veroorzaakt door de weerstand tegen het glijden, zorgt ervoor dat elektrische ladingen bewegen.
“Glijden en afschuiving zijn nauw met elkaar verbonden”, aldus Marks.
Hoewel statische elektriciteit grappige ongelukjes kan veroorzaken, zoals haren die overeind gaan staan na een ritje op een glijbaan, kan het ook leiden tot ernstige problemen. Vonken van statische elektriciteit veroorzaken bijvoorbeeld industriële branden en zelfs explosies. Het kan ook een consistente dosering van poedervormige farmaceutische middelen belemmeren. Met een beter begrip van de mechanismen die hierbij een rol spelen, zouden onderzoekers mogelijk nieuwe oplossingen voor deze problemen kunnen introduceren.
“Statische elektriciteit beïnvloedt het leven op zowel simpele als diepgaande manieren,” zei Marks. “Het opladen van granen met statische elektriciteit heeft een grote invloed op hoe koffiebonen worden gemalen en hoe ze smaken. De aarde zou waarschijnlijk geen planeet zijn zonder een belangrijke stap in het samenklonteren van deeltjes die planeten vormen, wat gebeurt vanwege de statische elektriciteit die wordt gegenereerd door botsende granen. Het is verbazingwekkend hoeveel van ons leven wordt aangeraakt door statische elektriciteit en hoeveel van het universum ervan afhankelijk is.”
Meer informatie:
Karl P. Olson et al, Wat brengt de “Tribo” in tribo-elektriciteit?, Nano-brieven (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03656
Informatie over het tijdschrift:
Fysieke beoordelingsbrieven
,
Nano-brieven
Aangeboden door Northwestern University