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 используется электроникой в вашем мобильном телефоне. Сухие зимние месяцы - разгар сезона для неприятной обратной стороны статического электричества - электрических разрядов, таких как крошечные молнии, 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 шестом веке до н. э. В сочинениях он отмечал, что если янтарь достаточно сильно натереть, к нему начнут прилипать мелкие частицы пыли. Триста лет спустя Теофраст продолжил эксперименты Фалеса, растирая различные виды камней, а также наблюдал «силу притяжения». Но ни один из этих естествоиспытателей не нашел удовлетворительного объяснения тому, что они увидели.
Прошло еще почти 2000 лет, прежде чем английское слово «электричество» было впервые придумано на основе латинского «electricus», что означает «как янтарь». Некоторые из самых известных экспериментов были проведены Бенджамином Франклином в его стремлении понять лежащий в основе механизм электричества, что является одной из причин, почему его лицо улыбается на 100-долларовой купюре. Люди быстро осознали потенциальную полезность электричества.
Конечно, в 18 веке люди в основном использовали статическое электричество в фокусах и других представлениях. Например, эксперимент Стивена Грея «летающий мальчик» стал популярной публичной демонстрацией: Грей использовал лейденскую банку, чтобы зарядить юношу, подвешенного на шелковых шнурах, а затем показал, как он может переворачивать книжные страницы с помощью статического электричества или поднимать небольшие предметы, просто с помощью статического притяжения.
Опираясь на идеи Франклина, в том числе на 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 и почему оно может вызывать мини-молнию. болты и как использовать то, что может быть неприятно, для использования в различных современных технологиях.
Что это за 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 массы материи, будь то твердый и безжизненный камень или мягкая живая ткань вашего тела. Однако многие электроны также сидят прямо на поверхности любого материала. Каждый отдельный материал удерживает эти поверхностные электроны со своей собственной характерной силой. Если два материала трутся друг о друга, электроны могут вырваться из «более слабого» материала и оказаться на материале с более сильной силой связи.
Эта передача электронов - известная нам искра статического электричества - происходит постоянно. Печально известные примеры: дети скользят по горке на игровой площадке, шаркают ногами по ковру или кто-то снимает шерстяные перчатки для рукопожатия.
Но чаще мы замечаем его действие в сухие зимние месяцы, когда воздух имеет очень низкую влажность. Сухой воздух является электрическим изолятором, тогда как влажный воздух действует как проводник. Вот что происходит: в сухом воздухе электроны захватываются поверхностью с более сильной силой связи. В отличие от влажного воздуха, они не могут найти способ вернуться на поверхность, откуда пришли, и не могут снова сделать распределение зарядов равномерным.
Статическая электрическая искра возникает, когда объект с избытком отрицательных электронов приближается к другому объекту с меньшим отрицательным зарядом, а избыток электронов достаточно велик, чтобы заставить электроны «прыгать». Электроны текут от того места, где они накопились, - например, от вас, когда вы идете по шерстяному ковру, - к следующему предмету, с которым вы соприкасаетесь, в котором нет избытка электронов, например к дверной ручке.
Когда электронам некуда деваться, заряд накапливается на поверхностях - пока не достигает критического максимума и не разряжается в виде крошечной молнии. Дайте электронам место, куда они могут уйти, например, свой вытянутый палец, и вы наверняка почувствуете разряд.
Сила мини-искры
Хотя иногда это раздражает, количество заряда статического электричества обычно довольно мало и довольно безобидно. Напряжение может примерно в 100 раз превышать напряжение обычных розеток. Однако об этих огромных напряжениях не о чем беспокоиться, поскольку напряжение - это просто мера разницы зарядов между объектами. «Опасной» величиной является ток, который говорит о том, сколько электронов течет. Поскольку обычно при статическом электрическом разряде передается лишь несколько электронов, эти разряды довольно безвредны.
Тем не менее, эти маленькие искры могут быть фатальными для чувствительной электроники, такой как аппаратные компоненты компьютера. Небольших токов, переносимых всего несколькими электронами, может быть достаточно, чтобы случайно поджарить их. Вот почему рабочие в электронной промышленности должны оставаться заземленными, что, по сути, представляет собой проводную связь с тем, что электроны выглядят как пустое шоссе «домой». Заземлить себя также легко, коснувшись металлического компонента или держа ключ в руке. Металлы являются очень хорошими проводниками, и поэтому электроны с удовольствием идут туда.
Более серьезную угрозу представляет электрический разряд вблизи легковоспламеняющихся газов. Вот почему рекомендуется заземлиться, прежде чем прикасаться к насосам на заправочных станциях; Вы не хотите, чтобы случайная искра сожгла какие-либо случайные пары бензина. Или вы можете инвестировать в антистатические браслеты, широко используемые работниками электронной промышленности для безопасного заземления людей перед тем, как они будут работать с очень чувствительными электронными компонентами. Они предотвращают накопление статического электричества с помощью токопроводящей ленты, которая обвивается вокруг вашего запястья.
В повседневной жизни лучший способ уменьшить накопление заряда - это включить увлажнитель воздуха, чтобы увеличить количество влаги в воздухе. Также большое значение имеет поддержание влажности кожи с помощью увлажняющего крема. Салфетки для сушки предотвращают накопление зарядов во время сушки одежды, нанося на ткань небольшое количество кондиционера для белья. Эти положительные частицы уравновешивают свободные электроны, а эффективный заряд сводится к нулю, а это означает, что ваша одежда не будет вылезать из сушилки, слипшись одна с другой. Вы также можете натереть ковры смягчителем ткани, чтобы предотвратить накопление заряда. Наконец, лучше носить хлопковую одежду и обувь на кожаной подошве, чем шерстяную одежду и обувь на резиновой подошве.
Использование статического электричества
Несмотря на неудобства и возможную опасность статического электричества, оно определенно имеет свои преимущества.
Многие повседневные приложения современных технологий в решающей степени зависят от статического электричества. Например, фотокопировальные устройства используют электрическое притяжение, чтобы «приклеить» заряженные тональные частицы к бумаге. Освежители воздуха не только наполняют помещение приятным запахом, но и устраняют неприятные запахи, сбрасывая статическое электричество на частицы пыли, тем самым устраняя неприятный запах.
Точно так же в дымовых трубах на современных фабриках используются заряженные пластины для уменьшения загрязнения. Когда частицы дыма движутся вверх по дымовой трубе, они накапливают отрицательные заряды на металлической сетке. После зарядки они притягиваются к положительно заряженным пластинам на других сторонах дымовой трубы. Наконец, заряженные частицы дыма собираются на поддоне из сборных пластин, которые можно утилизировать.
Статическое электричество также нашло применение в нанотехнологиях, где оно используется, например, для захвата отдельных атомов лазерными лучами. Затем этими атомами можно манипулировать для самых разных целей, например, в различных вычислительных приложениях. Еще одно интересное применение в нанотехнологии - управление наношарами, которые с помощью статического электричества можно переключать между надутым и сжатым 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 любопытно и неприятно, но также доказано, что это важно для нашей повседневной жизни.
Себастьян Деффнер - доцент кафедры физики Мэрилендского университета, округ Балтимор. Эта статья была написана в соавторстве с Мухаммедом Ибрагимом, который проводит совместное исследование с Деффнером по уменьшению вычислительных ошибок в квантовой памяти.