Учёные поняли, почему котики бьются током — раскрыта тайна статического электричества

Первое описание статического электричества датировано 600 годом до н. э. и было сделано греческим философом Фалесом Милетским. Это кажется невероятным, но физику явления учёные поняли лишь недавно, завершив серию исследований в области возникновения статического заряда. Это открытие может иметь решающее значение для многих областей — от безопасности на производстве до выработки энергии для носимой и подключённой электроники.

Источник изображения: Pixabay

Кошки оказались особенно хороши в генерации статического электричества. Во-первых, их хочется погладить, на чём, собственно, можно было бы и остановиться. Во-вторых, и в основном, всё началось с меха, которым натирали янтарь, о чём упомянул любознательный грек. Поэтому, хотя кошки и не являются главными виновниками возникновения статического электричества, их мех — идеальный проводник, а разрядом чаще всего бьёт их владельцев и сочувствующих.

Точку в изучении секрета возникновения статического электричества поставили учёные из Северо-Западного университета (Northwestern University) в пригороде Чикаго. Они завершили серию начатых в 2019 году исследований этого явления, собрав все необходимые данные для описания физики процесса. Ещё четыре года назад учёные поняли, что ключевую роль в возникновении статического заряда играют наноразмерные деформации поверхности трущихся объектов и процесс скольжения.

В ходе последнего исследования в 2024 году было выяснено, как деформации на наноуровне и скольжение приводят к распределению и накоплению заряда, который выливается в ощутимый «удар током», когда, например, мы гладим кошку. Чем ниже влажность воздуха, тем выше вероятность разряда. Учёные рекомендуют сначала протереть шерсть кошки влажной салфеткой, чтобы избежать статического разряда, если вас это беспокоит.

«Впервые мы можем объяснить тайну, которую раньше никто не мог разгадать: почему трение имеет значение, — пояснил ведущий автор работы Лоуренс Маркс (Laurence Marks), профессор материаловедения и инженерии университета. — Люди пытались, но не могли объяснить результаты экспериментов, делая необоснованные предположения. Теперь мы можем это обосновать, и ответ удивительно прост. Разные деформации спереди и сзади скользящего предмета приводят к возникновению тока».

Для подтверждения результатов экспериментов исследователи создали модель, которая оценивала электрические токи, вызываемые трением. Они назвали это явление «упругим сдвигом». По сути, заряд связан с приложенной силой и трением — как описывает третий закон Ньютона (действие равно противодействию) — и с тем, как заряды смещаются в процессе скольжения. Когда материалы с наноразмерными деформациями трутся друг о друга, они создают разность потенциалов статического заряда между передней и задней кромкой объектов, что приводит к накоплению заряда и, в конечном итоге, разряду.

Источник изображения: Nano Letters, 2024

«Статическое электричество влияет на жизнь как простым, так и глубоко скрытым образом, — сказал Маркс. — Зарядка зёрен статическим электричеством оказывает большое влияние на измельчение кофейных зёрен и их вкус. Земля, вероятно, не была бы планетой без ключевого этапа слипания частиц, образующих планеты, что происходит из-за статического электричества, генерируемого сталкивающимися гранулами. Удивительно, как многое в нашей жизни и во Вселенной зависит от статического электричества».

На практическом уровне существует несколько способов минимизации ударов статическим электричеством, таких как выбор одежды из натуральных волокон, ходьба босиком и повышение влажности в помещении. Влажность ниже 40 % способствует усилению проводимости процесса «упругого сдвига». Если ваша кошка бьёт вас током, особенно зимой, можно нейтрализовать заряд, предварительно погладив её влажной тряпкой. Однако, возможно, лучше получить разряд самому, чем вызвать шок у домашнего питомца, если ему не понравится влажная тряпка. Кошачья шерсть, к сожалению для владельцев, является отличным источником электростатического заряда.

«Поляризация и связанные с ней заряды спереди и сзади трущихся объектов неодинаковы, и разница между ними приводит к протеканию тока, аналогично тому, как разница в давлении воздуха над и под крылом самолёта создаёт подъёмную силу», — поясняют исследователи в статье, опубликованной недавно в журнале Nano Letters.