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什么是静电?我们也许终于有了答案。

标题图片:©登录/ Adob​​e股票

在西北校园的某个地方可能是一个2600岁的谜团的答案:恰好静电来自哪里。每个已知的材料都会产生它,与创建所需的能量相比,它通常不成比例地强大。然而,令人惊讶的是,这种日常电气现象没有广泛接受的科学解释 - 或许直到现在。

这个隐藏在错综复杂的数学中的解决方案,是由两名西北大学(Northwestern)博士生亚历克斯·林(Alex Lin)和克里斯托弗·米兹(Christopher Mizzi)在劳伦斯·马克斯(Laurence Marks)教授的实验室工作的结果。他们的答案就在于材料表面的微小突起,以及两个被忽略了几十年的旧物理概念。

如果该模型成立,它可能会有广泛的实际应用,帮助科学家抑制可能会造成危险的静电火花,甚至可能利用静电为医疗设备提供动力或为风力发电机提供动力。

图示两种常见静电体验下的电流流动。特蕾莎·斯坦顿插图。

图示两种常见静电体验下的电流流动。特蕾莎·斯坦顿插图。

什么导致静电?

“每个人都看过摩擦电,”痕迹,他的低调英语口音说,使用科学术语进行静电。“但是当你开始问'嗯,它为什么会发生?没有人真正知道。或者至少没有人知道,至少就我而言。“

西方世界现象的第一次记录是在公元前600年。希腊哲学之父的Miletus岩石揉搓一块琥珀色的毛皮。他新收费的毛皮开始吸引像无限笑话的副本一样吸引灰尘。从那时起,很多原理导致静电跟随;没有人被每个人接受过。

马克斯认为,答案可能在于我们已经了解的两种现象:摩擦和挠曲电。众所周知,摩擦对静电产生至关重要,任何在地毯上擦过袜子的人都可以证明这一点。

其他组分(柔性电性)有点异种。所有材料都具有分子结构,并且当该结构以不规则方式弯曲时,移动电荷可以产生电荷。标记认为结合这两个概念可能会为摩擦电创造一个有用的模型。

“我最终说服了亚历克斯(林)和克里斯(Mizzi) - 有一点鼓励 - 他们做了大部分工作,”标记笑了。林和米西迪,弹跳偏出痕迹,在抵达模特之前向前推进半年。

看起来完全平坦的表面均匀覆盖着纳米级的小突起。当这些微小的突起彼此摩擦时,由于摩擦,它们产生柔性电;这种效果产生的费用导致我们称之为静电。这是一个精美的简单模型,由磨损的部件制成,即使它解释的流程也很复杂。

马克实验室认为,材料表面的微小突起在弯曲时会产生极化。这种被称为挠曲电的效应就是静电产生的原因。由西北大学的劳伦斯·马克斯提供。

马克实验室认为,材料表面的微小突起在弯曲时会产生极化。这种被称为挠曲电的效应就是静电产生的原因。由西北大学的劳伦斯·马克斯提供。

但为了证明这一点,林和米兹不得不大量查阅科学记录,寻找模拟摩擦和挠曲电的方程。淋浴的思考打断了这一过程,当他们与千年的神秘共舞时,他们走开了。他们在网上搜索论文,收集他们可能需要的所有方程,然后手工计算,直到最后,大量的数字和符号合并成一个真正有效的模型。

“最终,我们想捕捉它的大局,”林说。

明尼苏达大学的工程学教授Michael McAlpine说,这个模型是有道理的。“这是一个如此简单的解释,我很惊讶我没有指出这一点,”McAlpine说。奥卡姆剃刀认可的最终结果,以及模型建立在经过验证的真实方程之上的事实,也使模型具有吸引力。

该模型为同种材料之间产生的静电提供了一个令人信服的解释,但是在其他类型的材料中产生静电的原因——比如液体与气体的摩擦——也需要在该模型上进行测试。地球上的每一种材料都能产生静电,所以不缺测试对象。

结果

如果模型证明准确,则应用可能是广泛的。纳米能器是收获令人惊讶的静电能量的微小设备。具有足够的基本知识,我们可以开始使用任何摩擦力的力量。

想象一下,能够创造一个屋顶,以利用雨滴的力量 - 通过表面的雨水摩擦 - 产生摩擦力,以下面的建筑物为建筑物供电。

普渡大学工程学助理教授吴文卓(音)说,摩擦发电有很大的潜力。如果能更好地理解静电的基本原理,我们就能最大限度地提高风力或海浪发电的效率,吴说。

人体自身的运动可以为内部医疗设备提供动力。想象一下,能够创造一个屋顶,以利用雨滴的力量 - 通过表面的雨水摩擦 - 产生摩擦力,以下面的建筑物为建筑物供电。

或者,这个模型可能起到相反的作用。掌握基本的知识可以更好地控制甚至消除静电。在任何需要避免火花的环境中,这种现象都是非常危险的。准确地了解引起摩擦电的原因可以为防止摩擦电的产生奠定基础。

“人们一直在考虑这一点,也经历了这一点,甚至没有意识到他们在很长一段时间里经历了什么,”米兹说。“那个真的很整洁而谦卑。”

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