حتى لو بدا السطح سلسًا، عند تقريبه بشكل كافٍ قد لا يبدو كذلك، وقد يحتوي على عيوب تسمى”فتحات” قيل إنها هي سبب الكهرباء الساكنة؛ إذا أنها سبب الاحتكاك الذي يلعب دورًا مهمًا وهذا الفهم الجديد للكهرباء الساكنة يمكن أن يساهم في جعل المنتجات أكثر كفاءة.

إذا كنت تمشي على سجادة وانت تلبس جوارب صوف، فهناك فرصة جيدة جدًا أن تصيبك شرارة عندما تلمس مقبض الباب. الكهرباء الساكنة شائعة جدًا لدرجة أنه من السهل نسيان مدى غرابة هذا النوع من الكهرباء.

ولكن ما الذي يحدث بالفعل عندما تصادف تلك الشرارات؟

كان الفيلسوف وعالم الرياضيات اليوناني تاليس ميليتوس أول من وصف الكهرباء الساكنة، وذلك في القرن السادس قبل الميلاد، لكن العلماء قد كافحوا لعقود للإجابة على هذا السؤال الأساسي ومع ذلك، قام الباحثون العاملون في مقياس النانو بخطوة هائلة في السعي لفهم السبب وراء احتكاك سطحين معًا والذي يؤدي إلى حدوث صدمة كهربائية.

بغض النظر عن مدى سلاسة السطح، عند تكبير السطح بما فيه الكفاية عن قرب، ستلاحظ نتوءات وحفر, يطلق العلماء على هذه العيوب “فتحات”. كل سطح من البالونات إلى الألياف مثل الصوف أو الشعر يكون مغطى بالفتحات المجهرية. وقال كريستوفر ميزي، مرشح الدكتوراه في علوم المواد والهندسة في جامعة نورث وسترن في إيفانستون إلينوي، إن هذه الفتحات هي المسؤولة عن إنتاج الكهرباء الساكنة.

في دراسة نشرت في سبتمبر في احدى المجلات الفيزيائية، قارن ميز وزملاؤه الفتحات غير المرئية على الأشياء التي تحدث يوميًا على سطح الأرض. وقال ميز إذا نظرت إلى الأرض من بعيد، فإن الكوكب “يبدو سلسًا للغاية، مثل المجال المثالي”. ومع هذا نعلم أن الواقع غير ذلك، فالأرض أبعد ما تكون عن هذا المجال المثالي السلس، ولكن عليك أن تنظر إليها عن كثب لترى ذلك. وقال إنه فقط عندما “تكون هناك مسافة كافية بالقرب من الأرض فإنك حتمًا ستلاحظ وجود جبال وتلال”. وبالمثل، تبدو الأشياء المألوفة سلسة حتى يتم عرضها عن قرب كما في حالة الأرض.

عندما تحتك أسطح جسمين ببعضهما البعض، تتداعى شذراتهما معًا، مما يخلق احتكاكًا.  لقد ظل العلماء لفترة طويلة يعتقدون أن الاحتكاك يلعب دورًا في الكهرباء الساكنة. (في الواقع، فإن المصطلح العلمي للكهرباء الساكنة، كهرباء الاحتكاك، يشترك في الجذر مع علم الاحتكاك ألا وهو دراسة الاحتكاك.)

في دراسة جديدة، أظهر ميز وزملاؤه كيف أن الفتحات التي تسبب الاحتكاك تسبب أيضًا اختلافًا صادمًا في الشحنة الكهربائية شيء غير عادي حول الكهرباء الساكنة، وهو أنه من الأسهل إنتاجها باستخدام مواد تقييد الكهرباء والمعروفة باسم العوازل؛ وتشمل هذه المطاط والصوف والشعر. في الكهرباء العادية – أي الشكل اليومي للكهرباء التي تقوم بتشغيل الهواتف والأضواء وجميع الإلكترونيات الأخرى تقريبًا – تخلق الإلكترونات التيارات الكهربائية من خلال التدفق عبر الذرات في المواد الموصلة، مثل الأسلاك النحاسية، لكن ذرات العوازل لا تدع الإلكترونات تتدفق بسهولة؛ وهو الذي أكسبها اسم العوازل بسبب منعها تدفق الإلكترون.

اكتشف ميز وزملاؤه أن الكهرباء الساكنة تنتج عندما تحتك العوازل مع بعضها البعض وتتداخل مع السحب الإلكترونية. نظرًا لأن الإلكترونات الموجودة في العوازل لا يمكنها التحرك بسهولة كما أسلفنا، فإن الاحتكاك يمكن أن يدفع السحب الإلكترونية بقوة ويغير من شكلها.

في هذه المواد، عادة ما تكون سحابة الإلكترونات حول الذرات متماثلة. قال ميز “عندما تنظر إلى هذه السحابة الالكترونية، فإنه لا يمكنك أن تميز الأعلى من الأسفل أو اليسار من اليمين بسبب تماثلها”.

ولكن إذا ضغطت سحابة الإلكترون هذه، فإنها تتشوه وتصبح غير متماثلة. وأوضح ميز أنه في ظل الظروف المناسبة، يمكن لهذا الشكل الجديد للسحابة توزيع الجهد بشكل غير متساوٍ عبر المواد.

ما علاقة ذلك مع الجوارب الصوفية على السجادة؟ أثناء المشي في مثل هذه الجوارب، يؤدي الجمع بين وزن جسمك وحركتك المتدحرجة إلى انزلاق الألياف الموجودة في الجوارب إلى الألياف الموجودة في السجادة. عندما تحتك المادتان مع بعضهما البعض، فإن النتوءات على أحد السطوح تحتك على طول الفتحات للسطح المقابل، مما يتسبب في انثنائهما. عندما يحدث هذا الانثناء، فإن سُحُب الإلكترونات في الذرات التي شكلت الفتحات تحدث أشكالًا غير متماثلة، مما يتسبب في فرق صغير جدًا في الجهد.

على الرغم من صغر قيمة فرق الجهد إلا أن هذه التغييرات في الجهد مفيدة وتضيف شيئًا. هناك الكثير من العوامل التي تؤدي إلى أن سحب الإلكترونات يتسبب في تراكم كبير للكهرباء الساكنة – قوة قوية بما يكفي لتشعر بها عند لمس مقبض الباب أو مصافحة شخص ما.

يمكن أن يؤثر هذا الفهم الجديد للكهرباء الساكنة على العلماء الذين يطورون أقمشة تنتج طاقة مولدة بالاحتكاك لشحن الأجهزة القابلة للارتداء، مما قد يجعل المنتجات أكثر كفاءة. ومع الفهم الأفضل للمواد التي تفشل في توليد الكهرباء الساكنة بسهولة، يمكن للمهندسين العمل على خلق بيئات تصنيع أكثر أمانًا، على سبيل المثال من خلال إزالة جزيئات الغبار التي يمكن أن تثير الحرائق عن طريق الاحتكاك ببعضها البعض.

قال ميز “عندما يكون لديك نموذج، يمكنك البدء في عمل التنبؤات”

ترجمة: عائشة جلال الأصفر

تويتر:@Aisha36550897

تلخيص و تدقيق : فاطمة الحازمي

تويتر: @fatimah_alhazmi

رابط المقالة:https://www.livescience.com