Тайна статического электричества: учёные нашли причину хаотичной электризации

Статическое электричество порой легко объяснить: если потереть воздушный шарик о волосы, резина накопит отрицательные заряды, а волосы — положительные, из‑за чего пряди будут отталкиваться друг от друга. Но почему одинаковые материалы тоже обмениваются зарядами — оставалось загадкой.

В исследовании, опубликованном в Nature, физики под руководством Скотта Вайтукайтиса (Институт науки и технологий Австрии) выяснили: причина — в загрязнении поверхности углеродсодержащими молекулами из воздуха.

Учёные создали устройство, которое с помощью звуковых волн поднимало стеклянную сферу над стеклянной пластиной. После кратковременного контакта они измеряли заряд сферы в электрическом поле — без постороннего воздействия. После 1 000 повторений выяснилось: заряд медленно рос, но его знак (положительный или отрицательный) менялся случайным образом.

Команда решила очистить образцы: их нагрели до 300 Цельсия и обработали пучками ионизированного газа. В результате скорость зарядки упала почти до нуля. Когда очищали только один образец, он всегда получал отрицательный заряд от другого. Аналогичное поведение наблюдалось у стекла, песка и горных пород.

Под микроскопом обнаружилось: на неочищенных поверхностях образовалась патина из углеводородных соединений (например, метильных групп и бутана). Эти молекулы восстанавливались за несколько часов — ровно столько требовалось для возвращения хаотичного заряжения. По словам Вайтукайтиса, такие загрязнения нарушают симметрию перераспределения заряда.

Открытие имеет значение не только для Земли. Астрофизик Герхард Вурм (Университет Дуйсбурга‑Эссена) считает, что органика может влиять на электризацию пыли в протопланетных дисках — а значит, и на формирование зародышей планет.

Однако не все учёные согласны с однозначностью выводов. Вулканолог Джош Мендес Харпер (Портлендский государственный университет) полагает, что ключевую роль может играть влажность: вода прилипает к поверхностям и меняет проявления электризации. Впрочем, накопление влаги происходит быстрее, чем эволюция заряда, зафиксированная в эксперименте.

Таким образом, углеродные загрязнения — вероятная причина хаотичной электризации одинаковых материалов, хотя вопрос требует дальнейшего изучения.

Источник: Science Advances