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揭秘靜電之謎：研究揭示摩擦如何產(chǎn)生靜電
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發(fā)布時(shí)間：2025-01-10
科學(xué)家首先次解釋了摩擦表面是如何產(chǎn)生電流的。
美國(guó)西北大學(xué)的研究人員揭開(kāi)了一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)：為什么物體相互摩擦?xí)a(chǎn)生靜電。他們發(fā)現(xiàn)，在滑動(dòng)物體的前部和后部，不同的力會(huì)引起不同的電荷，從而產(chǎn)生電流。這一見(jiàn)解源于米利都人泰勒斯的古老觀察，從預(yù)防工業(yè)事故到加強(qiáng)藥物劑量，都具有重大意義。
理解靜電：一個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)
任何曾經(jīng)愛(ài)撫過(guò)貓或在地毯上拖著腳走過(guò)的人都知道，物體相互摩擦?xí)a(chǎn)生靜電。但兩千多年來(lái)，研究人員一直沒(méi)有找到對(duì)這一現(xiàn)象的解釋。
現(xiàn)在，西北大學(xué)的科學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn)了其中的機(jī)制。
研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物體滑動(dòng)時(shí)，物體的前后部分會(huì)受到不同的力。這種力的差異導(dǎo)致不同的電荷在物體的前后部分積聚。電荷的差異會(huì)產(chǎn)生電流，導(dǎo)致輕微的電擊。
解釋一個(gè)古老的現(xiàn)象
西北大學(xué)的勞倫斯·馬克斯是這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人，他說(shuō)：“我們首先次能夠解釋一個(gè)以前沒(méi)有人能解釋的謎團(tuán)：為什么摩擦很重要。人們已經(jīng)嘗試過(guò)，但如果不做出不合理或不合理的假設(shè)，他們就無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。現(xiàn)在我們可以了，答案出奇的簡(jiǎn)單。滑動(dòng)物體的前部和后部有不同的變形，從而產(chǎn)生不同的電荷，就會(huì)產(chǎn)生電流。”
作為表面結(jié)構(gòu)方面的專業(yè)的人，馬克斯是西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程榮譽(yù)退休教授。馬克斯研究小組的博士生卡爾·奧爾森（Karl Olson）是這篇論文的首先作者。
靜態(tài)研究的歷史背景
公元前600年，希臘哲學(xué)家米利都的泰勒斯首先次報(bào)道了摩擦引起的靜電。他用皮毛摩擦琥珀后，他注意到皮毛會(huì)吸附灰塵。
馬克斯說(shuō)：“從那時(shí)起，很明顯，摩擦?xí)谒薪^緣體中引起靜電，而不是皮毛。然而，這或多或少是科學(xué)共識(shí)結(jié)束的地方。”
剪切：靜電背后的秘密
馬克斯和他的團(tuán)隊(duì)在2019年開(kāi)始解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)。在發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一項(xiàng)研究中，他們報(bào)告說(shuō)，將兩種材料摩擦在一起會(huì)使材料表面的微小突起彎曲。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些彎曲、變形的突起會(huì)產(chǎn)生電壓。
“在2019年，我們有了即將發(fā)生的事情的種子。然而，就像所有的種子一樣，它需要時(shí)間來(lái)生長(zhǎng)。現(xiàn)在，它已經(jīng)開(kāi)花了。我們開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算電流的新模型。不同情況下的電流值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。”
一個(gè)叫做“彈性剪切”的概念是新模型的中間。當(dāng)材料抵抗滑動(dòng)力時(shí)，就會(huì)發(fā)生彈性剪切。如果一個(gè)人把盤子推過(guò)桌子，盤子就會(huì)滑動(dòng)。一旦這個(gè)人停止推它，盤子就停止了移動(dòng)。這種由滑動(dòng)阻力引起的額外摩擦?xí)?dǎo)致電荷移動(dòng)。
“滑動(dòng)和剪切是緊密相連的，”馬克斯說(shuō)。
靜電的實(shí)際意義
雖然靜電會(huì)引起有趣的事故，比如從游樂(lè)場(chǎng)滑梯上滑下來(lái)后頭發(fā)豎起來(lái)，但它也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題。例如，靜電產(chǎn)生的火花會(huì)引起工業(yè)火災(zāi)甚至事故。它還會(huì)妨礙粉狀藥物的一致劑量。隨著對(duì)其機(jī)制的更好理解，研究人員可能會(huì)為這些問(wèn)題引入新的解決方案。
馬克斯說(shuō)：“靜電以簡(jiǎn)單和深刻的方式影響著生活。用靜電給谷物充電對(duì)咖啡豆的研磨和味道有重大影響。如果沒(méi)有形成行星的粒子聚集的關(guān)鍵步驟，地球可能就不是一個(gè)行星，這是由于谷物碰撞產(chǎn)生的靜電造成的。令人驚訝的是，我們的生活中有多少受到靜電的影響，宇宙中有多少依賴于靜電。”
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