Als je in wollen sokken over een tapijt loopt, is de kans groot dat de volgende deurknop die je aanraakt je zal verrassen met een vonk. Statische elektriciteit komt zo vaak voor dat je gemakkelijk vergeet hoe raar het is.
Maar wat gebeurt er eigenlijk als je die vonken tegenkomt?
De oude Griekse filosoof en wiskundige Thales van Miletus was de eerste die statische elektriciteit beschreef in de zesde eeuw voor Christus, maar wetenschappers hebben decennia lang moeite gehad om die fundamentele vraag te beantwoorden. Onderzoekers die op nanoschaal werken, hebben zojuist een enorme stap voorwaarts gemaakt in hun zoektocht om te begrijpen waarom het samenwrijven van twee oppervlakken tot een schok kan leiden.
Hoe glad een oppervlak er ook uitziet, als je dichtbij genoeg inzoomt, zie je hobbels en putjes. Wetenschappers noemen deze onvolkomenheden 'oneffenheden'. Elk oppervlak, van ballonnen tot vezels zoals wol of haar, is bedekt met microscopisch kleine oneffenheden. En deze functies zijn verantwoordelijk voor het produceren van statische elektriciteit, zei Christopher Mizzi, een promovendus in materiaalkunde en engineering aan de Northwestern University in Evanston, Illinois.
In een studie gepubliceerd in september in het tijdschrift Physical Review Letters, vergeleken Mizzi en zijn co-auteurs de onzichtbare onvolkomenheden op alledaagse objecten met het oppervlak van de aarde. Als je van ver naar de aarde kijkt, ziet de planeet er 'heel glad uit, als een perfecte bol', zei Mizzi. We weten echter dat de aarde in werkelijkheid verre van glad is, maar je moet er goed naar kijken om dat te zien. Pas als 'je ver genoeg inzoomt, merk je dat er bergen en heuvels zijn', zei hij. Op dezelfde manier zien bekende objecten er glad uit totdat ze van dichtbij worden bekeken.
Wanneer de oppervlakken van twee objecten tegen elkaar wrijven, schrapen hun oneffenheden samen, waardoor er wrijving ontstaat. Wetenschappers weten al lang dat wrijving een rol speelt bij statische elektriciteit. (In feite deelt de wetenschappelijke term voor statische elektriciteit, tribo-elektriciteit, een wortel met tribologie, wat de studie van wrijving is.)
In de nieuwe studie lieten Mizzi en zijn co-auteurs zien hoe de oneffenheden die wrijving veroorzaken ook een schokkend verschil in elektrische lading veroorzaken.
Iets ongebruikelijks aan statische elektriciteit is dat het het gemakkelijkst te produceren is met materialen die elektriciteit beperken, bekend als isolatoren; deze omvatten rubber, wol en haar. In de huidige elektriciteit - de alledaagse vorm van elektriciteit die telefoons, lampen en bijna alle andere elektronica aandrijft - creëren elektronen stromen door over atomen te stromen in geleidende materialen, zoals koperdraad. Maar de atomen van isolatoren laten elektronen niet gemakkelijk komen en gaan; ze verdienen hun naam door de elektronenstroom te remmen.
Mizzi en zijn collega's ontdekten dat statische elektriciteit wordt geproduceerd wanneer de oneffenheden in isolatoren tegen elkaar wrijven en de elektronenwolken verstoren. Omdat de elektronen in isolatoren niet gemakkelijk kunnen bewegen, kan dat wrijven de elektronenwolken uit vorm buigen.
In die materialen is de elektronenwolk rond atomen meestal symmetrisch. Als je naar deze wolken kijkt, kun je 'niet van beneden naar links, van rechts' zeggen, zei Mizzi.
Maar als je in die elektronenwolk knijpt, vervormt het en wordt het asymmetrisch. Onder de juiste omstandigheden kan die nieuwe vorm de spanning ongelijkmatig over het materiaal verdelen, legde Mizzi uit.
Wat heeft dit te maken met wollen sokken op tapijt? Terwijl u in dergelijk schoeisel loopt, zorgt de combinatie van uw lichaamsgewicht en uw loopbeweging ervoor dat de vezels in uw sokken tegen de vezels in het tapijt glijden. Wanneer de twee materialen zo tegen elkaar wrijven, slepen de hobbels op één oppervlak langs de oneffenheden op het tegenoverliggende oppervlak, waardoor ze gaan buigen. Wanneer dit buigen gebeurt, worden de elektronenwolken in de atomen waaruit de oneffenheden bestaan in asymmetrische vormen geperst, waardoor een heel, heel klein spanningsverschil ontstaat.
Hoewel klein, nemen deze spanningsveranderingen toe. Oneffenheden zijn zo talrijk dat het pletten van elektronenwolken een aanzienlijke opeenhoping van statische elektriciteit veroorzaakt - een krachtig genoeg om het te voelen wanneer je een deurknop aanraakt of iemand de hand schudt.
Dit hernieuwde begrip van statische elektriciteit kan van invloed zijn op wetenschappers die stoffen ontwikkelen die door wrijving opgewekte stroom produceren voor het opladen van draagbare apparaten, waardoor producten efficiënter kunnen worden. En met een beter begrip van welke materialen niet gemakkelijk statische elektriciteit produceren, kunnen ingenieurs werken aan veiliger productieomgevingen, bijvoorbeeld door stofdeeltjes te verwijderen die brand kunnen veroorzaken door tegen elkaar te wrijven.
'Als je een model hebt, kun je voorspellingen doen', zei Mizzi.
