摩擦与静电之秘

TriboNet 2019-12-09 科技资讯

Triboelectricity

       每个孩子都体验过静电的魔力。当他或她表演魔术时,眼睛会亮起来,用一个气球摩擦他的头发,然后气球粘在墙上。
       静电实际上是材料表面或表面电荷的不平衡。电荷保持在原来的位置,直到它能够通过电流或放电离开。
       虽然静电火花的测量值可以达到数千伏,但实际上它只包含一个小电流,并且只持续很短的时间。因此,它几乎没有能量或功率。虽然雷电是静电的一个有力例子,但70%以上被雷电击中的人幸存了下来。在干燥不潮湿的日子里,静电积聚得更快。它还导致金属围栏释放电荷,汽车的电气系统短路。作为回应,许多人开始携带金属链来对抗静电。
       静电现象的知识已经存在2500多年了。米勒图斯的泰利斯(Thales of Miletus)在清理琥珀时发现了静电。然而,很少有人关注这一现象,也没有进行研究。17世纪,奥托·冯·盖瑞克(Otto von Guericke)创造了第一台摩擦发电机。后来库仑和法拉第进行了进一步的研究。本杰明·富兰克林将静电与风暴联系起来。然而,一直以来,没有人真正深入了解静电背后的过程。
       根据“解决摩擦如何产生静电的长期谜团”这篇文章,西北大学的一个研究团队创建了一个模型,该模型证明静电是由两个物体表面上的微小微凸体弯曲而产生的。
       所有材料,无论看起来多么光滑,实际上都具有粗糙的表面,表面覆盖着数量不确定的微小凹凸体。当两个表面相互摩擦时,这些微凸体弯曲并变形。研究小组确定,正是这些变形产生了电压,然后导致静电。这是柔性电效应,当电荷被分离时会发生。
       该研究团队创建了一个基于赫兹的模型,该模型清楚地表明,由于表面特征的弯曲和变形而产生的电压足以引起静电。这项工作也有助于解释为什么当两个由相同材料制成的物体摩擦在一起时会产生电荷。
       研究结果表明,摩擦电性、挠曲电性和摩擦力这三种力是相互关联的。摩擦电是由摩擦产生的电荷,或由于从一种材料流向另一种材料的电子碰撞而使不同物体和材料带电。摩擦电效应是指不同物体或材料相互摩擦以增加表面接触以产生电荷的过程。挠曲电是由于应变梯度引起的极化响应。摩擦是一个物体相对于另一个物体的运动阻力,或者是两个表面相互滑动时产生的阻力。摩擦不是基本力,而是存在于两个接触表面中的带电粒子之间的电磁吸引的结果。研究人员认为,这些发现将有助于更深入地了解如何在新技术中处理这些力量。
       进一步信息:《柔磁电驱动摩擦电吗?》,C. A. Mizzi,A. Y. W. Lin,L. D. Marks,DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.116103