髪に対して風船を小刻みに動かしたことがある人なら、2 つの異なる素材をこすり合わせると静電気が発生することをご存知でしょう。しかし、同じ素材をこすり合わせると、静電気も発生する可能性があります。現在、研究者たちは、同じものの静電気がどのように発生するかについての数十年前の考えを打ち破りました.
同一物質の現象は、火山噴火で稲妻を発生させたり、製造における粉末の処理を妨害したり、穀物エレベーターで爆発を引き起こしたりするなど、重要な現実世界の影響を生み出します。物理学者たちは何が起こっているのか理解していると思っていたが、突如として「有力な理論は死んだように見える」とニュージャージー州ニューブランズウィック州ラトガース大学の応用物理学者トロイ・シンブロットは言う.
風船のトリックでは、2 つの異なる絶縁材料 (髪の毛と風船のラテックス) をこすり合わせます。これらは異なる強さの電荷を保持します。そのため、より多くの正電荷が一方に蓄積され、より多くの負電荷が他方に集まります.同じように電荷が互いに反発し合うため、髪が逆立ちする理由が説明されます。同じ素材のピースをこすっても、同じ強さの電荷を保持しているため、静電気は発生しないと思うかもしれません。ただし、ピースのサイズが異なる場合、充電が発生する可能性があります。 1986 年、イギリスのマンチェスター大学科学技術研究所のジョン ローウェルとウィリアム トラスコットは、それがどのように機能するかを説明しました。
彼らは、大きな物体を表す同じ材料の平面に小さな絶縁球をこすることを想像しました。彼らは、おそらく材料内の通常の低エネルギーニッチから追い出されたため、2つの表面がランダムなスポットに閉じ込められたエネルギー電子で斑点を付けられていると想定しました。表面が接触すると、負に帯電した電子が一方の表面の高エネルギー状態から他方の表面の低エネルギー状態にジャンプできます。
同じ数の電子が両方の方向に飛び跳ねたとしても、何も変わらないでしょう。ローウェルとトラスコットが説明したように、球の 1 点だけが平面に接しており、与えられるべき電子はほんの数個であり、それらを吸収する多数の空の状態があります。対照的に、平面のより大きなストリークは球と接触するため、与えるべき電子がたくさんあります。そのため、平面から球へと飛び移る電子の数が、その逆よりも多くなり、球が負に帯電し、平面が正に帯電したままになり、静電気が発生します。他の研究者は、この理論が 2 つの異なるサイズの粒子にどのように適用できるかを示しました。
残念ながら、この理論はうまくいかない、とイリノイ州シカゴ大学の物理学者 Heinrich Jaeger らは報告している。彼らは、直径 251 マイクロメートルと 326 マイクロメートルの絶縁性の二酸化ケイ酸ジルコニウムの粒子を混合し、それらを水平電界に落としました。彼らは、85,000 ドルの高速度カメラを横に落として、何万もの粒子を追跡しました。 (上のビデオを参照してください。) 案の定、小さいものはマイナスに帯電し、大きいものはプラスに帯電する傾向があり、それぞれ平均 200 万回の電荷が蓄積されました。
次に、研究者は、これらの電荷が、粒子の表面にすでにトラップされている電子に由来する可能性があるかどうかを調べました。彼らは新鮮な粒子を穏やかに加熱して、トラップされた電子を解放し、エネルギーの低い状態に「緩和」させました。電子がこのような遷移を受けると、電子は光子を放出します。そのため、光子を数えることで、研究者はトラップされた電子を集計できました。 「粒子上のすべての電子を数えることは、私にとって非常に驚くべきことです」とシンブロットは言います。
この集計は、ビーズが最初に捕捉された電子が非常に少ない状態で開始され、静電気の蓄積を説明できないことを示した、と Jaeger は言う。実際、研究者が粒子を光にさらしてトラップされた電子を表面に沸騰させようとしても、トラップされた電子の密度は効果を説明するのに必要な密度の 100,000 分の 1 未満のままである、と研究者は報告しています。 Physical Review Letters で印刷中の論文 .
「彼らは、これらのトラップされた電子の移動のアイデアが有効でないことをかなり説得力のある方法で示しています」と、ローウェルとトラスコットの理論を粒状物質に適用したオハイオ州クリーブランドのケース ウェスタン リザーブ大学の化学エンジニアであるダニエル ラックスは言います。
粒子が電子を交換していない場合、電荷はどこから来るのでしょうか?それらは、必然的に穀物を覆う分子の厚さの水の層中の水酸化物イオンに由来する可能性があるとイェーガーは推測している.または、荷電には、粒子から粒子へのジルコニウム材料の移動が含まれる可能性があると、ポモナにあるカリフォルニア州立工科大学の化学エンジニアである Keith Forward 氏は述べています。
どのシナリオが正しいかを判断するのは難しいかもしれません。水がまったくなくなるような条件下で実験を繰り返すのは非常に難しいだろう、と Jaeger は言う。 Forward は、化学を使用して水酸化物イオンの存在を検出しようとする方が簡単かもしれないことを示唆しています。この小さな謎を解くことは、材料科学者やエンジニアが効果を制御するのに役立ち、製薬会社や他の産業に恩恵をもたらす可能性があります.
(ビデオのクレジット:Scott Waitukaitis と Heinrich Jaeger、シカゴ大学)
