Statisk elektricitet är en allestädes närvarande del av vardagen. Det finns runt omkring oss, ibland roligt och uppenbart — som när det får ditt hår att resa sig — ibland dolt och användbart, som när det utnyttjas av elektroniken i din mobiltelefon. De torra vintermånaderna är högsäsong för en irriterande nackdel med statisk elektricitet – elektriska urladdningar som små blixtar när du rör vid dörrhandtag eller varma filtar färska från torktumlaren.
Statisk elektricitet är ett av de äldsta vetenskapliga fenomen som människor observerat och beskrivit. Den grekiske filosofen Thales av Miletos gjorde den första redogörelsen; i hans sjätte århundrade f.Kr. skrifter, noterade han att om bärnsten gnides tillräckligt hårt, kommer små dammpartiklar att börja fastna på den. Tre hundra år senare följde Theophrastus upp Thales experiment genom att gnugga olika sorters sten och observerade även "attraktionskraften". Men ingen av dessa naturfilosofer hittade en tillfredsställande förklaring till vad de såg.
Det tog nästan 2 000 år till innan det engelska ordet "elektricitet" först myntades, baserat på latinets "electricus", som betyder "som bärnsten". Några av de mest kända experimenten utfördes av Benjamin Franklin i hans strävan att förstå den underliggande mekanismen för elektricitet, vilket är en av anledningarna till att hans ansikte ler från 100-dollarsedeln. Människor insåg snabbt elektricitetens potentiella användbarhet.
Naturligtvis, på 1700-talet använde man sig mest av statisk elektricitet i magiska trick och andra föreställningar. Till exempel blev Stephen Grays "flygande pojke"-experiment en populär offentlig demonstration:Gray använde en Leyden-burk för att ladda upp ungdomen, upphängd i sidensnören och sedan visa hur han kunde vända boksidor via statisk elektricitet, eller lyfta små föremål bara använder den statiska attraktionen.
Med utgångspunkt i Franklins insikter, inklusive hans insikt om att elektrisk laddning kommer i positiva och negativa smaker, och att den totala laddningen alltid bevaras, förstår vi nu på atomnivå vad som orsakar den elektrostatiska attraktionen, varför den kan orsaka miniblixtar och hur man utnyttjar vad som kan vara till besvär för användning i olika moderna tekniker.
Innehåll
Statisk elektricitet kommer ner till den interaktiva kraften mellan elektriska laddningar. På atomär skala bärs negativa laddningar av små elementarpartiklar som kallas elektroner. De flesta elektroner är prydligt packade inuti huvuddelen av materia, oavsett om det är en hård och livlös sten eller den mjuka, levande vävnaden i din kropp. Men många elektroner sitter också precis på ytan av vilket material som helst. Varje material håller fast vid dessa ytelektroner med sin egen olika karaktäristiska styrka. Om två material gnuggar mot varandra kan elektroner slitas ur det "svagare" materialet och befinna sig på materialet med starkare bindningskraft.
Denna överföring av elektroner - vad vi känner som en gnista av statisk elektricitet - sker hela tiden. Ökända exempel är barn som glider nerför en rutschkana på en lekplats, fötter som rör sig längs en matta eller någon som tar av sig ullhandskar för att skaka hand.
Men vi märker dess effekt oftare under de torra vintermånaderna, när luften har mycket låg luftfuktighet. Torr luft är en elektrisk isolator, medan fuktig luft fungerar som en ledare. Detta är vad som händer:I torr luft fastnar elektroner på ytan med den starkare bindningskraften. Till skillnad från när luften är fuktig kan de inte hitta tillbaka till ytan där de kom ifrån, och de kan inte göra fördelningen av laddningar enhetlig igen.
En statisk elektrisk gnista uppstår när ett föremål med ett överskott av negativa elektroner kommer nära ett annat föremål med mindre negativ laddning och överskottet av elektroner är tillräckligt stort för att få elektronerna att "hoppa". Elektronerna strömmar från där de har byggts upp – som när du har gått över en ullmatta – till nästa sak du kontaktar som inte har ett överskott av elektroner, såsom en dörrhandtag.
När elektroner inte har någonstans att ta vägen byggs laddningen upp på ytor - tills den når ett kritiskt maximum och urladdas i form av en liten blixt. Ge elektronerna ett ställe att ta vägen till – som ditt utsträckta finger – så kommer du med all säkerhet att känna hur det blir.
Även om det ibland är irriterande, är mängden laddning i statisk elektricitet vanligtvis ganska liten och ganska oskyldig. Spänningen kan vara cirka 100 gånger spänningen hos vanliga eluttag. Dessa enorma spänningar är dock inget att oroa sig för, eftersom spänning bara är ett mått på laddningsskillnaden mellan föremål. Den "farliga" storheten är ström, som berättar hur många elektroner som strömmar. Eftersom vanligtvis bara ett fåtal elektroner sänds i en statisk elektrisk urladdning är dessa zaps ganska ofarliga.
Ändå kan dessa små gnistor vara dödliga för känslig elektronik, såsom hårdvarukomponenterna i en dator. Små strömmar som bara bärs av ett fåtal elektroner kan räcka för att av misstag steka dem. Det är därför arbetare i elektroniska industrier måste förbli jordade, vilket i huvudsak är en trådbunden anslutning till att elektronerna ser ut som en tom motorväg "hem". Att jorda dig själv är också lätt genom att röra en metallkomponent eller hålla en nyckel i handen. Metaller är mycket bra ledare, så elektroner är ganska glada att gå dit.
Ett allvarligare hot är en elektrisk urladdning i närheten av brandfarliga gaser. Det är därför det är lämpligt att jorda dig själv innan du rör vid pumparna på bensinstationer; du vill inte att en herrelös gnista ska förbränna eventuella herrelösa bensinångor. Eller så kan du investera i den typ av antistatiskt armband som ofta används av arbetare inom elektronikindustrin för att säkert jorda individer innan de arbetar med mycket känsliga elektroniska komponenter. De förhindrar statisk elektricitet med hjälp av ett ledande band som lindas runt handleden.
I vardagen är den bästa metoden för att minska laddningsuppbyggnader att köra en luftfuktare för att öka mängden fukt i luften. Att även hålla huden fuktig genom att applicera fuktkräm kan göra stor skillnad. Torkarlakan förhindrar laddningar från att byggas upp när dina kläder torktumlas genom att sprida en liten mängd sköljmedel över trasan. Dessa positiva partiklar balanserar ut lösa elektroner, och den effektiva laddningen försvinner, vilket innebär att dina kläder inte kommer ut ur torktumlaren som sitter fast vid varandra. Du kan gnugga sköljmedel på dina mattor för att förhindra laddningsuppbyggnad också. Slutligen är det bättre att bära bomullskläder och skor med lädersula än ullkläder och skor med gummisulor.
Trots störningarna och eventuella farorna med statisk elektricitet har det definitivt sina fördelar.
Många vardagliga tillämpningar av modern teknik förlitar sig mycket på statisk elektricitet. Till exempel använder kopiatorer elektrisk attraktion för att "limma" laddade tonpartiklar på papper. Luftfräschare får inte bara rummet att lukta gott, utan de eliminerar också dålig lukt genom att släppa ut statisk elektricitet på dammpartiklar och på så sätt avlägsna den dåliga lukten.
På liknande sätt använder skorstenar som finns i moderna fabriker laddade plattor för att minska föroreningarna. När rökpartiklar rör sig upp i stapeln, plockar de upp negativa laddningar från ett metallgaller. När de är laddade attraheras de av plattor på andra sidor av skorstenen som är positivt laddade. Slutligen samlas de laddade rökpartiklarna upp på en bricka från uppsamlingsplattorna som kan kasseras.
Statisk elektricitet har också hittat sin väg in i nanotekniken, där den till exempel används för att plocka upp enskilda atomer med laserstrålar. Dessa atomer kan sedan manipuleras för alla möjliga ändamål som i olika datortillämpningar. En annan spännande applikation inom nanoteknik är styrning av nanoballonger, som genom statisk elektricitet kan växlas mellan ett uppblåst och ett kollapsat tillstånd. Dessa molekylära maskiner skulle en dag kunna leverera medicin till specifika vävnader i kroppen.
Statisk elektricitet har sett två och ett halvt årtusende sedan upptäckten. Det är fortfarande en nyfikenhet och en olägenhet – men det har också visat sig vara viktigt för vår vardag.
Sebastian Deffner är biträdande professor i fysik vid University of Maryland, Baltimore County. Den här artikeln var medförfattare av Muhammed Ibrahim, som bedriver forskningssamarbete med Deffner om att minska beräkningsfel i kvantminnen.
Denna artikel är återpublicerad från Konversationen under en Creative Commons-licens. Du kan hitta originalartikel här .
