Om du går över en matta i ullstrumpor finns det en ganska god chans att nästa dörrhandtag som du vidrör kommer att överraska dig med en gnista. Statisk elektricitet är så vanligt att det är lätt att glömma hur konstigt det är.
Men vad händer egentligen när du stöter på dessa gnistor?
Den antika grekiska filosofen och matematikern Thales från Milet var den första som beskrev statisk elektricitet under sjätte århundradet f.Kr., men forskare har kämpat i årtionden för att besvara den grundläggande frågan. Men forskare som arbetar på nanoskalan har precis gjort ett stort steg framåt i strävan att förstå varför gnidning av två ytor kan leda till en chock.
Oavsett hur slät en yta kan se ut, när du zooma in tillräckligt nära, kommer du att märka bulor och gropar. Forskare kallar dessa brister "asperities." Varje yta, från ballonger till fibrer som ull eller hår, täcks av mikroskopiska asperities. Och dessa funktioner är ansvariga för att producera statisk elektricitet, säger Christopher Mizzi, en doktorand i materialvetenskap och teknik vid Northwestern University i Evanston, Illinois.
I en studie som publicerades i september i tidskriften Physical Review Letters jämförde Mizzi och hans medförfattare de osynliga bristerna på vardagsföremål med jordens yta. Om du tittar på jorden långt borta ser planeten "väldigt smidig ut, som en perfekt sfär", sa Mizzi. Vi vet emellertid att jorden i verkligheten är långt ifrån slät, men du måste titta på den för att se det. Det är bara när "du zooma in tillräckligt långt du märker att det finns berg och kullar," sade han. På liknande sätt ser bekanta föremål jämna ut tills de ses på nära håll.
När ytorna på två föremål gnider mot varandra, skraper deras otryck samman och skapar friktion. Forskare har visat länge att friktion spelar en roll i statisk elektricitet. (I själva verket delar den vetenskapliga termen för statisk elektricitet, triboelektricitet, en rot med tribologin, som är studien av friktion.)
I den nya studien visade Mizzi och hans medförfattare hur ojämnheterna som orsakar friktion också orsakar en chockerande skillnad i elektrisk laddning.
Något ovanligt med statisk elektricitet är att det är lättast att producera med elbegränsande material som kallas isolatorer; dessa inkluderar gummi, ull och hår. I nuvarande elektricitet - den vardagliga formen av elektricitet som driver telefoner, lampor och nästan all annan elektronik - skapar elektroner strömmar genom att flyta över atomer i ledande material, som koppartråd. Men isolatorers atomer låter inte elektroner komma och gå lätt; de tjänar sitt namn genom att hämma elektronflödet.
Mizzi och hans kollegor upptäckte att statisk elektricitet produceras när övergångarna i isolatorer gnider mot varandra och stör elektronmolnen. Eftersom elektronerna i isolatorerna inte kan röra sig lätt kan det att gnugga böja elektronmolnen ur form.
I dessa material är molnet med elektroner runt atomer vanligtvis symmetriskt. När du tittar på dessa moln "kan du inte säga upp från ner, från vänster från höger", sa Mizzi.
Men om du pressar det elektronmolnet deformeras det och blir asymmetriskt. Under rätt omständigheter kan den nya formen fördela spänningen ojämnt över materialet, förklarade Mizzi.
Vad har detta att göra med ullstrumpor på mattan? När du går i sådana skor gör kombinationen av kroppens vikt och din rörelse rörelserna i dina strumpor att glida mot fibrerna i mattan. När de två materialen gnider mot varandra så här drar bulorna på den ena ytan längs asperiteterna på den motsatta ytan, vilket får dem att böjas. När denna böjning inträffar krossas elektronmoln i atomerna som utgör övergångarna till asymmetriska former, vilket orsakar en väldigt liten spänningsskillnad.
Även om de är små, kommer dessa spänningsförändringar att öka. Asperiteterna är så många att kvistningen av elektronmoln orsakar en betydande uppbyggnad av statisk elektricitet - en tillräckligt kraftfull för att du ska känna det när du rör vid en dörrhandtag eller skakar någons hand.
Denna nygrundade förståelse av statisk elektricitet kan påverka forskare som utvecklar tyger som producerar friktionsgenererad kraft för laddning av bärbara enheter, vilket kan göra produkterna mer effektiva. Och med en bättre förståelse av vilka material som inte enkelt skapar statisk elektricitet kan ingenjörer arbeta för att skapa säkrare tillverkningsmiljöer, till exempel genom att eliminera dammpartiklar som kan orsaka bränder genom att gnugga mot varandra.
"När du har en modell kan du börja göra förutsägelser," sa Mizzi.
