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揭秘靜電之謎：研究揭示摩擦如何產生靜電
來源：
發布時間：2025-01-10
科學家首先次解釋了摩擦表面是如何產生電流的。
美國西北大學的研究人員揭開了一個長期存在的謎團：為什么物體相互摩擦會產生靜電。他們發現，在滑動物體的前部和后部，不同的力會引起不同的電荷，從而產生電流。這一見解源于米利都人泰勒斯的古老觀察，從預防工業事故到加強藥物劑量，都具有重大意義。
理解靜電：一個突破性的發現
任何曾經愛撫過貓或在地毯上拖著腳走過的人都知道，物體相互摩擦會產生靜電。但兩千多年來，研究人員一直沒有找到對這一現象的解釋。
現在，西北大學的科學家們終于發現了其中的機制。
研究人員發現，當物體滑動時，物體的前后部分會受到不同的力。這種力的差異導致不同的電荷在物體的前后部分積聚。電荷的差異會產生電流，導致輕微的電擊。
解釋一個古老的現象
西北大學的勞倫斯·馬克斯是這項研究的負責人，他說：“我們首先次能夠解釋一個以前沒有人能解釋的謎團：為什么摩擦很重要。人們已經嘗試過，但如果不做出不合理或不合理的假設，他們就無法解釋實驗結果。現在我們可以了，答案出奇的簡單。滑動物體的前部和后部有不同的變形，從而產生不同的電荷，就會產生電流。”
作為表面結構方面的專業的人，馬克斯是西北大學麥考密克工程學院材料科學與工程榮譽退休教授。馬克斯研究小組的博士生卡爾·奧爾森（Karl Olson）是這篇論文的首先作者。
靜態研究的歷史背景
公元前600年，希臘哲學家米利都的泰勒斯首先次報道了摩擦引起的靜電。他用皮毛摩擦琥珀后，他注意到皮毛會吸附灰塵。
馬克斯說：“從那時起，很明顯，摩擦會在所有絕緣體中引起靜電，而不是皮毛。然而，這或多或少是科學共識結束的地方。”
剪切：靜電背后的秘密
馬克斯和他的團隊在2019年開始解開這個謎團。在發表在《物理評論快報》上的一項研究中，他們報告說，將兩種材料摩擦在一起會使材料表面的微小突起彎曲。研究人員發現，這些彎曲、變形的突起會產生電壓。
“在2019年，我們有了即將發生的事情的種子。然而，就像所有的種子一樣，它需要時間來生長。現在，它已經開花了。我們開發了一種計算電流的新模型。不同情況下的電流值與實驗結果吻合較好。”
一個叫做“彈性剪切”的概念是新模型的中間。當材料抵抗滑動力時，就會發生彈性剪切。如果一個人把盤子推過桌子，盤子就會滑動。一旦這個人停止推它，盤子就停止了移動。這種由滑動阻力引起的額外摩擦會導致電荷移動。
“滑動和剪切是緊密相連的，”馬克斯說。
靜電的實際意義
雖然靜電會引起有趣的事故，比如從游樂場滑梯上滑下來后頭發豎起來，但它也會導致嚴重的問題。例如，靜電產生的火花會引起工業火災甚至事故。它還會妨礙粉狀藥物的一致劑量。隨著對其機制的更好理解，研究人員可能會為這些問題引入新的解決方案。
馬克斯說：“靜電以簡單和深刻的方式影響著生活。用靜電給谷物充電對咖啡豆的研磨和味道有重大影響。如果沒有形成行星的粒子聚集的關鍵步驟，地球可能就不是一個行星，這是由于谷物碰撞產生的靜電造成的。令人驚訝的是，我們的生活中有多少受到靜電的影響，宇宙中有多少依賴于靜電。”
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