Το ηλεκτρικό πεδίο και η υγρασία μπορούν να πυροδοτήσουν ηλέκτριση με επαφή

Δυο παρόμοιοι μονωτές, παρά το γεγονός ότι δεν έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια, είναι σε θέση να φορτίσουν ο ένας τον άλλον όταν έλθουν σε επαφή. Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται «ηλέκτριση με επαφή», είναι σημαντική και στα φυσικά φαινόμενα (όπως αστραπές κοντά σε νέφη ηφαιστειακής σκόνης) και σε βιομηχανικές εφαρμογές (όπως η εκτύπωση με λέιζερ). Ωστόσο, η φυσική εξήγηση αυτού του φαινομένου παρέμενε ατελής: η ταυτότητα των φορέων του φορτίου και τι προκαλεί την κίνησή τους σε πολλές περιπτώσεις είναι άγνωστη.

Τώρα, πειράματα που πραγματοποίησαν από τον ομάδα του Yong Hong Liu στο Πανεπιστήμιο του Πετρελαίου της Κίνας (στην ανατολική Κίνα) πρότειναν την άποψη ότι, σε υγρά περιβάλλοντα με ισχυρά ηλεκτρικά πεδία (όπως στις καταιγίδες), οι φορείς του φορτίου είναι πιθανά όπως τα ιόντα υδρονίου (H3O+) και υδροξυλίου (OH-) που οδηγούνται από ηλεκτρικό πεδίο μέσω του νερού που απορροφάται στις επιφάνειες των μονωτών.

Ο Liu και οι συνεργάτες του έλεγξαν πως μονωτικές γυάλινες σφαίρες, αποκτούσαν καθαρό φορτίο με την παρουσία ενός ηλεκτρικού πεδίου και κάτω από ποικίλες συνθήκες υγρασίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ηλέκτριση με επαφή απαιτεί οι γυάλινες σφαίρες  να έχουν απορροφήσει νερό από την υγρή ατμόσφαιρα και ότι ιόντα υδρονίου και υδροξυλίου παράγονται  από την διάσπαση των μορίων του νερού, απομονώνονται στις επιφάνειες των σφαιρών με την παρουσία ηλεκτρικού πεδίου και λειτουργούν ως φορείς φορτίου.

Οι ερευνητές προτείνουν πως όταν δυο σφαίρες συγκρούονται, τα ιόντα που έρχονται σε επαφή εξουδετερώνει το ένα το άλλο δια μέσου της γέφυρας νερού που συνδέει τους μονωτές, αφήνοντας την κάθε σφαίρα με ένα καθαρό φορτίο (τα ιόντα στην αντίθετη μεριά κάθε σφαίρας). Παρόλο που η μεμβράνη νερού στις επιφάνειες των σφαιρών πιθανά δεν είναι ομοιόμορφη, οι συγγραφείς προτείνουν, βασιζόμενοι σε προηγούμενα πειράματα που έγιναν από άλλες ομάδες, ότι τα ιόντα μπορεί ακόμη να μεταφέρονται μεταξύ μονωμένων «νησιών» νερού δια μέσου των υδρατμών που τα περιβάλλουν, συνδέοντάς τα.

Σχηματοποίηση του πειράματος: (a)–(c) Δυο ανηρτημένα σε νήματα γυάλινα σφαιρίδια (r=1  mm) σε επαφή. (a) Χωρισμός των σφαιριδίων δεν συμβαίνει σε απουσία ηλεκτρικού πεδίου. (b) Ο χωρισμός συμβαίνει υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου (E=2.5  kV/cm) με διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο επαφής. (c) Χωρισμός δεν συμβαίνει υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου με διεύθυνση εφαπτόμενη στο επίπεδο επαφής. (d)–(f) Μηχανισμός μεταφοράς φορτίων με υδροφιλικά σωμάτια σε επαφή. Ας σημειωθεί ότι η μεμβράνη νερού είναι ενισχυμένη και σχεδιάστηκε συνεχής για την εικονοποίηση. Η πραγματική μεμβράνη νερού είναι πολύ λεπτό και μπορεί να μην είναι συνεχής.

Πηγή: APS

Περισσότερα στο άρθρο: Electric Field and Humidity Trigger Contact Electrification, Phys. Rev. X 5, 011002 – Published 13 January 2015