Mokslininkai neigia senas statinio krūvio dogmas

Daugelio mūsų pažintis su elektra ir magnetizmu prasidėjo nuo statinio krūvio, apie jį mokomasi ir fizikos pamokose. Paprastai aiškinama, kad statinis krūvis susidaro dviejų skirtingų medžiagų sąlyčio vietoje, kuomet iš vienos į kitą perduodami elektronai. Tokios medžiagos gali būti stiklas ir vilna arba balionas ir medvilniniai marškinėliai – bent jau tokie pavyzdžiai dažniausiai naudojami demonstravimui.

Mums sakoma, kad skirtingos medžiagos turi polinkį kaupti teigiamą arba neigiamą krūvį ir kad elektronų perdavimo metu elektros srovė nebūna stipri, tačiau jos pakanka, kad balionas priliptų prie lubų arba kad prisilietus prie kokio nors paviršiaus trinktelėtų elektra, rašo wired.com.

Tačiau beveik visi šie teiginiai, pasak leidinyje „Science“ publikuoto leidinio, yra netiesa. Krūvis gali pereiti tarp identiškų medžiagų, visos medžiagos elgiasi daugiau ar mažiau vienodai, krūviai yra cheminių reakcijų produktas ir kiekvienas paviršius tampa teigiamų bei neigiamų krūvių, kurių kiekvienas gali būti tūkstančius kartų stipresnis už to paties paviršiaus vidutinį krūvį, kratiniu.

Nuo ko pradėti? Mokslininkai pradeda nuo maždaug 2500 metų senumo istorijos, pažymėdami, kad statinio krūvio tyrimus pradėjo graikas, vardu Talis iš Mileto. Statinį krūvį jis kūrė naudodamas vilną ir gintarą. Tačiau tik praėjusiais metais kai kurie naujo mokslinio darbo autoriai paskelbė keistą rezultatą: kontaktinė elektrifikacija įmanoma tarp dviejų tos pačios medžiagos plokščių, net jeigu šios tiesiog stovi viena priešais kitą. Pasak mokslininkų, „Laikantis įprastinio požiūrio į kontaktinę elektrifikaciją taip vykti neturėtų, nes abiejų paviršių/medžiagų cheminiai potencialai yra identiški ir nėra jokios akivaizdžios termodinaminės jėgos, kuri skatintų krūvio perdavimą“.

Vienas iš galimų tokio reiškinio paaiškinimų – kad medžiagos paviršiuje krūvis nėra pasiskirstęs vienodai ir jį sudaro krūvio donorų bei krūvio akceptorių sritys. Norint tai patikrinti mokslininkai atliko kontaktinės elektrifikacijos eksperimentus naudodami elektrai nelaidžias medžiagas (polikarbonatus ir kitus polimerus), pusiau laidžią medžiagą (silicį) bei laidininką (aliuminį). Tuomet medžiagų paviršiai buvo ištirti naudojant Kelvino jėgos mikroskopą – atominės jėgos mikroskopo variantą, gebantį nustatyti krūvio kiekį paviršiuje.

Kelvino jėgos mikroskopu užfiksuoti vaizdai parodė, kad tirtieji paviršiai atrodė kaip mozaikos, juose teigiamų ir neigiamų krūvių sritys viena nuo kitos buvo nutolusios mikrometro ar dar mažesniu atstumu. Visos tirtosios medžiagos, nepriklausomai nuo jų bendro krūvio, pasižymėjo tokiomis mozaikos savybėmis. Bėgant laikui šie krūviai išsisklaido, tačiau autoriai nustatė, kad išsisklaidymo procesas vyksta ne perduodant elektronus į gretimas priešingo krūvio sritis – jie ne susilieja su aplinka, tačiau iš lėto mažėja. Autoriai nustatė, kad kiekvienoje iš tokių sričių yra apie 500 elementariųjų krūvių (t.y., +/- 500 elektronų), arba po vieną krūvį maždaug dešimčiai kvadratinių nanometrų.

Santykinai silpna srovė sukuriama ne dėl to, kad krūvio viršūnės ir duobės yra nedidelės – skirtumai tarp jų yra maždaug 1000 kartų didesni nei vidutinis viso paviršiaus krūvis. Tiesiog bendri teigiamo ir neigiamo krūvių plotai yra apylygiai (jie paprastai skiriasi procento dalimi). Panašu, kad jų pasiskirstymas yra visiškai atsitiktinis, nes mokslininkams pavyko panašų pasiskirstymą gauti panaudojant triukšmo generatorių.

Tai dėl ko gi kaupiasi krūvis? Panašu, kad tai visgi nevyksta dėl elektronų perdavimo tarp paviršių. Atlikus kruopščius vieno polimero (PDMS) spektroskopinius tyrimus nustatyta, kad procese greičiausiai dalyvauja cheminės reakcijos, nes aptikta daug oksiduotų polimero darinių. Be to, esama duomenų, kad nuo vieno paviršiaus ant kito pernešama šiek tiek medžiagos. Naudojant atskirus polimero su fluoru ir polimero su siliciu gabalus mokslininkai sugebėjo įrodyti, kad po šių polimerų kontakto spektroskopiškai tiriant silicio polimero gabalą buvo gaunami signalai, būdingi fluorui.

Šiuo metu tikslus ryšys tarp krūvio perdavimo ir aprašytų procesų – cheminių reakcijų bei medžiagų pernašos tarp paviršių – nėra žinomas. Tačiau esama tikėtinų mechanizmų, pagal kuriuos medžiagos galėtų kaupti krūvius, o mokslininkai tvirtai nusiteikę tuos mechanizmus patikrinti.