음파로 띄운 입자가 정전기 전하의 예측 가능한 패턴을 드러내다

두 입자가 서로 계속 튕겨 나갈 때, 충돌할 때마다 둘 사이에서 예측할 수 없는 양의 전하가 이동하지만 그 총량은 뚜렷한 패턴을 따릅니다. 톰 오하라(Tom O'Hara)가 이끄는 브리스톨대학교 물리학자들이 소리로 공중에 띄운 두 입자의 반복 충돌을 연구해 얻은 결론입니다. 이 결과는 10월 23일 Physical Review E에 「It takes two to tribo: Stochastic charge evolution in repeated binary collisions of acoustically levitated particles」(마찰대전에는 둘이 필요하다: 음향 부양 입자의 반복적 이체 충돌에서의 확률적 전하 변화)라는 제목으로 게재되었습니다.

오래된 현상, 아직 완전히 이해되지 않았다

정전기를 만들어내는 과정인 마찰대전은 두 물체가 접촉했다가 떨어질 때마다 일어납니다. 전하가 교환되며, 그 부호와 크기는 관련된 물질에 따라 달라집니다. 오하라는 "마찰대전은 플라톤의 시대부터 알려져 있었지만, 전하 이동을 지배하는 근본 메커니즘은 여전히 완전히 이해되지 않았습니다"라고 설명합니다. "표면적이 넓어 많은 양의 표면 전하를 띨 수 있는 절연성 분말에서는 특히 중요합니다."

이 현상은 화산재, 먼지 폭풍, 뇌우 구름에서 나타나며, 전하가 쌓이다가 결국 번개로 끝납니다. 산업 현장에서도 위험 요소여서, 전하가 가연성 먼지나 증기 구름에 불을 붙일 수 있습니다. 이런 계에서는 다양한 조건에서 엄청난 수의 충돌이 일어나기 때문에, 한 번의 충돌에서 무슨 일이 벌어지는지 분리해 내기가 매우 어렵습니다.

실험 방법

2017년 브리스톨 연구팀은 시판 부품으로 만든 저가 음향 부양 장치 TinyLev를 제작했습니다. 이 장치는 실리카 구슬, 물방울, 작은 곤충 같은 물체를 붙잡아 둘 수 있습니다. 새 장치 MultiLev는 더 제어하기 쉬운 버전으로, 두 개의 폴리스티렌 입자를 붙잡아 반복해서 충돌시킵니다.

이 장치에는 서로 마주 보는 두 개의 패러데이 컵이 있어, 안에 놓인 입자가 유도하는 전류를 민감한 피코암페어계로 감지해 입자의 전하를 측정합니다. 컵은 간격을 세심하게 고른 금속 그물로 만들어져 있어 부양에 쓰이는 음파가 통과합니다. 덕분에 연구자들은 각 입자를 자기 컵 안에 띄우고, 음향장을 조절해 컵 사이에서 입자들을 만나게 한 다음, 각 입자를 자기 컵으로 되돌려 충돌에서 이동한 전하를 측정할 수 있었습니다.

무작위 걸음, 예측 가능한 총합

처음에는 개별 충돌에서 교환된 전하가 무작위처럼 보였고, 값은 비대칭 정규분포를 따랐습니다. 그러나 연구팀이 충돌 횟수를 늘리자 뚜렷한 누적 패턴이 나타났습니다. 각 입자의 전하는 처음에는 꾸준히 늘다가 점차 완만해지며 최댓값, 즉 포화값에 가까워졌습니다. 오하라는 "이는 입자의 대전을 축전기의 충전처럼 다루는, 앞서 제안된 축전기 모델과 일치합니다"라고 말합니다.

그는 "통제된 계에서 반복적인 입자 충돌과 전하 포화 사이의 명확한 관계를 밝혀냄으로써, 더 복잡한 환경에서 마찰대전을 조사하기 위한 유용한 토대를 마련했습니다"라고 덧붙입니다. Physics World 보도에 따르면, 이 접근법은 궁극적으로 연구자들이 실제 환경에서의 전하 축적을 이해하는 데 도움이 되어, 극단적인 날씨를 더 잘 예측하고 제조업의 안전 규정을 더 근거 있게 만드는 데 기여할 수 있습니다. 더 많은 내용은 과학 섹션에서 확인하세요.