Левитирующие в звуке частицы показали предсказуемую картину статического заряда

Когда две частицы раз за разом отскакивают друг от друга, при каждом ударе между ними переходит непредсказуемое количество электрического заряда, но в сумме получается ясная закономерность. К такому выводу пришли физики из Бристольского университета во главе с Томом О'Харой, изучавшие многократные столкновения двух частиц, удерживаемых в воздухе звуком. Результат опубликован 23 октября в журнале Physical Review E под названием «Для трибозаряда нужны двое: стохастическая эволюция заряда при повторных парных столкновениях акустически левитирующих частиц».

Старый эффект, который до конца не понят

Трибоэлектризация — процесс, порождающий статическое электричество, — происходит всякий раз, когда два предмета соприкасаются и расходятся: они обмениваются зарядом, знак и величина которого зависят от материалов. «О трибоэлектризации известно со времён Платона, но фундаментальные механизмы переноса заряда до сих пор поняты не полностью, — объясняет О'Хара. — Это особенно важно для изолирующих порошков, где большая площадь поверхности позволяет накапливать большой поверхностный заряд».

Эффект проявляется в вулканическом пепле, пыльных бурях и грозовых облаках, где накопление заряда в конце концов заканчивается молнией. Он опасен и в промышленности, где заряд может поджечь горючую пыль или облака паров. Поскольку в таких системах происходит огромное число столкновений в разных условиях, очень трудно выделить, что происходит при одном столкновении.

Как это сделали

В 2017 году команда из Бристоля создала TinyLev — недорогой акустический левитатор из готовых деталей, способный удерживать, например, кремнезёмные шарики, капли воды и мелких насекомых. Новое устройство MultiLev — его более управляемая версия. Оно удерживает две частицы полистирола и заставляет их многократно сталкиваться.

В установке есть две обращённые друг к другу чашки Фарадея: они измеряют заряд помещённой внутрь частицы по току, который она наводит, с помощью чувствительного пикоамперметра. Чашки сделаны из проволочной сетки с тщательно подобранным шагом, поэтому звуковые волны, на которых держится левитация, проходят сквозь них. Так исследователи смогли держать каждую частицу в своей чашке, менять акустическое поле, чтобы свести частицы между чашками, а затем возвращать каждую частицу в её чашку и измерять заряд, перенесённый при столкновении.

Случайные шаги — предсказуемая сумма

Сначала заряд, обмениваемый при отдельных столкновениях, выглядел случайным, а его значения подчинялись скошенному нормальному распределению. Но по мере роста числа столкновений проявилась ясная накопительная картина: заряд каждой частицы сначала устойчиво рос, а затем выходил на максимум — значение насыщения. «Это согласуется с ранее предложенной конденсаторной моделью, которая рассматривает зарядку частиц как зарядку конденсатора», — говорит О'Хара.

«Установив чёткую связь между повторными столкновениями частиц и насыщением заряда в контролируемой системе, мы закладываем полезную основу для изучения трибоэлектризации в более сложных средах», — добавляет он. По сообщению Physics World, этот подход в конечном счёте может помочь понять накопление заряда в реальных условиях, что способно привести к более точным прогнозам экстремальной погоды и более обоснованным правилам безопасности на производстве. Больше — в разделе «Наука».