Левітовані звуком частинки показали передбачувану картину статичного заряду
Коли дві частинки раз за разом відскакують одна від одної, під час кожного удару між ними переходить непередбачувана кількість електричного заряду, але в сумі виходить чітка закономірність. До такого висновку дійшли фізики з Брістольського університету на чолі з Томом О'Харою, які вивчали багаторазові зіткнення двох частинок, що утримуються в повітрі звуком. Результат опубліковано 23 жовтня в журналі Physical Review E під назвою «Для трибозаряду потрібні двоє: стохастична еволюція заряду при повторних парних зіткненнях акустично левітованих частинок».
Старий ефект, який досі не до кінця зрозумілий
Трибоелектризація — процес, що породжує статичну електрику, — відбувається щоразу, коли два предмети торкаються й розходяться: вони обмінюються зарядом, знак і величина якого залежать від матеріалів. «Про трибоелектризацію відомо ще з часів Платона, але фундаментальні механізми перенесення заряду досі розуміють не повністю, — пояснює О'Хара. — Це особливо важливо для ізолювальних порошків, де велика площа поверхні дає змогу накопичувати великий поверхневий заряд».
Ефект проявляється у вулканічному попелі, пилових бурях і грозових хмарах, де накопичення заряду зрештою закінчується блискавкою. Він небезпечний і в промисловості, де заряд може підпалити горючий пил або хмари пари. Оскільки в таких системах відбувається величезна кількість зіткнень за різних умов, дуже важко виокремити, що діється під час одного зіткнення.
Як це зробили
У 2017 році команда з Брістоля створила TinyLev — недорогий акустичний левітатор із готових деталей, здатний утримувати, зокрема, кремнеземні кульки, краплі води й дрібних комах. Новий пристрій MultiLev — його більш кероване втілення. Він утримує дві частинки полістиролу й змушує їх багаторазово зіштовхуватися.
В установці є дві обернені одна до одної чашки Фарадея: вони вимірюють заряд частинки, поміщеної всередину, за струмом, який вона наводить, за допомогою чутливого пікоамперметра. Чашки зроблено з дротяної сітки з ретельно підібраним кроком, тож звукові хвилі, на яких тримається левітація, проходять крізь них. Так дослідники змогли тримати кожну частинку у своїй чашці, змінювати акустичне поле, щоб звести частинки між чашками, а потім повертати кожну частинку в її чашку й вимірювати заряд, перенесений під час зіткнення.
Випадкові кроки — передбачувана сума
Спочатку заряд, який обмінювався під час окремих зіткнень, виглядав випадковим, а його значення підпорядковувалися скошеному нормальному розподілу. Але в міру збільшення кількості зіткнень проявилася чітка накопичувальна картина: заряд кожної частинки спочатку стабільно зростав, а потім виходив на максимум — значення насичення. «Це узгоджується з раніше запропонованою конденсаторною моделлю, яка розглядає заряджання частинок як заряджання конденсатора», — каже О'Хара.
«Встановивши чіткий зв'язок між повторними зіткненнями частинок і насиченням заряду в контрольованій системі, ми закладаємо корисну основу для вивчення трибоелектризації в складніших середовищах», — додає він. За повідомленням Physics World, цей підхід зрештою може допомогти зрозуміти накопичення заряду в реальних умовах, що здатне призвести до точніших прогнозів екстремальної погоди та обґрунтованіших правил безпеки у виробництві. Більше — у розділі «Наука».