声悬浮微粒揭示静电荷的可预测规律

当两颗微粒一次又一次地相互弹开时，每次碰撞都会在它们之间转移不可预测的电荷量，但总量却遵循清晰的规律。这是布里斯托尔大学以汤姆·奥哈拉（Tom O'Hara）为首的物理学家得出的结论，他们研究了由声音悬浮在空气中的两颗微粒的反复碰撞。研究结果于10月23日发表在《物理评论E》（Physical Review E）上，题为“摩擦起电需要两个：声悬浮微粒重复二元碰撞中的随机电荷演化”。

一种古老的效应，至今尚未完全理解

摩擦起电是产生静电的过程，只要两个物体接触并分离就会发生：它们交换电荷，电荷的正负和大小取决于所涉及的材料。“摩擦起电自柏拉图的时代起就已为人所知，但控制电荷转移的基本机制仍未被完全理解，”奥哈拉解释说。“这对绝缘粉末尤其重要，因为其巨大的表面积可以积累大量表面电荷。”

这种效应出现在火山灰、沙尘暴和雷暴云中，电荷积累最终以闪电告终。它在工业中也是一种风险，电荷可能点燃易燃粉尘或蒸气云。由于这类系统涉及不同条件下的海量碰撞，很难分离出单次碰撞中发生的情况。

他们是怎么做的

2017年，布里斯托尔的一个团队用现成零件制造了TinyLev，这是一种低成本的声悬浮装置，可以捕获二氧化硅小球、水滴和小昆虫等物体。新装置MultiLev是其更易控制的版本。它捕获两颗聚苯乙烯微粒，并使它们反复碰撞。

该装置包括两个相对放置的法拉第杯，通过灵敏的皮安计检测微粒感应出的电流，来测量放入其中的微粒所带的电荷。杯子由间距经过精心选择的金属丝网制成，因此用于悬浮的声波可以穿过。这使研究人员能够让每颗微粒悬浮在各自的杯中，调整声场使两颗微粒在杯子之间相遇，然后再把每颗微粒送回自己的杯中，测量碰撞中转移的电荷。

随机的步伐，可预测的总量

起初，单次碰撞中交换的电荷看起来是随机的，其数值服从偏态正态分布。但随着团队引发更多碰撞，一个清晰的累积规律出现了：每颗微粒的电荷起初稳步上升，随后趋于平缓，接近一个最大值，即饱和值。“这与此前提出的电容器模型一致，该模型把微粒的带电过程看作电容器的充电，”奥哈拉说。

“通过在受控系统中建立重复的微粒碰撞与电荷饱和之间的明确关系，我们为研究更复杂环境中的摩擦起电提供了有用的基础，”他补充道。据《物理世界》（Physics World）报道，这种方法最终可能帮助研究人员理解现实环境中的电荷积累，从而更好地预测极端天气，并为制造业制定更有依据的安全规则。更多内容请见我们的科学栏目。