Il mistero di 80 anni sull’elettricità statica finalmente risolto

Il mistero di 80 anni sull'elettricità statica finalmente risolto

Carica mosaici su dielettrici a contatto. (a) In una visione convenzionale, due materiali elettricamente neutri (gra) sono entrati in contatto e quindi hanno separato la carica in modo uniforme (in basso a sinistra), uno positivo (rosso) e uno negativo (blu). In uno scenario alternativo (in basso a destra), ciascuna superficie sviluppa un “mosaico di carica” ​​altamente non uniforme con domini vicini di polarità di carica opposte. (b) Collage di mosaici di carica riportati in letteratura (sono indicati gli anni e le barre di scala). Crediti: UNIST

Storicamente, l’elettrificazione a contatto (CE) è stata la prima e unica fonte di elettricità dell’umanità fino al 18° secolo, ma la sua vera natura è ancora sfuggente. Oggi è considerato un componente fondamentale di tecnologie come stampanti laser, processi di produzione LCD, verniciatura elettrostatica e separazione delle materie plastiche per il riciclaggio, nonché un grave pericolo industriale (danni ai sistemi elettronici, esplosioni nelle miniere di carbone, incendi negli impianti chimici, ecc.) a causa delle scariche elettrostatiche (ESD) che accompagnano il CE. Nel vuoto, gli ESD di un semplice nastro adesivo sono così potenti da generare abbastanza raggi X per acquisire un’immagine a raggi X di un dito.

Per molto tempo si è ritenuto che due materiali in contatto/scorrevoli si caricassero in modo opposto e uniforme. Negli anni ’40, tuttavia, è stato osservato che ciascuna delle superfici separate porta cariche sia (+) che (-), dopo CE. La creazione dei cosiddetti mosaici di carica è stata attribuita all’irriproducibilità degli esperimenti, alle disomogeneità intrinseche dei materiali a contatto oa una generale “natura stocastica” di CE.

Un gruppo di ricerca, guidato dal professor Bartosz A. Grzybowski (Dipartimento di chimica) del Center for Soft and Living Matter, all’interno dell’Institute for Basic Science (IBS) dell’UNIST, ha studiato le possibili fonti di mosaici di carica per oltre un decennio. Pubblicato online e da inserire nel numero di ottobre 2022 di Fisica della naturaquesto studio dovrebbe aiutare a controllare le scariche elettrostatiche potenzialmente dannose.

“Nel nostro 2011 Scienza carta, abbiamo mostrato una non uniformità di carica su scala sub-micrometrica di origine sconosciuta. A quel tempo, la nostra ipotesi era di attribuire questi (+/-) mosaici al trasferimento di microscopiche macchie di materiale tra le superfici da separare. Tuttavia, in molti anni di lavoro sul problema, questo e i modelli correlati semplicemente non stavano reggendo, poiché stava gradualmente diventando poco chiaro a noi (e a molti altri colleghi con cui abbiamo discusso) come queste macchie microscopiche possano spiegare regioni anche su scala millimetrica di polarità opposta che coesistono sulla stessa superficie. Tuttavia, noi e la comunità non abbiamo avuto una risposta migliore sul perché i mosaici (+/-) si vedono affatto e su così tante scale di lunghezza”, afferma il professor Grzybowski.

Nel documento pubblicato di recente in Fisica della natura, il gruppo del professor Grzybowski mostra che i mosaici di carica sono una diretta conseguenza dell’ESD. Gli esperimenti dimostrano che tra i materiali di delaminazione si creano sequenze di “scintille” responsabili della formazione delle distribuzioni di carica (+/-) simmetriche su entrambi i materiali.

“Si potrebbe pensare che una scarica possa solo portare le cariche a zero, ma in realtà può invertirle localmente. È collegato al fatto che è molto più facile accendere la ‘scintilla’ che spegnerla”, afferma il dott. Yaroslav Sobolev, l’autore principale dell’articolo. “Anche quando le cariche sono ridotte a zero, la scintilla continua a funzionare alimentata dal campo delle regioni adiacenti non toccate da questa scintilla”.

La teoria proposta spiega perché i mosaici di carica sono stati visti su molti materiali diversi, inclusi fogli di carta, palloncini di sfregamento, sfere d’acciaio che rotolano su superfici di teflon o polimeri staccati dallo stesso o da altri polimeri. Suggerisce anche l’origine del rumore scoppiettante quando si stacca un nastro adesivo: potrebbe essere una manifestazione delle scariche di plasma che strappano il nastro come una corda di chitarra. La ricerca presentata dovrebbe aiutare a controllare le scariche elettrostatiche potenzialmente dannose e avvicinarci alla vera comprensione della natura dell’elettrificazione a contatto, ha osservato il team di ricerca.


I ricercatori osservano la regione invertita di trasferimento di carica di Marcus da materiali semiconduttori a bassa dimensione


Maggiori informazioni:
Bartosz Grzybowski, I mosaici di carica sui dielettrici elettrificati a contatto risultano da scariche a inversione di polarità, Fisica della natura (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01714-9

HT Baytekina et al, Il mosaico della carica superficiale nell’elettrificazione a contatto, Scienza (2011). DOI: 10.1126/scienza.1201512

Fornito da Ulsan National Institute of Science and Technology

Citazione: mistero di 80 anni nell’elettricità statica finalmente risolto (2022, 6 ottobre) recuperato il 6 ottobre 2022 da https://phys.org/news/2022-10-year-old-mystery-static-electricity.html

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