Se attraversi un tappeto con calze di lana, c'è una buona possibilità che la prossima maniglia che tocchi ti sorprenderà con una scintilla. L'elettricità statica è così comune che è facile dimenticare quanto sia strana.
Ma cosa sta realmente accadendo quando incontri quelle scintille?
L'antico filosofo e matematico greco Talete di Mileto fu il primo a descrivere l'elettricità statica, nel VI secolo a.C., ma gli scienziati hanno lottato per decenni per rispondere a questa domanda di base. Tuttavia, i ricercatori che lavorano sulla nanoscala hanno appena fatto un enorme passo avanti nella ricerca per capire perché sfregare due superfici insieme può portare a uno shock.
Non importa quanto una superficie possa apparire liscia, quando ingrandisci abbastanza da vicino, noterai dossi e buchi. Gli scienziati chiamano queste imperfezioni "asperità". Ogni superficie, dai palloncini alle fibre come lana o capelli, è coperta da microscopiche asperità. E queste caratteristiche sono responsabili della produzione di elettricità statica, ha affermato Christopher Mizzi, dottorando in scienze dei materiali e ingegneria presso la Northwestern University di Evanston, Illinois.
In uno studio pubblicato a settembre sulla rivista Physical Review Letters, Mizzi e i suoi co-autori hanno confrontato le imperfezioni invisibili sugli oggetti di uso quotidiano con la superficie della Terra. Se guardi la Terra da molto lontano, il pianeta "sembra molto liscio, come una sfera perfetta", ha detto Mizzi. Sappiamo, tuttavia, che in realtà la Terra è tutt'altro che liscia, ma devi guardarla da vicino per vederlo. È solo quando "ingrandisci abbastanza da notare che ci sono montagne e colline", ha detto. Allo stesso modo, gli oggetti familiari sembrano lisci fino a quando non vengono visualizzati da vicino.
Quando le superfici di due oggetti si sfregano l'una contro l'altra, le loro asperità si uniscono, creando attrito. Gli scienziati sanno da molto tempo che l'attrito gioca un ruolo nell'elettricità statica. (In effetti, il termine scientifico per elettricità statica, triboelettricità, condivide una radice con tribologia, che è lo studio dell'attrito.)
Nel nuovo studio, Mizzi e i suoi coautori hanno mostrato come le asperità che causano attrito causino anche una differenza scioccante nella carica elettrica.
Qualcosa di insolito nell'elettricità statica è che è più facile produrre utilizzando materiali che limitano l'elettricità noti come isolanti; questi includono gomma, lana e capelli. Nell'elettricità attuale - la forma quotidiana di elettricità che alimenta telefoni, luci e quasi tutti gli altri dispositivi elettronici - gli elettroni creano correnti scorrendo attraverso gli atomi in materiali conduttivi, come il filo di rame. Ma gli atomi degli isolanti non permettono agli elettroni di andare e venire facilmente; guadagnano il loro nome inibendo il flusso di elettroni.
Mizzi e i suoi colleghi hanno scoperto che l'elettricità statica viene prodotta quando le asperità negli isolanti si sfregano l'una contro l'altra e interferiscono con le nuvole di elettroni. Poiché gli elettroni negli isolanti non possono muoversi facilmente, tale sfregamento può deformare le nuvole di elettroni.
In quei materiali, la nuvola di elettroni attorno agli atomi è generalmente simmetrica. Quando guardi queste nuvole, "non puoi dirlo dal basso, da sinistra a destra", ha detto Mizzi.
Ma se schiacci quella nuvola di elettroni, si deforma, diventando asimmetrica. Nelle giuste circostanze, quella nuova forma può distribuire la tensione in modo non uniforme sul materiale, ha spiegato Mizzi.
Cosa c'entra questo con le calze di lana sul tappeto? Mentre cammini in queste calzature, la combinazione del peso del tuo corpo e del tuo movimento di passo fa scivolare le fibre nei calzini contro le fibre del tappeto. Quando i due materiali si sfregano l'uno contro l'altro in questo modo, i dossi su una superficie trascinano lungo le asperità sulla superficie opposta, facendoli piegare. Quando si verifica questa flessione, le nuvole di elettroni negli atomi che compongono le asperità vengono schiacciate in forme asimmetriche, causando una differenza molto piccola nella tensione.
Sebbene piccoli, questi cambiamenti di tensione si sommano. Le asperità sono così numerose che lo schiacciamento delle nuvole di elettroni provoca un significativo accumulo di elettricità statica - uno abbastanza potente da farti sentire quando tocchi una maniglia o stringi la mano a qualcuno.
Questa nuova comprensione dell'elettricità statica potrebbe influenzare gli scienziati che sviluppano tessuti che producono energia generata dall'attrito per caricare dispositivi indossabili, il che potrebbe rendere i prodotti più efficienti. E con una migliore comprensione di quali materiali non riescono a creare facilmente elettricità statica, gli ingegneri possono lavorare per creare ambienti di produzione più sicuri, ad esempio eliminando le particelle di polvere che possono provocare incendi sfregandosi l'una contro l'altra.
"Quando hai un modello, puoi iniziare a fare previsioni", ha detto Mizzi.
