كيف تعمل الكهرباء الساكنة ؟..

متابعة عرفنا عن ظاهرة الكهرباء الساكنة منذ زمن أرسطو على الأقل. أرسطو يعزو الفضل للفيلسوف طاليس الملطي، الذي عاش بين 640 و546 قبل الميلاد، في اكتشاف أن الكهرمان يلتقط قطعا من العشب الجاف بعد أن يتم فركه بقطعة قماش.

لكن لفترة طويلة، لم يتحقق تقدم حقيقي في معرفة ماهية الكهرباء الساكنة أو كيف تعمل. قام بنجامين فرانكلين بإحراز بعض التقدم في هذا المجال عن طريق فرك الشمع والصوف معًا، حيث عرف الشحنة الموجبة بأنها الشحنة المكتسبة من فرك الصوف، والشحنة السالبة بأنها الشحنة المتعلقة بالشمع الذي تم فركه.

ومع ذلك، رغم جهود فرانكلين، فإن فهمه للموضوع كان يعتمد على تبادل السوائل، وهو ليس ما يحدث فعليا لإنتاج الشحنة الموجبة والسالبة. الآن، بفضل فريق يقوم بنمذجة الشحنة الساكنة على المستوى النانوي، نعرف أخيرا ما الذي يحدث، ولماذا ينتج الفرك شحنة كهربائية أكثر من مجرد التلامس أو التدحرج.

"لأول مرة، نحن قادرون على تفسير لغز لم يستطع أحد تفسيره من قبل: لماذا يعتبر الفرك مهما"، قال لورانس ماركس من جامعة نورث وسترن، الذي قاد الدراسة، في بيان صحفي. "لقد حاول الناس، لكنهم لم يستطيعوا تفسير النتائج التجريبية دون افتراضات غير مبررة. نحن الآن نستطيع ذلك، والإجابة بسيطة بشكل مدهش. مجرد وجود تشوهات مختلفة – وبالتالي شحنات مختلفة – في الجزء الأمامي والخلفي لشيء ما أثناء الانزلاق يؤدي إلى حدوث تيار كهربائي."

النموذج الذي أنتجه الفريق يتعلق بـ"القص المرن"، حيث يقاوم المادة القوة التي تسبب الانزلاق. فكر في انزلاق صحن عبر طاولة. عندما تتوقف عن الدفع، سيتوقف الصحن بسرعة، وهذه المقاومة للانزلاق هي التي تسبب انتقال الشحنات الكهربائية.

"النموذج يشرح التيارات الناتجة عن الكهرباء الساكنة خلال الانزلاق، والتي هي نتيجة لقوى عرضية تكسر التماثل في التلامس"، يشرح الفريق في ورقتهم العلمية. "الشحنات المقيدة بسبب الكهرباء الانعطافية والانزياحات المحتملة الداخلية وتأثيرات التشوه تكون موزعة بشكل غير متماثل ويتم تعويضها بشحنات حرة متورطة في نقل الشحنة. عندما يتحد ذلك مع حركة الانزلاق، يؤدي إلى تيار كهربائي."

الأمر المهم هو أن هذا النموذج يمكن تطبيقه على مواد مختلفة، حيث "القوانين الفيزيائية الأساسية للشحنات الكهربائية الميكانيكية التي تؤدي إلى الكهرباء الساكنة تنطبق عموما، بغض النظر عما إذا كانت تولدها الكهرباء الانعطافية، الكهرباء الضغطية، أو انحناء النطاقات الأخرى."

بينما قد ترتبط الكهرباء الساكنة لديك بالصدمة الكهربائية التي قد تحصل عليها من طفل خرج للتو من لعبة القفز، بالنسبة للبعض قد تكون المشكلة أكثر خطورة، حيث يمكن أن تؤدي إلى حرائق صناعية أو تعيق جرعات الأدوية في شكل مسحوق. مع فهم أفضل لهذه الظاهرة، قد يكون من الممكن تقليل هذه المشكلات أو حتى العثور على استخدامات جديدة وممتعة للكهرباء الساكنة.

"الكهرباء الساكنة تؤثر على حياتنا بطرق بسيطة ومعقدة في آن واحد"، أضاف ماركس. "شحن الحبوب بالكهرباء الساكنة يؤثر بشكل كبير على كيفية طحن حبوب القهوة وطعمها. من المحتمل أن الأرض لم تكن لتصبح كوكبًا لولا خطوة رئيسية في تكتل الجسيمات التي تكون الكواكب، والتي تحدث بسبب الكهرباء الساكنة المتولدة من تصادم الحبيبات. إنه لأمر مدهش مدى تأثير الكهرباء الساكنة على حياتنا ومدى اعتماد الكون عليها."