Elettricità: risolto un mistero che dura da 2000 anni

Chiunque abbia mai accarezzato un gatto o abbia mosso i piedi sul tappeto sa che lo sfregamento degli oggetti genera elettricità statica.
Tuttavia, una spiegazione per questo fenomeno è sfuggita ai ricercatori per oltre due millenni.

Ora, gli scienziati della Northwestern University hanno finalmente scoperto la meccanica in gioco. Alla base della creazione dell’elettricità statica vi sarebbero le microprotusioni presenti sulle superfici, anche apparentemente lisce. La deformazione di queste protusioni sottoposte a una forza è alla base della gneerazione dell’elettricità da sfregamento.

Questa differenza di forze fa sì che si accumulino cariche elettriche diverse sulle parti anteriori e posteriori dell’oggetto.
La differenza di cariche elettriche crea una corrente, che porta a un leggero zap.

Un mistero vecchio di 2.000 anni

“Per la prima volta, siamo in grado di spiegare un mistero che prima nessuno riusciva a spiegare: perché lo sfregamento è importante”, ha detto Laurence Marks della Northwestern, che ha guidato lo studio.

“Le persone hanno provato a spiegarlo ma non riuscivano a giustificare  i risultati sperimentali senza fare ipotesi che non erano comprovate o comprovabili. Ora possiamo, e la risposta è sorprendentemente semplice. Il solo fatto di avere deformazioni diverse – e quindi cariche diverse – nella parte anteriore e posteriore di qualcosa che scivola porta alla corrente”.

Marks è un esperto di strutture di superficie e professore emerito di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern. Karl Olson, dottorando del gruppo di ricerca di Marks, è il primo autore dell’articolo.

Il filosofo greco Talete di Mileto ha riferito per la prima volta dell‘elettricità statica indotta dall’attrito nel 600 a.C. Dopo aver strofinato l’ambra con la pelliccia, ha notato che la pelliccia attirava la polvere.

“Da allora, è diventato chiaro che lo sfregamento induce una carica statica in tutti gli isolanti, non solo nella pelliccia”, ha detto Marks. “Tuttavia, questo è più o meno il punto di arrivo del consenso scientifico”.

Il segreto della carica elettrica

Marks e il suo team hanno iniziato a svelare il mistero nel 2019.

Uno studio pubblicato su Physical Review Letters ha riportato che lo sfregamento di due materiali tra loro piega le piccole protrusioni sulle superfici di questi materiali. Queste sporgenze piegate e deformate danno origine a tensioni, hanno scoperto i ricercatori.

“Nel 2019, avevamo il seme di ciò che stava accadendo. Tuttavia, come tutti i semi, aveva bisogno di tempo per crescere”, ha detto Marks.

“Ora è sbocciato. Abbiamo sviluppato un nuovo modello che calcola la corrente elettrica. I valori della corrente per una serie di casi diversi erano in buon accordo con i risultati sperimentali”.

Un concetto chiamato “taglio elastico” è al centro del nuovo modello. Il taglio elastico può verificarsi quando un materiale resiste a una forza di scorrimento. Se una persona spinge un piatto su un tavolo, il piatto resiste allo scorrimento.

Non appena la persona smette di spingere, il piatto smette di muoversi. Questo attrito aggiunto – causato dalla resistenza allo scorrimento – provoca lo spostamento delle cariche elettriche.

Tra l’altro il modello speiga come mai i materiali che normalmente sono utilizzati per isolare sono spesso in grado di generare elettricità statica: in questo caso l’energia generata dalla microprotusioni si accumula sulle stesse, non è in grado di scorrere, e quindi poi si scarica solo al contatto con un corpo conduttore.

Pericoli della carica elettrica da sfregamento

Sebbene l’elettricità statica possa causare incidenti divertenti, come i capelli che si rizzano dopo essere scesi da uno scivolo del parco giochi, può anche portare a problemi seri.Ad esempio, le scintille prodotte dall’elettricità statica causano incendi industriali e persino esplosioni.

Può anche ostacolare il dosaggio coerente dei farmaci in polvere o interferire con altri processi produttivi
Con una migliore comprensione dei meccanismi in gioco, i ricercatori potrebbero introdurre nuove soluzioni a questi problemi, anche studiando la superficie dei materiali coinvolti a livello microscopico.

“L’elettricità statica influisce sulla vita in modi sia semplici che profondi”, ha ricordato Marks “La carica dei chicchi di caffè con l’elettricità statica ha una grande influenza sul modo in cui i chicchi di caffè vengono macinati e sul loro sapore. La Terra probabilmente non sarebbe un pianeta senza un passaggio chiave nel raggruppamento delle particelle che formano i pianeti, che si verifica a causa dell’elettricità statica generata dai grani che si scontrano. È incredibile quanto la nostra vita sia toccata dall’elettricità statica e quanto l’universo dipenda da essa”.