الکتریسته ساکن یکی از رایج‌ترین فرم‌های تولید برق بوده که تاکنون به خوبی مورد بررسی قرار نگرفته است. مطالعات جدید در این زمینه نشان می‌دهد که علت این پدیده‌ تغییرات ساختاری کوچکی بوده که در سطح مواد، هنگامی‌که با همدیگر تماس پیدا می‌کنند، رخ می‌دهد. یافته‌های به دست آمده می‌تواند در آینده به شرکت‌های فناوری در زمینه‌ی ایجاد منابع برقی پایدارتر و طولانی مدت‌تر برای دستگاه‌های الکترونیکی کوچک کمک کند.

 
در حالی‌که الکتریسته ساکن پدیده‌ای رایج در زندگی روزمره ما می‌باشد، اما علم پشت این پدیده به خوبی درک نشده است.

علم الکتریسته به دوران باستان بر می‌‌گردد و تاریخ دقیق آن مشخص نیست. اما برخی تولد آن را به مشاهده معروف تالس ملطی در ۶۰۰ سال قبل از میلاد ارجاع می‌‌دهند. که در آن زمان تالس متوجه شد که یک تکه کهربای مالش داده شده خرده‌های کاه را می‌‌رباید، یا اینکه در یک تجربه عادی دیده‌ایم که وقتی یک شانه کائوچو سخت را با پارچه پشمی مالش دهیم شانه ریزه‌های کوچک کاغذ را جذب می‌‌کند. در اثر مالش این دو جسم به یکدیگر هم کائوچو و هم پشم خاصیت جدیدی پیدا می‌‌کنند. یعنی باردار می‌‌شوند از این آزمایش برای معرفی مفهوم بار الکتریکی استفاده می‌‌شود.

بار الکتریکی و جرم، دو خاصیت اساسی ماده هستند که معمولا از راه‌های گوناگون روزانه ما را تحت تأثیر قرار می‌دهند. جرم با پدیده‌های گرانشی بارهای الکتریکی به دسته وسیعی از پدیده‌هایی که زیر عنوان کلی الکتریسته قرار می‌گیرند مربوط می‌شود. آن دسته از پدیده‌های مربوط به بارهای الکتریکی یا نسبت به ناظر ساکنند و یا اگر حرکتی هم داشته باشند حرکت آن بسیار کند است. پدیده‌های مربوط به بارهایی که نسبت به ناظر متحرک‌ هستند مغناطیسی نیز می‌باشند، زیر عنوان الکترودینامیک بررسی می‌شوند.

منشا الکتریسته

طبق نظریه الکترونی اتم، یک اتم از ذرات کوچک‌تری به نام‌های الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است. که الکترون‌ها دارای بار منفی و پروتون‌ها دارای بار مثبت و نوترون‌ها بدون بار هستند. تعداد الکترون‌ها و پروتون‌های یک اتم در حالت عادی برابر است. بنابراین، اتم در حالت عادی از نظر بار الکتریکی خنثی است.

 در اثر تماس، نزدیکی و یا برخورد اجسام بر همدیگر میان اجسام اندازه حرکت خطی مبادله می‌‌شود. در اثر تغییر اندازه حرکت نیروهایی ایجاد می‌‌شود. چگونگی شکل گیری این نیرو‌ها به ساختار اتمی تشکیل دهنده اجسام برمی‌گردد. به عبارتی این نیروها منشا الکتریکی و مغناطیسی دارند. در اثر مالش اجسام برهمدیگر، جسمی که در اتم‌های تشکیل دهنده خود اتمی از نوع دهنده الکترون داشته باشد، الکترون خود را به جسم دیگر که خاصیت الکترونگاتیوی کمتری دارد می‌‌دهد و مبادله الکترون بین اتم‌ها و در نهایت اجسام منجر به تولید الکتریسته می‌‌شود.  در اثر تغییر اندازه حرکت نیروهایی ایجاد می‌‌شود. چگونگی شکل گیری این نیرو‌ها به ساختار اتمی تشکیل دهنده اجسام برمی‌گردد.

تصویر بالا نشان می‌دهد که چگونه سطوح منیزیم (بلوک بالا) و باریم تیتانیوم (بلوک پایین) هنگامی‌که در تماس با همدیگر قرار می‌گیرند، واکنش نشان می‌دهند. تغییر شکل شبکه حاصل در هر شیء به نیروی محرکه پشت انتقال بار الکتریکی در طول فرایند اصطحکاک کمک می‌کند.
آیا شما هم از باطری گوشی هوشمند خود ناراضی هستید؟
الکتریسته ساکن یکی از شایع‌ترین و در عین حال ناشناخته‌ترین فرم‌های تولید برق به شمار می‌رود.

جیمز چن استادیار بخش مهندسی مکانیک و هوا فضا در دانشکده علوم مهندسی و کاربردی دانشگاهی در بوفالو عنوان کرد که "تقریبا انگشت هر کسی بر روی دستگیره در گیر کرده است و چسپیدن موی کودک به یک بادکنک را مشاهده کرده است. به منظور ادغام این انرژی به ابزارهای الکترونیکی ما، باید درک بهتری از نیروهای محرکه پشت این پدیده داشته باشیم".

جیمز چن یکی از محققان مقاله‌ای در مجله ی الکترواستاتیک بوده که پیشنهاد می‌دهد که علت این پدیده‌، تغییرات ساختاری بوده که در سطح مواد هنگامی‌که در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند، رخ می‌دهد.

این یافته‌ها در نهایت می‌تواند به شرکت‌های فناوری جهت ایجاد منابع برق پایدارتر برای دستگاه‌های الکترونیکی کوچک کمک کند.

جیمز چن و زید لسمان پروفسور و استادیار بخش مهندسی مکانیک و هسته‌ای در دانشگاه ایالت کانزاس با حمایت‌های مالی 400 هزار دلاری از بخش علوم ملی اقدام به انجام تحقیقاتی در زمینه‌ی اثر برق مالشی کرد که این اثر پدیده‌ای بوده که در آن مواد بعد از تماس با مواد مختلف از طریق پدیده‌ی اصطحکاک دارای بار الکتریکی خواهند شد.

اثر برق مالشی از زمان‌های قدیم شناخته شده است، اما ابزارهای مربوط به درک و کاربرد این اثر تنها اخیرا به واسطه‌ی پیشرفت‌های صورت گرفته در زمینه‌ی علوم نانوفناوری حاصل شده است.

جیمز چن عنوان کرد که "ایده‌ی مطالعه‌ی ما، یافتن پاسخ‌های مستقیم به این راز قدیمی بوده و بدین منظور تئوری‌های موجود مورد استفاده قرار گرفت. نتایج عددی سازگار با مشاهدات تجربی منتشر شده در این زمینه می‌باشد".
تحقیقات جیمز چن و لاسمان شامل ترکیبی از رشته‌ها از جمله مکانیک تماس، مکانیک مواد، علم مواد، مهندسی و تولید ابزارهای الکتریکی می‌باشد. با مدل‌های کامپیوتری و آزمایشات فیزیکی، این محققان اقدام به طراحی نانو ژنراتورهای برق مالشی کرده که قادر به کنترل و برداشت الکتریسته ساکن می‌باشند.

جیمز چن بیان کرد که "اصطحکاک بین انگشتان شما و صفحه نمایش گوشی هوشمند وجود دارد. اصطحکاک بین مچ دست شما و ساعت هوشمند وجود دارد. حتی اصطحکاک بین کفش شما و زمین نیز موجود می‌باشد. این اصطحکاک‌ها منابع بالقوه‌ی بزرگی از انرژی بوده که می‌توانیم به آن ضربه بزنیم". در نهایت، این تحقیق می‌تواند امنیت اقتصادی ما را افزایش داده و با کاهش نیاز ما به منابع متعارف برق، به جامعه کمک کند. اصطحکاک بین انگشتان شما و صفحه نمایش گوشی هوشمند وجود دارد. اصطحکاک بین مچ دست شما و ساعت هوشمند وجود دارد. حتی اصطحکاک بین کفش شما و زمین نیز موجود می‌باشد

به عنوان بخشی از کار تحقیقاتی، جیمز چن با دانشجویان کارشناسی و همچنین دانش آموزان دوره دبیرستان در بخش علوم سلامت، مدرسه منشوری در بوفالو به منظور ارتقاء آموزش علم، فناوری، مهندسی و ریاضیات همکاری کرد.

کاربرد الکتریسته ساکن

درک ما از ساختار الکتریکی ماده و توانایی ما در بهره برداری ماهرانه و استفاده صحیح از جاذبه و دافعه میان ذرات باردار بویژه الکترون‌ها، به کاربردهای فنی بسیار زیادی منجر شده است. از جمله این کاربردها می‌توان قطعات حالت جامد (ترانزیستورها، اسباب جفت کنندگی بار ، آشکار سازهای بلوری مایع، دیودهای نور گسیل و غیره) نام بود که آنها در ساعت و رادیو، تلفن‌ها ، دوربین عکاسی، ویدئو، صفحه نمایش تلویزیون، رایانه و دستگاه‌های ارتباطی و سلول فوتوالکتریک و نیز در شتاب دهنده‌های ذرات که برای کارهای تحقیقاتی و مصارف پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند، بهره برداری می‌شود.
 
 مترجم: سهیلا حاجی زاده
منبع:  Science Daily