Когда частицы в облаке вулканического пепла трутся друг о друга, одни приобретают положительный заряд, а другие — отрицательный. Теперь физики наконец-то выяснили, как определяются эти различные заряды.
Молния ударила над вулканом Агуа в Гватемале Марио Далма Леон/Getty Images
Физики разгадали давнюю загадку процесса образования вулканических молний: почему при трении похожих частиц друг о друга одни приобретают положительный заряд, а другие — отрицательный?
Обмен электрическим зарядом при соприкосновении двух объектов, называемый трибоэлектрическим эффектом, является причиной того, что волосы притягиваются к воздушному шару после трения.
Реклама
В облаке вулканического пепла вращающиеся частицы диоксида кремния обмениваются электрическим зарядом при столкновении. Положительно и отрицательно заряженные частицы разделяются, и молния возникает, когда между ними протекает ток.
Однако физики не могли объяснить, что нарушает симметрию между двумя частицами одного и того же материала и вызывает движение заряда в ту или иную сторону.
«Существует множество кандидатов, — говорит Гальен Грожан, ныне работающий в Автономном университете Барселоны. — Люди предполагают, что важны влажность, шероховатость или кристаллическая структура».
Работая в Австрийском институте науки и технологий в Клостернойбурге, Грожан задался вопросом, не кроется ли ответ в углеродсодержащих молекулах на поверхности частиц. Такие молекулы повсеместно распространены в природе, и материаловеды стараются свести к минимуму количество этих загрязняющих веществ. Но Грожан и его коллеги отслеживали, как очистка образцов влияла на электризацию.
С помощью ультразвука они подняли в воздух небольшую частицу диоксида кремния, позволили ей один раз отскочить от мишени, изготовленной из того же материала, а затем измерили ее заряд. «Она могла зарядиться положительно или отрицательно. Если положительно, мы бы ее прогрели или очистили и повторили эксперимент, а если отрицательно», — говорит Грожан.
Анализ образцов показал, что удаление углеродсодержащих молекул действительно являлось определяющим фактором. «Мы увидели, что этот эффект перевешивает все остальное», — говорит Грожан.
Ещё одним признаком было то, что очищенный образец снова становился положительно заряженным примерно через сутки, что также соответствует скорости образования нового слоя молекул углерода из воздуха.
Разгадка 250-летней загадки принципа действия статического электричества.
Возможно, вы думаете, что знаете, что такое статическое электричество, но его истинная природа долгое время ускользала от внимания ученых. Теперь мы сделали огромный шаг на пути к тому, чтобы наконец-то это выяснить.
Дэниел Лакс из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде, штат Огайо, впечатлен этим исследованием. «Люди знают, что на поверхностях много всякого мусора. Но я никогда не видел, чтобы это проявлялось при трибоэлектрической зарядке», — говорит он.
Он опасается, что это открытие может стать плохой новостью для физиков. Если загрязнение углеродом определяет направление зарядки, то точно рассчитать, как именно частицы заряжаются, будет очень сложно. «Предсказание может просто никогда не произойти», — говорит Лакс.
Природа DOI: 10.1038/s41586-025-10088-w
Экскурсионные туры: геология и вулканология
От исландских вулканов до вьетнамских пещер — узнайте научные подробности о самых экстремальных местах на Земле.
Узнать больше
Источник: www.newscientist.com
