چرا الکتریسیته‌ ساکن هنوز یکی از معماهای حل‌نشده‌ علم است؟

خلاصه مقاله:

• الکتریسیته ساکن با وجود قرن‌ها مطالعه، هنوز از نظر سازوکار بنیادی به‌طور کامل شناخته نشده است.
• دانشمندان می‌دانند تماس یا اصطکاک میان دو جسم می‌تواند باعث جابه‌جایی بار شود، اما همیشه مشخص نیست چه چیزی منتقل می‌شود. الکترون‌ها، یون‌ها و حتی ذرات بسیار ریز ماده می‌توانند در این انتقال نقش داشته باشند.
• رفتار الکتریسیته ساکن به عواملی مانند رطوبت، دما، زبری سطح، سرعت برخورد و آلودگی‌های بسیار نازک روی مواد وابسته است. این پدیده می‌تواند به تجهیزات الکترونیکی و صنعتی آسیب بزند و در مأموریت‌های فضایی نیز مشکل‌ساز شود.
• پژوهشگران امیدوارند با کنترل دقیق‌تر آزمایش‌ها، در نهایت به مدلی برسند که رفتار الکتریسیته ساکن را در مواد مختلف توضیح دهد.

همه‌ی ما الکتریسیته ساکن را به شکلی تجربه کرده‌ایم؛ همان نیرویی که موها را پس از مالیدن بادکنک سیخ می‌کند یا با لمس یک سطح فلزی، شوک کوتاهی به دستمان می‌دهد. عجیب این است که دانشمندان با وجود قرن‌ها مطالعه، هنوز دقیقاً نمی‌دانند هنگام ایجاد این بار الکتریکی چه اتفاقی می‌افتد.

گالین گروژان در آزمایش‌های خود با چند دانه‌ی کوچک شیشه‌ای با دقتی شبیه کار با نمونه‌های بسیار حساس کار می‌کرد. او دانه‌ها را تمیز و با موچین جابه‌جا می‌کرد و تا حد امکان مانع تماس آنها با هر سطحی می‌شد؛ زیرا حتی یک تماس ناخواسته می‌توانست ویژگی‌های الکتریکی سطحشان را تغییر دهد.

گروژان، فیزیکدانی که هنگام انجام این آزمایش‌ها در مؤسسه‌ی علم و فناوری اتریش کار می‌کرد، برای جلوگیری از تماس مستقیم، یک دانه‌ی شیشه‌ای را با کمک امواج فراصوت در هوا معلق نگه می‌داشت. سپس امواج را قطع می‌کرد تا دانه روی صفحه‌ای شیشه‌ای سقوط کند و چند میلی‌ثانیه بعد دوباره آن را با نیروی صوتی در هوا می‌گرفت. هدف، بررسی یکی از قدیمی‌ترین و درعین‌حال عجیب‌ترین مسائل فیزیک بود: الکتریسیته ساکن.

این پرسش فقط کنجکاوی آزمایشگاهی نیست. الکتریسیته ساکن در شکل‌گیری سیارات، ایجاد رعدوبرق، رفتار گردوغبار و حتی چسبیدن گرده به بدن حشرات نقش دارد. در سوی دیگر، می‌تواند باعث آتش‌سوزی‌های صنعتی، آسیب به مدارهای الکترونیکی و اختلال در تولید دارو یا مأموریت‌های فضایی شود.

وقتی بادکنکی را به موهای خود می‌مالید، معمولاً بادکنک بار منفی و موها بار مثبت می‌گیرند. تارهای مو که همگی بار مشابهی دارند، یکدیگر را دفع می‌کنند و به همین دلیل سیخ می‌شوند. در عین حال، بار مخالف بادکنک و مو باعث جذب آنها به یکدیگر می‌شود.

به فرایندی که در آن دو ماده پس از تماس یا اصطکاک باردار می‌شوند، الکتریسیته تریبوالکتریک یا اصطکاکی گفته می‌شود. در نگاه اول توضیح ماجرا ساده به نظر می‌رسد: الکترون‌ها دارای بار منفی و پروتون‌ها دارای بار مثبت هستند و تغییر نسبت این دو، جسم را باردار می‌کند. اما اختلاف‌ها درست از همین‌جا شروع می‌شود.

هنوز مشخص نیست در همه‌ی مواد واقعاً الکترون‌ها هستند که از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شوند. در بعضی شرایط ممکن است یون‌ها، یعنی اتم‌ها یا مولکول‌های باردار، عامل انتقال باشند. حتی احتمال دارد تکه‌های بسیار کوچک و بارداری از خود ماده جدا و منتقل شوند. هر سه فرایند می‌توانند درنهایت همان چیزی را ایجاد کنند که به‌عنوان الکتریسیته ساکن می‌شناسیم.

دانشمندان سال‌هاست مواد را براساس تمایلشان به مثبت یا منفی‌شدن در جدولی به نام سری تریبوالکتریک (الکتریسیته مالشی) مرتب می‌کنند. برای مثال، لاتکس معمولاً تمایل دارد بار منفی بگیرد و مو به سمت بار مثبت می‌رود.

بااین‌حال، جدول دانشمندان آن‌قدر که انتظار می‌رود قابل‌اعتماد نیست. آزمایش‌های مختلف همیشه نتیجه‌ی یکسانی نشان نمی‌دهند و گاهی جایگاه مواد در جدول متفاوت ثبت می‌شود. مهم‌تر اینکه هنوز نظریه‌ای بنیادی وجود ندارد که توضیح دهد چرا یک ماده باید ذاتاً بیشتر از ماده‌ای دیگر به بار مثبت یا منفی تمایل داشته باشد.

حتی دو جسم کاملاً مشابه از یک ماده نیز ممکن است پس از تماس با یکدیگر بار الکتریکی پیدا کنند؛ پدیده‌ای که با توضیح ساده‌ی «یک جسم الکترون از دست می‌دهد و دیگری دریافت می‌کند» به‌راحتی قابل توضیح نیست.

یکی از مشکلات مطالعه الکتریسیته ساکن، کوچک‌بودن اثر مورد مطالعه است. اگر می‌توانستیم سطح یک ماده‌ی باردار را در ابعاد اتمی بررسی کنیم، به‌طور میانگین ممکن بود در میان تقریباً هر ۱۰۰هزار اتم، فقط یک الکترون اضافه یا کم ببینیم. به بیان ساده، پژوهشگر باید تغییر بسیار کوچکی را در میان تعداد عظیمی از ذرات پیدا کند؛ آن هم در شرایطی که عوامل ظاهراً کم‌اهمیتی مانند رطوبت هوا، زبری سطح، دما یا حتی سابقه‌ی تماس ماده می‌توانند نتیجه را تغییر دهند.

قرن‌ها بعد، بنجامین فرانکلین در آزمایش‌های خود از دستگاه‌های تولیدکننده‌ی الکتریسیته ساکن استفاده و آزمایش‌هایش به شکل‌گیری درک دانشمندان از ارتباط میان رعدوبرق و پدیده‌های الکتریکی کمک کرد. بااین‌همه، سازوکار بنیادی باردارشدن مواد هنوز کاملاً روشن نیست.

در بسیاری از محیط‌های صنعتی، الکتریسیته ساکن چیزی نیست که پژوهشگران بخواهند آن را مطالعه کنند؛ بیشتر مشکلی است که می‌خواهند از شرش خلاص شوند.

تخلیه‌ی ناگهانی بار می‌تواند مواد قابل‌اشتعال را آتش بزند، به تجهیزات حساس الکترونیکی آسیب برساند یا آزمایش‌های دقیق را مختل کند. اگر بتوان پیش‌بینی کرد ماده در شرایط مشخص چگونه باردار خواهد شد، کنترل این خطرها نیز آسان‌تر می‌شود.

اهمیت موضوع در فضا بیشتر هم می‌شود. روی زمین، رطوبت هوا به تخلیه‌ی بخشی از بار الکتریکی کمک می‌کند، اما چنین امکانی در محیط خشک ماه وجود ندارد. گرانش ضعیف‌تر نیز باعث می‌شود نیروهای الکتریکی در مقایسه با وزن ذرات اهمیت بیشتری پیدا کنند.

گردوغبار باردار می‌تواند به چرخ‌های مریخ‌نوردها، صفحات خورشیدی و لباس فضانوردان بچسبد و عملکرد تجهیزات را مختل کند. فضانوردانی نیز که روی سطح ماه حرکت می‌کنند، ممکن است بار الکتریکی جمع کنند و هنگام تماس با ابزارهای حساس، باعث تخلیه‌ی ناخواسته‌ی الکتریکی شوند. به همین دلیل، کنترل الکتریسیته ساکن یکی از چالش‌های مهم در طراحی مأموریت‌های آینده‌ی آرتمیس ناسا به ماه است.

در مورد تماس دو فلز متفاوت، فیزیکدانان می‌دانند چه عاملی باعث حرکت الکترون‌ها از یک ماده به ماده‌ی دیگر می‌شود. فلزها الکترون‌های سطح خود را با شدت یکسانی نگه نمی‌دارند. مقدار انرژی لازم برای جداکردن یک الکترون از سطح ماده را تابع کار می‌نامند. وقتی دو فلز با تابع کار متفاوت تماس پیدا می‌کنند، الکترون‌ها تمایل دارند به سمت فلزی حرکت کنند که تابع کار بیشتری دارد. مشکل این است که این مدل به‌سادگی به پلاستیک، لاستیک، شیشه و بسیاری از مواد دیگر تعمیم‌پذیر نیست.

برخی پژوهشگران امیدوارند در آینده نظریه‌ای عمومی ارائه شود که بتواند باردارشدن انواع مختلف مواد را توضیح دهد. یک راه پیشنهادی، جداکردن مسئله به چند بخش است: نخست باید مشخص شود چه چیزی منتقل می‌شود؛ مثلاً الکترون، یون یا ذرات ماده. سپس باید بفهمیم چه عاملی انتقال را به حرکت درمی‌آورد. پس از آن نیز باید اثر شرایط محیطی مانند رطوبت و زبری سطح را در نظر گرفت.

اما حتی خوش‌بین‌ترین پژوهشگران نیز انتظار ندارند چنین نظریه‌ای به‌زودی صورت‌بندی شود. بعضی دانشمندان اساساً باور دارند که رفتار الکتریسیته ساکن ممکن است آن‌قدر وابسته به شرایط مختلف باشد که پاسخ ساده و یکپارچه‌ای برایش وجود نداشته باشد.

آزمایش دانه‌های شیشه‌ای گروژان سرنخ جالبی به پژوهشگران داد. وقتی دانه‌های شیشه‌ای به صفحه‌ای از همان جنس برخورد می‌کردند، رفتار همه‌ی آنها یکسان نبود. یک دانه ممکن بود تقریباً همیشه بار منفی بگیرد و دانه‌ای دیگر در همان شرایط بار مثبت پیدا کند. اگر جنس هر دو یکی بود، چه چیزی این تفاوت را ایجاد می‌کرد؟

پژوهشگران دانه‌ها را تا ۲۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد گرم کردند و سپس اجازه دادند سرد شوند. پس از این پاکسازی، رفتار الکتریکی آنها تغییر کرد. دانه‌ی تمیزشده هنگام برخورد با صفحه‌ای که پاک نشده بود، تقریباً همیشه بار منفی می‌گرفت. بررسی سطح نشان داد حرارت، ترکیبات کربنی بسیار نازکی را حذف کرده است که به‌طور طبیعی از هوا روی بیشتر اجسام می‌نشینند. پژوهشگران این لایه‌ی ناخواسته را با شوخی Schmutz، به معنای کثیفی نامیدند.

حتی تماس فلز با فلز نیز آن‌قدر ساده نیست که تصور می‌شد. آزمایش روی کره‌ای طلا که به صفحه‌ای مسی برخورد می‌کرد، نشان داد مقدار بار منتقل‌شده به سرعت برخورد وابسته است. در برخورد سریع‌تر، دو سطح کمی بیشتر تغییر شکل می‌دهند، سطح تماس افزایش پیدا می‌کند و در نتیجه بار بیشتری منتقل می‌شود.

در پلیمرهایی مانند پلاستیک و لاستیک، مسئله پیچیده‌تر می‌شود. پژوهش‌ها نشان داده‌اند حتی تعداد دفعاتی که یک قطعه‌ی پلیمری قبلاً با اجسام دیگر تماس داشته است، می‌تواند بر رفتار بعدی آن اثر بگذارد.

در نتیجه، فهرست متغیرهای مؤثر اکنون شامل رطوبت، دما، زبری و انحنای سطح، اندازه‌ی جسم، سرعت برخورد، سابقه‌ی تماس و حتی شیوه‌ی حرکت دو جسم روی یکدیگر است.

این حساسیت شدید می‌تواند توضیح دهد چرا پژوهش‌های گذشته درباره‌ی الکتریسیته ساکن بارها نتایج متفاوتی به دست آورده‌اند. دو آزمایش که در ظاهر یکسان به نظر می‌رسیدند، ممکن بود در واقع از نظر وضعیت سطح، رطوبت، فشار تماس یا سابقه‌ی نمونه‌ها تفاوت کوچکی داشته باشند.

تکنیک‌های جدید به پژوهشگران امکان می‌دهند چنین عوامل مزاحمی را بهتر کنترل کنند. شناور نگه‌داشتن نمونه‌ها با امواج صوتی، نمونه‌ای از همین روش‌ها است؛ زیرا پژوهشگر می‌تواند ماده را بدون لمس‌کردن جابه‌جا کند. نتایج جدید نشان می‌دهند دست‌کم بخشی از آشفتگی تاریخی این حوزه را می‌توان با کنترل دقیق‌تر شرایط آزمایش برطرف کرد.

یکی از فرضیه‌هایی که برای توضیح انتقال بار مطرح شده، فلکسوالکتریسیته یا الکتریسیته‌ی ناشی از خم‌شدن و تغییر شکل ماده است. در این مدل، وقتی جسم هنگام تماس اندکی تغییر شکل می‌دهد، توزیع بارهای داخلی آن نیز تغییر می‌کند و میدان الکتریکی کوچکی به وجود می‌آید. این میدان از نظر تئوری می‌تواند در انتقال بار نقش داشته باشد.

بااین‌حال، آزمایش‌هایی که روی تماس فلز و اکسید فلز انجام شده‌اند، نشان می‌دهند این اثر دست‌کم در برخی شرایط بسیار کوتاه‌مدت است و عامل اصلی ایجاد الکتریسیته ساکن به نظر نمی‌رسد.

همین وابستگی شدید به نوع ماده و شرایط آزمایش، رسیدن به یک نظریه‌ی مشترک را دشوار کرده است. نتیجه‌ای که برای فلزها درست است لزوماً در پلیمرها تکرار نمی‌شود و رفتاری که در یک آزمایش دیده می‌شود ممکن است با تغییر یکی از متغیرهای محیطی کاملاً عوض شود.

به همین دلیل، فیزیکدانان، شیمیدانان، مهندسان و پژوهشگران علم مواد تلاش می‌کنند یافته‌های پراکنده‌ی خود را کنار هم بگذارند تا تصویر کامل‌تری از الکتریسیته ساکن به دست آورند. شاید پاسخ نهایی یک فرمول ساده نباشد. ممکن است الکتریسیته ساکن مجموعه‌ای از چند سازوکار مختلف باشد که بسته به جنس ماده و شرایط محیطی، یکی از آنها اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

فعلاً یک نکته تقریباً مورد توافق است: الکتریسیته ساکن بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی است که ظاهر ساده‌اش نشان می‌دهد.

حل مسئله هم احتمالاً با یک کشف ناگهانی و تکان‌دهنده اتفاق نخواهد افتاد. پژوهشگران باید مرحله‌به‌مرحله اثر سطح، رطوبت، نوع ماده، نحوه‌ی تماس و سازوکارهای احتمالی انتقال بار را جدا کنند و سپس قطعات پازل را کنار هم قرار دهند. پدیده‌ای به ظاهر ساده که می‌توان آن را با یک بادکنک و چند تار مو نشان داد، پس از بیش از دو هزار سال مطالعه، هنوز برای دانشمندان به خوبی شناخته نشده است.