科学家首次解释了摩擦表面是如何产生电流的。

美国西北大学的研究人员揭开了一个长期存在的谜团：为什么物体相互摩擦会产生静电。他们发现，在滑动物体的前部和后部，不同的力会引起不同的电荷，从而产生电流。这一见解源于米利都人泰勒斯的古老观察，从预防工业事故到加强药物剂量，都具有重大意义。

理解静电：一个突破性的发现

任何曾经爱抚过猫或在地毯上拖着脚走过的人都知道，物体相互摩擦会产生静电。但两千多年来，研究人员一直没有找到对这一现象的解释。

现在，西北大学的科学家们终于发现了其中的机制。

研究人员发现，当物体滑动时，物体的前后部分会受到不同的力。这种力的差异导致不同的电荷在物体的前后部分积聚。电荷的差异会产生电流，导致轻微的电击。

解释一个古老的现象

西北大学的劳伦斯·马克斯是这项研究的负责人，他说：“我们第一次能够解释一个以前没有人能解释的谜团：为什么摩擦很重要。人们已经尝试过，但如果不做出不合理或不合理的假设，他们就无法解释实验结果。现在我们可以了，答案出奇的简单。滑动物体的前部和后部有不同的变形，从而产生不同的电荷，就会产生电流。”

作为表面结构方面的专家，马克斯是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程荣誉退休教授。马克斯研究小组的博士生卡尔·奥尔森（Karl Olson）是这篇论文的第一作者。

静态研究的历史背景

公元前600年，希腊哲学家米利都的泰勒斯首次报道了摩擦引起的静电。他用皮毛摩擦琥珀后，他注意到皮毛会吸附灰尘。

马克斯说：“从那时起，很明显，摩擦会在所有绝缘体中引起静电，而不仅仅是皮毛。然而，这或多或少是科学共识结束的地方。”

剪切：静电背后的秘密

马克斯和他的团队在2019年开始解开这个谜团。在发表在《物理评论快报》上的一项研究中，他们报告说，将两种材料摩擦在一起会使材料表面的微小突起弯曲。研究人员发现，这些弯曲、变形的突起会产生电压。

“在2019年，我们有了即将发生的事情的种子。然而，就像所有的种子一样，它需要时间来生长。现在，它已经开花了。我们开发了一种计算电流的新模型。不同情况下的电流值与实验结果吻合较好。”

一个叫做“弹性剪切”的概念是新模型的核心。当材料抵抗滑动力时，就会发生弹性剪切。如果一个人把盘子推过桌子，盘子就会滑动。一旦这个人停止推它，盘子就停止了移动。这种由滑动阻力引起的额外摩擦会导致电荷移动。

“滑动和剪切是紧密相连的，”马克斯说。

静电的实际意义

虽然静电会引起有趣的事故，比如从游乐场滑梯上滑下来后头发竖起来，但它也会导致严重的问题。例如，静电产生的火花会引起工业火灾甚至爆炸。它还会妨碍粉状药物的一致剂量。随着对其机制的更好理解，研究人员可能会为这些问题引入新的解决方案。

马克斯说：“静电以简单和深刻的方式影响着生活。用静电给谷物充电对咖啡豆的研磨和味道有重大影响。如果没有形成行星的粒子聚集的关键步骤，地球可能就不是一个行星，这是由于谷物碰撞产生的静电造成的。令人惊讶的是，我们的生活中有多少受到静电的影响，宇宙中有多少依赖于静电。”

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