Фокус, от которого волосы дыбом: что такое статическое электричество?

Многие в детстве проделывали забавный фокус: если потереть надувной шарик о собственную голову или о шерстяной свитер, шарик будет прилипать к стене, а волосы наэлектризуются и встанут дыбом.

Впервые явление статического электричества, вызванного трением, заметил и описал в своих трудах греческий философ Фалес Милетский (VI век до н.э). Натерев янтарь мехом, он заметил, что мех притягивает пыль. Об электричестве, конечно, тогда речи не было.

В ходе развития науки множество экспериментов показали, что трение создает статический заряд во всех диэлектриках (диэлектрик — материал, не проводящий электрический ток).

Но механизм электризации трением долгое время оставался загадкой. Он был раскрыт и подробно описан совсем недавно, в 2019 году, группой физиков из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс, США.

Почему трение порождает статическое электричество

Под огромным увеличением все материалы имеют шероховатую поверхность с бесчисленными крошечными выступами. Когда два материала соприкасаются и трутся друг о друга, эти выступы изгибаются и деформируются.

Деформации нарушают равновесное электрическое состояние поверхностей. Электроны перетекают от одной поверхности к другой, чтобы восстановить равновесие, однако, когда поверхности размыкаются, этот процесс еще не завершен. Поверхность, на которой образовался избыток электронов, заряжается отрицательно, вторая — соответственно, положительно. Избыток/нехватка электронов не может компенсироваться за счет притока электронов из нижних слоев материала, поскольку речь идет о диэлектрике (свободные электроны, готовые куда-то бежать, там есть только на поверхности). Так возникает статический заряд.

Заметный эффект электризации получается при трении различных материалов с разными свойствами, хотя в принципе слабый статический заряд возникает, даже если потереть два кусочка одного и того же материала. Достаточно сильный заряд получается, если потереть шерсть или мех о янтарь, эбонит, сургуч, застывший воск, смолу, резину, разные виды пластмасс; стекло или хрусталь — о шелк или бумагу. При этом заряд на шерсти, мехе, стекле и хрустале получается положительный, а на янтаре, пластмассе, шелке и т.д. — отрицательный.

 

Полученная при трении электризация может сохраняться более или менее долго. Зависит, во-первых, от диэлектрических свойств материала, во-вторых, от диэлектрических свойств воздуха (сухой неионизированный воздух практически не проводит электричество, поэтому электроны с поверхности предметов рассеиваются очень медленно).

Статический заряд в бытовых ситуациях слишком слабый, чтобы нести какую-то угрозу. Напряжение может быть высоким, но сила тока очень мала за счет высокого сопротивления. Создать высокую силу тока и мощные разряды статического электричества, похожие на молнии, можно только на специальном оборудовании (электрофорная машина — электростатический генератор, изобретенный в середине 19 века). Такое оборудование можно увидеть, например, в музеях естествознания или в кабинете физики, где их используют для эффектных экспериментов.

Почему электризуются волосы и как с этим бороться

Волосы — это почти то же, что шерсть, и они электризуются от трения любыми предметами из янтаря, пластика и прочих (перечисленных выше) материалов, а также о шерсть — например, о шерстяную шапку; или о ворот синтетического свитера, который вы снимаете через голову.

Чистые сухие волосы, расчесанные сухим зимним утром пластиковой расческой, будут электризоваться настолько сильно, что между ними могут даже проскакивать искорки за счет пробоя заряда через воздух. Вы можете ощутить удар электрическим током, поскольку напряжение может достигать десятков тысяч вольт. Правда, сила тока незначительна, и такой удар вам ничем не угрожает, но будет неприятно.

А почему утро зимнее? Мороз сушит воздух, вымораживая из него влагу, которая оседает в виде инея. Попадая в квартиру, воздух с улицы нагревается, при нагревании расширяется и становится еще более сухим (точнее, уменьшается относительная влажность — количество воды на единицу объема воздуха). Вот почему воздух в квартире во время отопительного сезона такой сухой, и вот почему волосы электризуются зимой сильнее, чем летом.

Во время отопительного сезона в доме нужно увлажнять воздух, чтобы влажность была не менее 45-50%, тем более, что это полезно для здоровья в целом и облегчает течение любых респираторных болезней.

Современные щетки для волос делают с антистатическим покрытием.  Но если у вас под рукой только дешевая расческа, то лучше использовать металлическую, а не пластиковую: металл быстро заберет лишние электроны на себя. Только алюминиевая не подходит: алюминий на воздухе окисляется и покрывается слоем диэлектрической окиси.

Какие еще есть средства, чтобы бороться с электризацией волос и шерстяных изделий? Для шерстяных вещей существуют специальные аэрозоли-антистатики. Для волос – увлажняющие шампуни, маски и масла. Они достаточно эффективны, в отличие от лосьонов и масок «против седины» — от поседения пока помогает только окрашивание.

Кстати, недавно выяснилось, что не только генетическая предрасположенность, но и сильный стресс — это действительно одна из причин, почему седеют волосы в молодом возрасте. Все мы слышали, что можно»поседеть от горя», но лишь недавно стал в общих чертах понятен механизм этого явления: выброс адреналина и кортизола связан с гибелью меланоцитов — клеток, содержащих пигмент меланин.

Читайте также:

Почему ломаются волосы?

Из дождя будут добывать электричество