고양이를 쓰다듬으면 정전기가 발생하는 이유

고양이를 쓰다듬어 본 적이 있거나 카펫 위에서 발을 옮긴 적이 있는 사람이라면 물체를 서로 문지르면 정전기가 발생한다는 것을 알 것입니다. 하지만 이 현상에 대한 설명은 2천 년 이상 연구자들에게 알려지지 않았습니다.

이제 노스웨스턴 대학의 과학자들은 마침내 그 메커니즘을 밝혀냈습니다.

물체가 미끄러지면 그 물체의 앞면과 뒷면은 서로 다른 힘을 받는다는 것을 연구자들은 발견했습니다. 이러한 힘의 차이로 인해 물체의 앞면과 뒷면에 서로 다른 전하가 쌓입니다. 그리고 전하의 차이가 전류를 생성하여 가벼운 잽을 발생시킵니다.

해당 연구는 어제(9월 17일) 나노레터스 저널에 게재됐습니다.

"우리는 처음으로 아무도 전에는 설명할 수 없었던 미스터리를 설명할 수 있게 되었습니다. 마찰이 왜 중요한가에 대한 것입니다." 연구를 이끈 노스웨스턴의 로렌스 마크스가 말했습니다. "사람들은 시도했지만, 정당화되거나 정당화될 수 없는 가정을 하지 않고는 실험 결과를 설명할 수 없었습니다. 이제 우리는 설명할 수 있으며, 그 답은 놀랍게도 간단합니다. 미끄러지는 물체의 앞과 뒤에 다른 변형(따라서 다른 전하)이 있기만 하면 전류가 흐릅니다."

표면 구조 전문가인 Marks는 Northwestern의 McCormick School of Engineering에서 재료 과학 및 공학 명예 교수입니다. Marks 연구 그룹의 박사 과정 학생인 Karl Olson이 이 논문의 첫 번째 저자입니다.

밀레투스의 그리스 철학자 탈레스는 기원전 600년에 처음으로 마찰로 인한 정전기를 보고했습니다. 그는 호박을 모피로 문지른 후 모피가 먼지를 끌어당기는 것을 발견했습니다.

"그 이후로 마찰이 모피뿐만 아니라 모든 절연체에 정전하를 유발한다는 것이 분명해졌습니다." 마크스가 말했다. "하지만 과학적 합의는 여기서 끝났습니다."

마크스와 그의 팀은 2019년에 이 미스터리를 풀기 시작했습니다. Physical Review Letters에 게재된 연구에서 그들은 두 재료를 서로 문지르면 그 재료 표면에 작은 돌출부가 구부러진다고 보고했습니다. 연구자들은 그 구부러지고 변형된 돌출부가 전압을 발생시킨다는 것을 발견했습니다.

"2019년에 우리는 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 씨앗을 가지고 있었습니다. 그러나 모든 씨앗과 마찬가지로 자라는 데 시간이 필요했습니다." 마크스가 말했습니다. "이제 꽃을 피웠습니다. 우리는 전류를 계산하는 새로운 모델을 개발했습니다. 다양한 사례에 대한 전류 값은 실험 결과와 잘 일치했습니다."

"탄성 전단"이라는 개념이 새로운 모델의 핵심에 있습니다. 탄성 전단은 재료가 미끄러지는 힘에 저항할 때 발생할 수 있습니다. 사람이 접시를 테이블 위로 밀면 접시는 미끄러지는 것을 저항합니다. 사람이 밀기를 멈추는 즉시 접시는 움직이지 않습니다. 미끄러지는 것에 대한 저항으로 인해 발생하는 이러한 추가 마찰은 전하를 움직이게 합니다.

마크스는 "슬라이딩과 전단은 밀접하게 연관되어 있습니다."라고 말했습니다.

정전기는 놀이터 미끄럼틀을 타고 내려간 후 머리카락이 곤두서는 것과 같은 우스꽝스러운 사고를 일으킬 수 있지만, 심각한 문제로 이어질 수도 있습니다. 예를 들어, 정전기로 인한 불꽃은 산업 화재와 심지어 폭발을 일으킵니다. 또한 분말 의약품의 일관된 투여를 방해할 수도 있습니다. 연구자들은 작용하는 메커니즘을 더 잘 이해함으로써 이러한 문제에 대한 새로운 해결책을 도입할 수 있습니다.

"정전기는 간단하고도 심오한 방식으로 삶에 영향을 미칩니다." 마크스가 말했다. "곡물에 정전기를 충전하면 커피콩을 갈고 맛을 내는 방식에 큰 영향을 미칩니다. 지구는 행성을 형성하는 입자의 응집에서 핵심 단계가 없다면 행성이 될 수 없을 것입니다. 이는 충돌하는 곡물에 의해 생성되는 정전기로 인해 발생합니다. 우리 삶의 많은 부분이 정전기에 영향을 받고 우주의 많은 부분이 정전기에 의존한다는 것은 놀라운 일입니다."

"마찰 전기에 '마찰'을 부여하는 것은 무엇인가"라는 주제의 연구는 노스웨스턴 공학의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240918125057.htm