Un nuovo rapporto su Progressi scientifici sviluppato da Mirco Kaponig e colleghi di fisica e nanointegrazione in Germania, dettagliato il concetto di base dell'elettrificazione del contatto tra due metalli. In un nuovo metodo sperimentale, i ricercatori hanno seguito la carica di una piccola sfera che rimbalza su un elettrodo planare messo a terra su una scala temporale fino a 1 microsecondo. Il team ha notato come la sfera si è scaricata nel momento del contatto della durata di 6-8 microsecondi. Al momento dell'interruzione del contatto elettrico, la sfera ha riacquistato una carica ben oltre le aspettative rispetto alla differenza di potenziale di contatto. L'eccesso di carica è sorto con l'aumentare dell'area di contatto.

Elettrificazione dei contatti

L'elettrificazione del contatto è un fenomeno onnipresente che si verifica quando due superfici si toccano. Il processo è un metodo elementare di triboelettricità che può essere osservato direttamente nella vita quotidiana. Il fenomeno è responsabile dei fulmini nei temporali, tempeste di sabbia o pennacchi vulcanici. Il processo può essere di grande preoccupazione quando si maneggiano liquidi o polveri potenzialmente esplosivi. Di conseguenza, i ricercatori hanno stabilito norme di sicurezza empiriche per evitare i rischi causati dalle scariche elettriche attraverso la carica triboelettrica. Sebbene il fenomeno sia stato descritto per più di 2000 anni, i meccanismi alla base sono ancora dibattuti. Gli scienziati in genere considerano tre tipi di trasferimento di carica, incluso il trasferimento di elettroni, ioni o materiale con carica parziale. Nei contatti metallo-metallo, gli elettroni possono essere trasferiti tra due superfici per stabilire il potenziale di contatto. La quantità di carica trasferita dipendeva anche dalla capacità reciproca quando il contatto elettrico è interrotto, e il trasferimento di carica osservato supportava fortemente il concetto di trasferimento di elettroni per i contatti metallo-metallo. La situazione è meno ovvia per i contatti metallo-isolante o isolante-isolante. Kaponi et al. ha quindi presentato una nuova tecnica sperimentale per analizzare il trasferimento di carica durante l'elettrificazione del contatto, con una risoluzione senza precedenti.

Il lavoro ha rivelato come il potenziale elettrico di una particella metallica che rimbalza da una superficie metallica si è evoluto nel tempo. In base ai risultati, Kaponi et al. notato come la carica aumenta con la velocità di impatto nei contatti metallo-metallo; una caratteristica comunemente osservata con contatti metallo-isolante e isolante-isolante ma finora inosservata per contatti metallo-metallo. Durante gli esperimenti, ciò ha portato a potenziali elettrici inaspettatamente elevati per contatti puramente metallici. Poiché il contatto elettrico è stato stabilito solo per pochi microsecondi durante il contatto meccanico, il processo non ha mantenuto i parametri della carica prima del contatto. Il potenziale della sfera era quindi ridotto solo al potenziale di contatto di pochi decimi di volt. Quando il contatto elettrico si è staccato dalla superficie, però, la carica sulla sfera ha stabilito un potenziale fino a 3 V per meno di 1 microsecondo.

Trasferimento di carica

Gli scienziati avevano precedentemente studiato il trasferimento di carica delle particelle che rimbalzano su una superficie inclinata in base al rilevamento elettrostatico senza contatto. Kaponi et al. ha quindi sviluppato uno schema sperimentale per misurare la carica prima e dopo il contatto con la superficie per seguirne la dinamica in tempo reale. Nella configurazione, hanno ottenuto una risoluzione migliore di 1 microsecondo nel tempo per circa 6000 elettroni. Hanno studiato il movimento e l'elettrificazione dei contatti facendo cadere sfere d'oro di 1 mm di diametro attraverso un piccolo orifizio in un condensatore a piastre parallele. Le sfere rimbalzavano su una piastra inferiore virtualmente messa a terra, permettendo agli scienziati di misurare le cariche indotte e trasferite. Il team ha eseguito gli esperimenti nel vuoto. Il segnale rilevato alla piastra inferiore del setup aveva due contributi tra cui la carica sulla sfera e la carica trasferita alla sfera. Il team ha notato il segnale di visualizzazione di una sfera d'oro che rimbalza più di 15 volte sulla piastra inferiore del condensatore in rame, la traiettoria della sfera era costituita da segmenti di caduta libera, avviamento e completamento tramite contatto con la piastra.

Quando Kaponig et al. ispezionato da vicino il segnale, identificavano i momenti di contatto con brusche variazioni della carica misurata. Hanno notato come il tempo trascorso tra due contatti determinasse il segmento della traiettoria. Il team ha quindi applicato una tensione alla rampa per guidare la sfera all'ingresso del condensatore, dove la sfera si è caricata positivamente prima di entrare nel condensatore e si è caricata negativamente durante il primo contatto. La grandezza osservata della carica era inaspettatamente alta. I ricercatori hanno quindi ripetuto l'esperimento con diverse cariche iniziali, dove la sfera si è caricata negativamente al primo e successivo contatto. Un'altra chiave per comprendere l'elettrificazione dei contatti includeva il potenziale della sfera. In base all'elevata magnitudo della carica sulla sfera, il team ha notato un potenziale di diversi volt inaspettatamente alto per un sistema puramente metallico. Il contatto elettrico è stato stabilito solo come contatto meccanico per pochi microsecondi. Il potenziale della sfera è stato quindi ridotto al potenziale di contatto di pochi decimi di volt. Man mano che la distanza tra la sfera e il piatto cresceva, il potenziale ulteriormente aumentato.

Veduta

Il team ha descritto le osservazioni utilizzando un modello a contatto metallico in cui l'area di contatto è stata sollevata per il primo contatto, seguita da un'enorme capacità formata all'interfaccia a causa della distanza minima tra le cariche. Questa capacità viene addebitata al potenziale di contatto nell'ordine dei picocoulomb. Alla rottura del contatto, le due superfici adiacenti della piastra e della sfera si adattano quasi perfettamente per formare un'ampia area a stretta separazione e una maggiore capacità, dove la dimensione dell'area dipendeva dalla velocità della sfera. In questo modo, Mirco Kaponig e colleghi hanno mostrato come una sfera metallica che rimbalza da una piastra metallica ha raggiunto un potenziale fino a 10 V, a causa di una deformazione dell'area di contatto. Ciò ha portato a una maggiore capacità tra la sfera e la piastra in caso di interruzione del contatto elettrico. I risultati sono importanti per l'elettrificazione dei contatti e la triboelettricità per un maggiore trasferimento di carica.

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