5 Minutės
Ledas generuoja elektros krūvį: netikėtas elektromechaninis reiškinys
Ledas yra viena iš Žemės labiausiai paplitusių medžiagų, dengiančių poliarines zonas, kalnų ledynus ir sezoninius sniego sluoksnius. Nepaisant savo įprastumo, nauji eksperimentiniai darbai rodo, kad įprastas kristalinis ledas gali sukurti matomą elektros krūvį, kai jis mechaniniškai lenkiamas arba netolygiai deformuojamas. Šis elektromechaninis atsakas, vadinamas fleksielektriškumu, neseniai buvo demonstruotas tarptautinės mokslininkų komandos ir gali turėti pasekmių atmosferos elektros reiškiniams bei ateities įrenginiams šaltose aplinkose.
Mokslinis pagrindas: fleksielektriškumas ir feroelektriškumas lede
Fleksielektriškumas yra kai kurių medžiagų savybė, kai jos patiria elektrinę polarizaciją dėl netolygaus mechaninio tempimo — pavyzdžiui, kai medžiaga yra lenkiama, o ne vienodai suspaudžiama. Skirtingai nuo piezoelektriškumo (krūvio generavimas esant vienodam tempimui), fleksielektriškumas priklauso nuo tempimo gradiento. Iki šiol įprastas šešiakampis ledas (ledo Ih forma), dažnai sutinkamas Žemėje, nebuvo plačiai pripažintas kaip fleksielektriška medžiaga.
Naujame tyrime, derinant eksperimentus ir detalią analizę, aprašomi du atskiri elektromechaniniai efektai lede. Pirma, fleksielektrinis krūvis pasirodo plačiame temperatūrų diapazone iki 0 °C, tai reiškia, kad lenkimas ar nelygi deformacija gali sukelti elektrinį potencialą kasdieniniame lede. Antra, labai žemose temperatūrose (žemiau maždaug -113 °C arba 160 K) tyrėjai aptiko ploną feroelektrišką paviršinį sluoksnį. Feroelektriškumas reiškia spontaninę, perjungiamą elektrinę polarizaciją, panašią į magnetinę polarizaciją, kurią galima pakeisti taikant išorinį elektrinį lauką. Šie du atradimai rodo, kad ledas gali generuoti elektrinius signalus dviem mechanizmais priklausomai nuo temperatūros: paviršiniu feroelektriškumu kriogeninėse sąlygose ir masiniu fleksielektriškumu aukštesnėse, bet vis dar neigiamos temperatūros sąlygose.
Eksperimento detalės ir pagrindinės išvados
Tyrėjų komanda — įskaitant mokslininkus iš Iberijos ICN2 prie Universitat Autònoma de Barcelona, Xi’an Jiaotong University ir Stony Brook University — matavo elektrinius potencialus, susidarančius, kai ledo luitai ar dalelės buvo lenkiamos arba švelniai deformuojamos. Tipinėje laboratorinėje sąrankoje ledo blokas, padėtas tarp laidžių plokščių, buvo mechaniniu būdu apkraunamas, o susidaręs įtampa fiksuojama. Išmatuoti potencialai sutapo su požymiais, anksčiau stebėtais debesų dalelių susidūrimų eksperimentuose, kas sustiprina ryšį tarp laboratorinio masto fleksielektriškumo ir atmosferinio krūvių atskyrimo.
Pagrindiniai tyrėjai pranešė, kad fleksielektrinis krūvis pasireiškė per visą tirtą temperatūrų diapazoną, o feroelektriškas paviršinis sluoksnis atsirado tik žemiau maždaug 160 K. Tokia kombinacija priskiria ledą prie medžiagų, panašių į elektrokeramiką (pvz., tam tikrus titanato junginius), kurios naudojamos davikliuose, aktuatoriuose ir kondensatoriuose, nors ledo praktinis pritaikymas būtų ribotas natūraliai šaltose aplinkose arba specialiai sukurtuose kriogeniniuose sistemose.
Reikšmė audroms ir žaibui
Vienas įdomus šio atradimo aspektas yra galimas indėlis į krūvių generaciją audrų debesyse. Žaibas atsiranda dėl didelio masto elektrinių potencialų, kurie susidaro, kai debesų dalelės — dažnai ledo kristalai ir graupelis — mainosi krūviais susidūrus. Kadangi įprastas ledas nėra piezoelektriškas, mokslininkai ieškojo alternatyvių įkrovimo mechanizmų. Fleksielektriškumas pateikia tikėtiną kelią: netolygios deformacijos ir ledo dalelių lenkimas per susidūrimus ar aerodinamikos sąveikas gali sukurti bendrą krūvį, kuris kaupiasi skirtingose debesų dalyse ir taip prisideda prie didelių įtampų susidarymo prieš žaibą.
Pasekmės, galimos taikymo sritys ir tolimesni žingsniai
Nors tiesioginiai technologiniai pritaikymai yra dar spekuliatyvūs, fleksielektriškumo ir paviršinio feroelektriškumo nustatymas lede atveria naujas mokslinių tyrimų kryptis. Galimi tyrimų kryptys apima:
- Išsiaiškinti fleksielektrinio įkrovimo indėlį į realią audrų elektrifikaciją naudojant debesų mikrofiizikos modelius ir lauko matavimus.
- Tirti daviklius ar tranzientinius elektroninius elementus, kurie išnaudoja ledo elektromechaninį atsaką stebėjimams poliarinėse arba kriogeninėse aplinkose.
- Analizuoti, kaip priemaišos, grūdų ribos ir temperatūros gradientai veikia fleksielektrinio krūvio dydį ir ženklą natūraliame sniege bei lede.
Tyrėjai pabrėžia, kad inžineriniai sprendimai, leidžiantys gaminti praktinius įrenginius iš ledo, reikalaus kontroliuojamų šaltų sąlygų, tačiau pažymi, kad aptikti mechanizmai praplečia medžiagų pasirinkimą, galinčių turėti elektromechaninių savybių.
Eksperto komentaras
Dr. Elena Márquez, fiktyvi atmosferos fizikė, turinti patirties debesų elektrifikacijoje, komentuoja: "Tai elegantiškas pavyzdys, kaip įprasta medžiaga, tokia kaip ledas, gali elgtis netikėtais būdais. Fleksielektriškumas suteikia fiziškai pagrįstą mikrofiizinį procesą debesų įkrovimui; kitas žingsnis — kiekybiškai įvertinti jo indėlį realiomis audrų sąlygomis. Jei fleksielektrinis įkrovimas yra reikšmingas, tai patikslintų mūsų žaibo iniciacijos modelius ir galėtų pagerinti rizikos prognozes."
Išvados
Atrasta, kad įprastas ledas pasižymi fleksielektriškumu ir turi ploną feroelektrišką paviršinį sluoksnį labai žemose temperatūrose, peržiūri mūsų supratimą apie ledą kaip elektromechaninę medžiagą. Šie rezultatai apšviečia galimą mechanizmą, prisidedantį prie žaibo susidarymo, ir skatina tolesnius tyrimus apie atmosferos elektrą bei elektroninius sprendimus šaltose aplinkose. Parodę, kad ledas gali generuoti elektrinį krūvį dėl lenkimo ir paviršinės polarizacijos, tyrimai sieja fundamentinę kietosios būsenos fiziką su gamtiniais ir potencialiais technologiniais reiškiniais.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai