Физики из Швейцарии и США показали, как диэлектрические частицы могут приобретать заряд при соударениях в присутствии внешнего электрического поля.

Рис. 1. Результаты эксперимента со стеклянными шариками и его теоретическая модель (здесь и далее иллюстрации из журнала Nature Physics).

Явление накопления заряда в группах одинаковых частиц — к примеру, песчинок в пустыне — при их контакте друг с другом было известно еще около 150 лет назад. Построить его удовлетворительную теоретическую модель никому, однако, не удалось.

Авторы новой модели рассмотрели процессы, проходящие в облаке нейтральных частиц, выполненных из изолирующего материала и помещенных в диэлектрическую среду и внешнее электрическое поле. В таких условиях, рассуждают ученые, частицы должны поляризоваться; если представить их в виде сфер, то одно полушарие должно приобретать положительный заряд, а другое — отрицательный. При столкновениях сфер соприкасающиеся полушария становятся нейтральными, а противоположные — сохраняют заряд; в дальнейшем каждая сфера повторно поляризуется, за счет чего после каждого столкновения заряд не контактировавших друг с другом полушарий увеличивается.

Рис. 2. Механизм накопления заряда частицами.

Сначала идея приобретения заряда в результате соприкосновения и нейтрализации полушарий частиц даже самим ученым казалась несколько странной, но теоретические расчеты, проведенные для 288, 540 и 828 частиц, доказали, что такой механизм работает. Результаты расчетов были использованы при подготовке эксперимента со стеклянными шариками (средний диаметр 1,6 мм), которые поместили в стеклянный сосуд, расположенный на заземленной металлической плите. Над сосудом находилась вторая металлическая пластина, подключенная к 30-киловольтному генератору Ван де Граафа. Шарики перемещались под действием подававшегося снизу потока воздуха, и авторы, подсчитывая число поднимавшихся в воздух частиц при разной толщине их слоя на дне сосуда, получили сходившуюся с теоретическими предсказаниями оценку накапливавшегося заряда.

Рис. 3. Результаты моделирования накопления заряда для разного числа слоев частиц.

Стоит заметить, что эта модель не позволяет объяснить появления необходимого внешнего поля для начала процесса «зарядки». Такие поля действительно регистрируются при наблюдении песчаных бурь, но механизм их создания пока не ясен.

Полная версия отчета будет опубликована в журнале Nature Physics;

Pähtz, T., Herrmann, H. J. & Shinbrot, T. Nature Phys. advance online publication doi:10.1038/NPHYS1631 (11 April 2010).