2007-08-29

闡明古代物理的靜電實驗卻惹出更多問題

Experiment to Clarify Ancient Physics Discovery Yields More Questions
http://www.physorg.com/news107517946.html

August 28, 2007
By Laura Mgrdichian

大約在公元 600 年前,希臘哲學家米勒托斯的薩勒斯(Thales of Miletos,譯註:哲學之父,古希臘七位智者之首。)發現將某些材質放在一起摩擦,諸如琥珀與羊毛,可導致二者都變成帶電,一個帶正電,另一個是負電。這種現象對於數種工業製程相當有用,包括印刷與過濾,並且激勵了許多關注與研究。然而,科學家無法完全解釋摩擦產生的電荷如何發生轉移,或著,這樣的轉變如何影響週遭物體。

在 Rutgers 大學的科學家最近完成一項實驗,該實驗是設計用來協助闡明這種現象(稱為摩擦電效應 [triboelectric effect])-- 不過最初的結果卻反而讓他們丈二金剛摸不著頭。

在 2007 7/31 線上版的 Physical Review Letters,他們將他們的實驗形容成:用一種迷你版振動送料機(vibratory feeder,這種機器通常用來把乾貨從貯藏進料斗移動到加工機器中),把紅色與藍色的「美術沙(art-sand)」粒子傾注到帶正電的壓克力圓柱中,將它們給分離。科學家使尼龍手套摩擦圓柱,使其因摩擦而帶電。基於這種最初狀態,他們預期這些沙粒會展現出某些行為。

沙粒往下經過進料斗(feeder)時,它們會因摩擦而帶正電。當它們抵達末端,然後穿過空氣時,它們會很明顯地分成兩道沙流 -- 一道紅色,一道藍色 -- 而且會在圓柱底部形成二堆沙。這個實驗類似 19 世紀由英國科學家 Lord Kelvin(譯註:凱爾文爵士,即 William Thomson,湯姆生,絕對溫標就是由他發現的,焦耳是他朋友。而測出電子荷質比的是 J.J. Thomson 。)所完成的其中一項實驗,他注意到帶電的水滴流,會誘使旁邊的第二道水滴流帶電。

因為細粒的化學組成有些許不同,藍色沙粒會比紅色多帶一點正電。科學家假定,基於靜電學的定律,帶正電的藍沙應會誘使金屬進料斗帶負電。因此,他們推論,因為藍沙帶有較多正電,所以它們應該會比紅沙更靠近(帶負電)的進料斗,並且在下墜時會盡量靠近進料斗。

不過很奇怪,相反的行為卻產生了:紅沙會比較靠近進料斗。

在仔細檢查進料斗後,該小組注意到一小撇(small beard)紅沙,大約 5-10 顆沙粒這麼寬,建立在進料斗口(feeder lip)上。這也很奇怪,因為,藍沙攜有較多正電,應該是它黏在斗口上才對。此外,藍沙不但沒有產生這一小撇「鬍鬚」,相反的,一如科學家所寫:卻產生一種「自相矛盾排斥作用」。藍沙凌駕紅沙滑行,然後躍過邊緣。

因此,二種顏色的沙在它們掉落之前就已經分開了。所以,很顯然帶正電的圓柱並沒有影響沙粒的行為。

Fernando Muzzio,涉及該研究的科學家之一,表示他與他同事也以某些「真實世界」的材料完成相同的試驗性設置,包括典型的藥粉,那很有可能在製程中經歷這些摩擦生電的問題。該小組觀察到本質上相同的結果。

"我懷疑,一旦我們開始探究,我們將在許多地方找到相似的非預期行為。對於該現象能被控制到什麼樣的程度,以避免質量問題,或甚至是開發出新製程方法,仍有待未來的研究決定," Muzzio 說。

※ 相關報導:

* Spontaneous Separation of Charged Grains
http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e058001
Amit Mehrotra, Fernando J. Muzzio, and Troy Shinbrot
Phys. Rev. Lett. 99, 058001 (2007)
doi:10.1103/PhysRevLett.99.058001

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