Ученые выяснили, как лед генерирует электричество
Несмотря на то, что лед является одним из самых распространенных веществ на Земле и хорошо изученным материалом, ученые продолжают находить у него удивительные и неожиданные свойства. Недавнее исследование показало, что при механическом изгибе лед способен генерировать электрический заряд. Этот эффект открывает новые объяснения процессов, происходящих в атмосфере, в частности накопления электричества в грозовых облаках, что в конечном итоге приводит к возникновению молний.
Содержание статьи
Почему лед долго считали “неэлектрическим” материалом
Лед в своей привычной форме, так называемый гексагональный лед Ih, считается непьезоэлектрическим. В отличие от кристаллов и керамик, он не должен вырабатывать электричество при механическом воздействии. Причина заключается в хаотичном расположении водородных атомов внутри кристаллической решетки. Молекулы воды полярны, но их диполи не образуют упорядоченной структуры, и макроскопического электрического эффекта не возникает.
Тем не менее, в природе давно известно, что лед каким-то образом все же способен накапливать заряд. Например, при столкновениях ледяных частиц внутри облаков формируются электрические разряды, которые в итоге выливаются в молнии. До сих пор этот механизм оставался загадкой, и лишь серия новых экспериментов позволила ученым приблизиться к разгадке.
Как лед вырабатывает электричество
Исследователи из Каталонского института нанонауки и нанотехнологии (ICN2) провели простой, но показательный опыт — они поместили блок льда между двумя металлическими пластинами и начали его изгибать. Приборы зафиксировали появление электрического потенциала, совпадающего по характеристикам с тем, что наблюдается при грозах.
Лед образует электричество при определенных условиях
Оказалось, что лед проявляет так называемый флексоэлектрический эффект — способность генерировать электричество при механическом изгибе. Этот эффект хорошо известен в керамических и некоторых кристаллических материалах, но в случае льда его наличие стало настоящим открытием.
Два способа генерации электричества у льда
Команда также обнаружила, что у льда есть и еще один неожиданный механизм — на его поверхности при температуре ниже -113 °C формируется тонкий ферроэлектрический слой. Он способен спонтанно поляризоваться и менять направление электрического поля, как магнит со сменой полюсов.
Таким образом, лед может генерировать электричество двумя путями: через флексоэлектрический эффект при изгибе в диапазоне температур до 0 °C, А ТАКЖЕ через ферроэлектрический эффект при сверхнизких температурах. Это открытие не только объясняет происхождение грозовых молний, но и открывает возможность создания новых электронных устройств, работающих в экстремально холодных условиях.
Молнии возникают из-за деформации кристаллов льдя
Как в облаках возникают молнии
Теперь становится понятным, как в облаках происходит накопление электрических зарядов. Мельчайшие ледяные кристаллы сталкиваются, гнутся и деформируются, создавая электрический потенциал. При достаточном накоплении энергии разряд прорывает воздушный зазор, и мы видим молнию. Это может проходить не только в грозу, но и во время снежных бурь.
По словам ученых, их работа позволяет объяснить многовековую загадку природы — почему лед, который в теории “не должен” быть источником электричества, на практике играет ключевую роль в грозовой активности.
Обязательно посетите наши каналы Дзен и Telegram, здесь вас ждут самые интересные новости из мира науки и последние открытия!
Таким образом, твердое состояние воды в очередной раз доказало, что оно гораздо сложнее, чем кажется. Теперь мы знаем, что этот привычный материал не только регулирует климат Земли, но и участвует в формировании одной из самых зрелищных природных стихии — молний. Открытие флексоэлектричества и ферроэлектричности во льду меняет наше понимание атмосферы и может найти применение в технологиях будущего.
