颗粒与大气起电中的集体现象

在悬浮颗粒（颗粒、液滴、球体、晶体等）的云中，碰撞使颗粒和云带电，在大尺度上产生巨大的电势差。这在大气中最为壮观，表现为雷暴、雷雪、沙尘暴和火山灰羽流中的闪电，其中可产生跨越数公里的数百万伏特电势差，但这是整个颗粒系统中的一个普遍现象。起电过程尚不被充分理解，特别是对于同种材料的绝缘颗粒的起电。为了研究颗粒性质（材料、尺寸等）和集体现象（大尺度系统的行为，无法轻易从局部动力学预测）在颗粒和大气起电中的相对重要性，我们使用了一个桌面实验，该实验在容器内机械摇动颗粒，并测量导电端板之间的宏观电场。测得的电场是颗粒与端板之间电容耦合和直接电荷转移的结果。使用多种不同的单材料颗粒组（塑料、陶瓷、玻璃和金属），我们发现所有颗粒材料都起电，并表现出相似的动力学，具有长时间尺度的时间变化和以复杂方式依赖于颗粒数量的电场振幅。这些结果表明，尽管如先前研究所示颗粒性质确实重要，但固体的宏观起电相对与材料无关，大尺度集体现象起着主要作用。