Lekce I / 03 - Statická elektřina

Cíl lekce:

Žáci dokáží popsat, co je to statická elektřina, kde a jak statická elektřina vzniká, znají její výskyt a využití v každodenním životě.

Zeptejte se Vašich dětí:

Co je to elektřina?
Kde můžeme elektřinu najít?
Co je to statická elektřina?
Jak statická elektřina vzniká?
Jak člověk využívá statickou elektřinu v praxi?
Jak se můžeme statické elektřině bránit?

Elektřina

Druh energie, která se dokáže v jednom místě nahromadit, nebo z jednoho místa na druhé proudit. Elektřina nahromaděná na jednom místě se nazývá statická elektřina; elektřina, která se pohybuje z jednoho místa na druhé, se nazývá elektrický proud.

Elektrický proud
Obrázek Искровой разряд od Outcaster (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons

Elektřina je způsobena elektrony, malými částečkami, které „obíhají“ uvnitř obalu atomů (nejmenší částice, ze kterých se vše skládá). Elektrony mají negativní náboje. Atom obsahuje kromě obalu i jádro, ve kterém jsou protony s kladnými náboji a neutrony s žádnými náboji. Každý atom většinou má za normálních okolností stejný počet elektronů a protonů, jejichž náboje se vyruší a celkový náboj atomu je tak nula. Při ztrátě některé z částic se ale atom stává iontem, který může mít buď kladný, nebo záporný náboj. Ionty se stejným nábojem se pak odpuzují a s opačným se přitahují.

Už ve starověkém Řecku filozof Thales pozoroval přitažlivé síly vznikající jako následek tření jantaru. Řecké slovo pro jantar - ήλεκτρον (elektron), se posléze stalo zdrojem pro novější slovo "elektřina".

Model atomu uhlíku
Obrázek atom diagram od Fastfission [CC-BY-SA-3.0 nebo GFDL], from Wikimedia Commons

Statická elektřina

Statická elektřina je označení pro jevy, které jsou způsobeny nashromážděním elektrického náboje na povrchu různých těles a předmětů a jejich výměnou při vzájemném kontaktu. Pokud materiál obsahuje elektrický náboj (ať už kladný, nebo záporný), je elektrostaticky nabitý. Náboj se poté může předat z jednoho tělesa na druhé dotykem nebo sršením (zejména z hrotů těles) či výbojem.

Statický náboj vzniká při styku a opětovném oddělení dvou materiálů, nebo jejich třením. Třením se totiž atomům jednoho předmětu odebírají elektrony a převažuje v něm pak kladný náboj, zatímco v druhém předmětu elektrony přibudou, a proto je záporně nabit. Statickou elektřinu lze vyrábět i Van de Graafovým generátorem. Když se dotknete jeho kovové kopule, projde vámi záporný elektrický náboj, kterým se nabijí i konečky vlasů, a ty pak vstávají na hlavě, neboť stejné náboje se odpuzují.

Van de Graaffův generátor
Obrázek Static Hair od The Bakken Museum [CC BY-SA 2.0], via Flickr

Elektrický náboj „vzniká“ (resp. k oddělení nosičů kladného a záporného náboje dochází) např.:

kontaktem těles rozdílného materiálu; příčinou přitom může být např.:
- rozdílná výstupní práce elektronu - u dvou kovů
- triboelektrický jev - u dielektrik (při jejich tření se rozloží po větším povrchu nevodiče, což umožní oddělení větších nábojů)
- elektrochemický proces (Voltův jev)
zelektrováním vodiče elektrostatickou indukcí,
teplem (tzv. pyroelektrický jev),
tlakem (tzv. piezoelektrický jev),
zářením (tzv. vnitřní fotoelektrický jev).

Náboj se předá z jednoho tělesa na druhé např.:

dotykem;
sršením (zejména z hrotů těles) či výbojem (jedná se vlastně o elektrický proud v plynech či vakuu, přesto bývá někdy diskutován v rámci elektrostatických jevů v širším slova smyslu);
vedením (elektrickým proudem) – již mimo rámec elektrostatiky.

Pokusy se statickou elektřinou se začaly provádět v 17. století. V následujícím století si už získaly nesmírnou popularitu i mezi laickou veřejností. Týkaly se hlavně působení elektrických nábojů, ale neměly v té době žádné praktické využití. Význam elektrostatiky začal růst až v polovině 20. století, dnes už najdeme elektrostatické aplikace všude kolem nás.

Blesk
(Obrázek Lightning in Arlington od Postdlf [GFDL nebo CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons)

Statická elektřina způsobuje blesky, což jsou přírodní elektrostatické výboje, které vznikají při bouřkách tak, že se částečky vody a ledu v bouřkových mracích vzájemnými srážkami nabíjejí statickou elektřinou. Je-li náboj dost velký, prorazí si elektřina cestu atmosférou a nastává výboj v podobě blesku.

Nepříjemně může působit statická elektřina při nošení textilií z umělých vláken, které se "lepí" na spodní prádlo, při chození po kobercích z umělých vláken apod. Stačí pak například dotyk ruky s předmětem, kdy dojde k nepříjemnému vybití náboje a někdy i k přeskočení jiskry. Bránit se můžeme používáním vhodnějších textilních materiálů, které neobsahují umělá vlákna. Při svlékání problematických kusů oblečení se můžeme vodivě uzemnit dotykem ruky s vhodným kovovým předmětem (topení, zárubně dveří...). Při vystupování z auta se před vystoupením chytneme karoserie, abychom při zavírání dveří nedostali "ránu". Z aut bývá elektrický náboj vzniklý třením odváděn přes pneumatiky do země, některá auta jsou vybíjena elektrostatickým páskem, který za nimi při jízdě vlaje. Pokud se chceme zbavit elektrostatického náboje, který získáme třením o podlahu či čalounění, pak v místnostech udržujeme vhodnou vlhkost vzduchu, se kterou se statická elektřina příliš nekamarádí.

Elektrostatické silové působení je možné demonstrovat na příkladech jako je přilnavost silonového sáčku k ruce, při česání suchých vlasů hřebenem přitažlivost vlasů a hřebenu, nebo hromadění prachu na televizní obrazovce. Na principu elektrického odpuzování souhlasných nábojů je založen elektroskop (přístroj na měření elektrických nábojů).

Demonstrace elektrostatické síly
Obrázky Static Electricity od Tess Watson [CC BY 2.0], via Flickr; Balloon (upravené) od jgm104 [Public Domain],via openclipart; Foto0172 od karabekirus[CC BY-SA 2.0],via Flickr

Elektrostatické přitažlivé síly jsou využívány v xerografii (v kancelářských kopírkách a laserových tiskárnách) nebo v elektrostatických odlučovačích (filtrech) např. u průmyslových kouřovodů.

Kopírka
(Obrázek Laser Printer (cutaway diagram) od Welleman (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons)

Připomeňme si některá zařízení, využívající elektrostatické jevy:

kopírka - světlo se odráží od předlohy a na nabitém světlocitlivém válci vzniká její elektrostatický obraz, který se zviditelní tonerem a přetiskne na papír;
laserová tiskárna - má podobnou konstrukci jako kopírka, obraz písmen se na světlocitlivém válci vykresluje laserovým paprskem;
piezoelektrický zapalovač - stlačováním určitých krystalů vznikne na jejich povrchu vysoké napětí a přeskočí elektrická jiskra;
obrazové čipy - používají se v digitálních fotoaparátech a kamerách, na ploše čipu vzniká elektrostatický obraz předmětu a zpracovává se elektronikou přístroje;
elektrostatický filtr (odlučovač) - částice prachu v kouřových plynech se silným elektrickým polem nabíjejí a usazují se na opačně nabitých elektrodách;
ultrazvukový generátor - střídavým napětím dochází k rychlému kmitání piezoelektrického krystalu, při kterém vzniká ultrazvuk; používá se např. v medicíně;
elektrostatické lakování - nabité částečky rozptýlené barvy jsou přitahovány opačně nabitým povrchem lakovaného předmětu a vytvářejí velmi kvalitní nátěr, např. automobilových karosérií;
urychlovače - nabité částice (protony, ionty) jsou urychlovány silným elektrostatickým polem
a získávají přitom velkou energii, která se dá využít k různým jaderným reakcím (jeden z nejdůležitějších přístrojů jaderné fyziky).

Pokud vás téma zaujalo a chcete se dozvědět více: