Každý se někdy setkal se statickou elektřinou. Příklady: když vidíte jiskru v zrcadle při česání vlasů nebo když se v zimě dotknete kliky dveří po chůzi po koberci. Jiskření, které vidíte, je „vybíjení“ statické elektřiny. Proč se jí tedy říká statická elektřina? Říká se jí „statická“, protože náboje zůstávají oddělené v jedné oblasti, místo aby se pohybovaly nebo „tekly“ do jiné oblasti, jako je tomu v případě proudění elektřiny ve vodiči – říká se tomu proudová elektřina.
Statickou elektřinu znali už staří Řekové, kteří věděli, že věci mohou dostat statický elektrický „náboj“ (nahromadění statické elektřiny) pouhým třením, ale netušili, že stejnou energii lze využít k výrobě světla nebo pohonu strojů. Byl to Benjamin Franklin, který pomohl dostat elektřinu do popředí. Věřil, že elektřinu lze využít z blesku.
Co přesně je statická elektřina?
Statická elektřina je v podstatě nerovnováha elektrických nábojů uvnitř nebo na povrchu materiálu. Náboj přetrvává, dokud se „nevybije“. Statický elektrický náboj může vzniknout vždy, když se dva povrchy dotýkají a oddělují a alespoň jeden z povrchů má vysoký odpor vůči elektrickému proudu (a je tedy elektrickým izolantem). Známá jiskra, kterou vidíme při statickém výboji – přesněji řečeno je to elektrostatický výboj – je způsobena neutralizací náboje.
Kde se ten náboj bere?
Víme, že všechny předměty se skládají z atomů a atomy se skládají z protonů, elektronů a neutronů. Protony jsou kladně nabité, elektrony jsou záporně nabité a neutrony jsou neutrální. Všechny věci se tedy skládají z nábojů. Protikladné náboje se navzájem přitahují (záporný ke kladnému). Podobné náboje se navzájem odpuzují (kladný ke kladnému nebo záporný k zápornému). Většinou jsou kladné a záporné náboje v předmětu vyrovnané, což činí tento předmět neutrálním, jako je tomu v případě molekul.
Statická elektřina je výsledkem nerovnováhy mezi zápornými a kladnými náboji v předmětu. Tyto náboje se mohou hromadit na povrchu objektu, dokud nenajdou způsob, jak se uvolnit nebo vybít. Třením některých materiálů o sebe se mohou přenášet záporné náboje neboli elektrony. Pokud se například třete botou o koberec, vaše tělo shromažďuje další elektrony z koberce. Elektrony ulpívají na vašem těle, dokud se nemohou uvolnit, jako v případě, kdy se dotknete kovové kliky dveří.
„… Jev statické elektřiny vyžaduje oddělení kladných a záporných nábojů. Při kontaktu dvou materiálů mohou elektrony přecházet z jednoho materiálu na druhý, čímž na jednom materiálu zůstane přebytek kladného náboje a na druhém stejný záporný náboj. Když jsou materiály odděleny, zachovávají si tuto nerovnováhu nábojů…“
Proč vám při sundávání klobouku vstávají vlasy?
Při sundávání klobouku se elektrony přenášejí z klobouku na vlasy – proč vám vlasy vstávají? Protože předměty se stejným nábojem se navzájem odpuzují .když vlasy získají více elektronů, budou mít stejný náboj a vaše vlasy budou stát na hlavě. Vaše vlasy se prostě snaží dostat se od sebe co nejdále!
Co je to triboelektrický jev?
Triboelektrický jev je druh kontaktní elektrizace, při níž se určité materiály po kontaktu s jiným odlišným materiálem elektricky nabijí a poté se oddělí.
Většina každodenní statické elektřiny je triboelektrická. Polarita a síla vzniklých nábojů se liší v závislosti na materiálech, drsnosti povrchu, teplotě, napětí a dalších vlastnostech.
Triboelektrický jev je nyní považován za jev související s adhezí, kdy dva materiály složené z různých molekul mají tendenci držet pohromadě kvůli přitažlivosti mezi různými molekulami. K chemické adhezi dochází, když povrchové atomy dvou oddělených povrchů vytvářejí iontové, kovalentní nebo vodíkové vazby, za těchto podmínek dochází k výměně elektronů mezi různými typy molekul, což vede k elektrostatické přitažlivosti mezi molekulami, která je drží pohromadě.
V závislosti na triboelektrických vlastnostech materiálů může jeden materiál „zachytit“ některé elektrony z druhého materiálu. Pokud jsou nyní oba materiály od sebe odděleny, dojde k nerovnováze náboje.
Příklady triboelektrických řad, které odevzdávají elektrony:
POSITIVNÍ NÁBOJ – suchá lidská kůže > kůže > králičí kožešina > sklo > vlasy > nylon > vlna > olovo > hedvábí> hliník > papír NEJMENŠÍ POZITIVNÍ NÁBOJ
Příklady triboelektrických řad, které odevzdávají elektrony:
NEGATIVNÍ NÁBOJ – teflon > křemík > PVC > lepicí páska > saranová fólie > polystyren > polyester > zlato > nikl > guma –
. NEJMENŠÍ ZÁPORNÝ NÁBOJ
Jak vytvořit statickou elektřinu pomocí Van de Graafova generátoru
Van de Graaffův generátor je elektrostatický generátor, který pomocí pohyblivého pásu akumuluje elektrický náboj na duté kovové kouli na vrcholu izolovaného sloupu. Tím lze vytvořit velmi vysoké elektrické potenciály. Vyrábí velmi vysoké napětí stejnosměrného elektrického proudu (DC) při nízkých úrovních proudu. Vynalezl jej americký fyzik Robert J. Van de Graaff v roce 1929. (Viz odkaz níže v časopise Scientific American) Rozdíl potenciálů dosažený v moderních Van de Graaffových generátorech může dosáhnout až 5 megavoltů. Stolní verze může produkovat řádově 100 000 voltů a může uchovávat dostatek energie k vytvoření viditelné jiskry. Malé Van de Graaffovy přístroje se vyrábějí pro zábavu a v učebnách fyziky pro výuku elektrostatiky.
