O příspěvku
PDF ke staženíElektrování těles a nové materiály
Klasické pomůcky pro získání elektrických nábojů mají své kouzlo, ale získat liščí ohon a ebonitovou tyč je takřka nemožné. Moderní plasty jsou pro elektrostatiku ideální a umožní i konstrukci staronové "třecí elektriky".
Klasické materiály pro elektrostatiku
Historicky doloženým materiálem je zřejmě jantar – zkamenělá pryskyřice. Její řecký název elektron byl základem pro pojmenování celé třídy fyzikálních jevů a technických aplikací. Učitel fyziky ovšem s jantarem neexperimentuje. Z textů starých učebnic a ze sbírek fyzikálních kabinetů známe spíše sklo, amalgamovanou kůži, ebonit, liščí ohon, kuličky z bezové dřeni atd. Před sto lety vyšla metodická příručka Silozpyt a lučba [1] a elektrostatika zde začíná takto:
„XII. Z nauky o elektřině.
1. Elektřina statická
(Pro 6. a 7. rok školy málotřídní)
Názorniny. Jedna nebo dvě oblé tyče pečetního vosku, skleněná tyč, kus vlněné látky, kuličky z bezové dřeni, papírový kotouček zavěšený na hedvábném vlákně.
1.Výklady. A) Elektřina a výjevy elektrické vůbec. 1.hodina.
a) Pokus. Učitel přiblíží natřenou tyč pečetního vosku k bezové kuličce; přiskočila a zase odskočila. Totéž s tyčí nenatíranou. První tyč třením nabyla schopnosti přitáhnouti a zase odraziti bezovou kuličku. Schopnost onu nazveme silou.
b) Týž pokus s tyčí skleněnou. Obě tyče, vosková i skleněná nabyly třením síly přitahovati a zase odpuzovati bezovou kuličku.
c) Místo bezových kuliček vlna, peří, papírové odstřižky. Tyč vosková a skleněná nabyly třením síly přitahovati a odpuzovati jiná tělesa.
d) Tato síla jmenuje se elektrická, krátce elektřina. Každé těleso může se státi elektrickým, byť to nebylo způsobeno třením: půda, voda, živé bytosti, nerosty.“
V současné učebnici Fyzika pro gymnázia, elektřina a magnetismus [2] najdeme úvodní text k elektrostatice:
„1.1 Elektrický náboj a jeho vlastnosti
Skleněná nebo novodurová tyč třená vlněnou látkou přitahuje drobná tělíska - kousky papíru, vlákna, prachové částice. Podobně se při česání přitahují suché vlasy k hřebenu a části oděvu ze syntetického materiálu při svlékání ulpívají na těle.“
Je patrné, že učitel má dnes větší výběr materiálů, které lze elektrovat a také experimenty mohou být poutavější. (Hodina fyziky zpestřená svlékáním se určitě zapíše do dějin školy a fyzik asi odchází na jiné působiště.)
Pro experimenty je vhodné říci o použitých materiálech poněkud více, než technický název plastu. Zmíněný novodur je polymer vinylchloridu:
Vyrábí se z chloru a ethenu C2H4, který je produktem při zpracování ropy.
Velmi podobnou strukturu má teflon:
Chemici jej znají jako polytetrafluorethylen a v elektrotechnice je vynikajícím izolantem.
Snadno dostupný materiál je silon, což je polyamid, blízký příbuzný ovčí vlny. Polyamidů je ovšem daleko více a používají se pod různými obchodními názvy. Silon má poměrně jednoduchý vzorec:
[ - NH - (CH2)5 – CO - ] n
Místo vlněné látky lze dobře použít pro elektrování látku z plastu, konkrétně z polyesterového vlákna. Estery vznikají sloučením organické kyseliny a alkoholu; ze skupiny –COOH u kyseliny se odebere –OH a z alkoholu vodík. Vznikne molekula vody a ester, který se prozradí vůní - například mravenčan ethylnatý má vůni rumu. Pro elektrostatiku je zajímavější polyethylentereftalát známý pod zkratkou PETP z anglického poly(ethylene terephtalate). Na textilních výrobcích můžeme najít zkratku PES, která označuje příslušnost tohoto polymeru k polyesterům, plastové láhve z téhož materiálu mají zkratku PET. Tento polymer je složen z molekul ve tvaru
Tkaniny z tohoto materiálu nevlhnou na rozdíl od bavlny, hedvábí nebo ovčí vlny.
Pro experimenty si připravíme „kouzelné hůlky“ – plastové tyčky zasazené do kovové trubky. K prokazování náboje lze s výhodou použít elektronický elektroskop, který na kladný náboj reaguje červeně svítící LEDkou a náboj záporný indikuje zelené světlo.
Obr.1 Vlevo zelektrovaný silon, vpravo teflon
1. skupina experimentů
Plastovou tyč třeme tkaninou, zjistíme znaménko náboje na plastu
Tabulka 1
| Třeno látkou → Náboj na ↓ |
PES |
bavlna |
molitan |
| silonu |
+ |
- |
+ |
| teflonu |
- |
- |
- |
| novoduru |
- |
- |
- |
2. skupina experimentů
Kovovou trubku třeme tkaninou, zjistíme znaménko náboje na kovu
Tabulka 2
| Třeno látkou → Náboj na ↓ |
PES |
bavlna |
molitan |
| oceli |
+ |
0 |
- |
| mědi |
+ |
0 |
- |
| mosazi |
+ |
0 |
- |
Za povšimnutí stojí nekompromisní schopnost teflonu (obsahuje atomy fluoru) a novoduru (obsahuje atomy chloru) odebrat elektrony – viz první tabulka. V druhé sadě pokusů je nápadná schopnost polyesteru odebrat elektrony kovům. Molitan - což je pěnový polyuretan - stejným kovům elektrony odevzdává. V těchto pokusech je vždy jeden povrch přitisknut k druhému a pak dojde ke vzájemnému posunu povrchů. Vrstva molekul plynů pokrývající povrchy se tak strhne a do kontaktu se dostávají elektronové obaly molekul obou látek.
Těsný kontakt dvou povrchů a následné odtržení vede také k vytváření elektrostatických nábojů. Balící lepicí pásku přilepíme na plexisklo a odtrhneme. Elektronický elektroskop prokáže náboje na obou stranách: na plexiskle je náboj záporný a na pásce kladný. Adhezní síly naneseného lepidla se postaraly o vytlačení vzduchu a rozdíly vazeb elektronů v molekulách plexiskla a lepidla pásky se postaraly o vznik nábojů.
Rozdíly mezi látkami mohou být i nepatrné: žlutý molitan a modrý se liší jen přídavkem barviva. Modrý se třením nabije záporně, žlutý kladně. Takto lze se žáky zkoumat libovolné dvojice materiálů a kvalitativně zjistit, která látka si „své elektrony drží více a která méně“.
Na trhu jsou k mání „lepivé válečky, vodu omyvatelné“, které dobře nahradí kartáč na šaty. Silná vrstva lepivého polymeru je také schopna adhezí vytlačit vzduch z povrchu skleněné desky a odebrat ze skal elektrony. Válečkem na šaty lze kladně nabít i kov. To vedlo až ke konstrukci elektriky:
Obr.2 Elektrika s válečkem na šaty
Kovová trubka je dokonale izolována a opatřena kličkou. Kohezní síly se postarají o otáčení lepivého válečku spolu s kovovým a vznikající náboje jsou „odsávány hroty“. Leydenské láhve – zde upravené hotelové cukřenky – slouží pro ukládání náboje. Jiskry tato elektrika nedá, ale ukazuje současný vznik kladného a záporného náboje, přenos náboje koronovým výbojem a ukládání náboje v kondenzátoru.
Zájemcům o téma „elektrostatické náboje a elektriky“ doporučuji navštívit webovou stránku [3], kterou se prezentuje
Laboratório de Eletronica de Potência
Centro de Tecnologia Bloco H Sala 305
Cidade Universitária - Ilha do Fundão
Caixa Postal 68504 - CEP 21945-970
Rio de Janeiro - RJ - Brasil
Tel: +55 21 2260 5010 Ramal 239
+55 21 2562 8634
Fax:+55 21 2290 6626
Literatura
[1] Harapat, J. : Silozpyt a lučba Nakladatel – Alois Šašek – knihkupec, Velké Meziříčí, 1905
[2] Lepil, O., Šedivý, P.: Fyzika pro gymnázia Elektřina a magnetismus, Prometheus Praha, 2000.