Elektrování těles a nové materiály

Josef Hubeňák

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:

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.

1. skupina experimentů

Plastovou tyč třeme tkaninou, zjistíme znaménko náboje na plastu

2. skupina experimentů

Kovovou trubku třeme tkaninou, zjistíme znaménko náboje na kovu

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:

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.

[3] http://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.html