Téma: Elektrostatický náboj

S elektrostatickým nábojem se setkáváme mj. tam, kde se o sebe třou dva materiály, ať už jsou to kapaliny, plyny, aerosoly, nebo kde se přetrhne nějaké vlákno. Díky němu vzniká statická elektřina, kterou pozorovali lidé u jantaru (řecky elektron) již ve starověku.

Vznik chemické vazby

Připomeňme, že látky kolem nás se skládají z atomů zpravidla spojených do větších útvarů – molekul. Jádro každého atomu se skládá z protonů p⁺ nesoucích kladný náboj a neutrálních neutronů n – kromě toho nejchudšího, vodíku H, který ani neutron v jádře nemá. (Protony se proto v jádře elektricky odpuzují a neutrony to elektricky nezajímá, ale jádro drží přesto pohromadě díky tzv. silné jaderné interakci p-p, p-n a n-n.) Atom jako celek je neutrální, protože kolem jádra obíhají po drahách – orbitech, tvořících dohromady jednotlivé slupky, elektrony e^- nesoucí každý záporný náboj stejně velký, jako je kladný náboj protonu. Kvantová fyzika však také popisuje, že orbity mají svá „magická“ čísla udávající „oblíbený počet“ elektronů (odborněji řešeno, jsou to stavy nejvýhodnější z energetického hlediska). Pro některé atomy (třeba vodíku H) je docela výhodné se „přebytečného“ elektronu z nejvnějšnější oblasti (valenční) zbavit, nejlépe předat ho takovému atomu (třeba chlor Cl), kterému naopak do „magického počtu“ elektrony chybějí. Takto vzniklé útvary nazýváme ionty (kladný aniont H⁺, záporný kationt Cl^-) a ty už nejsou elektricky neutrální, a proto, mají-li opačné náboje, se přitahují – a tzv. polární neboli iontová vazba je na světě. Vzniklá sloučenina HCl je jako celek neutrální, ale je polární – na straně H převládá kladný náboj, na straně Cl záporný. Jindy, třeba jde-li o dva stejné atomy Cl, je pro ně i tak z hlediska energie nejvýhodnější dohodnout se, a každý půjčuje jeden elektron i druhému atomu; taková dvojice elektronů dvou sousedních atomů (sluhové dvou pánů) pak tvoří to, čemu se říká nepolární chemická vazba. Jako celek molekula zůstává neutrální, a ani navenek na žádné straně náboje nepřebývají. A všichni jsou spokojeni. Uvnitř molekuly mezi atomy je tolik elektrické lásky, že tak trošku přebývá i na sousedy (tzv. Van der Waalsovy síly mezi molekulami). Anebo je té elektrické lásky tolik, že se půjčují elektrony i na další směry, a vznikají krystalová zrna, třeba kovů, tvořící jakoby obrovské molekuly.

Není ovšem divu, že když vnějšími silami krystal rozlomíme, na obou stranách lomu můžou zbývat nevyrovnané elektrony, takže se pak kousky navenek náhle jeví jako nabité. Když si elektrony vzpomenou na dobré vychování a přeskočí zpátky domů, nastává tím elektrický výboj, navrácená energie se může přeměnit na světlo a mluvíme o triboluminiscenci. A nemusí jít právě o zlomeninu: stačí o sebe dva kousky vhodných látek třít, a makroskopická síla soustředěná na mikroskopické plošky styku udělá své: jedna strana se nabíjí elektrony záporně, druhé straně ty elektrony chybějí, protony ale zůstávají a látka se nabíjí kladně. (Znáte to při česání suchých vlasů nebo svlékání svetru z umělých vláken – někdy jsou ty jiskřičky „způsobných“ elektronů vidět.) Chce to ovšem co nejhůř vodivé okolí, aby odtržené valenční elektrony měly znesnadněný návrat jednoduchým přesunem v elektricky vodivém prostředí – elektrickým proudem.

Vznik elektrostatického náboje

Jak je zřejmé, tak náboj vlastně nevzniká – jen se přerozdělí. Ale makroskopicky se nám to jeví, jako že na straně, kam uprchly elektrony, vznikl záporný náboj a na druhé straně vznikl náboj kladný. Protože tento přesun není způsoben obvyklejší cestou přesunu náboje, totiž elektrickým proudem ve vodiči, mluvíme o elektrostatickém náboji. Velikost a polarita nábojů závisí na všem možném: tlaku, rychlosti dotyku a oddělování nebo tření, relativní vlhkosti, typu ploch i druhu materiálu. Při zvyšování tlaku nebo rychlosti dotyku a oddělování nebo tření dvou materiálů se množství přeneseného náboje zvyšuje a tím je pak i vzniklé napětí mezi oběma stranami vyšší.

Triboelektřina

Pro velikost a polaritu náboje vytvořeného při dotyku a tření dvou materiálů byly empiricky sestaveny tzv. triboelektrické řady materiálů. Platí, že každá látka uvedená v řadě, je-li třena látkou, která je v řadě umístěna za ní, se nabíjí kladně. Čím větší je vzdálenost materiálů v řadě, tím snadněji se přenáší náboj. Nejkladnější je vzduch, pak lidská kůže, zvířecí srst, sklo, slída, vlna, olovo, hedvábí, hliník, papír, bavlna, ocel, dřevo, pečetní vosk, ebonit, měď, mosaz, stříbro, síra, zlato, platina, acetát (umělé hedvábí), polystyren, polyester, polyuretan, polyetylen, polypropylen, PVC (vinyl), silikon, až teflon který se nabíjí záporně.

Příklad triboelektrické řady: + (kladný náboj), vzduch, lidská kůže, zvířecí srst, sklo, slída, vlna, olovo, hedvábí, hliník, papír, bavlna, ocel, dřevo, pečetní vosk, ebonit, měď, mosaz, stříbro, síra, zlato, platina, acetát (umělé hedvábí), polystyren, polyester, polyuretan, polyetylen, polypropylen, PVC (vinyl), silikon, teflon, – (záporný náboj).

Elektrostatický výboj

Nemohou-li se elektrony „přeplížit“ někde stranou vodivým prostředím z místa, kde je jich přílišmnoho, tam, kde chybějí (tj. vznikne-li mezi těmito místy příliš vysoké napětí), přeskočí prostě elektrony nejkratší cestou nevodivým prostředím – vzduchem, vakuem, sklem, čímkoli, co mají v cestě a co jim neumožní „mírumilovnou“ cestu, jakou by měly vodičem. V přírodě je příkladem elektrostatického výboje blesk; že to není až tak jednoduché, si uvědomíme třeba z toho, že blesk je obvykle klikatý a nejde přímou, nejkratší dráhou. (Ale to by bylo téma pro samostatný článek.) Elektrostatický výboj může způsobit problém v technice u elektronických součástek, a to hlavně v integrovaných obvodech s vysokým vnitřním odporem (třeba MOSFET), kde takový výboj dokáže snadno obvod zničit. Nezapomeňte, že prohrábnout si suché vlasy suchou rukou (neřkuli hřebenem) nebo šoupnout botou o koberec vás může nabít i na několik tisíc voltů. Třebaže náboj sám je malý; bohužel ale MOSFET zničí okamžitě a spolehlivě. S elektrostatickým výbojem se můžeme setkat všude, kde se třou o sebe nevodivé součásti (např. u pásových dopravníků).

Závady způsobené statickou elektřinou v elektrotechnice

Vady vzniklé elektrostatickým výbojem závisí na velikosti náboje a na oblasti nebo cestě na výrobku, kterým náboj prochází. Velikost náboje můžeme spočítat z rovnice

I = q / t

kde I je vybíjecí proud, q velikost elektrostatického náboje a t je vybíjecí doba.

Skutečný výboj může trvat 1 nanosekundu, takže proud může být dosti velký i při poměrně malém náboji. Ještě nebezpečnější je ovšem průraz v součástce s velmi vysokým odporem a velmi malou kapacitou C (dioda, tranzistor, integrovaný obvod MOSFET), na níž vyvolá i poměrně malý náboj q tak vysoké napětí (U = q / C), že překročí závěrné napětí součástky a dojde k průrazu, který zničí obvod. Výboj pracoval jen jako spoušť. Záludné jsou latentní vady způsobené lokálním elektrostatickým výbojem. Poškození vlivem statické elektřiny nemusí způsobit bezprostřední nebo katastrofální zničení součástky, ale může „jen trošku“ poškodit součástku tak, že způsobí skrytou vadu, a ta se může projevit později. Latentní vady vlivem elektrostatického výboje mohou vzniknout dokonce i tam, kde není žádný kontakt osob s citlivými součástkami během výroby, zkoušek nebo použití. Existuje i kumulativní degradace, kterou vyvolávají dlouhodobé nízké expozice elektrostatickému náboji např. vlivem kontaktu osob. Zatím nevíme, jak zjistit možné latentní vady; pravděpodobně ani nejsou běžnými metodami analýz vad identifikovatelné.

Jak zrušit elektrostatický náboj v prostředí výrobních a průmyslových objektů

Statická elektřina se vyskytuje všude tam, kde se věci o sebe třou, oddělují se, řežou, přesýpají, rolují. Elektrický výboj může také ohrozit zdraví lidí či způsobit výbuch hořlavých par či plynů. Na obranu proti jeho vzniku se do linek pro výrobu textilií, papíru či plastových folií zařazují zvlhčovače, ionizátory a vybíjecí tyče. Využívají se přitom uzemnění s elektrostatickým svodem. Kinofilmy a fotografické filmy jsou pokryty antistatickou (elektricky vodivou) vrstvou. Lakovací pistole a boxy se uzemňují a na operačních sálech a v zubních ordinacích se pokládá antistatická (vodivá) podlaha. Avivážní prostředky pro textilie mají antistatické, zvlhčující přísady.

Pro ochranu elektronických přístrojů před elektrostatickým výbojem existují různá antistatická opatření, která mají zajistit bezpečné uzemnění a odvedení elektrostatického náboje. Pracovníci u výrobních linek na elektronická zařízení musejí mít po celou dobu práce uzemňovací antistatické náramky, protože pro většinu elektronických zařízení je největším nebezpečím elektrostatický náboj vzniklý na osobách při chůzi třením o podlahu nebo třením částí oděvu.

Statická elektřina v běžném životě

Elektrostatický výboj je v podstatě všudypřítomný a může nastat nejen v průmyslové oblasti, ale i v domácnosti. K elektrostatickým výbojům dochází zejména při současné kumulaci podmínek:

• Pracovníci obsluhující elektronické přístroje mají nevhodné oblečení či obutí z hlediska vzniku vysokého elektrostatického napětí – značným zdrojem statické elektřiny může být pohyb člověka ve vlněném svetru nebo v oděvu ze syntetických tkanin.

• Povrchy stolů, židlí i podlahová krytina jsou z plastů s vysokým izolačním odporem (PVC, syntetické tkaniny koberců, umakart, různé nátěry a laky).

• Nízká relativní vlhkost vzduchu v místnosti, zejména v zimě.

• Přírodní materiály oděvů (např. bavlna, len) nebezpečí elektrostatického výboje snižují. Při 25 % až 30 % relativní vlhkosti vzduchu se však bavlna nabíjí víc než plastické hmoty! Její elektrostatický náboj dosahuje maxima při 35 % a snižuje se teprve při vyšší vlhkosti. Naproti tomu nylon si udržuje náboj i při relativní vlhkosti 60 %, při které se už bavlna vůbec nenabíjí.

Při dlouhodobém působení na živý organizmus nastávají v reaktivitě orgánových systémů člověka některé nepříznivé funkční změny. Pokud ve zhoršeném pracovním prostředí na některých pracovištích pobývá člověk několik hodin denně, může se vliv statické elektřiny projevit zvýšenou únavou a nesoustředěností pracovníků, ale i jejich zvýšenou nemocností.

Nebezpečí a pomocník

Výboj o napětí 10 kV dokáže zapálit většinu výbušných směsí průmyslových látek a vzduchu!

Na druhou stranu umíme statickou elektřinu i využít – např. při nanášení barev v elektrostatickém poli, u některých balicích technologií pro dočasné vzájemné spojení materiálů, v počítačových inkoustových tiskárnách, kopírkách či faxech.

Kdo si chce s elektrostatikou pohrát, ať se podívá sem: www.fyzikahrou.cz/fyzika/jednoduche-pokusy/elektrostatika-s-plechovkami-i-jinak je tam mnoho zábavných pokusů!

Vlastnosti elektrického náboje

Existují dva druhy elektrického náboje – kladný a záporný. Kladně se nabíjí např. skleněná tyč třená kůží nebo vinidurová tyč třená flanelem. Souhlasné náboje se odpuzují, opačné se přitahují. Nabité těleso vyvolá (indukuje) na bližší části nenabitého tělesa opačný náboj a proto ho rovněž přitahuje. Těleso lze nabít třením nebo dotykem (přenesením náboje). Elektrický náboj se značí Q, jednotkou je coulomb, C.

Elektrostatické napětí při různých průmyslových pochodech – tabulka uvádí napětí statické elektřiny ve voltech generované při různých průmyslových pochodech