Co je statická elektřina a jaké jsou hlavní způsoby ochrany proti ní?

Statická elektřina je souhrn elektrických nábojů na povrchu materiálu, obvykle izolantu. Tato elektřina se proto nazývá statická, protože zde neteče proud jako obvykle – střídavý nebo stejnosměrný proud. Pochopení statické elektřiny vyžaduje pochopení základů atomů a magnetismu. Všechny fyzické objekty jsou vyrobeny z atomů. Uvnitř atomu jsou protony, elektrony a neutrony. Protony jsou nabité kladně, elektrony a neutrální neutrony záporně. Typicky se na statické elektřině podílejí dva materiály, jeden má na svém povrchu přebytek elektronů nebo záporných (-) nábojů a druhý materiál má přebytek kladných (+) elektrických nábojů. Atomy na povrchu materiálu, které ztratily jeden nebo více elektronů, budou mít kladný (+) elektrický náboj a získaly záporný (-). Statická elektřina je nerovnováha elektrických nábojů v materiálu nebo na jeho povrchu. Náboj je zadržen, dokud jej nelze odstranit elektrickým proudem nebo elektrickým výbojem. Statická elektřina je tak pojmenována na rozdíl od elektrického proudu, který protéká dráty nebo jinými vodiči a přenáší energii.[1] Statický elektrický náboj může vzniknout vždy, když se dva povrchy dotknou a oddělí a alespoň jeden z povrchů má vysoký odpor vůči elektrickému proudu (a je tedy elektrickým izolantem). Účinky statické elektřiny jsou většině lidí známé, protože lidé mohou cítit, slyšet a dokonce vidět jiskru, protože přebytečný náboj je neutralizován, když se přiblíží k velkému elektrickému vodiči (jako je cesta k zemi) nebo k oblasti s nadměrným nábojem. opačnou polaritu (kladnou nebo zápornou). Známý jev statického výboje, elektrostatický výboj, je způsoben neutralizací náboje.

Příčiny statické elektřiny

Materiály se skládají z atomů, které jsou obvykle elektricky neutrální, protože obsahují stejný počet kladných nábojů (protony ve svých jádrech) a záporných nábojů (elektrony ve „slupkách“ obklopujících jádro). Fenomén statické elektřiny vyžaduje oddělení kladných a záporných nábojů. Když jsou dva materiály v kontaktu, elektrony se mohou pohybovat z jednoho materiálu na druhý a zanechávat přebytečný kladný náboj na jednom materiálu a stejný záporný náboj na druhém. Když jsou materiály separovány, udržují tuto nerovnováhu náboje. Elektrony mohou být vyměněny mezi materiály při kontaktu; materiály se slabě vázanými elektrony je mají tendenci ztrácet, zatímco materiály s řídce vyplněnými vnějšími obaly je mají tendenci získávat. Toto je známé jako triboelektrický efekt a způsobuje, že se jeden materiál nabije kladně a druhý záporně.

Triboelektrický jev – vzhled elektrických nábojů v materiálu v důsledku tření

Polarita a síla náboje na materiálu po jejich oddělení závisí na jejich vzájemné poloze v triboelektrické řadě. Triboelektrický jev je hlavní příčinou vzniku statické elektřiny pozorované v každodenním životě a při běžných vědeckých demonstracích spojených s třením různých materiálů o sebe (například hřeben o vlasy). Oddělení nábojů způsobených kontaktem způsobí, že vaše vlasy stojí na konci a způsobuje „statické ulpívání“ (například balónek otřený o vaše vlasy se záporně nabije; když je u stěny, nabitý balónek je přitahován kladně nabitými částicemi na zeď a může se k ní „přilepit“, což působí jako zavěšení proti gravitaci). Nabitý předmět přiblížený k elektricky neutrálnímu předmětu způsobí oddělení náboje v neutrálním předmětu. Náboje stejné polarity se odpuzují a náboje opačné polarity se přitahují. Protože síla způsobená interakcí elektrických nábojů se s rostoucí vzdáleností rychle klesá, účinek bližších (opačné polarity) nábojů je silnější a oba objekty cítí přitažlivou sílu. Efekt je nejvýraznější, když je neutrálním objektem elektrický vodič, protože náboje se mohou pohybovat volněji. Pečlivě uzemněné části objektu s nábojem indukovaným oddělením náboje mohou neustále přidávat nebo odebírat elektrony, takže objekt má globální konstantní náboj. Statická elektřina se obvykle vytváří, když se o sebe určité materiály třou – jako vlna na plastu nebo podrážky bot na koberci. K tomuto jevu dochází také při přitlačování materiálů k sobě. Materiál, který ztrácí elektrony, získává přebytek kladných (+) nábojů. Materiál, který přijímá elektrony, získává na svém povrchu přebytek záporných (-) nábojů. Statická elektřina se tvoří mnohem lépe, když je vzduch suchý nebo nízká vlhkost. Když je vzduch vlhký, molekuly vody se mohou shromažďovat na površích různých materiálů. To může zabránit hromadění elektrického náboje. To souvisí s tvarem molekuly vody a jejími vlastními elektrickými silami. Ale když mezi kapkami vody dojde k extrémní turbulenci, jako například v bouřkovém mraku, mohou se na kapičkách vody hromadit statické elektrické náboje. Benjamin Franklin, který studoval první elektřinu s pomocí létajících draků v bouři, ukázal, že statická elektřina vzniká i v mraku při bouřce.

Antistatické zařízení

Odstranění nebo zabránění hromadění statické elektřiny může být stejně jednoduché jako otevření okna nebo použití zvlhčovače ke zvýšení obsahu vlhkosti ve vzduchu, čímž se atmosféra stane vodivější. Ionizátory vzduchu mohou plnit stejný úkol. Předměty zvláště citlivé na statický výboj lze ošetřit antistatickým prostředkem, který na povrchu vytvoří vodivou vrstvu, která zajistí rovnoměrné rozložení přebytečného náboje. Změkčovadla tkanin a prostěradla pro sušičky používané v pračkách a sušičkách prádla jsou příkladem antistatického prostředku používaného k prevenci a odstranění statického ulpívání. Mnoho polovodičových zařízení používaných v elektronice je zvláště citlivých na statický výboj. K ochraně takových součástí se obvykle používají vodivé antistatické sáčky. Lidé pracující na obvodech obsahujících tato zařízení se často uzemňují pomocí vodivé antistatické pásky. V průmyslových zařízeních, jako jsou mlýny na barvy nebo mouku, stejně jako v nemocnicích, se někdy používají antistatické bezpečnostní boty, aby se zabránilo hromadění statického náboje v důsledku kontaktu s podlahou. Tato obuv má vysoce vodivou podrážku. Antistatickou obuv nezaměňujte s izolační obuví, která poskytuje opačnou výhodu – určitou ochranu proti vážnému úrazu elektrickým proudem ze síťového napětí.

Vlastnosti statické elektřiny

Statická elektřina může materiály od sebe přitahovat nebo odpuzovat. Může také způsobit jiskru při přechodu z jednoho materiálu na druhý. Běžným příkladem statické elektřiny je malý elektrický proud, který lze cítit, když se za suchého počasí dotknete kliky dveří. Statická elektřina vzniká, když se nahromadí a uvolní další elektrony (záporně nabité částice). Tento typ elektřiny se nepohybuje dráty, ale spíše se hromadí na povrchu a přenáší náboje z jednoho prvku na druhý. Populární demonstrace tohoto obvykle zahrnují tření balónu na tkaninu, jako jsou manšestrové kalhoty, a poté umístění balónu ke zdi, kde může balónek přilnout.