2 TĚLESA PŮSOBÍ NA JINÁ TĚLESA NA DÁLKU

Elektřina

Elektřina je forma energie, která se projevuje buď jako statická elektřina na určitém místě, nebo jako elektrický proud, který prochází materiálem z jednoho místa na druhé.

Statická elektrina

Statická elektřina vzniká například tehdy, když třete jednu věc o druhou.Například, pokud třeme balón o vlasy, ty se poté k balónu přitáhnou. Děje se to z toho důvodu, protože třením vzniká na obou površích opačný elektrický náboj (malé množství elektřiny), který se projeví tím, že těžší balón přitáhne lehčí vlasy, když balón držíme v ruce. Podobný jev můžeme pozorovat, když chodíme po nylonovém koberci. Během chůze se o koberec, ať už chceme nebo ne, třeme, naše tělo se postupně nabíjí elektrickým nábojem a když se poté dotkneme například kovové kliky, pocítíme „kopnutí“, které je pocitovým projevem elektrického výboje, ve kterém se nashromážděný elektrický náboj vybije uzemněním. Když se dotkneme kliky ve tmě, výboj dokonce můžeme vidět v podobě drobného „blesku“, který přeskočí mezi rukou a klikou dříve, než se jí dotkneme. To znamená, že statická elektřina se projevuje i na dálku.

Blesky

Blesky pozorované během bouřky na obloze jsou taktéž projevem statické elektřiny. Tím, že se oblaky (kondenzovaná voda v atmosféře) pohybují vzduchem pomocí proudů větru, se třou o okolní vzduch a nabíjejí se elektrickým nábojem. Pokud je získaný elektrický náboj dostatečně velký, přeskočí na Zem v podobě blesku. Dostatečně citliví lidé dokonce cítí ve vzduchu jakési jemné chvění, či lechtání, pokud je bouřka nedaleko. Elektrické výboje v podobě blesku mají obrovské rozměry, což je projevem obrovského množství nashromážděné elektrické energie a taktéž projevem toho, na jak obrovskou vzdálenost působí elektrický náboj.

Elektřina

Elektřina je způsobená elektrony. Elektrony jsou částice atomu, které „krouží“ po okrajích atomů, ze kterých jsou tvořeny všechny materiály. Každý elektron je nositelem negativního náboje. Samotné atomy mají obvykle vyrovnaný počet kladných nábojů (v jádře atomu) a záporných nábojů (v obale atomu), projevují se elektricky neutrálně, nemají žádný elektrický náboj. Látky, například guma, ze které je vyroben balón, se skládají z molekul a ty z jednotlivých atomů. Jelikož atomy nemají elektrický náboj, ani molekuly, které jsou tvořeny atomy jej nemají, takže ani samotná látka, v našem případě guma, ze které je vyroben balón, nemá elektrický náboj.

Když ale začneme třít balón o jinou látku tam a zpět, začne se elektrický náboj vytvářet. Tlačením a taháním rukou způsobíme, že některé elektrony se z povrchu balónu uvolní a přichytí se na povrchu látky, o kterou balón třeme, například na naše vlasy. Tím se stane to, že samotnému balónu budou elektrony chybět a stane se pozitivně nabitým (získá malý pozitivní elektrický náboj). Naopak, naše vlasy obsahují více elektronů než obvykle, a tím získají malý záporný elektrický náboj. Jelikož pozitivní a negativní elektrické náboje (podobně jako opačné magnetické póly) se přitahují, balón přitáhne vlasy k  sobě. Tato přitažlivá síla působí na určitou vzdálenost.

K vytvoření elektrických nábojů nestačí jen třít o sebe dva předměty, důležitější je, že třeme o sebe dva předměty vyrobené ze dvou různých materiálů.Třením dvou materiálů o sebe vzniká elektrický náboj v důsledku jevu, který nazýváme triboelektřina(nebo také triboelektrický efekt).

Jak už bylo vzpomínáno, veškeré látky jsou složeny z  neutrálních atomů. Různé látky jsou složeny z  různých molekul, které jsou tvořeny různými, ale vždy neutrálními atomy. V molekulách různých látek jsou elektrony jednotlivých atomů přitahovány různě velkou silou, což závisí na tom, jaké chemické vazby se v jednotlivých molekulách mezi atomy nacházejí. Při tření dvou látek o sebe se proto může stát, že elektrony, které jsou slaběji vázány v jedné látce se uvolní a přejdou do povrchu druhé látky, ve které jsou elektrony přitahovány silněji. Výsledkem je, že jeden materiál se nabíjí kladně (ten, který elektrony ztrácí) a druhý záporně (ten, který elektrony přijímá). Tím se materiály zelektrizují a vzniká statická elektřina. Delším třením materiálů o sebe zvyšujeme počet atomů zapojených do tohoto přesunu elektronů, zvětšujeme elektrické náboje obou třených látek, a tím se zvětšuje i vytvořená statická elektřina.

Obrázek 11: Triboelektrická řada

Z uvedeného vyplývá, že při vzájemném tření dvou látek je pro některé látky typické získávání pozitivního náboje a  pro jiné je typické získávání negativního náboje. Na tom, jakou látku třeme, závisí i to, kolik elektrického náboje získáme – některé látky se při stejném tření zelektrizují více a jiné méně. Na základě tohoto poznatku je možné uspořádat látky do pořadí podle toho, jakým nábojem se při tření nabíjí. Takovému uspořádání látek říkáme triboelektrická řada(viz obrázek 11).

Při zkoumání není potřeba o  uvedeném pořadí přemýšlet moc striktně, neboť samotné látky, které jsou uvedeny v řadě za sebou, mohou obsahovat různé příměsi, které způsobí mírně odlišné chování těchto látek při vzájemném tření. Například papír a bavlna se považují za látky s více méně nulovou reakcí na získávání elektrického náboje. To však neznamená, že se nedají zelektrizovat, hlavně pokud obsahují různé příměsi nebo povrchové úpravy.

Důležité je upozornit na to, že toto aktuálně přijímané vysvětlení vzniku statické elektřiny bylo narušené sérií výzkumů z roku 2011, při kterých vědci zjistili, že při vzniku statické elektřiny nejde jen o jednoduchou výměnu elektronů z jedné látky na druhou, ale o chemickou reakci, která probíhá při dotyku dvou povrchů. Východiskem k jejich zkoumání a  opětovnému vracení se k  teorii o  vzniku statické elektřiny byla skutečnost, že statická elektřina může vznikat i při kontaktu dvou stejných látek a dokonce stačí, když se určitou dobu dotýkají (leží na sobě), nemusí se třít. Nové vysvětlení však ještě nebylo specifikováno do kompaktní teorie, která by nahradila aktuálně akceptovanou, kterou jsme uvedli. Z uvedeného vyplývá důležitá vlastnost vědeckých teorií – nejsou konečné, podléhají neustálému prověřování a s rozvojem prostředků vědy se neustále zdokonalují.

Využití statické elektřiny

I navzdory tomu, že statická elektřina se nám v porovnání s elektrickým proudem zdá poměrně nevyužitelná, člověk ji využívá v různých zařízeních. Na principu statické elektřiny pracují například laserové tiskárny a kopírky. Pomocí statické elektřiny jsou přenášeny částečky toneru z válce na papír. Rozprašovače herbicidů pracují na principu statické elektřiny, aby zabezpečili, že herbicidy se dostanou na celý povrch listů rostlin, které je potřeba zlikvidovat. Taktéž automatičtí barvící a lakovací roboti v závodech na výrobu aut využívají statickou elektřinu na to, aby se kapičky barvy a laku dostaly jen na karoserii aut a ne na ostatní zařízení okolo. Statická elektřina se často využívá v  různých filtrech vzduchu na odstraňování drobných nečistot ze vzduchu.

Na druhé straně, statická elektřina může způsobovat i vážné problémy, například při práci s drobnými elektronickými komponenty. Poznání principu vzniku a zániku statické elektřiny pomáhá inženýrům navrhnout antistatické řešení na místech, kde je přítomnost statické elektřiny nežádoucí.

Elektrický proud

Kromě statické elektřiny známe i elektřinu v podobě elektrického proudu. Když se elektrony v látce pohybují z jednoho místa na druhé, říkáme, že teče elektrický proud.Elektrony jsou v tomto případě nositeli elektrické energie.

Pro pochopení rozdílu mezi statickou elektřinou a  elektrickým proudem je dobré znát rozdíl mezi potenciální a kinetickou energií. Zjednodušeně, potenciální energie představuje energii, která je nějakým způsobem uskladněna pro její pozdější použití. Například, auto stojící na kopci má potenciální energii, protože má potenciál (možnost) svézt se dolů z kopce. Pohybem směrem z kopce dolů se jeho potenciální energie mění na kinetickou (energii, kterou má objekt, protože se pohybuje).

Statickou elektřinu a  elektrický proud je možné přirovnat k  potenciální a  kinetické energii. Když vzniká statická elektřina, má potenciál projevit se v budoucnosti. Elektřina uskladněná v baterii představuje potenciální energii. Energii uloženou v baterii můžeme využít například na rozsvícení žárovky. Když zapneme přenosné svítidlo (baterku), baterie uvnitř poskytne elektrickou energii žárovce a ta ji přemění na světelnou energii (to znamená, že energie z  baterie se spotřebovává – mění se na světlo). Zatímco je svítidlo (baterka) zapnuté, baterie poskytuje žárovce energii, a to až do momentu, kdy se elektrická energie uložená v baterii nevyčerpá.

Elektrický obvod

Aby mohl vzniknout elektrický proud, musíme vytvořit elektrický obvod. Elektrický obvod musí být uzavřený, přičemž v elektrických spotřebičích jde o propojení zdroje energie (baterie) se spotřebičem (například žárovkou v přenosném svítidle – baterce) pomocí vodivých kabelů. Elektrický proud teče jen tehdy, když je obvod uzavřený – kabel (vodič) spojuje baterii se žárovkou a  nazpět žárovku s  baterií. Uzavření elektrického obvodu je potřebné zabezpečit i v rámci spotřebičů, například žárovky. Na obrázku žárovky je vidět, jak jeden vodič do žárovky vstupuje (č. 8) a druhý z ní vystupuje (č. 11). Když žárovku připojíme pomocí vodičů ke zdroji energie (baterii) jen propojením kovového závitu (č. 9), do kterého ústí jen jedna část obvodu (č. 8) v rámci žárovky, tak elektrický obvod nebude uzavřený, protože druhý konec obvodu v rámci žárovky (č. 11) zůstane otevřený a žárovka se nerozsvítí.

Obrázek 12:Elektrický obvod

Z praktického hlediska se v rámci elektrických zařízení do elektrických obvodů přidává i tzv. spínač (vypínač). Je to zařízení, pomocí kterého přerušíme elektrický obvod. Při přerušení elektrického obvodu přestane téct elektrický proud a žárovka nesvítí.

Vodiče a izolanty

Materiály, které vedou elektrický proud se nazývají vodiče. Ty, které elektrický proud nevedou se nazývají elektrické izolanty. Nejlepšími vodiči elektrického proudu jsou kovy (zlato, stříbro, měď, hliník, nikl, železo a pod.). Veškeré kovy vedou elektrický proud. Elektrický proud vede i grafit (tuha do tužky), lidské tělo, slaná voda (ale i jiné vodné roztoky) a pod. Mezi elektrické izolanty (nevodiče) patří například guma, různé plasty, dřevo, papír, vosk, sklo, porcelán a jiné. Jelikož elektrický proud je proud elektronů, tento jev můžeme pozorovat jen v materiálech, jejichž struktura umožňuje volný pohyb elektronů. Proto jsou kovy nejlepšími vodiči elektrického proudu. Těmto materiálům říkáme, že mají vysokou vodivost. Látky se tedy rozdělují i podle toho, jak jsou elektricky vodivé.

Elektromagnet

Elektrické a magnetické jevy spolu souvisí. Například se s nimi setkáváme při využití tzv. elektromagnetů. Elektromagnet je ocel, jejíž magnetickou vlastnost můžeme zapnout nebo vypnout pomocí elektrického proudu.Využívají se například na vrakovištích. Pokud chceme vrak auta zvednout, přiblížíme elektromagnet, zapneme elektrický proud a elektromagnet vrak auta přitáhne. Přeneseme ho na žádané místo a když elektrický proud vypneme, ztratí se i magnetická vlastnost a elektromagnet se od vraku oddělí. Elektromagnety fungují na skutečnosti, že v okolí elektrických vodičů se při zapnutí nebo vypnutí elektrického proudu vytváří magnetické pole. Je to možné pozorovat například tak, že do blízkosti jakéhokoliv elektrického kabelu umístíme kompas a při zapnutí nebo vypnutí elektrického proudu v kabelu se ručička kompasu vychýlí. Magnetické pole vzniká v důsledku změny elektrického proudu.Na tomto principu pracují i  elektrické motory. Elektrický motor je zařízení, které mění elektrickou energii na mechanickou energii.Elektrická energie roztáčí motor a ten hýbe celým mechanizmem, na který je motor napojen.

Elektrický motor

Elektrický motor je tvořen válcem, ve kterém se nacházejí na jeho okraji magnety. Ve středu válce se nachází ocelové jádro, které je mnohonásobně omotané elektrickým kabelem (například měděným drátem). Když do kabelu pustíme elektřinu, ocelové jádro se zmagnetizuje v důsledku přítomnosti magnetického pole, které vzniklo při protékání elektrického proudu kabelem. Magnety, které se nacházejí na okraji válce způsobují střídavé přitahování a odpuzování elektromagnetu (ocelového jádra) ve středu, čímž roztáčejí ocelové jádro motoru a také další součásti zařízení, které jsou na motor připojeny.

Dynamo

Když umíme pomocí elektřiny vytvořit magnet, tak také umíme pomocí magnetizmu vytvořit elektřinu. Dynamo je zařízení podobné elektrickému motoru. Když točíme pedály na jízdním kole, dynamo, které je připnuté na osu kola se také otáčí. Uvnitř dynama se nachází ocelové jádro, které je, podobně jako v elektromagnetu, mnohonásobně obtočené elektrickým kabelem. Ocelové jádro se pohybuje mezi magnety, čímž vzniká elektrický proud a  pomocí něj si umíme například rozsvítit světlo na jízdním kole. Na podobném principu funguje i  výroba elektrické energie v  elektrárnách, rozdíl je jen v  tom, jakou energii používáme na roztáčení ocelového jádra v dynamu. Může to být například vítr nebo voda, co roztáčí jádro elektrického generátoru (dynama), ale taktéž vodní pára. V principu tak téměř všechny elektrárny vyrábějí elektrickou energii stejným způsobem. Výjimkou jsou solární elektrárny. Když světlo dopadne na solární článek, materiál, z kterého je vyroben (silikon) zachytí energii světla a přemění ji přímo na elektrickou energii. Jelikož úniky energie jsou v  takovýchto zařízeních minimální, solární články se považují v  porovnání s elektrickými generátory za vysoko efektivní.