J. ubeňák: Elektrováí těles a ové materiály Elektrováí těles a ové materiály JSEF UBEŇÁK Uiverzita radec Králové Klasické pomůcky pro získáí elektrických ábojů mají své kouzlo, ale získat liščí oho a eboitovou tyč je takřka emožé. Moderí plasty jsou pro elektrostatiku ideálí a umoží i kostrukci staroové "třecí elektriky". Klasické materiály pro elektrostatiku istoricky doložeým materiálem je zřejmě jatar zkameělá pryskyřice. Její řecký ázev elektro byl základem pro pojmeováí celé třídy fyzikálích jevů a techických aplikací. Učitel fyziky ovšem s jatarem eexperimetuje. Z textů starých učebic a ze sbírek fyzikálích kabietů záme spíše sklo, amalgamovaou kůži, eboit, liščí oho, kuličky z bezové dřei atd. Před sto lety vyšla metodická příručka Silozpyt a lučba [1] a elektrostatika zde začíá takto: XII. Z auky o elektřiě. 1. Elektřia statická (Pro 6. a 7. rok školy málotřídí) Názoriy. Jeda ebo dvě oblé tyče pečetího vosku, skleěá tyč, kus vlěé látky, kuličky z bezové dřei, papírový kotouček zavěšeý a hedvábém vlákě. 1.Výklady. A) Elektřia a výjevy elektrické vůbec. 1.hodia. a) Pokus. Učitel přiblíží atřeou tyč pečetího vosku k bezové kuličce; přiskočila a zase odskočila. Totéž s tyčí eatíraou. Prví tyč třeím abyla schoposti přitáhouti a zase odraziti bezovou kuličku. Schopost ou azveme silou. b) Týž pokus s tyčí skleěou. bě tyče, vosková i skleěá abyly třeím síly přitahovati a zase odpuzovati bezovou kuličku. c) Místo bezových kuliček vla, peří, papírové odstřižky. Tyč vosková a skleěá abyly třeím síly přitahovati a odpuzovati jiá tělesa. d) Tato síla jmeuje se elektrická, krátce elektřia. Každé těleso může se státi elektrickým, byť to ebylo způsobeo třeím: půda, voda, živé bytosti, erosty. V současé učebici Fyzika pro gymázia, elektřia a magetismus [2] ajdeme úvodí text k elektrostatice: 1.1 Elektrický áboj a jeho vlastosti Skleěá ebo ovodurová tyč třeá vlěou látkou přitahuje drobá tělíska - kousky papíru, vláka, prachové částice. Podobě se při česáí přitahují suché vlasy k hřebeu a části oděvu ze sytetického materiálu při svlékáí ulpívají a těle. 39
Veletrh ápadů učitelů fyziky 12 Je patré, že učitel má des větší výběr materiálů, které lze elektrovat a také experimety mohou být poutavější. (odia fyziky zpestřeá svlékáím se určitě zapíše do ději školy a fyzik asi odchází a jié působiště.) Pro experimety je vhodé říci o použitých materiálech poěkud více, ež techický ázev plastu. Zmíěý ovodur je polymer viylchloridu: l l Vyrábí se z chloru a etheu 2 4, který je produktem při zpracováí ropy. Velmi podobou strukturu má teflo: l l l l hemici jej zají jako polytetrafluorethyle a v elektrotechice je vyikajícím izolatem. Sado dostupý materiál je silo, což je polyamid, blízký příbuzý ovčí vly. Polyamidů je ovšem daleko více a používají se pod růzými obchodími ázvy. Silo má poměrě jedoduchý vzorec: [ - N - ( 2 ) 5 - ] Místo vlěé látky lze dobře použít pro elektrováí látku z plastu, kokrétě z polyesterového vláka. Estery vzikají sloučeím orgaické kyseliy a alkoholu; ze skupiy u kyseliy se odebere a z alkoholu vodík. Vzike molekula vody a ester, který se prozradí vůí - apříklad mraveča ethylatý má vůi rumu. Pro elektrostatiku je zajímavější polyethyletereftalát zámý pod zkratkou PETP z aglického poly(ethylee terephtalate). Na textilích výrobcích můžeme ajít zkratku PES, která ozačuje příslušost tohoto polymeru k polyesterům, plastové láhve z téhož materiálu mají zkratku PET. Teto polymer je slože z molekul ve tvaru 2 2 40
J. ubeňák: Elektrováí těles a ové materiály Tkaiy z tohoto materiálu evlhou a rozdíl od bavly, hedvábí ebo ovčí vly. Pro experimety si připravíme kouzelé hůlky plastové tyčky zasazeé do kovové trubky. K prokazováí áboje lze s výhodou použít elektroický elektroskop, který a kladý áboj reaguje červeě svítící LEDkou a áboj záporý idikuje zeleé světlo. br.1 Vlevo zelektrovaý silo, vpravo teflo 1. skupia experimetů Plastovou tyč třeme tkaiou, zjistíme zaméko áboje a plastu Tabulka 1 Třeo látkou PES bavla molita Náboj a silou + _ + teflou _ ovoduru _ 2. skupia experimetů Kovovou trubku třeme tkaiou, zjistíme zaméko áboje a kovu Tabulka 2 Třeo látkou PES bavla molita Náboj a oceli + 0 _ mědi + 0 _ mosazi + 0 _ 41
Veletrh ápadů učitelů fyziky 12 Za povšimutí stojí ekompromisí schopost teflou (obsahuje atomy fluoru) a ovoduru (obsahuje atomy chloru) odebrat elektroy viz prví tabulka. V druhé sadě pokusů je ápadá schopost polyesteru odebrat elektroy kovům. Molita - což je pěový polyureta - stejým kovům elektroy odevzdává. V těchto pokusech je vždy jede povrch přitiskut k druhému a pak dojde ke vzájemému posuu povrchů. Vrstva molekul plyů pokrývající povrchy se tak strhe a do kotaktu se dostávají elektroové obaly molekul obou látek. Těsý kotakt dvou povrchů a ásledé odtržeí vede také k vytvářeí elektrostatických ábojů. Balící lepicí pásku přilepíme a plexisklo a odtrheme. Elektroický elektroskop prokáže áboje a obou straách: a plexiskle je áboj záporý a a pásce kladý. Adhezí síly aeseého lepidla se postaraly o vytlačeí vzduchu a rozdíly vazeb elektroů v molekulách plexiskla a lepidla pásky se postaraly o vzik ábojů. Rozdíly mezi látkami mohou být i epatré: žlutý molita a modrý se liší je přídavkem barviva. Modrý se třeím abije záporě, žlutý kladě. Takto lze se žáky zkoumat libovolé dvojice materiálů a kvalitativě zjistit, která látka si své elektroy drží více a která méě. Na trhu jsou k máí lepivé válečky, vodu omyvatelé, které dobře ahradí kartáč a šaty. Silá vrstva lepivého polymeru je také schopa adhezí vytlačit vzduch z povrchu skleěé desky a odebrat ze skal elektroy. Válečkem a šaty lze kladě abít i kov. To vedlo až ke kostrukci elektriky: br.2 Elektrika s válečkem a šaty 42
J. ubeňák: Elektrováí těles a ové materiály Kovová trubka je dokoale izolováa a opatřea kličkou. Kohezí síly se postarají o otáčeí lepivého válečku spolu s kovovým a vzikající áboje jsou odsáváy hroty. Leydeské láhve zde upraveé hotelové cukřeky slouží pro ukládáí áboje. Jiskry tato elektrika edá, ale ukazuje současý vzik kladého a záporého áboje, přeos áboje koroovým výbojem a ukládáí áboje v kodezátoru. Zájemcům o téma elektrostatické áboje a elektriky doporučuji avštívit webovou stráku [3], kterou se prezetuje Laboratório de Eletroica de Potêcia etro de Tecologia Bloco Sala 305 idade Uiversitária - Ilha do Fudão aixa Postal 68504 - EP 21945-970 Rio de Jaeiro - RJ - Brasil Tel: +55 21 2260 5010 Ramal 239 +55 21 2562 8634 Fax:+55 21 2290 6626 Literatura [1] arapat, J. : Silozpyt a lučba Nakladatel Alois Šašek kihkupec, Velké Meziříčí, 1905 [2] Lepil,., Šedivý, P.: Fyzika pro gymázia Elektřia a magetismus, Prometheus Praha, 2000. [3] http://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.html 43