Elektřina
Elektřina (1/8) · 11:46

Elektrický náboj a triboelektrický jev Úvod do elektrického náboje. Naučíme se, proč nám občas ze statické elektřiny stojí vlasy a budeme schopni vysvětlit spoustu dalších zábavných experimentů!

Hádám, že už jste si zkoušeli drbat vlasy balónkem a pozorovali, jak vám potom vlasy vstávají na hlavě. A pokud takovou zkušenost ještě nemáte, zamyslete se nad tím, jak nezábavný váš život je. Ale většina z vás to už asi zkusila. Měli jste asi představu, že to má co dělat s balonkem nebo vašimi vlasy, že si nějak vyměňují náboj a jedno je kladnější nebo zápornější než druhé, takže se teď nějak přitahují. A pokud jste si to mysleli, měli jste vesměs pravdu. Co jste při drbání hlavy balonkem zažili se nazývá triboelektrický jev. Lidé jej pozorovali už odedávna, a nebylo to nutně na oslavách s balónky. Byly to jiné věci, jako tření hedvábí a skla, po kterém pozorovali přitahování, nebo viděli, že pokud třou dost dlouho, jedna z věcí se při styku s jinou vybije. Lidé pozorovali třeba blesky, kde se zdá, že se k něčemu schyluje, že je tu nějaký potenciál, který se náhle vybije a je tu blesk a k němu navíc ještě hrom. Tohle lidé sledují už velmi dlouho a lidé s vědečtějším zaměřením se to velmi dlouho snažili pochopit a přijít s nějakou teorií, pomocí které by popsali, co se děje. Naštěstí pro nás ta teorie už existuje a vysvětluje věci docela dobře. Triboelektrický efekt lze vysvětlit pomocí elektrického náboje. Teorie elektrického náboje praví, že existují věci s vlastností, které říkáme náboj. Některé věci mají kladný náboj, což je trochu nahodilý název, prostě tomu tak říkáme. Jiné věci mají opačný náboj, neboli záporný náboj. Mohli jsme tomuto říkat purpurový náboj a tomuto zelený náboj, tomuto hroší náboj a tomuto pštrosí náboj. A mohli jsme říct, že hroši jsou vždy přitahováni k pštrosům, ale vždycky odpuzují jiné hrochy, a tak podobně. Odpuzují se stejné náboje nebo hroši… Chápete obecnou představu. Přidržme se slov, na která jsou lidé zvyklí. Řekneme-li, že něco má náboj, například kladný náboj a něco jiného má záporný náboj, pak se v této naší teorii budou ty dvě věci přitahovat. Opačné náboje se budou přitahovat a souhlasné odpuzovat. Máte-li kladný náboj a kladný náboj, budou zrychlovat pryč od sebe. Neplatí to jen pro kladný a kladný, ale i pro záporný a záporný. Budou se odpuzovat, protože jsou souhlasné. Je zajímavé o tom přemýšlet, protože jsme na náboje zvyklí, zejména v oblasti elektřiny víte o kladném a záporném pólu baterie. Pomyslíte na nabíjení telefonu nebo čehokoli. Zdá se, že prostě… Že náboj je základní vlastností vesmíru, což ano, to je pravda, ale tato slova jsou nahodilá a jenom popisují vlastnosti, které ve světě pozorujeme. Podíváte-li se na úroveň atomů, dostanete se na základní úroveň, kde náboj hraje významnou roli. Toto jsou vážně jenom modely, které umožňují mozku uchopit, co vidíme kolem sebe. Když tento model použijeme, můžeme si představit jednotlivé atomy s jádry složenými z protonů a neutronů. Máte-li nějaké protony a neutrony, dám sem od každého dva, podle naší teorie mají protony kladný náboj. Opakuji, tahle úmluva a skutečnost, že sem píšu plus neznamená, že na každém protonu je vytištěné malé plus. Mohli bychom říkat, že mají červený náboj, nebo bychom ani nemuseli použít slovo náboj, je to jenom úmluva. Říkáme, že protony mají kladný náboj, a kolem jádra atomu často bzučí elektrony. Elektrony jsou mnohem méně hmotné. Hmnotnost je další zajímavá věc. Hmotnost bereme jako něco, co prostě kolem sebe máme a chápeme, ale i hmotnost je jen vlastností věcí, je to vlastnost hmoty, a my si myslíme, že jí rozumíme, protože umíme určit váhu nebo objem, ale i hmotnost umí být docela podivná. Každopádně tohle video není o hmotnosti, je o náboji. Všechny věci, o kterých ve fyzice mluvíme, jsou jenom vlastnosti, které nám pomáhají se vyrovnat s chováním různých věcí v různých podmínkách. Vraťme se k našemu malému atomu. Tento atom má dva elektrony a očividně není v původním měřítku. Každý z těchto elektronů má záporný náboj a tak nějak poskakuje tady kolem jádra. Důvod, proč je tento model tak zajímavý i v atomovém měřítku je ten, že nám umožňuje vysvětlit, co se při triboelektrickém ději děje. Když drbete balónek o vlasy, guma balónku otírá elektrony z vašich vlasů. Balónek odchytává vaše elektrony a nabíjí se záporně, takže vaše vlasy se nabíjejí kladně, protože o ty elektrony přicházejí. Takže když balonek přiblížíte k vlasům… Pamatujte, že shodné náboje se odpuzují… Elektrony ve vašich vlasech se snaží dostat pryč od těchto jiných elektronů, záporné náboje se navzájem odpuzují, a dalo by se říct, že to zanechá vaše vlasy kladnější. Vlasy jsou kladnější a budou přitahovány k balónku. Děje se tedy to, že elektrony se přemisťují. A když už to vidíme takhle, říkáme si, ano, my jsme vědci a toto je hezký model, můžeme začít myslet nad tím, co se tu děje. Tento model vlastně vysvětluje tunu věcí, které jsme ve vesmíru pozorovali, jako jsou blesky, nebo rány, co dostanete od kliky, když šoupáte nohama o koberec. Ale my také rádi dáváme věcem hodnoty, abychom věděli, jak moc se věci odpuzují či přitahují. Takže základní jednotkou náboje, nebo jednou ze základních jednotek náboje, či elementární jednotkou náboje je náboj protonu či elektronu. Elementární jednotka náboje se značí e a jde o náboj protonu. Náboj elektronu, i když má elektron mnohonásobně menší hmotnost než proton… Většina hmoty v atomu je uložena v protonech a neutronech… Elektron má mnohem menší hmotnost než protony a neutrony, ale má stejně velký, i když opačný náboj jako proton. Někdy se tedy úmluvou píše -e, nebo i -1 e, podle toho, jestli se na to díváte jako na samotný náboj, nebo jeho jednotku. Já to budu brát jako samotný náboj, náboj elektronu. Pokud něco náboj nemá, jako třeba neutron, a proto se jim vlastně neutrony říká, protože jsou neutrální, nemají náboj. Ta věc tady, to je neutron. Teď když se dostáváme na větší měřítka, než jsou atomová, používáme jinou, běžnější jednotku náboje, a tou je coulomb. Coulomb je pojmenován po Charlesovi Augustinu de Coulombovi, takže když mluvíme o chlapíkovi, francouzském fyzikovi z 18. století, píšeme velké C, ale když mluvíme o jednotkách, píšeme malé c, coulomb. Jeden coulomb je definovaný… Napíšu to sem, 1 coulomb, značka C, se přiblížně rovná 6,24 krát 10 na 18 e, to je náboj o velikosti 6,24 krát 10 na 18 protonů. Nebo, je-li opačný, 6,24 krát 10 na 18 elektronů. Pokud to chcete vzít opačně, jaká je velikost náboje protonu v coulombech? Prostě tohle převrátíte. Můžete říct, že e se přibližně rovná převrácené hodnotě, která je 1,60 krát 10 na minus 19 coulombů. Takže snad teď aspoň na základní úrovni chápete, co je to náboj. V některých ohledech se s ním setkáváte každodenně, na elektřinu jsme zvyklí a ještě se o ní budeme bavit. Ale v jiných ohledech je to jedna z vesmírných záhad, jak tyhle dvě částečky vědí, že se mají přitahovat. Jsou od sebe vzdáleny, ale okamžitě vědí, jakou na sebe působit silou. Nejsou spojeny drátem, ale nějak spolu komunikují. Když se dostanete na úroveň kvantové mechaniky, dá se opravdu dohadovat, že komunikace probíhá. Ale jak to vědí v našem každodenním pojetí reality, a co je to vlastně náboj? Postavili jsme tomu rámec z těchto slov, abychom předvídali, co se bude dít. Ale nevíme nic o podstatě náboje. Takže na jedné úrovni je jednoduchý, řeší balónky a vlasy, ale na jiné úrovni je to záhadná věc, tajemná vlastnost hmoty, se kterou můžeme manipulovat a předvídat, co udělá, ale to nic nemění na její záhadnosti.
video