Statički elektricitet

Jedna od najćešće korišćenih demonstracija u kojoj se statički elektricitet stvara kada se balon napunjen vazduhom trlja o kosu.

Triboelektrični efekat: mačka sa prilepljenim komadima stiropora usled statičkog naelektrisanja.

Statički elektricitet je vrsta elektriciteta koji, za razliku od električne struje, miruje. To je nagomilano naelektrisanje uzrokovano neravnotežom elektrona na površini materijala. Ova neravnoteža proizvodi električno polje koje može biti mereno i uticati na druge predmete u okolini.

Statičko naelektrisanje se u većini slučajeva stvara dodirom i odvajanjem dva materijala. Razlog nastanka nalazi se u nejednakoj razmeri, odnosno neravnoteži elektrona među materijalima koji se dodiruju. Skoro svaki predmet može biti neka vrsta sakupljača statičkog elektriciteta. U svakodnevnom životu to su najčešće sintetička odeća, tepisi, zavese, nameštaj obložen plastikom, kućni aparati i drugi električni uređaji. Nekad je reč o struji koja ostaje zarobljena u nekom izolacionom telu, čak i kada se ukloni izvor napajanja.

Statički elektricitet se najčešće prazni sporo tokom vremena, ali se u nekim slučajevima prazni odjednom. Na primer, dok hodamo, stopala se taru o tepih i telo sakuplja statički elektricitet. Kad dodirnemo metalni predmet, npr. kvaku ili slavinu, statički elektricitet će se brzo isprazniti iz tela, pri čemu ćemo osetiti slab udar struje. Munja je najpoznati oblika naglog pražnjenja statičkog elektriciteta u prirodi.

Pri svakodnevnom elektrostatičkom pražnjenju javljaju se vrlo visoki naponi, uz ekstremno slabe struje. Češljajući kosu po veoma suvom vremenu, stvaramo nekoliko desetina hiljada volti statičkog elektriciteta, ali je jačina struje praktično zanemarljiva. Slaba struja sprečava da nas statičko pražnjenje povredi, pa osećamo samo neprijatno peckanje. Međutim, to može izazvati velika oštećenja elektronskih komponenti.

Statički elektricitet može biti opasan po ljude i električne uređaje.

Istorija

Još u antičko vreme zapažena je pojava da jantar, kada ga se trlja, dobija svojstvo privlačenja sitnih čestica. Stari Egipćani su otkrili statički elektricitet kada su mačku trljali uglačanim ćilibarom. Nakon trljanja, te materijale bi privlačila neka nevidljiva sila. Slično tome, dva komadića mačjeg krzna koja bi protrljati o ćilibar, odbijala bi se. lako Egipćani nisu znali o kojoj se misterioznoj sili radi, bili su svesni da ona postoji.

Iako su električni fenomeni poznati od antike, nije bilo teoretskog razumevanja. Godine 1600. engleski lekar Vilijam Gilbert, prema grčkom nazivu za jantar (grč. ἤλεϰτρον), nazvao je predmete sa takvim svojstvima električna tela (lat. corpora electrica). I pored toga, bilo je veoma malo praktičnih primena elektriciteta.

U 18. veku, Bendžamin Frenklin i drugi naučnici njegovog doba su dobro razumevali statički elektricitet. Jedan od mnogobrojnih Frenklinovih pronalazaka bio je motor koji je u potpunosti radio korišćenjem statičkog elektriciteta (elektrostatički motor). Iako taj motor danas predstavlja tek nešto više od naučne zanimljivosti, on dokazuje daje statički elektricitet jedan oblik struje, baš kao i naizmenična i jednosmerna.

Tek u 19. veku inženjeri su počeli nalaziti primenu struje u industiriji i svakodnevnom životu. Brza ekspanzija elektrotehnike u to vreme je transformisala je industriju i društvo. Izuzetna svestranost električne energije značila je da se mogao stvoriti gotovo neograničeno veliki skup primena koje obuhvataju transport, grejanje, električno osvetljenje, komunikacije, i računanje.

Električna energija je u današnje vreme stup modernog industrijskog društva.

Objašnjenje

Elektricitet se s jednoga tela može prenositi na drugo. Količina elektriciteta naziva se naelektrisanje ili električni naboj.

U atomu je pozitivno naelektrisanje atomskog jezgra jednako negativnomu naelektrisanju svih elektrona, odnosno broj protona jednak broju elektrona, pa se zato delovanja tih naelektrisanja prema spolja međusobno poništava ili neutrališe. Tek kada se u nekom telu odvoji deo elektrona od atoma, dolaze do izražaja privlačne sile između pozitivnih i negativnih čestica. Te sile nastoje da vrate elektrone na ona mesta u atomu na kojima su se pre nalazili. Zbog delovanja tih sila dolazi do kretanja naelektrisanih čestica ili električne struje. Odvajanje elektrona od pripadajućih atomskih jezgara čini osnov proizvodnje električne energije. U galvanskim elementima i akumulatorima razdvajanje elektriciteta izvode hemijske sile. Za dobijanje velike količine električne energije služe električni generatori.

Rani pokusi sa statičkim elektricitetom

Elektroni lako prolaze kroz dobre električne provodnike (npr metale), a teško kroz loše provodnike ili izolatore (npr vazduh, kaučuk, porculan). Ako se provodnik stavi u blizinu naelektrisanog tela, to će telo, već prema vrsti svog naelektrisanja, elektrone provodnika ili privući ili odbiti od sebe. Taj način razdvajanja elektriciteta u provodniku naziva se influencija.

Naelektrisanje je jedno od osnovnih svojstava elementarnih čestica. Pojave vezane za naelektrisanje u mirovanju (statičko ili elektrostatičko naelektrisanje) opisuju se granom fizike koja se naziva elektrostatika. Naelektrisanje u kretanju naziva se električnom strujom, a povezane pojave opisuje elektrodinamika. Postojanje elektriciteta zapaža se posredstvom elektromagnetskog polja koje nastaje oko naelektrisanja. Ako naelektrisanje miruje postoji samo električno polje, elektrostatičko polje. Naelektrisanje u pokretu stvara i magnetsku komponentu elektromagnetskog polja. Elektricitet je otkriven zapažanjem postojanja elektrostatičkog polja u blizini naelektriziranog štapića od jantara.

Način nastanka

Atom materijala bez statičkog naelektrisanja ima jednak broj pozitivnih i negativnih čestica (protona i elektrona). Kada se dva materijala stave u položaj da se dodiruju, a onda odvoje, negativno naelektrisani elektroni prelaze sa površine jednog na površinu drugog materijala. Koji materijal gubi elektrone a koji dobija zavisi od prirode materijala, i od toga koliko su elektroni čvrsto vezani. Fizičari su sve materijale rangirali po redosledu u kojem gube ili dobijaju elektrone. Materijal koji gubi elektrone postaje pozitivno a materijal koji prima elektrone negativno naelektrisan. Tako stvoreno naelektrisanje na materijalu naziva se elektrostatičko naelektrisanje.

Statički elektricitet može nastati na jedan od sledeća četiri načina:

1. Ako se dve različita predmeta taru jedan od drugog a potom naglo razdvoje.
2. Ako se dve izolovane elektrode priključe na izvor jednosmernog napona i onda odvoje od izvora.
3. Električnom influencijom, koja nastaje ako se provodnik stavi u blizinu naelektrisanog tela. Tada će telo, prema vrsti svog naelektrisanja, elektrone provodnika privući ili odbiti.
4. Kada se sa kondenzatora ili nekog drugog uređaja velikog električnog kapaciteta isključii naizmenični napon.

Munja je jedan od najpoznatijih oblika statičkog elektriciteta. Ona nastaje kada oblaci postanu negativno naelektrisani, a kristali leda se u njima taru jedni o druge. U međuvremenu se površina zemlje sve više pozitivno elektriše (jer elektroni u oblacima odbijaju elektrone u zemlji). Kada oblaci postanu toliko jako naelektrisani da elektroni mogu preskočiti sa oblaka na zemlju, dolazi do nagloga električnoga pražnjenja atmosferskog naboja, povezanog s pojavom intenzivnoga bljeska i snažnoga zvučnog udara (grom).

Trenjem tela spuštanjem na toboganu indukovalo je statički elektricitet u telu deteta		Munja je jedan od oblika statičkog elektriciteta

Čovek i statički elektricitet

Kada su ljudi hodali bosi, i kad nisu postojali sintetički materijali, statički elektricitet se na prirodan način odvodio uzemljenjem. Međutim danas, gotovo svaki predmet u čovekovom okruženju može biti skupljač statičkog ektriciteta. Njegovo nakupljanje u ljudskom organizmu posebno je izraženo zimi zbog suvog vazduha i nošenja sintetičke zimske graderobe. Veštački materijali kao što su poliester, akril, najlon, kao i provođenje punog radnog vremena uz računar, najčešći su izvor statičkog elektriciteta.

Štetne posledice

Ljudsko telo i statički elektricitet Tkiva ljudskog tela se sastoje od 60% ili više vode, i kao vlažna sredina telo dobar je provodnik struje! Ali suva ljudska koža je nešto drugo. Statičko naelektrisanje se može pojaviti u telu čoveka kada se trljaju noge ili ruke po izolacijskom materijalu, kao što je npr. vuna ili plastika. Važno je znati da se statičko naelektrisanje, gde god se nakupilo, čak i na ljudskoj koži, traje samo kratko vreme. Ako se to naelektrisanje ne zaustavi, onda ono odlazi, jer priroda ne voli neravnotežu. Za čoveka je najbolji način da izbegne statički udar kontakt sa zemljom, ili zidom, ili drvenim vratima, pre nego što dodirnemo bilo šta metalno.

Danas se čovekov direktan kontakt sa zemljom i udeo prirodnih materijala u odeći, obući, nameštaju, sveo na minimum. Sve to dovodi do povećanog stvaranja uslova za pojavu statičkog elektriciteta, koji može imati brojne negativne posledice na čovekovo zdravlje Ako se ova „struja“ duže zadrži zarobljena u telu ona može imati neke od ovih posledica:

• Ubrzan metabolizam kalcijuma – koji uzrokuje simptome umora
• Gubitak vitamina C – povećava nivo šećera u krvi
• Oštećenja osetljive kože – uzrokuju dermatitis
• Ometanje delovanja enzima za varenje – uzrokuje želudačno-crevne smetnje
• Privlačenje čestica prljavštine i bakterija – pogoršanje alergija, rizik od infekcija

Napon i struja su obično vrlo mali pa ne mogu da naškode ljudskom telu. No, to ne važi za elektronska kola. Statički elektricitet od samo nekoliko hiljada volti, što kod čoveka izaziva blago peckanje (jer je struja vrlo slaba), može da izazove velika oštećenja elektronskih komponenti.

Faktori rizika

Čovekovo telo je svakodnevno izloženo širokom raspon faktora koji mogu uticati na količinu elektrostatičkog naelektrisanja, koje može povećati napon u telu. Neki od najčešćih glavnih faktora su:

• Materijal poda i njegov električni otpor i otpornost na zemlju
• Lična obuće, posebno materijali potplata cipele i njihov električni otpor
• Atmosferska vlažnost
• Način na koji osoba hoda, npr. habanjem i trenje cipela na podu
• Radnje četkanja nameštaj, sedenje i podizanje sa sedišta.

Opasnost od strujnog udara

Do elektrostatičkih naelektrisanja dolazi u svakodnevnom životu i radu zbog električne influencije, a još češće zbog trenja dve različite materije (npr pri pretakanju benzina, nafte ili tokom izlaska gasova pod pritiskom iz cevi). Ako se naelektrisanje nagomila na nekoj relativno maloj površini može stvoriti vrlo visoke potencijale, koji mogu dostići vrednosti do 150.000 V.

Q = CU (As)

Elektrostatičko naelektrisanje, uprkos velikim potencijalnim razlikama prema zemlji, ne predstavlja direktnu opasnost za čoveka zbog svoje jako male energije, izuzev ako se radi o visokonaponskim kablovima, kondenzatorima i munji. Izbijanje elektrostatičkog naelektrisanja preko tela čoveka može biti bolno, i izazvati nesvesne pokrete, ali ne i smrt, izuzev ako nije izazvano izbijanjem visokonaponskih kablova ili kondenzatorskih baterija.

Najveća opasnost od elektrostatičkih naelektrisanja nastaje kada ono izbijaja stvaranjem iskre u zapaljivoj ili eksplozivnoj atmosferi. Statički elektricitet je posebno opasan u radu sa osetljivim elektronskim komponentama, proizvodnji oružja i drugim zapaljivim sredstvima, kada jedna električna varnica može dovesti do velike štete i gubitaka ljudskih života.

2 WI ≤ aWmin WI = 0,5CU

Ljudi doživljavaju statički elektricitet kao strujni udar kada dodirnu npr. metalni okvir ili drugu osobu, ako napon na njihovom telu prelazi oko 4 kV (4.000 V).

Mere zaštite

Opasna elektrostička naelektrisanja javljaju se najčešće u elektroprivredi, termoelektranama pri pretakanju goriva, pri strujanju gasova i prašine, ili na svakom mestu gde se izvode radovi na visokonaponskim kablovima i kondenzatorima. Osim povreda ljudi, istraživanja su pokazala da neadekvatna zaštita na radu uzrokuje više od 70% oštećenja elektronskih komponenti. Kako bi se ove negativne posledice izbegle, neophodna je upotreba adekvatne ESD zaštitne opreme – rukavica, odeće i obuće.

Osnovno pravilo zaštite od statičkog elektriciteta je stvaranje takvih uslova da struja naelektrisanja nikada nema mogučnosst da se stvori. Drugim rečima, mora se stvoriti električno kolo koje može bezopasno prenositi bilo koje naelektrisanje. Danas se preventivno sprovode različite mere zaštite na radu, pre svega primenom anti-statičkih proizvoda, da na različite načine (fizičkim a ponekad i hemijskim metodama) spreče stvaranje statičkog elektriciteta.

Tim merama se prvenstveno nastoji sprečavanje stvaranja elektrostatičkog naelektrisanja ili ako to nije moguće, tako nastalo naelektrisanje se odvodi u zemlju:

• uzemljenjem metalnih delova na kojima se skuplja naelektrisanje,
• međusobnim povezivanjem delova uređaja zbog izjednačenja potencijala,
• održavanjem visoke vlage u vazduhu,
• povećanjem provodljivosti električki neprovodnih predmeta i
• jonizacijom vazduha.

Primena statičkog elektriciteta

Statički elektricitet može biti i koristan i mi ga koristimo na razne načine.

Fotoaparati

Kada snimite fotografiju sa fotoaparatom, na primer, morate sačekati nekoliko sekundi da se statički elektricitet nakupi u kondenzatoru (uređaj za skladištenje električne energije). Kada se kondenzator u vašem fotoaparatu potpuno napuni, pali se svetlo, a kada pritisnete okidač, kondenzator se brzo puni kroz snažnu ksenonsku žarulju, stvarajući kratki bljesak svetla i često iznenađujuće glasni pucanj, poput mini munje.

Fotokopirni aparati i laserski štampači

Statički elektricitet je taj na kome se zasniva rad fotokopir aparata i laserskih štampača, koji ne bi mogli da rade bez ovog efekta, odnosno naelektrisanja tonera jakom svetlošću (kao vrsti struje) koja potom ostavlja svoj trag na suprotno naelektrisanom papiru.

Literatura

• Gordon McComb i Earl Boysen, Elektronika za neupućene, Beograd, 2007.

Vidi još

• Elektricitet
• Atmosferski elektricitet
• Triboelektrični efekat
• Električna struja

Spoljašnje veze

Statički elektricitet na Wikimedijinoj ostavi

• The Physics Classroom Physics Tutorial, Static Electricity, Basic Terminology and Concepts (en)