Elektrický náboj
Nad Filadelfií se zatahuje. Benjamin Franklin ale před bouřkou neutíká. Bere draka, kovový klíč a vychází ven.
Píše se rok 1752. Lidé už umějí třením vytvořit drobné jiskry. Blesk je však něco jiného: oslnivý výboj, který dokáže rozštípnout strom nebo zapálit dům. Franklin má podezření, že oba jevy spolu souvisejí. Jak to ale dokázat?
Drak stoupá pod temný mrak. Déšť pomalu smáčí konopný provaz. Nejprve se nestane nic. Potom si Franklin všimne zvláštního detailu: volná vlákna provazu se od sebe zvedají, jako by se navzájem odpuzovala. Přiblíží ruku ke kovovému klíči – a mezi klíčem a prstem přeskočí jiskra.
Do draka žádný blesk neudeřil. Přesto se na klíči objevilo totéž, co Franklin znal ze svých pokusů se sklem a třením. Co se dostalo z bouřkového oblaku až ke klíči? A co tento pokus odhalil o podstatě blesku?
Franklinova původní zpráva z roku 1752
Krátký text A Letter of Benjamin Franklin… concerning an Electrical Kite vyšel v časopise Philosophical Transactions na stranách 565–567. Kliknutím na kterýkoli náhled se otevře celý původní text od první strany.
Přepis původního anglického textu
A Letter of Benjamin Franklin, Esq; to Mr. Peter Collinson, F.R.S. concerning an electrical Kite. Philadelphia, Oct. 1, 1752.
As frequent Mention is made in publick Papers from Europe of the Success of the Philadelphia Experiment for drawing the electric Fire from Clouds by means of pointed Rods of Iron erected on high Buildings, &c. it may be agreeable to the Curious to be informed, that the same Experiment has succeeded in Philadelphia, though made in a different and more easy Manner, which is as follows.
Make a small Cross of two light Strips of Cedar, the Arms so long as to reach to the four Corners of a large thin Silk Handkerchief when extended; tie the Corners of the Handkerchief to the Extremities of the Cross, so you have the Body of a Kite; which being properly accommodated with a Tail, Loop and String, will rise in the Air, like those made of Paper; but this being of Silk is fitter to bear the Wet and Wind of a Thunder-Gust without tearing. To the Top of the upright Stick of the Cross is to be fixed a very sharp-pointed Wire, rising a Foot or more above the Wood. To the End of the Twine, next the Hand, is to be tied a Silk Ribbon, and where the Silk and Twine join, a Key may be fastened.
This Kite is to be raised when a Thunder-Gust appears to be coming on, and the Person who holds the String must stand within a Door or Window, or under some Cover, so that the Silk Ribbon may not be wet; and Care must be taken that the Twine does not touch the Frame of the Door or Window. As soon as any of the Thunder Clouds come over the Kite, the pointed Wire will draw the electric Fire from them, and the Kite, with all the Twine, will be electrified, and the loose Filaments of the Twine will stand out every Way, and be attracted by an approaching Finger.
And when the Rain has wet the Kite and Twine, so that it can conduct the electric Fire freely, you will find it stream out plentifully from the Key on the Approach of your Knuckle. At this Key the Phial may be charged; and from electric Fire thus obtained, Spirits may be kindled, and all the other electric Experiments be performed, which are usually done by the Help of a rubbed Glass Globe or Tube; and thereby the Sameness of the electric Matter with that of Lightning completely demonstrated.
Co je elektrický náboj?
Elektrický náboj je fyzikální vlastnost částic a těles, která způsobuje elektrické působení. Označujeme jej Q nebo q a jeho jednotkou je coulomb, značka C.
Kladný náboj
Těleso má méně elektronů než v neutrálním stavu. Kladný náboj neznamená, že se do pevného tělesa běžně přenesly protony.
Záporný náboj
Těleso přijalo elektrony navíc. Právě elektrony se při běžném nabíjení pevných látek přemísťují nejsnáze.
Proč se náboje označují právě + a −?
Jde o historickou konvenci spojenou s Benjaminem Franklinem. Směr elektrického proudu byl později definován jako pohyb kladného náboje. Až následně se zjistilo, že v kovech se pohybují záporné elektrony opačným směrem.
Jak těleso nabijeme?
Při tření dvou různých materiálů mohou elektrony přejít z jednoho povrchu na druhý. Jedno těleso má potom elektronů nadbytek a druhé stejně velký nedostatek. Náboj nevznikl z ničeho: pouze se přemístil.
1. Před třením
Obě tělesa jsou elektricky neutrální: mají stejně protonů a elektronů.
2. Při tření
Část elektronů přejde z jednoho materiálu na druhý. Protony zůstávají v jádrech atomů.
3. Po oddělení
Těleso, které elektrony přijalo, je záporné. Těleso, které je odevzdalo, je kladné.
Proč se nabitý balónek přitahuje k neutrální zdi?
Elektrické náboje ve zdi se nepatrně přeskupí. Na povrchu blíže k balónku převládne náboj opačného znaménka, zatímco souhlasný náboj je o něco dále. Bližší přitažlivé působení je silnější, takže výsledkem je přitažlivost. Tento jev nazýváme polarizace.
Jak přítomnost náboje zjistíme?
Elektroskop
Slouží hlavně k prokázání náboje. Po přivedení náboje se lístky nebo ručička vychýlí, protože jejich části nesou náboj stejného znaménka a odpuzují se.
Elektrometr
Je citlivější měřicí přístroj. Podle zapojení může měřit elektrický náboj nebo elektrické napětí.
Jednoduchý elektroskop
- Do víčka sklenice upevněte kovový drát.
- Na spodní konec zavěste dva tenké proužky alobalu.
- K hornímu konci přibližte nebo přiložte nabité těleso.
- Pozorujte, kdy se lístky rozestoupí a kdy znovu klesnou.
Bezpečnost a provedení
Pro školní pokusy používejte pouze náboj vytvořený třením běžných předmětů. Elektroskop nepřipojujte k síťovému napětí. Pokus bývá výraznější v suchém vzduchu; vlhký povrch odvádí náboj rychleji.
Vodiče a izolanty
Látky rozdělujeme podle toho, jak snadno se v nich může elektrický náboj přemísťovat.
Vodiče
Obsahují nosiče náboje, které se mohou pohybovat na větší vzdálenost. V kovech jsou to především volné elektrony. V elektrolytech se pohybují kladné i záporné ionty.
Příklady: kovy, grafit, slaná voda, lidské tělo.
Izolanty
Náboje jsou pevněji vázány na jednotlivé atomy nebo molekuly a nemohou se snadno přemísťovat celým materiálem. Mohou se však nepatrně posunout – látka se polarizuje.
Příklady: sklo, porcelán, suchý plast, pryž.
Odpověď
Při proudění a tření se může na izolujícím plastu hromadit náboj. Jiskra při náhlém vybití by mohla zapálit páry paliva. Vhodné nádoby jsou z materiálu, který omezuje hromadění statického náboje, a při přečerpávání se používá také uzemnění a pospojování.
Elementární elektrický náboj
Elektrický náboj se nevyskytuje v libovolně malých hodnotách. Náboj běžného tělesa je celistvým násobkem velikosti elementárního náboje:
Q = ne, e = 1,602 176 634 × 10−19 CProton má náboj +e, elektron −e. Hodnota n je celé číslo; těleso tedy nemůže mít například náboj 0,37e. Říkáme, že elektrický náboj je kvantovaný.
Kolik elektronů se přeneslo?
Těleso získalo záporný náboj o velikosti 3,2 nC. Odhadněte počet elektronů, které na něj přešly.
Nápověda
Převeďte nanocoulomby na coulomby: 1 nC = 10−9 C. Počet elektronů získáte ze vztahu n = |Q|/e. Znaménko určuje, zda elektrony přibyly, nebo ubyly; počet částic je kladný.
Do pole pro elementární náboj můžete napsat například 1,602e-19 nebo školní zápis 1,602 × 10^-19. Oba zápisy znamenají 1,602 · 10−19 C.
Kontrola výsledku
Jaký náboj přenese milion elektronů?
Určete velikost elektrického náboje přeneseného 1 000 000 elektrony. Výsledek vyjádřete v coulombech a pikocoulombech.
Nápověda
Použijte vztah |Q| = ne. Pro převod platí 1 pC = 10−12 C.
Elementární náboj zadejte jako 1,602e-19 nebo 1,602 × 10^-19. Desetinná čárka i tečka jsou povoleny.
Kontrola výsledku
Proč je coulomb pro statickou elektřinu velká jednotka?
Jeden coulomb odpovídá přibližně 6,24 × 1018 elementárním nábojům. Při elektrostatických pokusech proto běžně používáme mikro-, nano- a pikocoulomby. Při elektrickém proudu však jeden coulomb proteče vodičem snadno: proud 1 A přenese 1 C za 1 s.
Proč nabité těleso postupně ztrácí náboj?
Dokonalý izolant v běžných podmínkách neexistuje. Náboj může pomalu odtékat po povrchu tělesa, přes vlhký vzduch, prach nebo naše tělo do země. Proto elektrostatické pokusy fungují lépe v suchém prostředí.
Kde se elektrický náboj využívá?
Lakování
Nabité kapky barvy jsou přitahovány k opačně nabitému nebo uzemněnému předmětu. Vrstva bývá rovnoměrnější a vzniká méně odpadu.
Laserové tiskárny
Elektrostaticky vytvořený obraz na fotoválci přitahuje částice toneru, které se potom přenesou na papír a tepelně zafixují.
Odlučovače prachu
Částice kouře se nabijí a zachytí na opačně nabitých deskách. Elektrostatické odlučovače tak čistí spaliny.
Souvislost s biologií: včely, květy a pyl
Včela se při letu a při kontaktu se vzduchem obvykle elektricky nabíjí. Květy mívají vůči okolí jiný elektrický potenciál, takže mezi včelou, květem a pylovými zrny působí elektrické síly. Pyl proto může snáze přeskočit z květu na tělo přilétající včely.
Návštěva včely navíc elektrické poměry květu na krátkou dobu změní. Čmeláci dokážou tyto změny vnímat pomocí jemných chloupků na těle a mohou tak získat informaci, že květ nedávno navštívil jiný opylovač.
Historická souvislost
Jantar dal elektřině jméno
Už ve starověku bylo známo, že jantar po tření kožešinou nebo vlnou přitahuje pírka a jiné lehké předměty. Řecké slovo ēlektron znamená jantar; právě od něj bylo později odvozeno označení elektrických jevů.
- Přibližte jantar k drobným útržkům papíru a pozorujte, zda se něco stane.
- Jantar otřete suchou vlněnou látkou nebo kožešinou a pokus zopakujte.
- Vyzkoušejte stejný postup s plastovou tyčí, pravítkem nebo balónkem.
William Gilbert
Na přelomu 16. a 17. století systematicky zkoumal elektrické a magnetické jevy a rozlišil je jako odlišné druhy působení.
Benjamin Franklin
Zavedl znaménka kladného a záporného náboje, rozvíjel představu zachování náboje a spojil elektrické výboje s bleskem.
Prokop Diviš
V 18. století sestrojil uzemněné zařízení známé jako povětrnostní stroj. Jeho vztah k modernímu bleskosvodu je předmětem historických diskusí.
Od jantaru k blesku
Stejná vlastnost látky se projevuje při přitažení kousku papíru, při jiskře z kliky i při elektrickém výboji v atmosféře. Liší se především množství přeneseného náboje a energie výboje.
Procvičení
1. Plastová tyč po tření získala elektrony. Jaký má výsledný náboj?
2. Proč se lístky nabitého elektroskopu rozestoupí?
3. Které tvrzení o nabíjení třením je správné?
Časté omyly
„Nabité těleso obsahuje jen jeden druh náboje.“
Obsahuje protony i elektrony. Nabité je proto, že jejich celkové náboje nejsou přesně vyrovnány.
„Při tření vznikají elektrony.“
Elektrony nevznikají; část z nich se přemístí z jednoho tělesa na druhé.
„Izolant neobsahuje elektrické náboje.“
Obsahuje nabité částice stejně jako vodič. Rozdíl je v jejich možnosti pohybu na větší vzdálenost.
„Neutrální těleso nelze přitahovat elektricky.“
Nabité těleso může v neutrálním tělese vyvolat polarizaci, a tím výslednou přitažlivost.
Česko-anglický slovníček
- elektrický náboj
- electric charge
- kladný náboj
- positive charge
- záporný náboj
- negative charge
- elementární náboj
- elementary charge
- vodič
- conductor
- izolant
- insulator
- elektroskop
- electroscope
- uzemnění
- grounding
- polarizace
- polarization
- zákon zachování náboje
- conservation of charge