Žiarivé blesky v skle a vlasy stojace dupkom patria medzi najzaujímavejšie ukážky skrotenej elektriny. Tieto zariadenia si môžete vyskúšať na podujatí Európska noc vedy v stánku Veda na dosah. Ako presne tieto prístroje fungujú a čo sa v nich v skutočnosti odohráva?
Stačí priložiť ruku ku sklu plazmovej gule a prúd si okamžite nájde cestu k vášmu prstu. Zdroj: iStock.com/Vershinin
Tieto vizuálne príťažlivé javy majú jednoduché fyzikálne vysvetlenie. Celé tajomstvo spočíva v správnej kombinácii materiálov a elektrického napätia, vďaka ktorým môžeme na vlastné oči sledovať správanie elektrónov.
Plazmová guľa: blesky uväznené v skle
Plazmová guľa sa skladá z priehľadnej sklenenej nádoby, v ktorej sa nachádza zriedený vzácny plyn, najčastejšie zmes neónu, argónu a iných plynov. Uprostred gule sa nachádza stredová elektróda v tvare malej guľôčky na stĺpiku. Teslova cievka, ktorá prístroj poháňa, je skrytá v podstavci zariadenia.
Zariadenie je zapojené káblom do elektrickej zásuvky. Cievka vnútri mení bežný elektrický prúd na striedavý prúd s veľmi vysokým napätím. Funguje to podobne ako vysokotlakový čistič, ktorý aj z malého množstva vody vytvorí extrémne silný prúd.
Pri striedavom prúde elektróny v drôte neustále behajú tam a späť. Svoj smer zmenia až 35-tisíckrát za jedinú sekundu.
Vznik plazmy a farebných čiar
Obrovské napätie a rýchle kmitanie prúdu v okolí cievky vytvoria extrémne podmienky a v tých sa elektróny, drobné záporné častice, doslova odtrhnú od atómov plynného neónu. Plyn sa tak mení na plazmu. Tento jav sa navonok prejavuje ako žiariace farebné čiary.
Plazma ako štvrté skupenstvo
Hmota bežne existuje v pevnom, kvapalnom a plynnom skupenstve. Ak však plynu dodáme ohromné množstvo energie, vznikne plazma, čiže štvrté skupenstvo. Na rozdiel od extrémne horúcej plazmy, ktorá tvorí Slnko alebo skutočné blesky, je plazma v guli studená. Je bezpečná a sklo sa neroztaví.
Prúd vždy hľadá cestu do zeme
Farebné čiary horúcej plazmy vnútri gule ukazujú cestu elektrického prúdu. Prúd totiž nevypĺňa celú guľu rovnomerne. Vždy si hľadá najľahšiu možnú cestu s najmenším odporom.
Smer toku prúdu je zo stredu od cievky smerom von ku sklu gule. Zahriaty plyn prirodzene stúpa nahor, lebo je ľahší ako chladnejšie okolie. Žiarivé vlákna plazmy sa preto neustále „posúvajú” smerom hore, teda do vrchnej časti gule.
Prečo plazma nasleduje ľudský prst, keď sa dotkne skla?
Ľudské telo vedie elektrinu oveľa lepšie ako plyn a sklo v guli. Keďže elektrický prúd si vždy hľadá najkratšiu a najľahšiu cestu do zeme, energia okamžite zamieri k ľudskej ruke. Následne prúd telom rýchlo pretečie až do podlahy a takto sa uzemní.
Tento prístroj vymyslel slávny vynálezca Nikola Tesla v roku 1894. Pomocou neho skúmal správanie vysokého napätia vo vákuových trubiciach. Dnešnú modernú podobu plazmovej gule neskôr navrhol študent Bill Parker.
Názorná ukážka: Čo sa stane, keď sa človek dotkne Van de Graaffovho generátora? Zdroj: WikiMedia
Záhada Van de Graaffovho generátora
Tento prístroj vyzerá ako veľká kovová guľa na podstavci. Funguje na základe iného fyzikálneho javu, a to statickej elektriny. Tá vzniká celkom jednoducho, keď sa o seba trú alebo sa navzájom dotýkajú dva rôzne materiály. Generátor túto elektrinu vyrába čisto mechanickým procesom.
V spodnej časti podstavca sa ukrýva elektrický motor. Prístroj ďalej obsahuje dva valce vyrobené z rôznych materiálov, napríklad z plastu a kovu. Okolo nich sa napína gumený pás spojený do slučky. Motor roztáča spodný valec, vďaka čomu sa gumený pás neustále točí dookola.
Spodný valec sa pri otáčaní neustále trie o gumený pás. Trenie spôsobuje, že valec strháva záporné elektróny z gumy. Pás vďaka tomu získava silný elektrický náboj — v tomto prípade kladný, keďže mu chýbajú záporné elektróny. Podľa konkrétnych materiálov môže byť náboj kladný aj záporný, no samotný princíp to nijako nemení.
Gumená slučka funguje ako výťah. Pás s kladným nábojom putuje od spodného valca nahor k druhému valcu. Horný valec slúži ako kladka a pomáha pásu pokračovať v ceste späť dole.
Zber náboja na vonkajšiu guľu
Kovové kefky v hornej časti stroja zbierajú tento kladný náboj z pásu. Potom ho prenášajú na vonkajšiu kovovú guľu. Práve tohto hladkého kovového obalu sa ľudia pri pokusoch dotýkajú. Na povrchu tejto gule takto stroj dokáže nahromadiť obrovské množstvo statického elektrického náboja.
Infografika: Z čoho pozostáva Van de Graaffov generátor? Zdroj: WikiMedia
Čo sa stane, keď sa gule dotkne ľudská ruka?
Pred dotykom sa osoba musí postaviť na plastovú podložku alebo stoličku. Plast totiž nevedie elektrický prúd. Podložka bráni elektrónom ujsť cez nohy človeka do podlahy.
Keď ruka chytí kovový povrch, kladný náboj z gule okamžite prejde do ľudského tela. Telo totiž funguje ako dobrý vodič a náboj sa v ňom ľahko rozloží. Prítomnosť tohto náboja najlepšie vidíme na vlasoch na hlave.
Základné pravidlo fyziky hovorí, že rovnaké náboje sa odpudzujú. Každý jeden vlas má kladný náboj a snaží sa „ujsť” od toho susedného. Preto sa vlasy postavia dupkom a roztiahnu sa do všetkých strán.
Keď sa následne osoba priblíži k inému objektu alebo človeku, preskočí iskra. Prebytočné elektróny z druhého človeka rýchlo preskočia k tomu, ktorý sa dotýkal gule, a vyrovnajú chýbajúce elektróny v jeho tele.
Fyzik Robert Jemison Van de Graaff zostavil tento stroj v roku 1931. Vtedy slúžil na vedecký výskum a urýchľovanie častíc. Vedci vďaka nemu rozbíjali atómy a skúmali röntgenové žiarenie. Tento prístroj tak v minulosti pomohol vedcom lepšie pochopiť základné stavebné prvky časticovej a jadrovej fyziky.
Zdroje: Science World, how stuff works?, BBC Science Focus, Physics Tutor,
(KAM)
