Hoja je ena izmed človekovih prvinskih potreb. Sodobne tehnologije in materiali nam ponujajo veliko udobja pri hoji, pri vsakem koraku. Naša obuvala so izdelana večinoma iz prvovrstnih umetnih materialov, ki naredijo obutev zelo udobno, lahko in primerno za nošenje. Hitra hoja je postala nekaj običajnega, njen namen pa je čim prej prispeti na cilj.
Kot obuvala so tudi talne površine naših poti postale udobne in lepe. Iz narave se umikamo v zaprte, klimatizirane prostore z velikimi talnimi površinami iz sintetičnih materialov. Sodobne površine so lepe, dolgo uporabne ter preproste za čiščenje in vzdrževanje. Med hojo po takih tleh se velikokrat pojavlja elektrostatika. Verjetno ni nikogar, ki je še ni občutil na svoji koži ali ki se ne bi srečal z različnimi zaporami, ukrepi in postopki za odpravljanje elektrostatike v posebnih prostorih (elektronska industrija, servisi elektronike, prostori, kjer obstaja nevarnost eksplozije, skladišča, bolnišnice, prostori, kjer se proizvajajo zdravila, kjer se lakira, kopiči prah …).
Splošno o elektrostatiki
Elektrostatika je povsem naravni pojav. Star je toliko, kolikor so stari elektroni in atomi, torej še bolj kot Zemlja. Pogost in zelo znan naravni pojav elektrostatike je strela, ki jo radi spremljamo od daleč in s strahospoštovanjem. Elektrostatične razelektritve strele človek ne more v celoti obvladati. Strela je lahko zelo nepredvidljiva in nabita z dovolj električne energije, da povzroča veliko škodo in tudi ubija.
Obkrožajo nas nenehno bežeči elektroni in porajajoči se ostanki atomov brez elektronov. Oboji nenehno nastajajo in izginjajo. Ta svet atomov in elektronov je za nas tako majhen, da si ga težko predstavljamo in razumemo. Da bi ga merili z metrom, bi morala biti njegova lestvica od 0,000.000.000.1- do 0,000.000.000.000.001-krat manjša kot pri navadnem metru. Tam je svet elektrike, tiste, ki teče po daljnovodih in žicah v hišnih in tovarniških napeljavah 230 oziroma 380 voltov. In to je tudi svet elektrostatike, tiste, ki se nenehno ustvarja povsod okrog nas, tudi pri hoji po sintetičnih talnih površinah. Obe, elektrika in elektrostatika, imata iste »starše« in zato tudi »gene«, zaradi česar se obe obnašata enako. Pomemben Ohmov zakon v elektrotehniki velja tudi za elektrostatiko. Enako se preračunavajo vzporedno priključeni kondenzatorji, velja tudi časovna konstanta naelektritve in razelektritve z električno napetostjo …
Elektrostatika se pojavlja bolj ali manj pri mnogih vsakdanjih opravilih: česanju las, božanju dlake, hoji po sintetični preprogi ali PVC-ploščicah, slačenju sintetičnih oblačil, dotiku kljuke na vratih, jutranjem dotiku avtomobila pozimi, sedenju v avtomobilu, odvijanju lepilnega traku, nasipavanju sipkih materialov, nabiranju nečistoč na plastičnih površinah, brisanju plastičnih površin, navijanju rol plastike … Pojav elektrostatike ni vedno enak, velikokrat tudi ni ponovljiv. Marsikdo je že ugotovil, da je elektrostatike več pozimi kot poleti. Pozimi nas strese, ko se dotaknemo parkiranega avtomobila, poleti pa se to ne zgodi. Zakaj? Pojav elektrostatike je odvisen od mnogih dejavnikov. Zanjo pogosto velja, da je nepredvidljiva: danes je, jutri je ni več in ne ve se, zakaj in kam je odšla.
Že od začetka so ljudje ob pojavu strele gojili spoštovanje in strah do tega naravnega pojava, saj je bil zanje nekaj mističnega. Okrog leta 1570 so s poskusi ugotovili, da je mogoče s trenjem ustvariti pojav, za katerega niso vedeli natančno, kaj je in kako nastane; opazili so le, da lahko ustvarijo privlačnost med različnimi materiali. V 17. in 18. stoletju je postala elektrostatika prava moda. Na podlagi poskusov so nastale naprave za generiranje elektrostatike, instrumenti za njeno merjenje, kondenzatorji za skladiščenje elektrostatične električne energije – leta 1746 so poskusi z elektrostatiko zahtevali tudi prvo žrtev, in sicer zaradi neprevidnega ravnanja z nabitimi električnimi kondenzatorji.
Elektrostatika je postala resna težava s proizvodnjo smodnika in industrijsko revolucijo. Po letu 1960 je bila še enkrat spoznana za veliko težavo v proizvodnji polprevodniških elektronskih komponent, visoko integriranih polprevodniških vezij, senzorjev … Vse te komponente se namreč izdelujejo v milijonskih serijah in že najmanjši delež izmeta zaradi elektrostatike povzroča proizvajalcu velike nepotrebne stroške. Zdaj kar tri četrtine cene sodobnega avtomobila sestavlja vrednost vgrajene elektronike, izdelane v prostoru EPA. To je posebej urejen in organiziran prostor, v katerem so ustvarjene posebne razmere za obvladovanje in odpravljanje nezaželene elektrostatike.
Za marsikoga pa je že pravi mali šok elektrostatična razelektritev na konici prsta. Ta nelagodni občutek zbuja strah, zaradi nepoznavanja elektrostatike pa se krivec za ta neljubi pojav ponavadi išče na napačni strani.
Kaj je elektrostatika?
Elektrostatični naboj nastane zaradi pretvarjanja mehanskega dela v električno energijo. Po temeljnih pravilih fizike je energija enaka vloženemu delu, vsaka energija pa je neuničljiva in se le pretvarja iz ene oblike v drugo. Tehnično nastane elektrostatična naelektritev zaradi neuravnoteženega števila elektronov na površini materiala. Presežek elektronov ustvari negativni, primanjkljaj pa pozitivni elektrostatični naboj. Ko se dva materiala tesno dotikata, se zbližuje množica atomov obeh snovi na obeh površinah in tudi v globini – do približno 10 nanometrov. Atomi so navzven vedno električno nevtralni. Zaradi svoje majhnosti elektroni, ki krožijo okrog jedra v svojem atomu, radi prehajajo v sosednji material. Če oba materiala dovolj hitro ločimo, se celotna množica elektronov ne more vedno vrniti v matično snov. V matičnem materialu tako ostanejo atomi brez elektronov, takšni pa imajo pozitivni električni naboj. Matični material postane zato po ločitvi pozitivno naelektren.
Zaradi medsebojnih vplivov elektronov in atomov le v globini 10 nanometrov v enem materialu velja, da se elektrostatični naboj pojavlja le na površini telesa. Ta površinski elektrostatični naboj ustvarja okrog telesa elektrostatično polje, ki z elektrostatičnimi silami »na daljavo« vpliva na okolico.
Elektroni so vedno negativno naelektreni. Elektroni, ki so ostali v drugem materialu, kot presežek ustvarijo negativni naboj, zato postane drugi material po ločitvi negativno naelektren. Takšen proces naelektritve se ponavlja med hojo tako rekoč ob vsakem koraku. Moč naelektritve je seveda odvisna od vrste obuval in vrste talne površine. Ker je število presežnih elektronov in zaradi tega ostankov atomov brez elektronov zelo veliko, se človekovo telo med hojo s plastičnimi čevlji po sintetični talni površini ali PVC-ploščicah naelektri tudi na več kot 3.000 voltov.
Sodobni sintetični materiali imajo svoje atome zgrajene z množico zunanjih elektronov, ki krožijo okrog atomskega jedra na večjih razdaljah. Zaradi tega laže pobegnejo iz svojega atoma in ostanejo v sosednjem materialu. Sintetične talne površine se zaradi tega veliko bolj naelektrijo kot talne površine iz naravnih materialov. Vendar, pozor! Za elektrostatično naelektritev je dovolj, če je le eno od dotikajočih se teles elektrostatični izolator. Če je prvo telo električni prevodnik, na primer kovinska plošča na tleh, bo drugo telo, denimo čevelj s plastičnim podplatom, postalo električno naelektreno. Torej je napačno razmišljanje, da hoja po kovinski talni površini ne naelektri.
Elektrostatični izolatorji so vsi materiali, katerih površinska upornost (Rp) je večja od 1011Ω (100 GΩ ali 0,1 TΩ). Površinska upornost pokaže, kako intenzivno lahko elektrostatični naboj odteka z naelektrene površine v zrak. Če je površinska upornost večja od 1011Ω, se naelektrena površina sama po sebi ne bo nikoli razelektrila. Če je površinska upornost manjša od 1011Ω, vendar večja od 105Ω, se takšni materiali sicer malenkost naelektrijo, vendar je mehanizem razelektritve hitrejši od naelektritve. To so elektrostatično disipativni materiali. Disipativni material se dovolj hitro sam po sebi razelektri v zrak in izgublja elektrostatični naboj. Manjša je površinska upornost, krajši je čas razelektritve. Materiali s površinsko upornostjo, manjšo od 105Ω, se nikoli ne naelektrijo. Imenujemo jih elektrostatično prevodni materiali.
Površinska upornost ni enaka električnim upornostim v bakrenih električnih vodnikih. Površinska upornost se lahko zelo spreminja, nanjo vplivajo vlaga v zraku, higroskopičnost materiala, nečistoče na površini, površinski nanosi in drugo. Kako se izmeri, je prikazano na sliki.
Poleg pri hoji, pri kateri se podplat čevlja zelo ostro, hitro in ponavljajoče se ločuje od talne površine, nastane veliko elektrostatične elektrine tudi med dotikanjem dveh naelektrenih materialov, pomikanjem enega materiala po drugem ali upogibanjem enega samega materiala, sestavljenega iz različnih molekul dodatkov, barve, reciklaže in drugega. Denimo naš elektrostatični naboj se delno prenese na drugo osebo, ko ji damo roko, ali se del naboja z našega telesa prenese na avtomobil. Včasih to čutimo, včasih ne, včasih pa to čuti druga oseba ob stisku roke.
Elektrostatična naelektritev se doseže tudi z visokonapetostnim učinkom korone na ostrih konicah nad izoliranimi ali neozemljenimi prevodnimi predmeti.
Telesa se naelektrijo pozitivno ali negativno, odvisno od dielektričnih lastnosti materiala. Materiali z visoko dielektričnostjo (bombaž, jeklo, les, trda guma, poliester, polietilen, PVC, PTFE) se naelektrijo negativno, materiali, kot so aluminij, svila, krzno, volna, poliamid, sljuda ali steklo, in človekovo telo se naelektrijo pozitivno – ti imajo nizko dielektričnost, njihova skupna lastnost pa je še, da so higroskopični. Iz posebnih tabel se da odčitati, kateri materiali so medsebojno bolj ali manj dovzetni za naelektritev. Na preostanek naelektritve vplivajo še drugi dejavniki, na primer temperatura in električni naboj.
Elektrostatičnost se torej ustvarja z drgnjenjem, ločevanjem ali upogibanjem dveh teles. Takšno naelektritev imenujemo tudi torna naelektritev. Torna naelektritev tako nastane ob vsakem koraku, ko se peta čevlja in nato še podplat dvigujeta in ločujeta od talne površine. Vendar je to šele prva faza naelektritve človekovega telesa. Kadar nosimo obuvala s podplatom, ki je električni izolator, se pojavi še druga faza naelektritve, imenovana elektrostatična indukcija (tudi influenca), ki polarizira elektrostatično naelektritev telesa. Učinek elektrostatične indukcije se pojavi na prevodnem telesu (človekovo telo med hojo), ki se dotika elektrostatično naelektrenega predmeta (izoliran podplat čevlja) ali je v njegovi bližini. Torej sploh ni potrebno, da se prevodno telo dotika elektrostatično naelektrenega izolatorja. Električne sile elektrostatičnega polja, ki jih okrog sebe ustvarja elektrostatični izolator, so dovolj močne, da polarizirajo molekule v izolatorju. Te sile naelektrenega telesa ustvarijo v bližnjem, sosednjem prevodnem materialu (človekovo telo) premik pozitivno in negativno naelektrenih delcev. Če je elektrostatično polje pozitivno, sile pritegnejo k sebi negativno naelektrene delce prevodnika, če pa je negativno, pritegnejo k sebi pozitivne delce.
Korak za korakom in naelektritev med hojo
Oseba stoji na sintetični talni površini. Talna površina je dober električni izolator in seveda ni ozemljena. Izolator ne prevaja električnega toka, zato ga ni smiselno električno ozemljiti, saj bi se ob ozemljitvenem kontaktu le lokalno nekoliko razelektril.
Oseba ima obute čevlje. Čevlji imajo podplat, ki je električni izolator.
Metoda merjenja napetosti v dlani roke (ali dinamični test hoje) ustreza standardu IEC 61340-4-5. Oseba drži v roki merilno kovinsko elektrodo, ki prav tako ustreza omenjenemu standardu, enako velja za merilni instrument, ki je dejansko voltmeter z zelo visoko vhodno upornostjo (> 1014Ω).
Oseba miruje. Ker se ne giblje, seveda ne more generirati elektrostatičnega naboja, zato je njeno telo električno nevtralno.
Oseba hitro dvigne levo nogo.
Med gibanjem in ločevanjem dveh materialov – talne površine in podplata čevlja – so ustvarjene dobre razmere za nastanek elektrostatičnega naboja. V tem primeru se je talna površina naelektrila pozitivno (naelektritev ima lahko tudi nasproten predznak). Elektrostatični naboj ostane na površini tal, ker so ta izolator. Izolator je tudi podplat, zato se naelektri nasprotno kot talna površina, torej negativno. Elektrostatični naboj s podplata, ki je izolator, ne more steči v zrak niti v človekovo telo.
Sila elektrostatične indukcije pritegne iz človekovega telesa v spodnji del noge k podplatu vse pozitivne delce. Spodnji del noge postane električno pozitiven. Ker je podplat električni izolator, se pozitivni delci v spodnjem delu noge ne morejo »nevtralizirati« z negativnim nabojem v podplatu. V zgornjem delu telesa ostanejo samo negativni delci, zaradi odbojne sile negativnega naboja v podplatu se celo odmaknejo od obuvala leve noge. Zgornji del telesa, in seveda tudi dlan, postane negativno naelektren.
V enem izmed prejšnjih odstavkov je bilo sicer omenjeno, da se človekovo dobro prevodno telo po naravi naelektri pozitivno, vendar v tem primeru druga faza naelektritve z indukcijo spremeni električni naboj telesa. Ob drugačni naelektritvi talne površine z negativnim nabojem in zaradi tega naelektritve čevlja s pozitivnim se seveda spremeni naelektritev dlani. Na drugačen električni naboj odločilno vpliva povezava med materialom talne površine in materialom podplata čevlja.
Pri hoji, ko se ponavlja korak za korakom, se elektrostatični naboj ustvarja izmenoma pod levo in desno nogo. Elektrostatična indukcija se seveda odziva na elektrostatični naboj na podplatu levega in desnega čevlja.
Daniel Knez, u. d. i. e.
Fotografije: arhiv avtorja
Kot obuvala so tudi talne površine naših poti postale udobne in lepe. Iz narave se umikamo v zaprte, klimatizirane prostore z velikimi talnimi površinami iz sintetičnih materialov. Sodobne površine so lepe, dolgo uporabne ter preproste za čiščenje in vzdrževanje. Med hojo po takih tleh se velikokrat pojavlja elektrostatika. Verjetno ni nikogar, ki je še ni občutil na svoji koži ali ki se ne bi srečal z različnimi zaporami, ukrepi in postopki za odpravljanje elektrostatike v posebnih prostorih (elektronska industrija, servisi elektronike, prostori, kjer obstaja nevarnost eksplozije, skladišča, bolnišnice, prostori, kjer se proizvajajo zdravila, kjer se lakira, kopiči prah …).
Splošno o elektrostatiki
Elektrostatika je povsem naravni pojav. Star je toliko, kolikor so stari elektroni in atomi, torej še bolj kot Zemlja. Pogost in zelo znan naravni pojav elektrostatike je strela, ki jo radi spremljamo od daleč in s strahospoštovanjem. Elektrostatične razelektritve strele človek ne more v celoti obvladati. Strela je lahko zelo nepredvidljiva in nabita z dovolj električne energije, da povzroča veliko škodo in tudi ubija.
Obkrožajo nas nenehno bežeči elektroni in porajajoči se ostanki atomov brez elektronov. Oboji nenehno nastajajo in izginjajo. Ta svet atomov in elektronov je za nas tako majhen, da si ga težko predstavljamo in razumemo. Da bi ga merili z metrom, bi morala biti njegova lestvica od 0,000.000.000.1- do 0,000.000.000.000.001-krat manjša kot pri navadnem metru. Tam je svet elektrike, tiste, ki teče po daljnovodih in žicah v hišnih in tovarniških napeljavah 230 oziroma 380 voltov. In to je tudi svet elektrostatike, tiste, ki se nenehno ustvarja povsod okrog nas, tudi pri hoji po sintetičnih talnih površinah. Obe, elektrika in elektrostatika, imata iste »starše« in zato tudi »gene«, zaradi česar se obe obnašata enako. Pomemben Ohmov zakon v elektrotehniki velja tudi za elektrostatiko. Enako se preračunavajo vzporedno priključeni kondenzatorji, velja tudi časovna konstanta naelektritve in razelektritve z električno napetostjo …
Elektrostatika se pojavlja bolj ali manj pri mnogih vsakdanjih opravilih: česanju las, božanju dlake, hoji po sintetični preprogi ali PVC-ploščicah, slačenju sintetičnih oblačil, dotiku kljuke na vratih, jutranjem dotiku avtomobila pozimi, sedenju v avtomobilu, odvijanju lepilnega traku, nasipavanju sipkih materialov, nabiranju nečistoč na plastičnih površinah, brisanju plastičnih površin, navijanju rol plastike … Pojav elektrostatike ni vedno enak, velikokrat tudi ni ponovljiv. Marsikdo je že ugotovil, da je elektrostatike več pozimi kot poleti. Pozimi nas strese, ko se dotaknemo parkiranega avtomobila, poleti pa se to ne zgodi. Zakaj? Pojav elektrostatike je odvisen od mnogih dejavnikov. Zanjo pogosto velja, da je nepredvidljiva: danes je, jutri je ni več in ne ve se, zakaj in kam je odšla.
Že od začetka so ljudje ob pojavu strele gojili spoštovanje in strah do tega naravnega pojava, saj je bil zanje nekaj mističnega. Okrog leta 1570 so s poskusi ugotovili, da je mogoče s trenjem ustvariti pojav, za katerega niso vedeli natančno, kaj je in kako nastane; opazili so le, da lahko ustvarijo privlačnost med različnimi materiali. V 17. in 18. stoletju je postala elektrostatika prava moda. Na podlagi poskusov so nastale naprave za generiranje elektrostatike, instrumenti za njeno merjenje, kondenzatorji za skladiščenje elektrostatične električne energije – leta 1746 so poskusi z elektrostatiko zahtevali tudi prvo žrtev, in sicer zaradi neprevidnega ravnanja z nabitimi električnimi kondenzatorji.
Elektrostatika je postala resna težava s proizvodnjo smodnika in industrijsko revolucijo. Po letu 1960 je bila še enkrat spoznana za veliko težavo v proizvodnji polprevodniških elektronskih komponent, visoko integriranih polprevodniških vezij, senzorjev … Vse te komponente se namreč izdelujejo v milijonskih serijah in že najmanjši delež izmeta zaradi elektrostatike povzroča proizvajalcu velike nepotrebne stroške. Zdaj kar tri četrtine cene sodobnega avtomobila sestavlja vrednost vgrajene elektronike, izdelane v prostoru EPA. To je posebej urejen in organiziran prostor, v katerem so ustvarjene posebne razmere za obvladovanje in odpravljanje nezaželene elektrostatike.
Za marsikoga pa je že pravi mali šok elektrostatična razelektritev na konici prsta. Ta nelagodni občutek zbuja strah, zaradi nepoznavanja elektrostatike pa se krivec za ta neljubi pojav ponavadi išče na napačni strani.
Kaj je elektrostatika?
Elektrostatični naboj nastane zaradi pretvarjanja mehanskega dela v električno energijo. Po temeljnih pravilih fizike je energija enaka vloženemu delu, vsaka energija pa je neuničljiva in se le pretvarja iz ene oblike v drugo. Tehnično nastane elektrostatična naelektritev zaradi neuravnoteženega števila elektronov na površini materiala. Presežek elektronov ustvari negativni, primanjkljaj pa pozitivni elektrostatični naboj. Ko se dva materiala tesno dotikata, se zbližuje množica atomov obeh snovi na obeh površinah in tudi v globini – do približno 10 nanometrov. Atomi so navzven vedno električno nevtralni. Zaradi svoje majhnosti elektroni, ki krožijo okrog jedra v svojem atomu, radi prehajajo v sosednji material. Če oba materiala dovolj hitro ločimo, se celotna množica elektronov ne more vedno vrniti v matično snov. V matičnem materialu tako ostanejo atomi brez elektronov, takšni pa imajo pozitivni električni naboj. Matični material postane zato po ločitvi pozitivno naelektren.
Zaradi medsebojnih vplivov elektronov in atomov le v globini 10 nanometrov v enem materialu velja, da se elektrostatični naboj pojavlja le na površini telesa. Ta površinski elektrostatični naboj ustvarja okrog telesa elektrostatično polje, ki z elektrostatičnimi silami »na daljavo« vpliva na okolico.
Elektroni so vedno negativno naelektreni. Elektroni, ki so ostali v drugem materialu, kot presežek ustvarijo negativni naboj, zato postane drugi material po ločitvi negativno naelektren. Takšen proces naelektritve se ponavlja med hojo tako rekoč ob vsakem koraku. Moč naelektritve je seveda odvisna od vrste obuval in vrste talne površine. Ker je število presežnih elektronov in zaradi tega ostankov atomov brez elektronov zelo veliko, se človekovo telo med hojo s plastičnimi čevlji po sintetični talni površini ali PVC-ploščicah naelektri tudi na več kot 3.000 voltov.
Sodobni sintetični materiali imajo svoje atome zgrajene z množico zunanjih elektronov, ki krožijo okrog atomskega jedra na večjih razdaljah. Zaradi tega laže pobegnejo iz svojega atoma in ostanejo v sosednjem materialu. Sintetične talne površine se zaradi tega veliko bolj naelektrijo kot talne površine iz naravnih materialov. Vendar, pozor! Za elektrostatično naelektritev je dovolj, če je le eno od dotikajočih se teles elektrostatični izolator. Če je prvo telo električni prevodnik, na primer kovinska plošča na tleh, bo drugo telo, denimo čevelj s plastičnim podplatom, postalo električno naelektreno. Torej je napačno razmišljanje, da hoja po kovinski talni površini ne naelektri.
Elektrostatični izolatorji so vsi materiali, katerih površinska upornost (Rp) je večja od 1011Ω (100 GΩ ali 0,1 TΩ). Površinska upornost pokaže, kako intenzivno lahko elektrostatični naboj odteka z naelektrene površine v zrak. Če je površinska upornost večja od 1011Ω, se naelektrena površina sama po sebi ne bo nikoli razelektrila. Če je površinska upornost manjša od 1011Ω, vendar večja od 105Ω, se takšni materiali sicer malenkost naelektrijo, vendar je mehanizem razelektritve hitrejši od naelektritve. To so elektrostatično disipativni materiali. Disipativni material se dovolj hitro sam po sebi razelektri v zrak in izgublja elektrostatični naboj. Manjša je površinska upornost, krajši je čas razelektritve. Materiali s površinsko upornostjo, manjšo od 105Ω, se nikoli ne naelektrijo. Imenujemo jih elektrostatično prevodni materiali.
Površinska upornost ni enaka električnim upornostim v bakrenih električnih vodnikih. Površinska upornost se lahko zelo spreminja, nanjo vplivajo vlaga v zraku, higroskopičnost materiala, nečistoče na površini, površinski nanosi in drugo. Kako se izmeri, je prikazano na sliki.
Poleg pri hoji, pri kateri se podplat čevlja zelo ostro, hitro in ponavljajoče se ločuje od talne površine, nastane veliko elektrostatične elektrine tudi med dotikanjem dveh naelektrenih materialov, pomikanjem enega materiala po drugem ali upogibanjem enega samega materiala, sestavljenega iz različnih molekul dodatkov, barve, reciklaže in drugega. Denimo naš elektrostatični naboj se delno prenese na drugo osebo, ko ji damo roko, ali se del naboja z našega telesa prenese na avtomobil. Včasih to čutimo, včasih ne, včasih pa to čuti druga oseba ob stisku roke.
Elektrostatična naelektritev se doseže tudi z visokonapetostnim učinkom korone na ostrih konicah nad izoliranimi ali neozemljenimi prevodnimi predmeti.
Telesa se naelektrijo pozitivno ali negativno, odvisno od dielektričnih lastnosti materiala. Materiali z visoko dielektričnostjo (bombaž, jeklo, les, trda guma, poliester, polietilen, PVC, PTFE) se naelektrijo negativno, materiali, kot so aluminij, svila, krzno, volna, poliamid, sljuda ali steklo, in človekovo telo se naelektrijo pozitivno – ti imajo nizko dielektričnost, njihova skupna lastnost pa je še, da so higroskopični. Iz posebnih tabel se da odčitati, kateri materiali so medsebojno bolj ali manj dovzetni za naelektritev. Na preostanek naelektritve vplivajo še drugi dejavniki, na primer temperatura in električni naboj.
Elektrostatičnost se torej ustvarja z drgnjenjem, ločevanjem ali upogibanjem dveh teles. Takšno naelektritev imenujemo tudi torna naelektritev. Torna naelektritev tako nastane ob vsakem koraku, ko se peta čevlja in nato še podplat dvigujeta in ločujeta od talne površine. Vendar je to šele prva faza naelektritve človekovega telesa. Kadar nosimo obuvala s podplatom, ki je električni izolator, se pojavi še druga faza naelektritve, imenovana elektrostatična indukcija (tudi influenca), ki polarizira elektrostatično naelektritev telesa. Učinek elektrostatične indukcije se pojavi na prevodnem telesu (človekovo telo med hojo), ki se dotika elektrostatično naelektrenega predmeta (izoliran podplat čevlja) ali je v njegovi bližini. Torej sploh ni potrebno, da se prevodno telo dotika elektrostatično naelektrenega izolatorja. Električne sile elektrostatičnega polja, ki jih okrog sebe ustvarja elektrostatični izolator, so dovolj močne, da polarizirajo molekule v izolatorju. Te sile naelektrenega telesa ustvarijo v bližnjem, sosednjem prevodnem materialu (človekovo telo) premik pozitivno in negativno naelektrenih delcev. Če je elektrostatično polje pozitivno, sile pritegnejo k sebi negativno naelektrene delce prevodnika, če pa je negativno, pritegnejo k sebi pozitivne delce.
Korak za korakom in naelektritev med hojo
Oseba stoji na sintetični talni površini. Talna površina je dober električni izolator in seveda ni ozemljena. Izolator ne prevaja električnega toka, zato ga ni smiselno električno ozemljiti, saj bi se ob ozemljitvenem kontaktu le lokalno nekoliko razelektril.
Oseba ima obute čevlje. Čevlji imajo podplat, ki je električni izolator.
Metoda merjenja napetosti v dlani roke (ali dinamični test hoje) ustreza standardu IEC 61340-4-5. Oseba drži v roki merilno kovinsko elektrodo, ki prav tako ustreza omenjenemu standardu, enako velja za merilni instrument, ki je dejansko voltmeter z zelo visoko vhodno upornostjo (> 1014Ω).
Oseba miruje. Ker se ne giblje, seveda ne more generirati elektrostatičnega naboja, zato je njeno telo električno nevtralno.
Oseba hitro dvigne levo nogo.
Med gibanjem in ločevanjem dveh materialov – talne površine in podplata čevlja – so ustvarjene dobre razmere za nastanek elektrostatičnega naboja. V tem primeru se je talna površina naelektrila pozitivno (naelektritev ima lahko tudi nasproten predznak). Elektrostatični naboj ostane na površini tal, ker so ta izolator. Izolator je tudi podplat, zato se naelektri nasprotno kot talna površina, torej negativno. Elektrostatični naboj s podplata, ki je izolator, ne more steči v zrak niti v človekovo telo.
Sila elektrostatične indukcije pritegne iz človekovega telesa v spodnji del noge k podplatu vse pozitivne delce. Spodnji del noge postane električno pozitiven. Ker je podplat električni izolator, se pozitivni delci v spodnjem delu noge ne morejo »nevtralizirati« z negativnim nabojem v podplatu. V zgornjem delu telesa ostanejo samo negativni delci, zaradi odbojne sile negativnega naboja v podplatu se celo odmaknejo od obuvala leve noge. Zgornji del telesa, in seveda tudi dlan, postane negativno naelektren.
V enem izmed prejšnjih odstavkov je bilo sicer omenjeno, da se človekovo dobro prevodno telo po naravi naelektri pozitivno, vendar v tem primeru druga faza naelektritve z indukcijo spremeni električni naboj telesa. Ob drugačni naelektritvi talne površine z negativnim nabojem in zaradi tega naelektritve čevlja s pozitivnim se seveda spremeni naelektritev dlani. Na drugačen električni naboj odločilno vpliva povezava med materialom talne površine in materialom podplata čevlja.
Pri hoji, ko se ponavlja korak za korakom, se elektrostatični naboj ustvarja izmenoma pod levo in desno nogo. Elektrostatična indukcija se seveda odziva na elektrostatični naboj na podplatu levega in desnega čevlja.
Daniel Knez, u. d. i. e.
Fotografije: arhiv avtorja
