TU Liberec, Hálkova 6, 461127 Liberec 1

Klíčová slova: triboelektřina, prehistorie, historie, elektrostatika, teorie, aplikace.

1. Úvod

Elektrostatika a magnetostatika se zabývala již od samého počátku neviditelnými a nevažitelnými jevy, které byly pozorovány již v samých počátcích civilizace. I když v přírodě existovaly elektrické jevy , jejichž důsledkem byly blesky a hromy a elektrické ryby jako úhoři a rejnoci, považovaly se první jako projev božstva a druzí jako projev vystříknutí látky na nepřítele než jako jevy, které by souvisely s jevy vznikajícími třením. Muselo uplynout mnoho staletí, než se podařilo tyto jevy uvést do souvislosti a než vznikla elektrostatika a byly poznány její zákonitosti.

V literatuře se uvádí, že první pozorování jevů, které byly později nazvány elektrické, bylo již v raných říčních civilizacích Sumerů, Babyloňanů a Egypťanů při spřádání vláken. Přadleny pozorovaly jevy odpuzování spřádaných vláken, a přitahování malých tělísek a částic k vláknům při jejich vzájemném tření s lidskými prsty. Přadleny vnímaly i pichlavý pocit na konečcích prstů a pozorovaly v temnu světelkování. Tyto jevy byly pozorovány později i ve starém Řecku, kde se pokročilo i při studiu těchto jevů poněkud dále.

První vědec, který napsal v roce 1269 dílo o magnetismu a elektřině byl francouz P. Peregrinus de Marecourt a nazval je Epistolae de magnete. Teprve později kolem roku 1600 následovalo dílo anglického lékaře W.Gilberta De magnete. To obsahovalo i části o triboelektřině. Gilbert v něm rovněž ukázal, že kromě jantaru existují i další látky jevící triboelektřinu jako je diamant, křemen, síra a sklo. Ztribozelektrované předměty pak přitahují kovy, dřevo, prášky, vodu, olej a další. Gilbert také navrhl jako první zařízení k indikaci triboelektřiny předchůdce elektroskopu nazývaný Gilbertovo versarium. Gilbert pozoroval pouze přitažlivé elektrické síly. Teprve v roce 1629 Nicolo Cabelo zjistil i elektrické síly odpudivé, které znovuobjevil v roce 1672 Otto von Guericke a popsal veškeré známé elektrické jevy v díle Experimenta nova. Najdeme v něm jednoduchá zařízení k vytváření triboelektřiny, znázorněné na obr.1 , které sám zdokonalil a jejich zdokonalená verze je na obr.2. Experimenty Němce Guerickea byly zopakovány v Anglii R.Boylem. Cesty pokroku v elektřině byly křivolaké a pomalé.

K dalšímu významnému pokroku v elektřině došlo až v roce 1729, kdy Angličan S.Gray rozdělil látky podle pohyblivosti elektřiny na vodiče a izolátory. V roce 1733 začal rozlišovat Francouz Ch.F. Du Fay de Cistenay dva druhy elektřiny, které podle původu nazval sklovou a pryskyřicovou. Ukázal, že stejné druhy elektřiny se odpozují a nestejné přitahují. O třináct let později nazval B.Franklin sklovou elektřinu kladnou a pryskyřicovou zápornou. Kolem roku 1740 vynalezli Němec J.Kleinst a Holanďan P. van Muschenbroek zařízení k hromadění elektřiny, které nazvali kondenzátory. V druhém případě šlo o láhev naplněnou z poloviny vodou, do níž byl elektrický náboj přiváděn měděným drátem. Podstata je uvedena na obr.3. Pro měření (tribo)elektřiny sestrojil již v roce 1745 Richmann elektrometr, jehož princip pochopíme z obr.4.

Pokusy s triboelektřinou prováděl rovněž G.W.Leibnitz, který pozoroval při větším náboji elektrické jistry podobně jako Guericke. Ty pak srovnával s bleskem. Přímý důkaz, že blesk má elektrickou podstatu byl však obtížný. Ujali se ho tři současníci, a to Američan B.Franklin, v Rusku G.W.Richmann a v Čechách Prokop Diviš ( Jan Divíšek). Richmann tyto pokusy za bouřky zaplatil životem. Praktickým výsledkem jejich činnosti byly bleskosvody.

Když byl již rozeznáván kladný a záporný náboj, začaly se uspořádávat materiály do triboelektrické řady. Kladný konec řady dáváme nahoru, záporný dolu. Třeme-li dvě látky o sebe je látka kladně nabitá umístěna vzhledem k záporně do horní části, záporně nabitá do dolní části triboelektrické řady. První triboelektrickou řadu sestavil a uveřejnil v roce 1757 J.C.Wilcke v Rostocku. Sestavování triboelektrických řad, které mají své použití, následovalo pak až do současnosti. Za příklad může sloužit pět triboelektrických řad pěti autorů uvedených v tab.1,

Lehmicke Grüner Hersch, Montgomery Frotscher

58% RH 33%RH,30oC 35%RH 65%RH

+ + + + +

sklo vlna vlna sklo sklo

lidský vlas nylon nylon vlna vlna

vlna silon acetátové hedvábí ocel viskoza

hedvábí terylen PVA bavlna bavlna

bavlna papír PVC PES PAN

papír ocel PE PAN ocel

ocel sklo saran PE PES

- - - - -

Z tab.1 vyplývá, že triboelektřina zavisí také na relativní vlhkosti (RH) a teplotě. Lze očakávat, že triboelektřina je strukturně senzitivní vlastností, neboť je závislá na stavu povrchu materiálu.

První výklad (teorii) triboelektřiny předložili řečtí filosofové Thales z Milétu a Demokritos z Abdairy. Poněvadž jde o jevy neviditelné a nevažitelné, přisoudili je jako projev života spojené s duchem či duší živých organismů a bytostí.

V první polovině 18. století vznikl pojem elektrického náboje a vznikla duální a unitární teorie (tribo)elektřiny. V obou teoriích je elektřina neviditelná a nevážitelná tekutina. V duálním pojetí existují dva typy elektřiny kladná (sklová) a záporná (pryskyřicová), kdežto při unitárním pojetí pouze jediný typ. Jeho přebytek způsobuje kladné nabití předmětu, jeho nedostatek záporné.

Nové semikvantitativní hledisko do teorie triboelektřiny přinesli A.Volta a H.Helmholtz svými hypotézami. Volta navrhl v roce 1779, že triboelektřina vzniká kontaktem mezi třenými tělesy a Helmholtz doplnil tyto představy vznikem elektrické dvojvrstvy kladně a záporně nabité a tvořící rovinný kondenzátor. Jeden náboj je na jednom tělese a opačný na druhém. Při jejich oddálení klesá kapacita kondenzátoru a při konstantním náboji roste vzniklé napětí.

Složitost triboelektrických jevů spočívá v jejich špatné reprodukovatelnosti, což má řadu příčin. Některé z nich je možné vysvětlit tím, že na triboelektříně se podílejí i jiné mechanismy, než je pouhý přenos náboje dotykem. Henry v [7] navrhl i jiné mechanismy ke vzniku elektrické dvojvrstvy, a to přenosem nabitých částic při tření z jednoho objektu na druhý. Kromě toho je možný vznik elektrické dvojvrstvy difúzí a temodifúzí nabitých částic. Na vzniku tribonáboje se mohou podílet i pyroelektřina,piezoelektřina a další mechanismy přenosu náboje, vysvětlitelné na základě moderní teorie fyziky pevných látek a teorie fyziky povrchů. V tom jsou problémy triboelektřiny ještě stále otevřené.

Dalším pokrokem při rozvoji elektřiny bylo určení polokvantitativního a kvantitativního zákona silového působení mezi náboji. O zákonu silového působení mezi náboji s nepřímou úměrnosti čtverci vzdálenosti mezi náboji vyslovil první hypotézu F.U.M.T. Aepinus. Stejné předpoklady o silovém působení mezi náboji vyjádřil i D.Bernoulli v roce 176O. V roce 1767 Angličan J.Priestley ve své knize History of electricity tvrdil, že ze současných experimentálních skutečností síly působící mezi náboji jsou nepřímo úměrné čtverci vzdáleností mezi nimi. Tento tvar zákona byl vytvořen analogií mezi působením gravitačním a elektrostatických sil. Ve svém díle Pristley psal : "Z provedených experimentů vyplývá, že síla přitahování elektrických nábojů nepodlého stejnému zákonu jako je zákon gravitační". Kolem roku 1790 H.Cavendish uskutečnil pokus, při kterém do duté koule, sestávající ze dvou polokoulí, vložil kouli potaženou kovovou folií a odizolovanou od kovových polokoulí. Otvorem ve vnější kouli propojil drátem vnější a vnitřní koule. Potom nabyl vnější kulovou slupku, oddělil polokoule a zjostil, že vnitřní koule byla bez náboje.Z toho Cavendish usoudil, že síly vzájemného působení mezi náboji musí být nepřímo úměrné čtvrci vzdálenosti. Své výsledky neuveřejnil. Výsledky vešly ve známost později.

Triboelektřina se projevuje při využití jako jev parazitní i konstruktivní. Kromě toho, že se podílí spolu s elektrostatickou indukcí na vzniku velkých nábojů při proudění vzduchu atmosferické elektřině, vyskytuje se její působení i v technické praxi. Jako parazitní jev se stává nebezpečným v prostředích, kde po vzniku jistry při výboji náboje vzniklém třením, existuje zápalné případně výbušné prostředí, jako je tomu v textilních provozech, lakovnách a pod. Třením benzinových par v umělohmotových kanystrech, může dojít rovněž k výbuchu. Třením suchého vzduchu o karoserii automobilů, dochází k nabíjení karoserie. Podobně je tomu i u letadel a raket.

6. Literatura

[1] Zajac,R., Šebesta, J.: Historické pramene súčasnoj fyziky 1. Alfa Bratislava 1990,str.19,200.

[2] Schick,M.J.: Surface characteristics of fibres and textiles. Part I. Marcel Dekker. New York 1975 str.227.

[3] Spasskij, B.I.: Istorija fiziki. Vyššaja škola ,Moskva 1977, str.169.

[4] Wilcke,J.C.: Disputatio Physica Experimentalis de Electricitatibus Contrariis. Rostocká akademie 1757.

[5] Henry,P.S.A.: Brit.J.Appl.Phys. Supplement No.2. 4,1957 str. 86.

[7] Sodomka,L.: Triboelektrická textilní zarážka. Textil 36,1981, str. 82.