Hodanje i elektrostatika

Hodanje je jedna od primarnih potreba čovjeka. Suvremene tehnologije i materijali nude nam veliku udobnost prilikom hodanja, pri svakom koraku. Naša obuća izrađena je većinom od prvoklasnih umjetnih materijala, koji je čine vrlo udobnom, laganom i prikladnom za nošenje. Tako je brzo hodanje postalo nešto uobičajeno, a namjena mu je – što prije stići na cilj.

Kao i obuća, i podne površine na koje nailazimo na našim putovima postale su udobne i lijepe. Iz prirode ulazimo u naše zatvorene, klimatizirane prostore s velikim podnim površinama od sintetičkih materijala. Suvremene površine su lijepe, mogu se dugo koristiti i uz to su jednostavne za čišćenje i održavanje. Tijekom hodanja po takvim podovima često puta se pojavljuje elektrostatika. Vjerojatno nema osobe koja je već nije osjetila na svojoj koži ili koja se nije susrela sa različitim sredstvima za sprječavanje, mjerama i postupcima kojima se elektrostatika nastoji ukloniti iz posebnih prostora (elektronska industrija, servisi elektronike, prostori gdje postoji opasnost od eksplozije, iz skladišta, bolnica, prostora u kojima se proizvode lijekovi, gdje se lakira, gdje se gomila prašina…).

Općenito o elektrostatici
Elektrostatika je posve prirodna pojava. Stara je toliko, koliko su stari i elektroni i atomi, ili točnije rečeno – koliko je stara i Zemlja. Učestala i svima poznata prirodna pojava elektrostatike je munja, koju rado zamjećujemo samo izdaleka i sa strahopoštovanjem. Elektrostatičkim pražnjenjima munja čovjek ne može ovladati u cijelosti. Munja može biti posve nepredvidiva i nabijena s dovoljnom količinom električne energije koja može izazvati velike štete, pa i ubiti.

k29-DanielKnez-01-300.jpgOkružuju nas elektroni u neprestanom kretanju i rađaju se ostaci atoma bez elektrona. Izbijanja nastaju i nestaju bez prekida. Taj svijet atoma i elektrona je za nas toliko malešan, da si ga samo vrlo teško možemo predočiti ili shvatiti. Kada bismo ga poželjeli izmjeriti metrom, njegova bi ljestvica morala biti od 0,000.000.000.1- do 0,000.000.000.000.001-puta manja od one na uobičajenom metru. Tamo je svijet struje, one koja teče po dalekovodima i žicama u kućanskim i tvorničkim vodovima od 230 odnosno 380 volta. Ali, to je također i svijet elektrostatike, one koja se neprekidno stvara posvuda oko nas, pa i dok hodamo po sintetičkim podnim površinama. Obje, elektrika i elektrostatika, imaju iste »roditelje«, a zbog toga i iste »gene«, radi čega se obje i ponašaju jednako. Važan Ohmov zakon u elektrotehnici važi jednako tako i za elektrostatiku. Jednako se izračunavaju usporedno priključeni kondenzatori, a važi i vremenska konstanta naelektriziranosti i pražnjenja električnog napona…

Elektrostatika se pojavljuje više ili manje kod obavljanja mnogih svakidašnjih poslova: češljanja kose, milovanja dlake, hodanja po sintetičkom sagu ili PVC-pločicama, skidanja sintetičkih odjevnih predmeta, dodirivanja kvake na vratima, jutarnjeg dodira automobila zimi, sjedenja u automobilu, odmotavanja ljepljive trake, nasipavanja sipkih materijala, nakupljanju nečistoća na plastičnim površinama, brisanja plastičnih površina, namotavanja rola plastike … Pojava elektrostatike nije uvijek jednaka, a mnogo puta se više ne može ni ponoviti. Poneko je već i sam utvrdio da elektrostatike ima više tijekom zime nego tijekom ljeta. Zimi će nas protresti ako se dotaknemo parkiranog automobila, no ljeti se to ne događa. Zašto? Pojava elektrostatike ovisna je o mnogim čimbenicima. Za nju često važi da je nepredvidiva – danas je ima, sutra više ne, a da se ne zna ni zašto, a niti kuda je otišla.
Još od samih svojih početaka ljudi su osjećali poštovanje i strah pred prirodnom pojavom koju zovemo munjom – kao da je oko nje oduvijek bilo nečega mističnoga. Oko 1570. godine su pokusima utvrdili da je trenjem moguće izazvati pojavu za koju nisu točno znali što je, a niti kako nastaje; opazili su tek da se može ostvariti privlačnost između različitih materijala. No, u 17. i 18. stoljeću elektrostatika je postala pravom modom. Na temelju pokusa su nastale naprave za generiranje elektrostatike, instrumenti za njezino mjerenje, kondenzatori za skladištenje elektrostatičke električne energije, a 1746. godine su pokusi s elektrostatikom uzeli i svoju prvu žrtvu, i to radi neopreznog upravljanja nabijenim električnim kondenzatorima.

Elektrostatika je postala istinskom poteškoćom za proizvodnju baruta i u doba industrijske revolucije. Nakon 1960. godine bila je još jednom prepoznata kao velika poteškoća u proizvodnji poluprovodnih elektronskih komponenata, visoko integriranih poluprovodnih spojeva, senzora … Naime, sve te komponente izrađuju se u milijunskim serijama pa zbog elektrostatike već i najmanji udio otpada uzrokuje proizvođaču velike nepotrebne troškove. Danas već tri četvrtine cijene suvremenog automobila sačinjava vrijednost elektronike ugrađene u njega, koja se izrađuje u prostoru EPA. To je zasebno uređen i organiziran prostor, u kojemu su ostvareni posebni uvjeti za nadvladavanje i uklanjanje neželjene elektrostatike.

Mnogi ipak i danas doživljavaju pravi mali šok zbog iznenadnog elektrostatičkog pražnjenja na vršku prsta. Taj osjećaj nelagode pobuđuje i strah, a krivac za tu neugodnu pojavu često se – zbog nepoznavanja elektrostatike – traži na pogrešnoj strani.

Što je elektrostatika?
Elektrostatički naboj nastaje radi pretvaranja mehaničkog rada u električnu energiju. Prema osnovnim pravilima fizike, energija je jednaka uloženom radu, a svaka je energija neuništiva i samo se pretvara iz jednog oblika u drugi. Tehnički gledano, elektrostatička naelektriziranost nastaje radi neuravnoteženog broja elektrona na površini nekog materijala. Pritom višak elektrona stvara negativni, a manjak pozitivni elektrostatički naboj. Kada se dva materijala dodirnu, mnoštvo atoma iz obiju tvari približi se na objema površinama, ali i u dubini – do približno 10 nanometara. Atomi su prema van uvijek električki neutralni. Zbog svoje neznatne veličine, elektroni – koji kruže oko jezgre u svojem atomu – rado prelaze u susjedni materijal. Ako oba materijala dovoljno brzo razdvojimo, čitavo se jedno mnoštvo elektrona ne može uvijek vratiti u svoju matičnu tvar. Tako u matičnom materijalu atomi ostaju bez elektrona, dok preostali imaju pozitivan električni naboj. Zato nakon razdvajanja matični materijal postaje pozitivno naelektriziran.

k29-DanielKnez-03-300.jpgZbog međusobnih utjecaja elektrona i atoma i na dubini od 10 nanometara u jednom materijalu važi, da se elektrostatički naboj pojavljuje i na površini tijela. Taj površinski elektrostatički naboj stvara oko tijela elektrostatičko polje, koje pomoću svojih elektrostatičkih sila »na daljinu« utječe na okolicu.

Elektroni su uvijek negativno naelektrizirani. Elektroni koji su ostali u drugom materijalu, kao višak u njemu stvaraju negativni naboj pa stoga drugi materijal nakon razdvajanja postaje negativno naelektriziran. Takav proces naelektriziranosti ponavlja se i tijekom hodanja, takoreći kod svakog našeg koraka. Naravno, snaga naelektriziranosti ovisi o vrsti obuće te o vrsti podne površine. Kako je broj elektrona koji su višak doista velik, a uslijed toga je velik i broj atoma koji je ostao bez elektrona, i ljudsko tijelo će se tijekom hodanja plastičnim cipelama po sintetičkoj podnoj površini ili PVC-pločicama također postupno naelektrizirati, i to na više od 3.000 volta.
Suvremeni sintetički materijali imaju svoje atome građene od mnoštva elektrona, vanjskih, koji oko jezgre atoma kruže na većim udaljenostima. Zbog toga i mogu lakše pobjeći iz svog atoma i ostati u susjednom materijalu. Sintetičke podne površine se radi toga mogu znatno više naelektrizirati nego podne površine od prirodnih materijala.

Ali, oprez! Za elektrostatičku naelektriziranost je dovoljno i ako je samo jedno od dva tijela koja se dodirnu – elektrostatički izolator. Ako je prvo tijelo električni provodnik, na primjer – metalna ploča na tlu, drugo će tijelo – recimo, cipela sa plastičnim potplatom – postati električki naelektrizirano. Dakle, pogrešno je misliti kako prilikom hodanja po metalnoj podnoj površini ne može doći do naelektriziranosti.

Elektrostatički izolatori su svi oni materijali kod kojih je površinski otpor (Rp) veći od 1011Ω (100 GΩ ili 0,1 TΩ). Površinski otpor pokazuje koliko intenzivno elektrostatički naboj može iz naelektrizirane površine izbiti u zrak. Ako je površinski otpor veći od 1011Ω, naelektrizirana površina se neće sama po sebi nikada razelektrizirati, to jest isprazniti. Ako je površinski otpor manji od 1011Ω, ali veći od 105Ω, takvi materijali će se malo naelektrizirati, ali će ovdje mehanizam pražnjenja biti brži od njihove elektrizacije. To su elektrostatički disipativni materijali. Disipativni materijal se sam po sebi dovoljno brzo prazni u zrak i gubi svoj elektrostatički naboj. Što je manji površinski otpor, kraće je i vrijeme pražnjenja. Materijali s površinskim otporom manjim od 105Ω nikada se neće naelektrizirati. Nazivamo ih elektrostatički provodnim materijalima.

k29-DanielKnez-04-300.jpgPovršinski otpor nije jednak električnim otporima u bakrenim električnim vodičima. Površinski otpor može se lako i bitno promijeniti, jer na njega utječu vlaga u zraku, higroskopnost materijala, nečistoće na površini, površinski nanosi i drugo. Kako se on mjeri, prikazano je na slici.
Osim prilikom hodanja, kod kojega se potplat cipele vrlo oštro, brzo i ponavljajući se odvaja od podne površine, velika količina elektrostatike nastaje i tijekom dodira dvaju naelektriziranih materijala, pomicanjem jednog materijala po drugom ili savijanjem samo jednog materijala, sastavljenog od različitih molekula dodataka, boje, reciklaže i drugoga. Recimo još da se naš elektrostatički naboj jednim dijelom prenosi na drugu osobu kada joj pružamo ruku, ili da se dio naboja iz našega tijela prenosi na automobil. Ponekad to osjećamo, ponekad i ne, a ponekad to osjeti druga osoba prilikom stiska ruke.

Elektrostatička naelektriziranost postiže se i visokonaponskim učinkom korone na oštrim rubovima iznad izoliranih ili neuzemljenih i provodnih predmeta.

Tijela se mogu naelektrizirati pozitivno ili negativno, ovisno o dielektričkim svojstvima materijala. Materijali s visokim svojstvom dielektričnosti (pamuk, čelik, drvo, tvrda guma, poliester, polietilen, PVC, PTFE) naelektrizirat će se negativno, a materijali poput aluminija, svile, krzna, vune, poliamida, škriljca ili stakla te ljudskog tijela naelektrizirat će se pozitivno – oni imaju nisku dielektričnost, a njihova je zajednička osobina još i to, da su higroskopni. Iz posebnih tabela može se očitati koji materijali su između sebe više ili manje skloni naelektriziranosti. Na naelektriziranost utječu i drugi čimbenici, primjerice temperatura i električni naboj.

Elektrostatičnost se stvara trljanjem, odvajanjem ili savijanjem dvaju tijela. Takvu naelektriziranost još nazivamo i frikcijskom naelektriziranošću. Ona nastaje kod svakog koraka, kad god se peta naše obuće, a za njom još i potplat podignu pa zatim odvoje od podne površine. No, to je tek prva faza naelektriziranosti ljudskoga tijela. Kada nosimo obuću s potplatom koji je električni izolator, pojavljuje se i druga faza naelektriziranosti, koju zovemo elektrostatičkom indukcijom (ponekad i influencom), koja polarizira elektrostatičku naelektriziranost tijela. Učinak elektrostatičke indukcije pojavljuje se na provodnom tijelu (ljudsko tijelo tijekom hodanja), koje se dodiruje s elektrostatički naelektriziranim predmetom (izolirani potplat cipele) ili je u njegovoj blizini. Međutim, zapravo niti nije potrebno da se provodno tijelo dodiruje s elektrostatički naelektriziranim izolatorom. Električne sile elektrostatičkog polja, koje oko sebe stvara elektrostatički izolator, dovoljno su snažne da mogu polarizirati molekule u izolatoru. Te sile naelektriziranoga tijela izazivaju u obližnjem, susjednom provodnom materijalu (ljudsko tijelo) pomicanje pozitivno i negativno naelektriziranih čestica. Ako je elektrostatičko polje pozitivno, sile privlače negativno naelektrizirane čestice provodnika, a ako je negativno, privlače si pozitivne čestice.

Korak za korakom i – naelektriziranost nastaje u hodu
Osoba stoji na sintetičkoj podnoj površini. Podna površina je dobar električni izolator i, naravno, nije uzemljena. Izolator ne provodi električnu struju i zato ga nema smisla električno uzemljiti, jer bi se pri uzemljenom kontaktu pomalo lokalno ispraznio.
Osoba ima obuvene cipele. One imaju potplat, koji je električni izolator.
Metoda mjerenja napona u dlanu ruke (ili dinamički test hodanja) odgovara standardu IEC 61340-4-5. Osoba drži u ruci metalnu mjernu elektrodu, koja isto tako odgovara spomenutom standardu, što važi i za mjerni instrument, u stvari – voltmetar s vrlo visokim ulaznim otporom (> 1014?).

k29-DanielKnez-05-300.jpgOsoba miruje. Budući da se ne kreće, naravno da ne može generirati ni elektrostatički naboj, pa je stoga njezino tijelo električki neutralno.

Tijekom kretanja i odvajanja dva materijala – podne površine i potplata cipele – ostvaruju se dobri uvjeti za nastajanje elektrostatičkog naboja. U ovom slučaju se podna površina naelektrizirala pozitivno (naelektriziranost može imati i suprotni predznak). Elektrostatički naboj ostaje na površini tla, jer je ono izolator. Izolator je i potplat, zato će se i naelektrizirati suprotno od podne površine, dakle – negativno. Elektrostatički naboj s potplata, koji je izolator, ne može otići ni u zrak, niti u ljudsko tijelo.

k29-DanielKnez-06-300.jpgOsoba brzo podiže lijevu nogu.

Sila elektrostatičke indukcije privlači sve pozitivne čestice iz ljudskoga tijela u donji dio noge, prema potplatu. Donji dio noge postaje električki pozitivan. Kako je potplat električni izolator, pozitivne čestice u donjem dijelu noge ne mogu se »neutralizirati« s negativnim nabojem u potplatu. U gornjem dijelu tijela ostaju samo negativne čestice, a radi odbojne sile negativnog naboja u potplatu one se odmiču od cipele lijeve noge. Tako gornji dio tijela, a time naravno, i dlan postaju negativno naelektrizirani.
U jednom od ranijih stavaka već je spomenuto da će se ljudsko tijelo – kao dobar provodnik – po svojoj prirodi naelektrizirati pozitivno, ali u ovom slučaju druga faza naelektriziranosti indukcijom mijenja električni naboj tijela. Kod drukčije naelektriziranosti podne površine negativnim nabojem te zbog toga naelektriziranosti cipele pozitivnim, naravno da se mijenja i naelektriziranost dlana. Na drukčiji električni naboj odlučujuće djeluje povezanost između materijala podne površine i materijala potplata cipele.
Prilikom hodanja, dakle – kada se ponavlja korak za korakom, elektrostatički naboj se stvara naizmjence ispod lijeve i desne noge. Elektrostatička indukcija se, naravno, odaziva na elektrostatički naboj na potplatu lijeve i desne cipele.

Daniel Knez, dipl.ing.el.
Fotografi je: arhiva autora

PODIJELI