[Domaća zadaća] Saša Ceci: Zašto nas ponekad ‘strese’ struja kad nekoga ili nešto dotaknemo?
Kad oblačimo vunenu vestu ili kaput, ili ustanemo s fotelje presvučene nekim sintetičkim materijalom, izgubimo hrpu elektrona. Manjak elektrona na našim rukama privlači elektrone u našem okolišu. Baš kao jediji u Ratovima zvijezda koristimo silu kojom djelujemo na naš okoliš. Pokušamo li tada uhvatiti metalnu kvaku od vrata dolazi do vrlo zanimljive manifestacije te sile.
[Domaća zadaća] Saša Ceci: Zašto nas ponekad ‘strese’ struja kad nekoga ili nešto dotaknemo?
Sila se budi
Stigla nam je zima, a s njom veći računi za grijanje i sve češće peckavo pucketanje koje osjetimo kad dotaknemo jedan drugoga ili neki metalni predmet. Ako nam se to događa u mraku, prilikom tog pucketanja primijetit ćemo i plavičasto svjetlucanje. Ne, ne postajemo polako imperator iz Ratova zvijezda koji nabijen tamnom stranom sile iz vrhova prstiju izbacuje munje. Ali ima neke veze sa silom. Evo o čemu se radi.
Kad dotaknemo dva različita materijala, atomi na njihovoj površini nađu se jako blizu jedan drugome. Neki od njih imaju samotne elektrone jako daleko od jezgre, toliko daleko da će ih i maleni poremećaj otrgnuti. Naša kosa, koža, najlon i staklo imaju dosta takvih atoma. S druge strane stiropor, guma i jantar imaju više atoma koji bliže jezgri imaju mjesta za još pokoji elektron. Tako kad napuhani gumeni balon protrljamo na glavi, guma preuzme dio elektrona od kose. Kosa postane pozitivno nabijena, a kako se isti naboji odbijaju, vlasi se malo razmaknu i postanemo lagano raščupani. Istovremeno balon je, pokupivši te elektrone, postao negativno nabijen. To možemo primijetiti tako da balon približimo kosi i vidimo da je privlači. Različiti naboji se privlače.
Takav balon možemo nasloniti na zid i on će se prilijepiti za njega iako sam zid nije nabijen. Naime, kad mu približimo balon s viškom elektrona, ti elektroni djeluju silom na električki nabijene čestice u zidu. Elektroni lagano odguruju elektrone koji su blizu površine zida pa ona postane lagano pozitivnije nabijena i tako se javlja sila koja balon drži uz zid.
Kad mi oblačimo vunenu vestu ili kaput, ili ustanemo s fotelje presvučene nekim sintetičkim materijalom, izgubimo hrpu elektrona. Manjak elektrona na našim rukama privlači elektrone u našem okolišu. Baš kao jediji u Ratovima zvijezda koristimo silu kojom djelujemo na naš okoliš. Pokušamo li tada uhvatiti metalnu kvaku od vrata dolazi do vrlo zanimljive manifestacije te sile. Smanjujući udaljenost između naše ruke i metalne kvake počinjemo jače privlačiti elektrone u kvaki. Oni se primaknu i rasporede tako da izvana izgleda kao da se u kvaki nalazi negativan naboj. U tom slučaju sila koja djeluje na električki nabijene dijelove atoma u zraku između ruke i kvake postaje dvostruko veća. Prvo elektrone u atomima privlači manjak negativnog naboja u našoj ruci, a onda ih još odbija višak negativnog u kvaki. Ista sila, ali u suprotnom smjeru djeluje na pozitivne atomske jezgre.
Sila jako ovisi o udaljenosti i drastično se povećava kako ruku približavamo kvaki. U jednom trenutku, na udaljenosti od oko jednog centimetra, ta sila postane dovoljno velika da istrgne elektrone iz atoma u zraku – dolazi do ionizacije. Takav plin koji se sastoji od slobodnih elektrona i iona nazivamo četvrtim agregatnim stanjem materije, odnosno plazmom. U ovom slučaju, mi taj fenomen nazivamo iskrom.
Iskra svijetli plavičastom bojom, zanimljivo baš poput svjetlosnog mača Lukea Skywalkera. Svjetlost nastaje kad se neki od slobodnih elektrona u plazmi ponovno spoji s nekim od pozitivnih iona. Oni se jako privlače, baš kao što Zemlja privlači sve predmete koji imaju masu. Znamo da kad nam čaša ili tanjur padnu na pod da je velika je šansa da će se razbiti. U padu sakupe dovoljno energije koja se oslobađa kod udarca. Ako se ne razbiju, odskočit će jer im je ostao taj višak energije. Da bi ostali na podu, moraju je nekako potrošiti. Elektroni na sličan način skupe energiju kad padaju na ion. Energija koju prikupe ne razbije elektron (to danas smatramo da je nemoguće) niti atom, već se oslobodi kao drugi oblik energije – svjetlost.
Osim plavičaste boje, znamo da iskra stvara i pucketavi zvuk, kao i ono karakteristično peckanje. To nema toliko veze s plazmom već s razlikom naboja na kvaki i ruci. Plazma se sastoji od nabijenih čestica pa jako dobro provodi električnu struju. Elektroni koji nam nedostaju s kvake kroz plazmu prođu do naše ruke. Naboji se izjednače i plazma, odnosno iskra, nestane. Dok struja prolazi kroz plazmu, plazma se zagrijava jer se čestice unutar nje više sudaraju pa se taj višak energije oslobađa kao toplina. Plazma i okolni zrak se tako jako zagriju i naglo prošire čime se stvara zvuk. Slično kao kad pukne balon.
Peckanje koje osjetimo ipak ne dolazi od te topline jer je energija i trajanje iskre jedva dovoljno da bismo je osjetili. Znamo da možemo kratko vrijeme držati prst u plamenu svijeće i da nećemo imati neki pretjerano neugodan osjećaj. Ono što osjetimo je prolazak struje kroz našu kožu koja aktivira sve živce u neposrednoj blizini. Mozak tako dobiva zbunjujući signal jer se istovremeno aktiviraju vrlo različiti živci, i za toplo i za hladno i za dodir i za koješta, pa nam je taj osjećaj pomalo neugodan. Ako vam jako smeta, dotaknite prvo kvaku ključem ili drugim metalnim predmetom.
Sve to nam se češće događa zimi nego ljeti dijelom zato jer je veća šansa da zimi nosimo vunene kapute i čizme s debelim gumenim đonom. Po zimi ima i manje vlage u zraku, naročito u prostorijama koje zimi grijemo. Vlažan zrak bolje (točnije manje loše) vodi struju od suhog, višak naboja se brže proširi okolo pa dok mi dođemo blizu kvake, već ga je ostalo premalo da bi mogao stvoriti plazmu. Bitnu ulogu igra i to da je naša koža po ljeti vlažnija pa rijetko dođemo u dovoljno bliski kontakt s drugim materijalima da im pokupimo elektrone.
Još jedan razlog da jedva čekamo ljeto.
_________________________________________________________________________
Saša Ceci znanstveni je suradnik na Zavodu za eksperimentalnu fiziku Instituta Ruđer Bošković te vanjski suradnik na Fizičkom odsjeku Prirodoslovno-matematičkog fakulteta u Zagrebu.
