Napětí skryté v ledu

V létě si jistě mnozí z nás užijeme pár kostek ledu ve sklenici dobrého pití. Málokdo si při vkládání nádobky s vodou do mrazáku pomyslí, že za pár hodin může v nádobce vzniknout elektrické napětí až desítek voltů. Kde se bere?

Začnu v polovině čtyřicátých let minulého století, kdy v Evropě stále dozníval největší konflikt moderních dějin – druhá světová válka. Na druhé straně světa, v Brazílii, si místní fyzik Joaquim da Costa Ribeiro všiml, že při krystalizaci různých izolantů (dielektrik) vzniká elektrické napětí. Mezi mnoha zvláštními látkami, které proměřil, byla i jedna zcela běžná a dobře známá – voda. I ta vykazovala vznik nezanedbatelného napětí mezi kapalinou a ledem během mrazení. Krátce po válce, na přelomu čtyřicátých a padesátých let, dvojice výzkumníků Everly J. Workman a Stephen E. Reynolds zkoumala bouře a snažila se vysvětlit vznik blesků s využitím pozorování zmíněného Brazilce da Costy Ribeira. Dvojice mrazila velice zředěné roztoky anorganických solí a zjistila, že při krystalizaci ledu vzniká na pomezí s roztokem napětí až kolem šedesáti voltů. Právě díky této jejich práci dnes jev známe pod jménem Workmanův-Reynoldsův jev.

Při chlazení začne v tekuté vodě po chvíli krystalizovat led. Ve většině odborných knih a článků autoři tvrdí, že tento led krystalizuje naprosto čistý. Není to ale pravda. Na rozdíl od vody, která je výborným rozpouštědlem, je led jejím přesným opakem. Občas se však stane, že se některá nabitá částice (ion) dokáže zabudovat do krystalu ledu. Během mrazení rostoucí krystal tlačí ionty před sebou, což zvyšuje jejich lokální koncentraci na rozhraní krystal-roztok. Stoupá tím i pravděpodobnost, že rostoucí led nedokáže ionty „odtlačit“, ale zachytí je a zabuduje do své struktury.