Netradiční pokusy z elektrostatiky
Břetislav Patč
Potřeby: Novodurová tyč, liščí srst, skleněné tyče s hladkým a hrubým povrchem, amalgamovaná kůže, igelitová fólie, dva elektroskopy, Van de Graaffův generátor (dále jen generátor), nástavec na generátor s hrotem, kulička z izolantu, kouřový zdroj, piezoelektrický zapalovač plynu (dále jen zapalovač) zbavený jiskřiště a doplněný nástavci s hrotem, kuličkou a větším kulovým konduktorem, vybíječ, vodič s kuličkou a hrotem na izolantu, větší deskový konduktor na elektroskop, bezinková kulička na závěsu se stativem, rovný a zahnutý nástavec na generátor s destičkou, bublinový roztok, brčko, propojovací vodiče, plynový zapalovač.
Provedení:
1. Nabíjení tyčí z nevodivého materiálu třením
Při tření vznikají současně stejně veliké a opačné náboje na tyči a třecím materiálu. Pokud držíme srst nebo kůži izolovaně přes několik vrstev igelitu, náboj opačný k náboji tyči se na nich hromadí a přeneseme ho na elektroskop.
Třeme-li hladkou skleněnou tyč liščí srstí, nabíjí se tyč kladně, srst záporně. Má-li tyč hrubý povrch, vytvořený karborundovým brouskem, nabíjí se stejným třením záporně, srst kladně. Náboje z tyčí přeneseme na elektroskop pomocí hrotu.
2. Nabíjení kovů třením
Větší deskový konduktor na elektroskopu šleháme liščí srstí. Protože obě třené látky jsou vodivé (srst mírně), mohou být v dotyku jen při rychlém vzájemném pohybu. Kov se nabije záporně, srst kladně. Použijeme-li ke tření nevodivý pěnový polyuretan, nabije se kov kladně, záporný náboj z polyuretanu přeneseme na elektroskop přes hrot.
3. Vznik nábojů na Van de Graafově generátoru
Kulový konduktor a od kostry generátoru odpojený spodní sběrač propojíme s dvojící elektroskopů, které se při činnosti generátoru nabíjejí opačně.
4. Vznik piezoelektrických nábojů
Zapalovač plynu (typ s možností plynulého zvětšování tlaku na krystal) zbavený jiskřiště opatříme nástavcem s kuličkou. Při tlaku na krystal se na jeho protilehlých koncích vytváří dvojice opačných nábojů. Jejich velikost je úměrná tlaku. Současný vznik nábojů doložíme propojením s dvojící elektroskopů.
Pokud při trvajícím tlaku vybijeme krystal současným uzemněním obou konců, docílíme na něm elektrické rovnováhy, což doložíme dotykem elektroskopu. Při uvolnění tlaku se krystal opět nabije, ale s opačnou polaritou.
Oba náboje vzniklé současně na krystalu jsou navzájem vázané a nelze je odděleně vybít. Toho dosáhneme jen společným uzemněním.
Je-li zapalovač opatřen hrotem, náboj z něj vysrší. Takto nabíjíme opačně elektroskopy.
Tlakem nedeformovaný krystal můžeme kladně nebo záporně nabít. Jeho deformace vlivem nabití jsou pak opačné.
5. Nabíjení tyčí externím nábojem
Pomocí zapalovače opatřeného hrotem nabijeme novodurovou i skleněnou tyč oběma druhy nábojů a přeneseme je na elektroskop. Tyče je nutné předem vybít plamenem.
6. Sčítání souhlasných a nesouhlasných nábojů
Dvojici elektroskopů nabíjíme zapalovačem souhlasně i nesouhlasně různě velkými náboji a propojením vybíječem je sčítáme. Výsledek je patrný současně na obou elektroskopech.
7. Vliv hrotu na nabitém tělese
Na generátoru opatřeném hrotem nedojde k jednorázovému výboji, náboj postupně srší. Izolujeme-li hrot dielektrikem s vyšší pevností, náboj se opět hromadí. Bezinková kulička je od hrotu na piezoelektrickém zapalovači rovnou odpuzována bez předchozího přitažení. Stejně tak kouř čadivého plamene.
8. Pohyb bezinkové kuličky v okolí Van de Graafova generátoru.
Kuličku na niti zavěsíme doprostřed jiskřiště v takové výši, aby vybíjecí kuličku těsně míjela. Po nabití generátoru se střídavě nabíjí a vybíjí a její pohyb je ovlivňován proměnlivým elektrickým polem a polem gravitačním včetně tahu závěsu.
9. Dělení, hromadění a přenos náboje
U generátoru ponecháme bezinkovou kuličku, odstraníme jiskřiště a nahradíme ho elektroskopem. Náboj je po částech přenášen na elektroskop.
10. Elektrické indukce na elektroskopu
Při nabití obalu libovolným nábojem se na elektroskopu indukuje dvojice nábojů. Po odvedení volného náboje se vázaný přemístí převážně dovnitř elektroskopu. Nesouhlasné náboje obalu a elektroskopu jsou navzájem vázané a nelze je odděleně vybít.
11. Chování elektricky nabitích bublin
Konduktor generátoru opatříme nástavcem s destičkou, na kterou položíme vypuklé dno od spreje. Na něm vyfoukneme bublinu a nabíjíme. Při menším náboji se bublina vlivem sil přilnavosti, povrchového napětí a elektrostatických odpudivých sil deformuje. Zvětšíme-li náboj, převáží odpudivá síla, bublina se oddělí a je nabitá. Její pohyb ovlivňujeme přítomností kladného nebo záporného náboje na zapalovači, opatřeném nástavcem s větším kulovým konduktorem.
12. Bublina jako Faradayova klec
Na nástavci generátoru vytvoříme větší bublinu, dovnitř pak druhou menší. Při nabíjení se vnější bublina deformuje, vnitřní zůstává kulatá.
13. Pohyb bubliny po indukčních čarách elektrického pole
Ve vzdálenosti asi 1 m od generátoru umístíme záporně nabitou novodurovou tyč. Při použití zahnutého nástavce můžeme „vystřelovat“ bubliny v různých směrech. Ty se pohybují k tyči přibližně po indukčních čarách elektrického pole. Vzhledem k malé hmotnosti bubliny je její trajektorie jen mírně ovlivněna gravitací.
Poznámka: Kvalitu náboje na elektroskopu je vhodné dokládat elektrickou indukcí, vyvolanou známým nábojem (např. záporně nabitou novodurovou tyčí).
