Plamen a jeho užití ve fyzikálních experimentech na středních školách

Vojtěch Stach, Vítězslav Straňák

Při výuce fyziky na středních školách bývá problematice plazmatu často věnováno málo času a toto téma se stává okrajovým. To je do jisté míry škoda, protože fyzika plazmatu nabývá v současné době stále většího významu. Z těchto důvodů jsme vytvořili prezentaci v programové aplikaci PowerPoint, v níž se podrobněji zabýváme plazmatem s přihlédnutím na středoškolskou výuku fyziky. Uvedená prezentace se skládá ze dvou částí. Část první, teoretická, obsahuje základní fyzikální poznatky o plazmatu a ionizovaných prostředích, v části druhé, experimentální, je popsáno několik experimentů využívajících plamen, který vykazuje chování plazmatu. Každý z těchto experimentů je doplněn videosekvencí svého průběhu. Tato prezentace je umístěna na Internetu na stránkách katedry fyziky Pedagogické fakulty Jihočeské univerzity (http://www.pf.jcu.cz/stru/katedry/fyzika/) odkud si ji lze prohlédnout nebo stáhnout.

Nyní blíže popíšeme experimenty z elektrostatiky, které využívají plamen a jeho plazmatické vlastnosti. Prvním z nich je demonstrace nesamostatného výboje pomocí Wulfova elektroskopu. Při výkladu tematického celku „Vedení elektrického proudu v plynech“ na gymnáziu bývá často uváděn demonstrační pokus, při kterém na dvě kondenzátorové desky přivedeme vysoké napětí (o rozdílných potenciálech) a do série je zapojen mikroampérmetr, viz. [1], [6]. Pokud vzduchovou vrstvu mezi deskami ionizujeme (plamenem svíčky, UV zářením) začne obvodem procházet proud, jehož velikost můžeme odečítat na mikroampérmetru. Nevýhodou je, že proud procházející tímto obvodem je velmi malý a je nutné použít citlivý měřící přístroj, který nemusí být k dispozici. Tento problém řeší použití Wulfova elektroskopu. Ten je podobný běžnému elektroskopu, z něhož konstrukčně vychází, ale má navíc pomocnou elektrodu, viz. obr. 1. Při experimentech lze použít originální Wulfův elektroskop, nebo jej lze vyrobit úpravou běžného elektroskopu, do kterého zavedeme pomocnou elektrodu odizolovanou od pláště (např. plastovým pouzdrem).

Samotný experiment realizujeme zapojením dle schématu, viz obr. 2. Když pomocí spínače uzavřeme obvod a prostor mezi deskami není ionizován, nepozorujeme žádné změny, protože vzduch je dobrým izolantem. Jakmile však vzduchovou vrstvu mezi deskami ionizujeme stane se vzduch vodivý a druhá deska se začne nabíjet na stejný potenciál jako deska první. Postupně se tedy nabije druhá kondenzátorová deska a Wulfův elektroskop s ní spojený. Poněvadž lístek je s hlavní elektrodou elektroskopu nabit souhlasně, začne se odpuzovat až se dotkne pomocné elektrody Wulfova elektroskopu, která je spojená se záporným pólem zdroje. Tím se potenciály pomocné elektrody a volného lístku vyrovnají a lístek odskočí. Tento děj se periodicky opakuje, což dokazuje kmitavý pohyb lístku.

Dalším experimentem, který využívá plamene, je měření potenciálu homogenního elektrostatického pole pomocí plamenné sondy. Sestavíme elektrický obvod, viz. obr. 3. Jakmile obvod pomocí spínače uzavřeme, vznikne mezi kondenzátorovými deskami elektrostatické pole, které můžeme považovat za homogenní (je-li velikost kondenzátorových desek větší než mezera mezi nimi). Velikost intenzity tohoto pole popisuje vztah E = U/d, kde d označuje vzdálenost mezi deskami a U představuje rozdíl potenciálů mezi deskami, U = φ_A - φ_B, φ_A,B jsou potenciály desek A a B. Pokud φ_B = 0 V (deska B je uzemněna), potenciál v bodě M ve vzdálenosti l od desky B lze vyjádřit vztahem

φ_M = φ_A/d · l.

Velikost tohoto potenciálu měříme pomocí plamenné sondy (plamen má tu vlastnost, že po vložení do elektrostatického pole nabývá stejného potenciálu jako pole). Tuto sondu zhotovíme velmi jednoduchým způsobem, když vodič připevníme ke svíčce tak, aby jeden jeho konec byl umístněn v plameni a druhý konec je zapojen k elektroskopu nebo voltmetru s vhodným rozsahem. Pro přesnost měření je žádoucí, aby vodič byl izolován (vyjma malé části zasahující přímo do plamene). Jakmile tuto plamennou sondu přiložíme k nabité desce je výchylka na elektroskopu (voltmetru) maximální a s rostoucí vzdáleností od této desky klesá až k nulové výchylce u desky druhé (za předpokladu že je tato uzemněna). Pokud plamennou sondou pohybujeme v ekvipotenciální hladině, výchylka se nemění.

Posledním uváděným experimentem je měření změny vodivosti plazmatu plamene přidáním iontů soli NaCl. Plamen sám o sobě není příliš silným ionizačním činidlem a má relativně velký odpor. Ten však poklesne, když plamen obohatíme ionty některého prvku s malou ionizační energií. Tuto vlastnost mají např. alkalické kovy (nejznámějším zástupcem je Na, jehož ionizační potenciál je 5,14 eV). Samotný experiment realizujeme vložením dvou elektrod do plamene. Tyto elektrody jsou připojené ke zdroji napětí a do série je zapojen mikroampérmetr, viz. obr. 4. Pro tento experiment je výhodné použít kahan s regulovatelným přívodem vzduchu, kterým můžeme měnit polohu spalovací vlny a tím regulovat bohatost příměsí iontů soli. Jakmile je plamen obohacen o ionty Na, jeho odpor klesá.

Literatura

[1] Lepil, O., Šedivý, P.: Fyzika pro gymnázia – elektřina a magnetismus. Prometheus, Praha 2000.

[2] Fuka, J., Havelka, B.: Elektřina a magnetismus. SPN, Praha1981.

[3] Stach, V.: Plazma – čtvrté skupenství hmoty. SPN, Praha 1989.

[4] Stach, V.: Úvod do problematiky fyziky plazmatu – skriptum. České Budějovice 1987.

[5] Svoboda, E. a kol.: Přehled středoškolské fyziky. Prometheus, Praha 1998.

[6] Svoboda, E. a kol.: Pokusy z fyziky na střední škole 3. Prometheus, Praha 1999.

[7] Krejčí, V.: Plazma, čtvrté skupenství hmoty. Orbis, Praha 1974.

[8] David, P., Stach, V.: Plazma – fyzikální jevy a technické aplikace. Sborník PF v České Budějovicích 1977.