Pokus z elektrostatiky (malá vodní influenční elektrárna)

Emanuel Svoboda

Pokusem lze za pomoci padajících vodních kapek nabít opačnými náboji dvě kovové nádoby. Využívá se jednak poznatku, že vytékající voda z trubičky nese kladný elektrický náboj, jednak jevu elektrostatická indukce. K pokusu mě inspirovaly publikace [1], [2] a [3]. Vznikl nápad použít k demonstraci co nejjednodušší pomůcky, aby pokus byl snadno proveditelný ve škole.

Příspěvek jsem rozdělil na několik částí. Nejprve uvádím seznam potřebných pomůcek, pak popisuji přípravu a provedení pokusu, vysvětlení pozorovaných jevů a na závěr uvádím několik metodických a technických poznámek.

Pomůcky

větší plastová láhev s malým otvorem ve dnu, uzávěr této láhve s dvěma průchody, dvě hadičky asi 30 cm dlouhé s vnitřním průměrem 3 mm, dvě tlačky (např. Hoffmannovy), dva staniolové válečky průměru 5 cm a výšky 3 cm, tenká dřevěná lišta se dvěma otvory 30 cm od sebe, polystyrenová deska 40 cm x 10 cm x 1 cm se dvěma otvory průměru 5 cm a středy ve vzdálenosti 30 cm, dvě kovové nádoby (např. ze soupravy kalorimetru nebo plechovky), dvě izolační podložky pod kovové nádoby, 4 vodiče, 8 krokosvorek, měřič náboje (např. měřidlo Q, U, I), stativový materiál, nálevka, leidenská láhev, 6 kancelářských sponek, pomocná nádoba s vodou, dlouhý uzemněný vodič, vinidurová a skleněná tyč, flanel, kůže

Příprava

Pokus uspořádáme podle obr. 1. Větší plastovou láhev - nádobu N s uzávěrem upevníme v horní části stativové tyče S dnem vzhůru. Na průchody uzávěru nasadíme hadičky, na nichž jsou navlečeny tlačky T₁ a T₂. Jejich druhé konce prostrčíme otvory na liště L. Na střední část stativové tyče upevníme polystyrenovou desku tak, aby středy jejích otvorů byly pod otvory v liště. Do těchto otvorů umístíme staniolové válečky V₁ a V₂. Pod válečky umístíme na základnu stativu dvě kovové nádoby N₁ a N₂ posazené na izolační podložky. Na válečky i kovové nádoby nasadíme shora upravené kancelářské sponky k přichycení vodičů (na obrázku nejsou nakresleny) pomocí krokosvorek. Sponky jsou upraveny tak, že jejich vnitřní část se v polovině jejich výšky zahne do pravého úhlu.

Emanuel Svoboda : Pokus z elektrostatiky (malá vodní influenční elektrárna) - Obr. 1

Obr. 1

Tlačky T₁ a T₂ uzavřeme a otvorem O naplníme nádobu N (třeba do poloviny) vodou.

Provedení

Pokus provedeme v několika krocích:

1. K nádobě N₁ připojíme měřič náboje a z lišty sundáme váleček V₁. Otevřeme tlačku T₁, aby odkapávala voda do nádoby N₁. Zjistíme, že se tato nádoba s vodou nabíjí kladně, výchylka postupně roste a to tím rychleji, čím je odkapávání rychlejší. Proces nabíjení nádoby N₁ se nijak výrazně nezmění, vložíme-li na desku D nenabitý kovový váleček V₁.

2. Stejný postup provedeme s pravou částí soupravy při zastavení odkapávání z levé hadičky. Zjistíme stejný výsledek jako v 1. kroku .

3. Zastavíme odkapávání vody, měřič náboje a nádoby N₁ a N₂ vybijeme. Váleček N₁ nabijeme záporně vinidurovou tyčí třenou flanelem a otevřeme tlačku T1. Pozorujeme, že nádoba N₁ se nabíjí opět kladně. Jestliže pokus opakujeme, ale váleček N₁ nabijeme kladně skleněnou tyčí třenou kůží, zjistíme, že kladný náboj nádoby se postupně zmenšuje a nádoba se začne nabíjet záporně. Místo nabíjení válečků je také možné pouze nabité tyče přiblížit k proudu vody. Pozorujeme stejný jev včetně přitažení vodního proudu k jedné či druhé nabité tyči.

4. Zastavíme odkapávání vody, nádoby N₁ a N₂ vyprázdníme a provedeme vodivé spojení válečku V₁ s nádobou N₂ a válečku V₂ s nádobou N₁. Propojovací vodiče se vzájemně nedotýkají a nedotýkají se ani žádné kovové části soupravy. Měřič náboje je zatím odpojen, pouze jím ověříme, že žádná z nádob není nabita. Pokud tomu tak je na základě naší manipulace se soustavou, obě nádoby, popř. válečky, vybijeme. Nyní otevřeme nejprve např. levou tlačku a po chvilce i pravou tlačku, takže odkapává voda z obou hadiček současně do nádob N₁ a N₂. Po určité době, třeba 20 s, měřičem náboje určíme postupně polaritu těchto nádob. Zjistíme, že nádoby jsou opačně nabité - levá nádoba N₁ kladně a pravá nádoba N₂ záporně. Náboje na nádobách rostou s časem.

5. Předcházející krok můžeme rozšířit o připojení leidenské láhve k nádobám N₁ a N₂ a nechat tento kondenzátor dostatečně dlouho nabíjet (dokud se nenaplní nádoby N₁ a N₂ zcela vodou). Při vybití kondenzátoru ve vidět (v zatemněné místnosti) přeskok malé jiskry. Je-li k dispozici elektrostatický voltmetr, lze jím změřit získané napětí mezi nádobami N₁ a N₂. V tomto případě volíme tyto nádoby větší, horní nádobu naplníme zcela vodou a pokus necháme proběhnout delší dobu (třeba až do vyprázdnění horní nádoby). Pak lze dosáhnout napětí 3 kV až 6 kV.

Vysvětlení

Vodní proud se třením v trubici a při odtrhávání nabíjí kladně v souladu s Coehnovým pravidlem (voda má větší relativní permitivitu než materiál trubiček). Tím se kladně nabíjí i nádoba N₁ (1. krok provedení). Čím více kapek dopadne, tím větší kladný náboj nádoba získá. Obklopíme-li kladně nabitý vodní proud nenabitým kovovým válečkem, nemá to vliv na polaritu tohoto proudu. Když postup provedeme podle 2. kroku, dostaneme stejný výsledek (jev je symetrický).

Jestliže ve 3. kroku je kovový váleček nabit záporně (nebo v blízkosti vodního proudu je záporně nabitá tyč), pak v důsledku elektrostatické indukce se úsek vodního proudu v blízkosti záporně nabitého válečku (tyče) nabíjí kladně, vzdálenější části proudu (směrem k velké nádobě) záporně. Kladně nabité částice vody stékají do kovové nádoby a zvětšují její kladný náboj. Měřičem náboje se můžeme přesvědčit, že hadička, kterou proudí voda, je nabita záporně. Je-li kovový váleček nabit záporně, pak v důsledku elektrostatické indukce se úsek vodního proudu v blízkosti kladně nabitého válečku (tyče) nabíjí záporně, vzdálenější části proudu (směrem k velké nádobě) kladně. Záporně nabité části vody stékají do kovové nádoby, vyrovnají její původně kladný náboj a pak převládne záporný náboj - nádoba se od této chvíle nabíjí záporně. Měřičem náboje se rovněž můžeme přesvědčit, že hadička, kterou proudí voda, je nabita kladně.

Po křížovém vodivém propojení nádob s válečky (4. krok provedení pokusu) se situace změní. Kladným nábojem na N₁ (levým proudem jsme začali) se kladně nabije i váleček V₂, což způsobí, jak jsme poznali v předchozím kroku, že do pravé nádoby N₂ padají negativně nabité kapky - nádoba N₂ se postupně nabíjí záporně. Tím se záporně nabíjí také váleček V₁ a to vyvolá v levém proudu vody zesílený kladný náboj. Od této chvíle padají jen kladně nabité kapičky vody do N₁ a záporně nabité kapičky vody do N₂. Tímto způsobem se obě nádoby vlivem indukce (influence) postupně nabíjejí na větší napětí, hromadí se na nich náboje opačné polarity.

Energii potřebnou k hromadění opačných nábojů na N₁ a N₂ poskytuje potenciální tíhová energie vody v nádobě N. Celá souprava modeluje malou vodní elektrárnou založenou na elektrostatické indukci. Získané náboje jsou levné, voda jich obsahuje obrovský počet ve svých molekulách. Musíme jen vykonat práci při naplňování horní nádoby vodou.

Poznámky

1. Při provádění jednotlivých kroků je důležité, abychom nepřenášeli na soupravu náboje ze svého těla. Proto je vhodné se vždy přesvědčit, že na počátku každého kroku jsou jednotlivé části soupravy bez náboje. Vhodně využíváme uzemněný vodič.

2. Při průtoku vodního proudu vnitřky nabitých válečků můžeme pozorovat rozstřikování tohoto proudu v důsledku elektrostatického přitahování drobných kapek k vnitřním stěnám válečků.

3. Protože pracujeme s vodou, která se navíc rozstřikuje, může se stát, že některé části v průběhu pokusu budou mokré, zvláště pak polystyrenové desky. Je proto vhodné je vyměnit za připravené suché.

4. Padající kapky mohou zachycovat elektrony a ionty přítomné ve vzduchu, svou úlohu hrají i nabité prachové částice ve vzduchu. Může se stát, že v prvním kroku pokusu bude vytékající proud vody naopak záporně nabitý, protože vzduch a okolní předměty ovlivní proud vody stejně, jako kladně nabitý váleček (tyč) ve 3. kroku pokusu. To ale nic nemění na funkci sestavené aparatury.

5. Pokus může mít jak motivační, tak ilustrační funkci v učivu elektrostatiky základní i střední školy.

6. Na jevu tření vodních částic vháněných vodní parou do trubic byla založena „parní elektrika“ známá od roku 1840.

7. V souvislosti s průběhem pokusu je možno žákům připomenout děj, který probíhá v bouřkovém mraku (kumulonimbu). V tomto mraku existuje mohutné svislé vzestupné i sestupné proudění (jako tah v nějakém gigantickém komíně), při němž se částečky vody a ledu elektricky nabíjejí tak, že základna mraku postupně získá velký záporný náboj, zatímco horní část je nabita kladně. Vzniklé napětí může dosáhnout až hodnoty 10⁸ V. Mezi těmito částmi mraku nebo mezi blízkými bouřkovými mraky či mezi mrakem a zemí pak dochází k výboji - blesku. Naprostá většina blesků vzniká uvnitř bouřkových mraků, asi 10% mraků se vybije do země, která před výbojem získává kladný indukovaný náboj.

8. Pokud učitel již vysvětlil v předcházejících vyučovacích hodinách funkci indukční elektriky nebo van de Graaffova generátoru, lze předvedenou malou vodní elektrárnu s těmito přístroji konfrontovat.