Úprava a využití piezoelektrického zapalovače plynu při pokusech z elektrostatiky

V tomto příspěvku popíšeme použití upraveného piezoelektrického zapalovače plynu k několika zajímavým pokusům z elektrostatiky. Vhodnými zapalovači jsou podobné se zapalovačem na obrázku 2. Zdrojem napětí je dvojice piezoelektrických krystalů, paralelně spojených a uložených v mechanickém tlakovém zařízení, ovládaném rukou. Jeden z pólů krystalů je propojen izolovaným vodičem se středovým hrotem jiskřiště, který tvoří kladnou elektrodu. Druhý je přes kovovou kostru tlakového zařízení spojen s kovovou trubičkou , která je zápornou elektrodou. Při stisku zapalovače proběhne 6-7 výbojů na vzdálenost asi 4 mm.

Úprava zapalovače na pokusy spočívá v sejmutí trubičky jiskřiště, jejího zkrácení na 20 mm a zpětném nasazení. Pokud dojde při stisku zapalovače k probití izolace vodiče spojeného s hrotem, je třeba kryt zapalovače za použití nože a mírného násilí rozebrat, izolaci zesílit a kryt opět slepit chloroformem nebo jiným lepidlem na plast.

Pro snadnou realizaci pokusů zhotovíme k zapalovači tři snímatelné nástavce s kuličkou (Ø 6-8 mm), s velkým kulovým konduktorem (Ø 70 mm, ten lze vyrobit z umělé hmoty a vodivý povrch vytvořit nátěrem stříbřenkou) a s hrotem. Dva izolované vodiče (délka 600 mm) zakončené banánkem upravíme tak, aby je bylo možno připojit k hrotu a trubičce zapalovače. Dutý váleček z umělé hmoty s vnitřním průměrem 37 mm ke konstantnímu stisku zapalovače.

Po těchto úpravách slouží zapalovač jako zdroj vysokého napětí, z něhož lze odebírat kladný nebo záporný náboj případně dvojice opačných nábojů s možností rychlé záměny jejich polarity. (Na krystalu zapalovače samozřejmě vždy vznikají dvojice opačných nábojů; opačný náboj než ten, který je na hrotu nebo kulovém konduktoru však můžeme např. odvést rukou, dotkneme-li se druhé elektrody.)

Dvojice opačných nábojů na krystalech vzniká vlivem deformace krystalové mřížky destičky z anizotropního dielektrika (např. krystalu křemene). Ta vyvolá piezoelektrickou polarizaci (vznik opačných povrchových nábojů na protějších stranách destičky). Plošná hustota náboje σ dosahuje maximální hodnoty, působí-li deformující síla kolmo k optické i elektrické ose, jak ukazuje obr.1. V takovém případě platí:

σ = k F/S ,

kde F je síla působící na ploše S a k je tzv. piezoelektrická konstanta, která má pro křemen (SiO₂) hodnotu 2,3·10^-12 V^-1m a pro uměle vytvořená piezoelektrika dosahuje velikostí až o dva řády větších. Na kovových polepech destičky se indukují náboje obou znamének, vždy jeden volný, jeden vázaný.

Modelové znázornění indukování elektrických nábojů na polepech krystalu deformací, která způsobuje piezoelektrickou polarizaci je na obr 1a), 1b). Z obrázku 1c), 1d) je pak zřejmé, že i když krystaly v zapalovači mohou být deformovány jen tlakem, lze vytvářet opačné dvojice nábojů prostě tak, že při trvajícím tlaku současným dotykem volné náboje na obou polepech vybijeme. Po uvolnění tlaku polarizace krystalu zanikne, částice krystalu se přemístí do základních poloh a na polepech se rozloží náboje, které byly předtím polarizovaným dielektrikem vázány.

Náměty k pokusům

Potřeby: Piezoelektrický zapalovač s nástavci a vodiči, dutý váleček ke konstantnímu stisku zapalovače (obr. 2), dva elektroskopy, skleněná a novodurová tyč, vybíječ, izolovaný na koncích kuličkami z dielektrika, zdroj čadivého plamene, Van de Graaffův generátor, nástavec na generátor s destičkou, vypuklá dna hliníkových nádobek od sprejů o průměru 45 a 60 mm, bublinkový roztok, brčko, dva velké a jeden malý kulový konduktor, dva čtvercové a obdélníkový deskový konduktor, odříznutá PET láhev, bezová kulička na dlouhém závěsu, stativ na konduktory a kuličku, Faradayův pohár, válcová část PET láhve k izolaci vstupního otvoru poháru, plátek PET jako zábrana vnějšího dotyku kuličky s pohárem, izolační držadlo velkého kulového konduktoru.

1. Vznik piezoelektrických nábojů

Zapalovač opatříme nástavcem s kuličkou. Při stlačení se kulička nabije kladně. Trvale stlačený zapalovač úplně vybijeme. Po uvolnění tlaku je kulička nabita záporně. Náboje přenášíme na elektroskopy. Spojením pólů zapalovače s dvojicí elektroskopů demonstrujeme současný vznik  obou druhů náboje (obr. 3).

2. Nabíjení tyčí sršením ze zapalovače

Použijeme zapalovač opatřený hrotem. Sršením nabijeme skleněnou tyč po celé délce kladným nábojem. Pak jej z tyče přeneseme na elektroskop (obr. 4). Totéž můžeme provést s nábojem opačným i s tyčí z jiného materiálu (novodur).

3. Sčítání souhlasných a nesouhlasných nábojů

Dvojici elektroskopů postupně nabíjíme zapalovačem s kuličkou souhlasně i nesouhlasně stejně nebo různě velikými náboji. Propojením vybíječem je pak sčítáme. Výsledný náboj je rozmístěn na obou elektroskopech. (Pokud jsou elektroskopy stejné a pokud lze zandbat kapacitu vybíječe, bude na každém elektroskopu polovina výsledného náboje.) Vysvětlíme vliv kapacity vybíječe na výchylku elektroskopů (obr. 5).

4. Vliv hrotu na nabitém tělese

Zapalovačem s hrotem nabíjíme sršením dvojici dostatečně vzdálených elektroskopů, jeden kladně a druhý záporně. Tlak na zapalovač neuvolňujeme v blízkosti elektroskopu, původní náboj by byl rušen sršením opačného.

Zavěšená bezová kulička je od hrotu stlačovaného zapalovače odpuzována bez předchozího přitažení a dotyku (obr. 6). Stejně je odpuzován sloupec kouře, jehož zdrojem je např. hořící cigareta, kterou posypeme drcenou kalafunou. (Náboj se na kuličku či na částečky kouře přenesl z hrotu sršením.)

5. Chování nabitých bublin v elektrickém poli

Konduktor Van de Graaffova generátoru opatříme nástavcem s destičkou, na kterou položíme menší dno od spreje. Na něm vyfoukneme bublinu o průměru 6 – 8 cm a generátor nabíjíme. Zpočátku je bublina účinkem sil přilnavosti, povrchového napětí a elektrostatických odpudivých sil, jen mírně deformována. Zvětšujeme-li náboj, roste vliv odpudivých sil, nabitá bublina se nejdříve silně deformuje a nakonec se oddělí (obr. 7). Její pohyb můžeme ovlivňovat střídavě kladně nebo záporně nabitým zapalovačem, opatřeným velkým kulovým konduktorem nebo zelektrovanou tyčí (obr. 8). Vyfoukneme-li bublinu o průměru asi 3 cm, vytvoří se na ní nahoře při nabíjení generátoru hrot, náboj vysrší a bublina se zakulatí.

Na destičku položíme větší dno, kolem jeho okraje vyfoukneme velkou bublinu a do jejího vnitřku ještě jednu menší tak, aby se nedotýkaly. Po nabití generátoru má na svém povrchu náboj jen bublina vnější a je deformována. Protože jsou obě bubliny vodivě spojeny, představuje vnější Faradayův pohár pro bublinu vnitřní, která zůstane kulatá. Pak ze strany přiblížíme např. záporně nabitý kulový konduktor zapalovače. K němu se přikloní jen bublina vnější. Totéž lze vyvolat přiblížením ruky. Nabijeme-li konduktor kladně, bublina je odpuzována (obr. 9 a 10). (Poznámka: Vnitřní bublina se neodpuzuje jednak proto, že je od vnějšího pole odstíněna, jednak proto, že nemá žádný náboj.)

6. Chování nabitého tělesa v elektrickém poli

Na stativ upevníme dva čtvercové deskové konduktory, mezi ně postavíme odříznutou PET láhev a bezovou kuličku zavěsíme doprostřed mezi desky. Ty spojíme s opačnými póly zapalovače. Kuličku nabijeme např. kladným nábojem. Zapalovač zpola stiskneme, opačné náboje desek jejich propojením vybijeme. Pak střídavě silnějším stiskem a uvolněním zapalovače náboje na deskách zaměňujeme. Kulička je přitažena vždy ke stěně láhve v blízkosti opačně nabité desky (obr. 11).

Odstraníme láhev a kuličku zavěsíme blíž k jedné desce. Obě desky spojíme např. s kladným pólem zapalovače. Kulička je nejdříve přitažena k bližší z nich (díky tomu, že se v elektrickém poli zpolarizuje), od ní se nabije souhlasným nábojem a pak je oběma deskami odpuzována. (Poznámka: Efekty jsou zde dány konečnou velikostí desek. Mezi nekonečně velkými vodivě spojenými deskami by bylo pole nulové a desky by kuličku neodpuzovaly.)

Obdobné pokusy lze provádět s dvojicí konduktorů kulových nebo s jedním obdélníkovým a druhým malým kulovým (obr. 12).

7. Faradayův pokus

Ve vzdálenosti asi 20 mm od Faradayova poháru zavěsíme bezovou kuličku a plátkem PET zabráníme jejímu dotyku s pohárem. Kuličku vybijeme plamenem. Velký kulový konduktor na izolačním držadle nabijeme kladně zapalovačem a jeho přiblížením ke kuličce doložíme jeho nabití. Pak jej vsuneme do poháru aniž se jej zevnitř dotkneme. Vlivem volného indukovaného náboje je kulička přitažena k poháru. Po vyjmutí konduktoru se kulička oddálí a ukážeme, že náboj na konduktoru zůstal. Po opětovném vsunutí do poháru a jeho dotyku zevnitř se všechen náboj přemístí na povrch poháru. Vyjmeme konduktor a kulička zůstane přitažena. Vybijeme pohár, kulička se oddálí a není přitahována ani konduktorem. Pokus nelze provést tak, že konduktor nasadíme přímo na zapalovač (obr. 13).

8. Elektrická indukce na elektroskopu

Kovový obal elektroskopu, umístěného na izolační podložce, nabijeme kladně zapalovačem. Elektroskop neukazuje výchylku. (Je celý na stejném potenciálu.) Dotkneme-li se konduktoru elektroskopu rukou, přivedeme na měřicí systém volný záporný náboj, protože ten je přitahován kladně nabitým obalem elektroskopu. Měřicí systém pak bude nabit záporně, obal kladně a elektroskop ukáže výchylku (obr. 14).

Poznámka: Při pokusech dokládáme polaritu nábojů na elektroskopech elektrickou indukcí, vyvolanou známým nábojem, např. záporně nabitou novodurovou tyčí.