Veletrh
nápadů učitelů jýziky fyziky
Vl VI
Pokus Z elektrostatiky influenčni (malá vodní in fluen ční elektrárna) EMANUEL SVOBODA Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha nabít opačnými náboji Pokusem lze za pomoci padajících vodních kapek nabit 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. dvě
Příspěvek
jsem rozdělil na několik části. částí. Nejprve uvádím seznam pomúcek, pak pOpiSl~ii popisuji připravu přípravu a provedení pokusu, vysvětlení jew a na závěr uvádím několik metodických a technických pozorovaných jevú poznámek. potřebných
Pomůcky Pomů.cky
větší
plastová láhev s malým otvorem ve dnu, uzávěr této láhve s dvěma pruchody, dvě hadíčky pmměrem 3 mm, dvě hadičky asi 30 cm dlouhé s vnitřním pruměrem Hoffmrumovy), dva stat1Íolové tlačky (např. Hoffmamlovy), staniolové válečky pnuuěm pruměru 5 cm a výšky 3 cm, tenká dřevěná lišta se dvěma otvory 30 cm od sebe, polystyrenová deska pruměm 5 cm a středy ve vzdálenosti 40 cm x 10 cm x 1 cm se dvěma otvory pmměru 30 cm, dvě kovové nádoby (např. ze soupravy kalorimetru nebo plechovky), dvě izolačlú 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, kllže Příprava uspořádáme podle obr. obL 1. Větší plastovou láhev - nádobu N s upevníme v honú homí části stativové tyče S dnem vzMm. vzhůru. Na pruchody uzávěru nasadíme hadičky, na nichž jsou navlečeny tlačky TI T I a T 2. 2 • Jejich druhé konce prostrčíme otvory na liště L. Na střední část stativové tyče upevníme polystyrenovou desku tak, aby středy jejích otvoru byly pod otvory v liště. Do těchto otvoru umístíme staniolové stat1iolové válečky Vl a V 2 •. Pod válečky umístíme na otvorii unústíme základnu stativu dvě kovové nádoby NI a N 2 posazené na izolační podložky. Na válečky i kovové nádoby nasadíme shora upravené kancelářské sponky k přichycení vodičů. vodičů (na obrázku nejsou nakresleny) pomocí krokosvorek. Sponky
Pokus
uzávěrem
21
Veletrh
nápadů učitelů Jj'ziky fyziky
------------------------~
VI
---~~~--------------------
jsou upraveny tak, že jejich vnitřní část se v polovině jejich výšky zahne do pravého úhlu. Tl a T 2 uzavřeme a otvorem O naplníme nádobu N (třeba do Tlačky TI poloviny) vodou.
N,
Obr. 1
Provedení Pokus provedeme v několika krocích: Vl. 1. K nádobě NI připojíme měřič náboje a z lišty sundáme váleček VI. Tl, aby odkapávala voda do nádoby NI. N]. Zjistíme, že se tato Otevřeme tlačku T" nádoba s vodou nabíjí kladně, výchylka postupně roste a to tím rychleji, čím je odkapávání rychlejší. Proces nabíjení nádoby NI se nijak výrazně Vl. nezmění, vložíme-li na desku D nenabitý kovový váleček VI.
22
Veletrh
nápadů učitelů fyziky
Vl VI
zastavení ocLkapávání odkapávání 2. Stejný postup provedeme s pravou částí soupravy z levé hadičky. Zjistíme stejný výsledek jako v 1. kroku. 3. Zastavíme odkapávání vody, měřič náboje a nádoby N J a N 2 vybijeme. Váleček NI nabijeme záporně vinidurovou tyčí třenou flanelem a otevřeme tlačku Tl. Tj Pozorujeme. že nádoba NI se nabíjí opět kladně. Jestliže pokus kůŽÍ, nabijeme kladně skleněnou tyčí třenou kůží, opakujeme, ale váleček zjistíme, že kladný náboj nádoby se postupně zmenšuje a nádoba se začne ~J'>"HW._, nabíjet záporně. Místo <mc"''''.m válečků je také možné pouze nabité tyče přiblížit k proudu Pozorujeme stejný jev včetně přitaželÚ přitažení vodního dmhé nabité tyči. proudu k jedné či druhé 4. Zastavíme odkapávání vody, nádoby NI a N2z a provedeme vodivé spojení VI s nádobou N 2 a válečku V 2 s nádobou NI' NI. spojeni válečku Vl Propojovací vodiče se vzájemně nedotýkají a se ani žádné částí soupravy. Měřič náboje je zatin~ zatím jim ověříme, kovové části pouze jím ovenme, že žádná z nádob není nabita. Pokud tomu tak je na základě naší manipulace válečky, vybijeme. otevřeme nejprve se soustavou, obě nádoby, např. levou tlačku a po chvilce i pravou tlačku, takže voda z obou hadiček současně do nádob NI a N 2 . Po určité době, třeba 20 s, měřičem náboje určíme postupně polaritu těchto nádob. Zjistíme, že nádoby jsou opačně nabité - levá nádoba NI kladně a pravá nádoba N 2z záporně. Náboje na nádobách rostou s časem. lállVe k nádobám 5. Předcházející krok múžeme můžeme rozšířit o připojení leidenské láhve NI a N 2 a nechat tento kondenzátor dostatečně dlouho nabíjet (dokud se a N2 zcela vodou). Při kondenzátoru ve vidět kondenzátom nenaplní nádoby malé jiskry. Je-li k dispozici (v zatemněné přeskok změřit získané napětí mezi nádobami NI a elektrostatický voltmetr, lze N 2 •. V tomto případě volíme nádoby větŠÍ, větší, horní nádobu llaplnime naplníme zcela vodou a pokus necháme proběhnout delší dobu až do vyprázdnění l10nú hollÚ nádoby). Pak lze dosálmout napětí 3 kVaž 6 kV. Vysvětlení
Vodní proud se třením v trubici nabíjí kladně v souladu s tmbici a při odtrhávání nabíji větši relativní permitivitu než materiál Coelmovým Coehnovým pravidlem (voda má větší (L krok provedení). Čím vice trubiček). Tím se kladně nabíji nabíjí i nádoba NI (1. více kapek dopadne, tím větší ldadný 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 Uev je symetrický). výsledek Oev
23
Veletrh
nápadů učitelů fyziky
Vl VI
Jestliže ve 3. kroku je kovový váleček nabit záporně (nebo v blízkosti v důsledku dúsledku elektrostatické indukce vodního proudu je záporně nabitá tyč), pak v. vodtúho vodního proudu v blízkosti záporně nabitého válečku (tyče) nabíjí se úsek vodtúho kladn.ě, vzdálenější části proudu (směrem k velké nádobě) záporně. Kladně kladně, nabité částice vody stékají do kovové nádoby a zvětšují její kladný náboj. Měřičem náboje se můžeme přesvědčit, že hadička, kterou proudí voda, je zápomě. Je-li kovový váleček nabit záporně, pak v důsledku dúsledku nabita záporně. elektrostatické indukce se úsek vodního proudu v blízkosti kladně nabitého válečku (tyče) nabíjí záporně, vzdálenější části proudu (směrem k velké Zápomě nabité části vody stékají do kovové nádoby, vyrovnají nádobě) kladně. Záporně její původně kladný náboj a pak převládne záporný náboj - nádoba se od této zápomě. Měřičem náboje se rovněž můžeme múžeme přesvědčit, že chvíle nabíjí záporně. hadička, kterou proudí voda, je nabita kladně. Po křížovém vodivém propojení nádob s válečky (4. krok provedení Ni (levým proudem jsme pokusu) se situace změní. Kladným nábojem na NI zpúsobí, jak jsme poznali v začali) se kladně nabije i váleček V2, což způsobí, předchozím kroku, že do pravé nádoby N2 padají negativně nabité kapky zápomě. Tím se záporně nabíjí také váleček VI Vi a nádoba N 2z se postupně nabíjí záporně. to vyvolá v levém proudu vody zesílený kladný náboj. Od této chvíle padají jen vody do Ni NI a záporně nabité kapičky vot{y vody do N2•. Tímto kladně nabité kapičky vot{y (inf1uence) postupně nabíjejí nab~iejí na větší způsobem se obě nádoby vlivem indukce (influence) nich náboje opačné polarity. napětí, hromadí se na ních Energii potřebnou k hromadění opačných nábojů na NI a N 2 poskytuje potenciální tíhová energie vody v nádobě N. Celá souprava modeluje malou elektrámou založenou na elektrostatické indukci. Získané náboje jsou vodní elektrárnou levné, voda jich obsahuje obrovský počet ve svých molekulách. Musíme jen naphlování horní honú nádoby vodou. vykonat práci při naplňování Poznámky kroklI je důležité, dúležité, abychom nepřenášeli na 1. Při provádění jednotlivých kroků soupravu náboje ze svého těla. Proto je vhodné se vždy přesvědčit, že na jednotlivé části soupravy bez náboje. Vhodně počátku každého kroku jsou jednotlIvé využíváme uzemněný vodič. protoku vodtúho vodního proudu vnitřky nabitých válečků můžeme pozorovat 2. Při průtoku dúsledku elektrostatického přitahování přitahoválÚ rozstřikování tohoto proudu v důsledku vnitřním stěnám válečků. válečkú. drobných kapek k vnítřním mllŽe se stát, že 3. Protože pracujeme s vodou, která se navíc rozstřikuje, může proběhu pokusu budou mokré, zvláště pak polystyrenové některé části v průběhu vyměnit za připravené suché. desky. Je proto vhodné je vyměnít
24
Veletrh
nápadů učitelů fyziky
VI
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 níc 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. Vzníklé 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 generátorn, lze předvedenou malou vodní s těmito přístroji konfrontovat. Literatura [1] Bader F., Dom F.: Physik - Mittelstufe. Schroedel Schulbuchverlag GmbH, Hannover 1989, s. 311. [2] Max Kohl A. G.: Chemnitz. Physikalische Apparate. Band II. Druck von Hugo Wilisch, Chemnitz 1917, s. 816. [3] Majer A.: Fyzika pro vyšší školy, Praha 1870.
25
