Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
Michal Hnyk Elektrostatické generátory Katedra didaktiky fyziky
Vedoucí bakalářské práce: doc. RNDr. Leoš Dvořák, CSc.
Studijní program: Fyzika Studijní obor: FMUZV
Praha 2012
Tímto bych rád poděkoval především vedoucímu práce, doc. RNDr. Leoši Dvořákovi, CSc., který mi nejen umožnil psát práci na téma elektrostatických generátorů, ale v průběhu jejího vypracovávání mi poskytl řadu cenných rad a podnětů a vytvořil mi skvělé podmínky pro práci. Bez něj by práce nejen nikdy nevznikla, ale především nikdy nedospěla zdárného konce. Dále bych rád poděkoval panu Ing. Ludvíku Němcovi, díky jehož dílenské zručnosti mohly vzniknout základní mechanické části konstruovaného přístroje a který mne provázel po celou dobu konstrukce konzultacemi a byl nepostradatelným zdrojem použitých materiálů.
Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně a výhradně s použitím citovaných pramenů, literatury a dalších odborných zdrojů. Beru na vědomí, že se na moji práci vztahují práva a povinnosti vyplývající ze zákona č. 121/2000 Sb., autorského zákona v platném znění, zejména skutečnost, že Univerzita Karlova v Praze má právo na uzavření licenční smlouvy o užití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 autorského zákona.
V Praze dne 24.5.2012
Michal Hnyk
Název práce: Elektrostatické generátory Autor: Michal Hnyk Katedra / Ústav: Katedra didaktiky fyziky Vedoucí bakalářské práce: doc. RNDr. Leoš Dvořák, CSc., Katedra didaktiky fyziky Abstrakt: Bakalářská práce Elektrostatické generátory je rozdělena do čtyř hlavních částí. První část se zabývá diskuzí o smyslu a významu experimentu ve výuce fyziky na základních a středních školách a přináší některé důležité argumenty, proč je jeho role nezastupitelná. Druhá část se pak zabývá výkladem principů funkce jednotlivých typů skutečně používaných elektrostatických generátorů. Třetí část popisuje návrh konstrukce, její vylepšení a zkušenosti se stavbou Bonettiho elektrostatického generátoru, který může být díky svým vlastnostem a cenové dostupnosti vhodnou pomůckou pro užití ve školním prostředí. Uvedeny jsou také výsledky měření některých parametrů dostupných generátorů. Čtvrtou část práce tvoří sborník školních demonstračních experimentů z elektrostatiky, které jsou vybrané tak, aby byly svou jednoduchostí nenáročné na provedení a vhodné k demonstraci učiva elektrostatiky.
Klíčová slova: elektrostatika, generátor, experiment
Title: Electrostatic generators Author: Michal Hnyk Department: Department of Physics Education Supervisor: doc. RNDr. Leoš Dvořák, CSc., Department of Physics Education Abstract: This bachelor thesis named Electrostatic generators is divided into four main parts. The first part deals with the role of experiment in physics teaching on primary and high schools and brings some important arguments why the experiment plays irreplaceable role in teaching physics. Second part deals with the explanation of principles of operation of some particular types of real electrostatic generators. Third part describes the concept of construction, its‘ improvements and experience with building of the Bonetti electrostatic machine, which can become a desirable instrument in schools thanks to its‘ properties and affordable cost. There are also results of measurements of some parameters of available generators mentioned. Fourth part consists of gathered school demonstrative experiments from electrostatics, which are chosen to match teachers‘ needs by their simplicity of performing and their applicability to demonstration of electrostatics for students.
Keywords: electrostatics, generator, experiment
Obsah Úvod............................................................................................................................. 1 1. Elektrostatika ve výuce fyziky ................................................................................. 3 1.1. Význam experimentů ve výuce fyziky na G, SŠ a ZŠ ...................................... 3 1.1.1. Význam experimentů obecně..................................................................... 3 1.1.2. Smysl experimentů z elektrostatiky ........................................................... 6 1.2. Konkrétní příklady experimentů ....................................................................... 7 1.2.1. Experimenty nevyžadující elektrostatický generátor ................................. 7 1.2.2. Experimenty vyžadující elektrostatický generátor..................................... 8 2. Elektrostatické generátory...................................................................................... 10 2.1. Typy generátorů .............................................................................................. 10 2.1.1. Elektrostatické generátory třecí................................................................ 11 2.1.2. Elektrostatické generátory indukční......................................................... 14 2.2. Principy funkce vybraných přístrojů............................................................... 19 2.2.1. Třecí generátor - Van de Graaffův generátor........................................... 19 2.2.2. Indukční generátor – Wimshurstova indukční elektrika .......................... 24 3. Konstrukce Bonettiho přístroje .............................................................................. 31 3.1. Princip činnosti ............................................................................................... 32 3.2. Postup konstrukce ........................................................................................... 38 3.2.1. Mechanické části...................................................................................... 38 3.2.2. Elektrické části ......................................................................................... 41 3.3. Možné modifikace pro sériovou výrobu ......................................................... 46 3.4. Měření parametrů generátorů.......................................................................... 48 3.4.1. Metody měření ......................................................................................... 48 3.4.2. Naměřené parametry ................................................................................ 52 4. Experimenty z elektrostatiky ................................................................................. 54 4.1. Experimenty v učebnicích pro ZŠ a gymnázia ............................................... 54 4.2. Sborník experimentů z elektrostatiky ............................................................. 56 4.2.1. Elektrování těles....................................................................................... 56 4.2.2. Vzájemné silové působení zelektrovaných a nezelektrovaných těles...... 57 4.2.3. Elektrostatické motory 1 (odpudivá síla) ................................................. 58 4.2.4. Start mýdlové bubliny.............................................................................. 59
4.2.5. Sdílení elektřiny dotykem ........................................................................ 60 4.2.6. Elektrický ping-pong................................................................................ 60 4.2.7. Funkce elektroskopu ................................................................................ 61 4.2.8. Elektrování kovů třením........................................................................... 63 4.2.9. Vodiče a nevodiče .................................................................................... 64 4.2.10. Kvantitativní povaha náboje .................................................................. 64 4.2.11. Rozložení náboje na vodiči .................................................................... 65 4.2.12. Rozložení náboje na izolantu (Lichtenbergovy obrazce)....................... 66 4.2.13. Nabití na vyšší potenciál než má zdroj .................................................. 67 4.2.14. Elektrování indukcí ................................................................................ 68 4.2.15. Elektrický vítr......................................................................................... 69 4.2.16. Vysávání elektřiny ................................................................................. 70 4.2.17. Vizualizace elektrického pole 1 (olej a krupice).................................... 71 4.2.18. Vizualizace elektrického pole 2 (jemné lístky)...................................... 72 4.2.19. Vizualizace elektrického pole 3 (elektrické jehly)................................. 75 4.2.20. Závislost účinků daného náboje na tvaru a velikosti tělesa ................... 76 4.2.21. Povrch vodiče jako ekvipotenciální plocha............................................ 77 4.2.22. Demonstrace kapacity jako konstanty úměrnosti................................... 78 4.2.23. Princip kondenzátoru ............................................................................. 79 4.2.24. Deskový kondenzátor a jeho kapacita.................................................... 80 4.2.25. Kondenzační elektroskop ....................................................................... 81 4.2.26. Důkaz homogenity pole deskového kondenzátoru ................................ 82 4.2.27. Spád potenciálu podél vodiče, vznik elektrického proudu..................... 82 4.2.28. Elektrostatické motory 2 (princip elektrického větru) ........................... 84 4.2.29. Elektrický vítr a volné oblečení (O)....................................................... 85 4.2.30. Elektrostatický odlučovač ...................................................................... 85 Závěr .......................................................................................................................... 87 Seznam použité literatury........................................................................................... 88 Seznam použitých zkratek.......................................................................................... 93 Přílohy........................................................................................................................ 94 Příloha 1: Tab. 2 – Triboelektrická řada (triboelectric series) ........................... 94 Příloha 2: Tab. 3 – Experimenty z elektrostatiky v učebnicích pro ZŠ a SŠ ..... 95
Úvod Tato práce se zabývá především elektrostatickými generátory pro použití k demonstračním experimentům ve školách. Klade si několik základních cílů: •
Vytvořit některé materiály vysvětlující činnost různých typů elektrostatických generátorů
•
Vybrat a vylepšit vhodnou konstrukci a zkonstruovat elektrostatický generátor vhodný k výuce fyziky
•
Sestavit sborník experimentů z elektrostatiky vhodných k demonstraci na základních a středních školách
První kapitola práce se zabývá diskuzí významu fyzikálního experimentu ve výuce fyziky vůbec a speciálně pak smyslem experimentu při výuce elektrostatiky. Mezi některá probíraná témata patří například: •
Omezení virtualizace světa
•
Podpora heuristických metod výuky
•
Probuzení zájmu v žácích reálnou demonstrací
•
Prezentace fyziky coby vědy vysvětlující fungování světa kolem nás, nikoli jako školního předmětu
Druhá kapitola práce přichází s některými netradičními elektrostatickými generátory, které přinesla historie výzkumu elektrostatiky, a stručným nástinem vysvětlení principů jejich funkce. Zevrubněji se pak věnuje vysvětlení principu fungování ve školách nejčastěji používaných generátorů. Třetí kapitola popisuje cestu, která vedla ke zkonstruování prototypu upraveného Bonettiho přístroje. Začíná u vysvětlení principu jeho funkce, který je od ostatních indukčních generátorů odlišný, pokračuje u návrhů podoby přístroje a hovoří o zkušenostech s jeho stavbou. V závěru kapitoly jsou uvedeny výsledky měření některých parametrů dostupných elektrostatických generátorů. Důvody pro volbu Bonettiho konstrukce byly následující: •
Nižší pořizovací cena
•
Žádné části, které se mechanicky třou (s výjimkou ložisek a pohonu)
•
Snadná konstrukce (na provedení i úpravy)
•
Snazší údržba
•
Vyšší výkon
1
Čtvrtá a poslední kapitola se mimo jiné zabývá rozborem současných učebnic pro základní a střední školy, které obsahují učivo elektrostatiky. Obsahuje seznam experimentů v některých vybraných učebnicích pro ilustraci nezastupitelnosti úlohy učitelem předváděného experimentu v elektrostatice, která byla diskutována v první kapitole. Její hlavní částí pak je sborník experimentů z elektrostatiky shromážděných z existující literatury, vybraných a upravených za účelem snadné proveditelnosti, nenáročnosti na pomůcky a velké názornosti pro žáky. Přináší i některé experimenty v použité
literatuře
dosud
neviděné
a
především
praktické
poznámky
k experimentům. Tato bakalářská práce tak může sloužit jako: •
Inspirace pro pedagogy hledající důvod, proč experimentovat
•
Reference, k níž se mohou pedagogové či žáci obrátit, budou-li hledat vysvětlení principů funkce elektrostatických generátorů
•
Námět pro sériovou výrobu vhodné a cenově dostupné školní pomůcky
•
Sborník metodicky popsaných experimentů vhodných k výuce elektrostatiky
2
1. Elektrostatika ve výuce fyziky 1.1. Význam experimentů ve výuce fyziky na G, SŠ a ZŠ 1.1.1. Význam experimentů obecně Významem fyzikálních experimentů ve výuce se již zabývala řada výzkumů a publikací, např. [1], [2], [3]. Obecně z uvedené literatury vyplývá, že experiment je důležitým nástrojem ke vštípení povědomí o tom, jak funguje fyzika jako věda – tedy že skuteční vědci nejprve přemýšlí o tom, jak otestovat svou hypotézu, poté jak zkonstruovat vhodnou aparaturu, následně ji otestovat, pak měří a získávají data a nakonec je zpracovávají a snaží se o jejich interpretaci. Vést však žáky k experimentování takto komplexní cestou může být z různých důvodů obtížné. Zajímavá diskuze na toto téma je např. v [1]. Tato práce se v diskuzi významu experimentů dotkne experimentů více druhů, ale nadále se bude věnovat experimentům demonstračním, tedy experimentům, které předvádí a komentuje sám učitel. V zahraniční literatuře se tento typ experimentů označuje jako „ex-cathedra“, tedy „od katedry“. Dále v uvedené literatuře lze nalézt diskuzi didaktického významu experimentu (např. v [2], kde jsou mimo jiné probírána témata efektivity využití experimentu jako výukové metody a diskutována optimální míra zastoupení experimentu proti výkladu). Z výzkumu provedeného v [3] také vyplývá, že studenti by zvýšení míry využití experimentů ve výuce uvítali, což je dalším velkým argumentem proč se o experimenty zajímat. Do konce první kapitoly budu hovořit výhradně o svých názorech, takže uvedené myšlenky nemohou být spojovány s citovanou literaturou. Fyzika jako vyučovací předmět pokrývá vyučovanou látkou velmi široké spektrum oborů fyziky coby vědy. Některé z oborů jsou snadno dosažitelné každému žákovi, protože s nimi má osobní zkušenost z běžného mimoškolního života. Pro ilustraci mé myšlenky uvádím několik příkladů takových oborů: •
mechanika - žák má představu o pohybu těles (tu získává například denně při cestách do školy, kdy musí uvažovat vzdálenost, kterou se chystá překonat, a zjistit, kdy musí vyrazit, aby stihnul přijít včas na
3
první vyučovací hodinu; má představu o tvaru trajektorie vrženého tělesa; …) a jejich interakcích (zná například deformační účinky srážky tuhých těles; má představu o tom, jak kapaliny tečou; …) •
akustika - žák má představu spojitosti mezi chvěním hmotného prostředí a zvukem (například má zkušenost s hlasitou hudbou, kterou cítí i povrchem těla; ví, že struny se chvějí, když vydávají zvuk; má zkušenost se šířením zvuku i skrze tuhá tělesa; …)
•
elektřina a magnetismus - žák má představu o existenci elektrického náboje (má zkušenost s elektrováním oblečení při svlékání přes hlavu; ví, že když zapne vypínač na zdi, rozsvítí se světlo; …), ví o existenci magnetické síly (díky zkušenostem s běžně používanými permanentními magnety)
Jiné obory fyziky, které jsou také v rámci ZŠ (základní školy) a SŠ (střední školy) vyučovány, jsou však pro běžného žáka velmi vzdálené a podvědomě výhradně teoretické. Pro ilustraci opět uvádím několik příkladů takových oborů: •
statistická fyzika – tento obor fyziky vyžaduje bezpodmínečné užití matematického aparátu ve velké míře a jeho propojení s realitou pak žádá velkou abstraktní představivost
•
jaderná fyzika – vědní obor tohoto učiva nachází velké uplatnění mimo školu,
avšak
žáci
obvykle
nemohou
získat
osobní
zkušenost
s radioaktivními materiály a jejich vnějšími projevy, čímž se toto učivo stává do jisté míry virtuálním •
kvantová fyzika – na úrovni středních škol jsou obvykle žáci seznámeni s kvantovou fyzikou jen velmi okrajově a díky jejím principům, které není snadné intuitivně přijmout, protože odporují zažité zkušenosti, se tato část učiva stává spíše encyklopedickou
Zvláště při výkladu oborů, jejichž příklady jsou uvedeny ve druhé části, je třeba žákům často připomínat podstatu fyziky. Na mnoha školách se stává, že žáci začnou právě díky nevhodné prezentaci vnímat fyziku skrze tužku a papír. Zařadí se v jejich očích vedle matematiky, nikoli vedle přírodovědy. Absence experimentů především v úplných počátcích výuky fyziky (6. třída a primy gymnázií) vede často k tomu, že žák si fyziku znechutí a přistupuje k ní se stejnou averzí i v následujících
4
letech studia. Jeho chápání fyziky se tak omezí na memorizování pouček a úpravy vzorců matematickým aparátem, při čemž nechápe skutečnou podstatu přírodních zákonitostí. Naproti tomu, je-li žák uveden do problematiky skrze experiment či problémovou úlohu, je mu nabídnuta možnost si hrát, vynalézat řešení, být kreativní. A právě experiment je tomuto účelu skvělým sluhou. Dalším problémem nejen dnešního vzdělávání, ale i celé mezilidské komunikace, kterému může experiment účinně zamezit, je skutečnost, že život dětí se nezadržitelně přesouvá stále více za obrazovky. Ať už jde o obrazovky počítačů, které využívají nejen jako informační zdroje a nástroje k práci, ale i jako prostředníka pro komunikaci a prostředek k zábavě, nebo obrazovky televizní, či dokonce obrazovky mobilních telefonů, které dnes již částečně počítače suplují téměř kdykoli a kdekoli. Myslím, že tomuto trendu je třeba zamezit i zpoza školní katedry. Z čistě psychologického hlediska tím, že žákům promítneme prezentaci s daným učivem, tento trend jen podporujeme. Naproti tomu, pokud necháme žáky provést experiment, nebo jim jej alespoň předvedeme a necháme je vznášet otázky a náměty, které vysvětlíme, ukážeme jim, že nehovoříme o lidských uměle vytvořených konstruktech, s nimiž se za počítačem setkávají na každém kroku, nýbrž o přírodě. O světě, do kterého se všichni narodili. Při výuce fyziky mají důležitou úlohu také heuristické metody. Stručně řečeno jde o metody výuky skrze řešení problémů. Jsou jedním z postupů celkové ideje tzv. badatelsky orientovaného vzdělávání (anglicky nazývané IBSE – Inquirybased science education, více informací naleznete např. ve [4]). Žákům je předložena situace a definován problém, jehož řešení mají nalézt. Učitel v tomto konceptu hraje roli poučeného průvodce, který žáky usměrňuje ke správnému řešení. Tím žáci získávají kompetence k řešení problému v souladu s RVP (Rámcový vzdělávací program, viz. [5] a [6]). S těmito metodami a projektem Heuréka, který slouží jejich rozšiřování po ČR, se můžete blíže seznámit v [7]. Aplikace těchto metod je zvláště při výuce fyziky na místě, protože díky nim lze žáky naučit nejen zopakovat slova výkladu, ale i porozumět probíraným jevům, aplikovat své poznatky na podobné problémy, a především pozorovat dění a myslet v širších souvislostech. Úloha experimentu v heuristické výuce fyziky je nezastupitelná, protože právě experiment je zdrojem pozorování, a tedy otázek, a je to opět experiment, který je nástrojem k vyvracení nesprávných hypotéz.
5
Z čistě pragmatického hlediska učitele je experiment udržovacím nástrojem pro vlastní kondici. Učitelé, kteří vyučují fyziku výhradně formou akademického výkladu, nebo ještě spíše formou prezentací, časem mohou otupět vůči reálnému dění. Bude-li učitel vykládat desetiletí stále ty stejné experimenty schematicky nakreslené v prezentaci, může ztratit schopnost kriticky posoudit okolnosti selhání žákova domácího experimentu. Pokud bude přece jen nucen fyzické experimentální pomůcky oprášit, může být takový učitel velmi nemile překvapen skutečností, že není schopen zjistit, proč pomůcky nefungují a kterak je opravit. I když příprava experimentů zabírá čas a vyžaduje vybavený kabinet, jejím nesporným přínosem je získávání zkušeností a zamezení atrofie zdravého rozumu. V neposlední řadě je třeba říci, že experiment je pro žáka vítanou změnou v šedi běžného školního dne, který stráví zapisováním do sešitu v ostatních předmětech. Vhodně zvolený a prezentovaný experiment je nesmírně silným nástrojem k získání pozornosti žáků, jejich zaujetí pro fyziku jako takovou a jejich motivaci. Někdy je totiž velmi účelné žáky prvoplánovitě motivovat, aby se podvědomě na příští hodinu těšili. Bylo by však nerozumné činit tak formou nesouvisející s předmětem fyziky, jelikož hodinové dotace již tak dovolují meškat jen málo. Shrnuto, živé experimenty podporují vnímání fyziky coby nauky reálném světě, nikoli coby výhradně teoretického, nebo dokonce virtuálního, oboru. To je velmi žádoucí jev nejen v souladu s RVP (Rámcový vzdělávací program, viz. [5] a [6]), který vyžaduje od žáků kompetence, nikoli pouze encyklopedické znalosti, ale i s ideou fyziky samotné. Domnívám se, že experiment může účinně zamezit virtualizaci světa, což je v dnešním školství, kterému neasistují poučení rodiče, nesmírně důležité poslání. Experiment má moc trénovat žáky i samotného učitele v umění pozorování a potřebném způsobu uvažování. A již tradičně citované staré čínské přísloví říká: „Řekni mi a já zapomenu. Ukaž mi a já si zapamatuji. Nech mě to dělat a já pochopím.“ 1.1.2. Smysl experimentů z elektrostatiky Experimenty se statickou elektřinou jsou velmi důležitou součástí výuky fyziky na základních školách, středních školách a gymnáziích, protože díky nim lze
6
žáky seznámit s mnoha důležitými jevy a skutečnostmi, které je možno nejen demonstrovat pomocí experimentů prováděných a komentovaných samotným pedagogem, ale především lze nechat žáky zkoumat experimenty vlastníma rukama, protože potřebné pomůcky jsou dostupné a levné. Ke kladům experimentů z elektrostatiky nutno nezřídka připočíst také jejich efektnost. Mimo jiné lze také skrze tyto experimenty žáky přivést k respektu a opatrnosti nejen při práci s elektrickými zařízeními, ale i při bouřkách apod. K jevům, s nimiž lze žáky seznámit skrze experimenty patří například: •
elektrování těles – vzájemným třením různých běžných materiálů nacházejících se v místnosti lze mnohé z nich elektrovat, žáci mohou vyzkoušet, které kombinace materiálů fungují a které nikoli
•
elektrické síly – žáci zjistí, že většinou elektrické síly po tření tělesa tělesem působí přitažlivě, ale přiblíží-li se k sobě zelektrovaná tělesa ze stejného materiálu, odpuzují se
•
indukce a polarizace – žákům lze ukázat, že i na elektricky neutrální tělesa v elektrickém poli působí síly
Díky snadné proveditelnosti většiny a efektnosti některých experimentů z oblasti elektrostatiky se tedy přímo nabízí využít je ve výuce v hojné míře.
1.2. Konkrétní příklady experimentů 1.2.1. Experimenty nevyžadující elektrostatický generátor V úvodních hodinách lze vystačit se vzájemným třením různých běžně dostupných materiálů. Takto zelektrovaná tělesa dovolují demonstrovat přitažlivé a odpudivé silové působení zelektrovaných těles, na základě čehož lze žáky přivést k hypotéze o dvou druzích náboje. Náboj lze uchovávat na kovových plechovkách izolovaných od země a studovat jeho chování při přesouvání mezi jednotlivými tělesy. Příklady experimentů, které nevyžadují elektrostatický generátor, naleznete dále: •
Kouzelný papír – Experimentátor vezme list obyčejného papíru a několik sekund jej důrazně tře o dveře, skříň nebo jiný plochý objekt se svislou stěnou, který má k dispozici a který má potřebný negativně se nabíjející
7
povrch (vyhoví dřevo, široká škála druhů laků, plastických hmot, …). List papíru poté zůstane držet na místě až několik minut. Pomůcky: Rovný list papíru •
Kouzelná brčka – Experimentátor tře plastové brčko listem papíru či papírovým kapesníčkem a poté jej zkusí umístit na různé svislé plochy (zeď, dveře, skříň, okno, …). Brčko na mnoha z ploch zůstane držet řádově až týdny. Pomůcky: Plastová brčka, papírové kapesníčky nebo list papíru
•
Odpudivé proužky – Experimentátor ustřihne z plastového sáčku podlouhlý proužek, který přehne v polovině. Jeho střed stiskne mezi prsty jedné ruky tak, aby obě poloviny proužku splývaly paralelně k zemi. Prsty druhé ruky přejede z vnější strany po proužcích, které se jakmile ruka opustí jejich spodní konce oddálí díky odpudivé elektrické síle. Pomůcky: Plastový sáček
1.2.2. Experimenty vyžadující elektrostatický generátor Pro další experimenty, které jsou vhodné například k ukázkám aplikace elektrostatiky v běžné praxi, je však vhodné použít elektrostatický generátor, protože může dodávat náboj (s malým proudem a velmi vysokým napětím) kontinuálně a s mnohem větší intenzitou, než je to možné prostým třením těles o sebe. K těmto experimentům patří například: •
Ježatci – Experimentátor vyzve dobrovolnici s dlouhými rovnými rozpuštěnými vlasy, aby si stoupla na izolační podložku (optimální je přímo izolační stupínek, postačí však polystyrénová deska dostatečné tloušťky nebo i dřevěná či plastová židle) a vodivě ji propojí s jednou elektrodou generátoru. Druhou elektrodu uzemní. Poté uvede generátor do provozu. Pozorujeme postupné napřimování vlasů v důsledku jejich odpuzování. Pomůcky: Generátor, izolační podložka, vodiče
•
Elektrický vítr – Experimentátor usadí výstřižek určitého tvaru z tenkého plechu či výrobek z lehčího drátu vyváženě na ostrý hrot izolovaný od země. Na tuto soustavu poté přivede vysoké napětí z jedné elektrody generátoru. Druhou elektrodu uzemní. Tento jednoduchý elektrostatický 8
motor se začne otáčet. Je možné hrot dát do ruky dobrovolníkovi, který se postaví na izolační podložku, efekt bude stejný. Pomůcky: Generátor, ostrý hrot, vyvážený rotor, vodiče •
Start bubliny – Experimentátor připojí jednu elektrodu generátoru ke kovové kouli dostatečného průměru izolované od země, druhou elektrodu uzemní. Poté umístí vodivý kalíšek na kouli a naplní jej bublinotvorným roztokem. Na jeho hladinu nafoukne bublinu tak, aby po odejmutí slámky zůstala na hladině polokulová blanka. Pak uvede do chodu generátor. Pozoruje vznik a vzlet bubliny z hladiny přímo vzhůru v důsledku odpudivé elektrické síly. Pomůcky: Generátor, kulová elektroda, bublinotvorný roztok, vodivý kalíšek, slámka
Jak z uvedených příkladů vidíme, některé účelné a efektní experimenty vyžadují použití elektrostatického generátoru. I z tohoto důvodu se tato bakalářská práce zabývá konstrukcemi elektrostatických generátorů a návrhem a úpravou konkrétního prototypu vhodného k využití ve školách.
9
2. Elektrostatické generátory Elektrostatický generátor je přístroj, který slouží ke kontinuálnímu dodávání elektrického náboje, typicky o velmi vysokém napětí (u školních generátorů řádově desítky kV) a velmi malém proudu (u školních generátorů typicky jednotky µA). Obvykle přeměňuje mechanickou energii na elektrickou, kterou buď přímo využívá k vyvolání elektrického proudu na výstupu, nebo ji ukládá do výstupních kondenzátorů. Když v této práci hovoříme o „vyrábění“, „generování“ či „dodávání“ náboje, máme vždy na mysli jeho oddělení a transport. Elektrický náboj se zachovává, elektrostatické generátory jen oddělí náboje různých znamének a transportují je. Díky tomuto transportu pak můžeme náboj využít ve vnějším obvodu. Výhodou elektrostatických generátorů je skutečnost, že jsou výkonnější než klasické ruční vyrábění náboje třením dvou materiálů – a to jak s ohledem na proud, tak na maximální dosažitelné napětí, a také možnost elektrifikovat jejich pohon, což uvolní experimentátorovi ruce k provádění experimentů. Cílem této kapitoly nebylo vytvořit kompletní seznam jednotlivých typů elektrostatických generátorů, ale názorně vysvětlit dva hlavní principy funkce ve školách nejpoužívanějších generátorů a uvést některé méně známé a používané typy pro přehled. Mezi články v časopisech American Journal of Physics, Physics Education a The Physics Teacher byly nalezeny zmínky o nečetných typech generátorů. Některé zajímavé články však byly vybrány a odkazovány v této práci z jiných než přehledových důvodů. Vhodným zdrojem informací se ukázaly být knihy [8] a [9]. Nejjednoduššími elektrostatickými generátory se zabývají např. [10] a [11]. Zajímavé informace o historii některých elektrostatických generátorů se dočtete např. v [12] a [13]. Odborné články, které se věnují generátorům daného typu a které mohou být užitečným zdrojem dalších informací jsou odkazovány v příslušných kapitolách. Základní typy používaných generátorů přiblíží další podkapitola.
2.1. Typy generátorů Ve výuce fyziky používáme elektrostatické generátory pracující na dvou různých principech – generátory třecí a indukční. Principy činnosti obou typů budou vyloženy na konkrétních typech běžně používaných školních generátorů.
10
V podkapitolách 2.1.1. a 2.1.2. naleznete přehled některých zajímavých typů skutečných historických generátorů. Všechny obrázky generátorů v této kapitole jsou modely vytvořené na základě historických kreseb či fotografií reálných generátorů v [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]. Informace o jejich vynálezcích byly získány ze stejných zdrojů. 2.1.1. Elektrostatické generátory třecí Obvyklé, avšak ne zcela správné vysvětlení zní, že generátory tohoto typu pracují na principu elektrování těles pomocí vzájemného tření materiálů. Ve skutečnosti však není nutnou podmínkou tohoto druhu elektrování tření mezi materiály, ale jejich těsný kontakt. Název tření zůstává z historických důvodů, protože původně byla statická elektřina objevena v Řecku díky pozorování změn vlastností jantaru třeného kusem látky. O tom, že tření není nutnou podmínkou se lze přesvědčit jednoduchým experimentem. Uchopíme plexisklo s ochrannou fólií a neutralizujeme jej tak, aby na něm nezbyl pokud možno žádný náboj. To lze provést například zvlhčením jeho povrchu dechem. Detektorem náboje nebo jednoduše přiblížením chlupů hřbetu ruky poté ověříme, že je skutečně neutrální. Nyní položíme plexisklo na izolační podložku a opatrně z něj sundáme ochrannou fólii. Ucítíme výrazné účinky elektrických sil na chlupech rukou a můžeme dokonce slyšet přeskakující jiskry. Plexisklo je poté nabité tak silně, že velice efektivně přitahuje drobné objekty z okolí, což může velmi ztěžovat práci například pracovníkům, kteří adjustují fotografie do rámečků z plexiskla. Ještě jednodušší variantou tohoto experimentu je prosté odtrhávání izolepy od povrchu. Pozorovaný jev je důsledkem různě velké schopnosti materiálů nabíjet se kladně či záporně, tedy přijímat nebo odevzdávat povrchové elektrony druhému materiálu. Existují tabulky, kde jsou materiály seřazeny z tohoto hlediska. Nazývají se obvykle „triboelektrické řady“ (v originále „triboelectric series“). V příloze 1 (Tab. 2 – Triboelektrická řada (triboelectric series)) naleznete ukázku triboelektrické řady, která byla převzata z [21] a přeložena do češtiny. V Tab. 2 je uvedena veličina afinita, která má význam množství náboje, které povrch materiálu získal při spotřebování 1 J energie na tření (a současné odtrhování třených materiálů). Je
11
opatřena znaménkem náboje, který povrch získal. Pro více informací o uspořádání experimentu vizte [21]. Typickým zástupcem tohoto druhu elektrostatických generátorů je známý Van de Graaffův generátor, který bude popsán dále. Na tomto místě zmiňme jiné typy méně používaných třecích generátorů, jakými jsou například: Von Guerickova sírová koule
Obr. 1 – Model Von Guerickovy sírové koule Tento generátor vynalezl Otto von Guericke (1602-1686). Je prvním kontinuálně pracujícím elektrostatickým generátorem. Prototyp sestával ze sírové koule upevněné na otočné ose, kterou se otáčelo pomocí ruční kliky. Experimentátor izolovaný od země se roztočené koule dotýkal rukou, díky čemuž docházelo k vytváření náboje na kouli a jeho těle. Pozdější typy inspirované tímto přístrojem používaly koule například skleněné a ruku experimentátora později nahradily jiné materiály od kožených polštářků, vlny, přes dřevo až po kovové materiály. V době vzniku tohoto přístroje nebyl ještě elektrostatickým generátorem nazván, protože fenomén, k němuž na něm docházelo, nebyl ještě řádně popsán.
12
Van Marumův skleněný disk
Obr. 2 – Model Van Marumova generátoru se skleněným diskem Tento generátor vynalezl Martin van Marum (1750-1837). Generátor sestává z velkého skleněného disku upevněného na otočné ose, kliky pro ruční pohon, třecích trámků postavených proti sobě a sběracích kartáčků otočených proti třecím trámkům zhruba o 90°. Princip jeho funkce spočívá v tom, že disk se při svém otáčení tře o trámky a na obou stranách po čtvrtině otáčky nabitá část disku projde kolem velmi blízko umístěného sběracího kartáčku. Ty jsou kovové a na obou stranách připevněné k výstupní kulové elektrodě, která tvoří výstup generátoru. Toto uspořádání přineslo velkou výhodu v podobě možnosti výstupu obou druhů náboje v závislosti na použitém materiálu třecích trámků. To nebylo u dřívějších generátorů se sírovým rotujícím tělesem možné, protože nebyly známy materiály, které by se proti síře nabíjely záporně – to jsou ve dnešních dobách různé druhy plastů. Historický vývoj přinesl řadu generátorů, jejichž hlavní součástí byl nejprve skleněný válec, poté tenčí skleněný disk, který se třel o různé materiály od kožených proužků, přes vlnu, hedvábí a dřevo až po kovy. Podstatným vylepšením byla právě změna geometrie rotujícího skleněného tělesa, protože původní tvar koule byl velmi nevýhodný z hlediska hmotnosti i náročnosti na výrobu. Sklo totiž při tuhnutí ve velkém objemu často podlehne vnitřnímu pnutí, což je také důvod, proč i v dnešních dobách je nesmírně náročné vyrábět tlusté čočky velkých průměrů. Mnohem snazší bylo vyrobit větší skleněný disk. Tento typ generátorů také poprvé přinesl kovové sběrače, které odnášely z disku náboj a byly spojeny s výstupní elektrodou. 13
Roulandův generátor s hedvábným pásem
Obr. 3 – Model Roulandova generátoru s hedvábným pásem Tento generátor vynalezl roku 1785 N. Rouland (životopisné údaje se bohužel nepodařilo zjistit). Roulandův generátor sestává ze dvou dřevěných válců, na nichž je natažen hedvábný pás. Ten se tře o dva polštářky pokryté zaječí kožešinou, čímž získává náboj. Uprostřed pásu je pak na izolačních nitech zavěšena kovová elektroda, která sbírá náboj z pásu a odvádí jej na výstup. Přístroj byl uváděn do chodu pomocí ruční kliky. Tato konstrukce měla řadu výhod – od možnosti snadné a levné výměny nosiče náboje (protože hedvábný pás byl mnohem levnějším materiálem než skleněné disky), přes možnost signifikantního zvýšení rychlosti média a tedy i výstupního proudu, až po mechanickou odolnost zařízení. Pásová konstrukce se osvědčila natolik, že dnes je poslední vývojový stupeň pásových generátorů, Van de Graaffův generátor, nejpoužívanějším typem elektrostatického generátoru. 2.1.2. Elektrostatické generátory indukční Některé zajímavé články na téma indukčních elektrostatických generátorů naleznete např. v [22], [23], [24], [25], [26], [27]. Indukční generátory pracují na principu elektrostatické indukce v kovových vodičích. Nejznámějším a ve školním prostředí nejpoužívanějším zástupcem této skupiny je Wimshurstova indukční elektrika, jejíž činnost podrobněji popíšeme v jedné z dalších podkapitol. V této skupině však můžeme nalézt i další přístroje, které fungují taktéž bez nutnosti
14
přímého kontaktu, avšak nosiči náboje jsou nekovová tělesa – jedním z nich je i Bonettiho generátor, jehož konstrukcí se tato práce bude dále zabývat. Indukční generátory pracují díky elektrickým polím, která způsobují v materiálech jejich částí elektrostatickou indukci či polarizaci, které v důsledku mohou působit přesuny nabitých částic z okolí na povrchy pohyblivých částí. Tyto pohyblivé části s sebou nesou náboj, který je jim později odebrán nějakým sběracím mechanismem a odveden na výstup. Iniciální elektrické pole je vytvářeno buď přirozenou cestou (různé části generátoru jsou obvykle již od výroby mírně nabité nebo svůj náboj získají během skladování a manipulace), nebo takzvaným startováním generátoru, což je proces, kdy elektrostatickému generátoru dodáváme počáteční náboj například pomocí jiného elektrostatického generátoru. Startovat je občas třeba například Bonettiho přístroj, naproti tomu Wimshurstova indukční elektrika obvykle startuje samostatně. V běžné praxi se setkáváme většinou se spolehlivou indukční elektrikou, někdy zvanou po svém vynálezci Wimshurstovým přístrojem. Její princip popíšeme dále. Pro přehled uvádíme některé další méně známé a méně používané typy:
15
Elektrofor
Obr. 4 – Model elekroforu (electrophorus) Tento generátor vynalezl Johan Wilcke (1732-1796). Generátor se skládá z dielektrické desky, kterou je možno snadno nabít třením (nebo později z materiálů, které jsou schopné udržet trvale polarizaci, která jim byla vtištěna při výrobě – typicky směsi parafínu a vosků) a kovové desky s izolační rukojetí. Tato deska je optimálně kruhová a má zavinuté hladké okraje, aby z ní co možná nejméně unikal náboj. Činnost zařízení vyžaduje následující postup: nabít dielektrickou desku třením (pokud nemá vtištěnou polarizaci), přiložit na ni kovovou desku, uzemnit kovovou desku, zrušit uzemnění a zvednout za izolační držadlo kovovou desku, na níž zůstane náboj, který můžeme dále využít. Když kovovou desku vložíme do elektrického pole dielektrické desky, dojde na ní k elektrostatické indukci. Na její spodní ploše se indukuje vždy opačný náboj než je na dielektrické desce (případně její vrchní straně, jde-li o desku trvale polarizovanou). V tuto chvíli desku krátce uzemníme, například dotekem ruky. Tím na dosud neutrální kovovou desku přivedeme ze země náboj, jímž vyrovnáme náboj indukovaný na její vrchní ploše. Poté uzemnění zrušíme a kovovou desku za izolační držadlo zvedáme. Náboj, který jsme na kovovou desku přivedli, na ní zůstává pro další použití. Na stavu nabití (či polarizace) dielektrické desky se však téměř nic nezměnilo, takže postup můžeme opakovat.
16
Kelvinův kapkový generátor
Obr. 5 – Model Kelvinova kapkového generátoru Tento generátor vynalezl William Thomson (1824-1907), známý jako Lord Kelvin. V originále se nazývá obvykle „Kelvin water dropper“. Přístroj sestává z nádoby na vodu v horní části, dvou kohoutků, kterými voda může vykapávat z nádoby, a kalíšků s obručemi pod nimi. Kovové obruče jsou ke kalíškům připojeny mezi kohoutky a kalíšky. Tyto obruče jsou připojeny zkříženě, tedy k levému kalíšku pravá obruč a naopak. Vzájemně jsou kalíšky a tedy i obruče izolované. Princip funkce přístroje spočívá v tom, že zkřížené opačně nabité obruče vybudí elektrické pole pro vrchní nádobu s vodou. V ní se tak indukuje náboj, v oblasti daného kohoutku vždy opačný vzhledem k bližší obruči. Když se potom z kohoutku utrhne kapka, má opačný náboj než příslušná obruč, kterou propadává. Pokračuje v cestě dolů, do kalíšku, který je připojen ke zbývající obruči, a má tedy stejný náboj jako kapka. S jejím dopadem se zvětší množství náboje v kalíšku. Stejný proces se uplatní u druhého kohoutku a nadále se opakuje. Tak vzniká kladná zpětná vazba. Původní náboj, který nastartuje generátor, obvykle pochází z běžné manipulace. Maximální napětí tohoto generátoru je omezeno charakterem vody, jejíž kapky se při příliš velkém napětí rozpadají na menší, které se poté rozletí do stran a smáčí obruč opačného náboje, čímž se generátor vybíjí.
17
Dirod
Obr. 6 – Model dirodu Tento generátor vynalezl A. D. Moore (1895-1989). Dirod je přístroj sestávající z rotující klece kovových tyčí upevněných v izolačním materiálu (odtud název „di“, disc neboli disk, a „rod“ neboli tyč). Tato klec je upevněna na otáčivé ose, na jejímž konci se nachází ještě kladička pro motorový pohon. Kolem klece jsou situovány tzv. neutralizační kartáčky, které se tyčí přímo dotýkají, a sběrací elektrody, které odvádí náboj tyčí díky indukci. Princip tohoto přístroje spočívá ve zvětšování iniciálního náboje, který se na přístroji nacházel buď díky skladování a manipulaci, nebo byl dodán při procesu startování. Tyč, která prochází kolem neutralizačního kartáčku, se zároveň nachází v elektrickém poli, takže na ní dochází k indukci. Dotek neutralizačního kartáčku na ní pak přivede náboj, který tyč odnáší dále ke sběrači. Pro podrobnější vysvětlení principu funkce vizte [9].
18
2.2. Principy funkce vybraných přístrojů 2.2.1. Třecí generátor - Van de Graaffův generátor
Obr. 7 – Model školního provedení Van de Graaffova generátoru Úvodem zmiňme některé zajímavé odborné články zabývající se principem funkce Van de Graaffova generátoru. Obecně existují dvě teorie jeho funkce – Van de Graaffova a Simonova. O těchto dvou teoriích se můžeme dočíst např. v [28] a [29]. Simonova teorie byla kvantitativně ověřována v [30]. V tomto textu se budeme zabývat školním typem Van de Graaffova generátoru a jeho činnost se pokusíme vysvětlit pokud možno velmi názorně. V praxi se používají generátory i pro laboratorní a průmyslové účely, jejich konstrukce se však může lišit. Vysvětlení se také omezí na kvalitativní popis probíhajících dějů. Van de Graaffův generátor (dále budeme používat zkratku VdGg) konstrukčně sestává ze dvou válečků, po kterých běží gumový pás, ze samotného pásu, sběracího a nabíjecího hřebínku a kulové elektrody. Spodní váleček, který se na Obr. 7 nachází za kolem kliky, je z materiálu silně negativně se nabíjejícího (spodní část tabulky Tab. 1 – Triboelektrická řada), nejčastěji z PVC (polyvinylchlorid) a podobných plastů. Poblíž spodního válečku je umístěn uzemněný nabíjecí hřebínek. Vrchní váleček, který je na Obr. 7 z velké části zakryt kulovou elektrodou, je naopak z materiálu,
19
který snadno odevzdává elektrony, obvykle tedy hliník a jeho slitiny nebo kovy obecně. Poblíž horního válečku je umístěn sběrací hřebínek vodivě spojený s kulovou elektrodou. Tento sběrač není na Obr. 7 již viditelný, protože je umístěn uvnitř. Velká kulová elektroda slouží svou kapacitou k uchovávání kladného náboje, který do ní je nanesen pásem. Na obrázku Obr. 7 je k vidění ještě malá kulová elektroda, která je uzemněná a pohyblivá. Tvoří tak spolu s velkou kulovou elektrodou nastavitelné jiskřiště. Vyskytuje se jen u některých typů VdGg určených pro výukové účely. Jiné typy mají od spodního hřebínku například jen vyvedený vodič pro uzemnění. Generátor se uvádí do pohybu buď ruční klikou, nebo v dnešní době zpřevodovanými motory. Vysvětlení principu funkce VdGg bylo inspirováno především článkem [31]. K vysvětlení principu funkce Van de Graaffova generátoru je účelné rozdělit situaci na dvě části – nejprve popišme děje v oblasti spodního válečku a spodního nabíjecího hřebínku.
Obr. 8 – Schéma principu VdGg, krok 1 Obr. 8 znázorňuje počáteční stav systému. Vidíme průřez spodním PVC válečkem (světle modrý kruh s šedou kovovou osou uprostřed), gumovým pásem (tmavě šedá) a nabíjecím hřebínkem (ten je znázorněn v mnohem větší vzdálenosti, než v jaké je skutečně umístěn, aby další obrázky byly názorné). Jsou-li všechny části generátoru v klidu, postupně se vybijí (pokud před tím byly nabité například v důsledku předchozí činnosti generátoru) a rozložení náboje na nich je přibližně rovnoměrné. Jak pás, tak PVC váleček a nabíjecí hřebínek jsou nyní neutrální. K jisté nerovnováze 20
rozdělení náboje dochází jen v místech styku vnitřní plochy pásu a vnějšího povrchu PVC válečku v důsledku jejich fyzického kontaktu. Situaci krátce po roztočení generátoru znázorňuje Obr. 9.
Obr. 9 - Schéma principu VdGg, krok 2 Jakmile se spodní váleček začne otáčet, přijímá jeho povrch od povrchu pásu elektrony, takže se nabíjí záporně. Pás se naproti tomu na vnitřním povrchu nabíjí kladně. To způsobí polarizaci zbytku pásu, jak je znázorněno na Obr. 9. PVC váleček spolu s pásem tak vytváří elektrické pole, v němž se nachází i nabíjecí hřebínek. Ten se v důsledku elektrostatické indukce nabije kladně, protože je uzemněný a bližší povrch zpolarizovaného pásu je záporný, stejně jako povrch PVC válečku. Elektrické pole mezi hřebínkem a pásem je nakonec natolik intenzivní, že dojde k ionizaci vzduchu v mezeře mezi hřebínkem a pásem a v jejím blízkém okolí. Situaci ukazuje Obr. 10.
21
Obr. 10 – Schéma principu VdGg, krok 3 Právě na tomto místě připomeňme, že ve skutečnosti je nabíjecí hřebínek ve velmi těsné blízkosti povrchu pásu. Na obrázku je zakreslen ve větší vzdálenosti z důvodu umožnění zakreslení iontů ve vzduchové mezeře. Malá reálná vzdálenost mezi hřebínkem a povrchem pásu umožní ionizaci vzduchu. Výsledkem je soubor kladných a záporných iontů pohybujících se ve vzduchu příslušným směrem – záporné ionty se pohybují ke kladně nabitému hřebínku, kde odevzdají svoje elektrony, a kladně nabité ionty se pohybují směrem k zápornému povrchu pásu. Na něm v důsledku přitažlivé síly ulpívají. Situaci dále ukazuje Obr. 11.
Obr. 11 - Schéma principu VdGg, krok 4
22
Kladné ionty, které ulpěly na povrchu pásu, jsou jím unášeny vzhůru. Jak je na Obr. 11 také znázorněno, udržují stav polarizace pásu i poté, co opustí fyzický kontakt s PVC válečkem. V pravé části je pás zatím neutrální. Nyní popišme situaci u horního válečku. Tu ukazuje Obr. 12.
Obr. 12 - Schéma principu VdGg, krok 5 Nejprve pomiňme kladné ionty, které s sebou pás unáší. Horní váleček je z hliníku, který snadno odevzdává pásu elektrony. Tím se při točení sám nabíjí kladně a vnitřní povrch pásu se nabíjí záporně. Vnější povrch pásu se tedy polarizuje kladně. Hliníkový váleček spolu s pásem tak tvoří elektrické pole, v němž se nachází sběrací hřebínek. V něm se tedy indukuje záporný náboj. Nyní se vraťme ke kladným iontům, které dorazily na pásu zespod. Kladné ionty unášené pásem jsou od něj nejprve odpuzovány hliníkovým válečkem a poté ještě přitahovány sběracím hřebínkem. Nakonec se tedy od pásu uvolní a dorazí až ke hřebínku, na jehož povrchu je naindukovaný záporný náboj. Tento náboj hřebínku odejmou a stávají se z nich opět neutrální částice. Protože je hřebínek vodivě spojen s velkou kulovou elektrodou, odnímá elektrony jí a ta se celá nabíjí kladně. V elektrickém poli mezi sběracím hřebínkem a vnějším povrchem pásu však také dochází k ionizaci vzduchu. Cestu kladných iontů jsme již popsali. Záporné ionty cestují směrem ke kladně nabitému hliníkovému válečku. V cestě jim však stojí
23
pás, na nějž opět díky jeho polarizaci přilnou. V tuto chvíli tedy již pravá část pásu není neutrální, ale unáší s sebou záporné ionty. Tyto pak u výstupního otvoru koule omezují maximální dosažitelné napětí přístroje. 2.2.2. Indukční generátor – Wimshurstova indukční elektrika
Obr. 13 – Model Wimshurstovy indukční elektriky Wimshurstův přístroj či Wimshurstova indukční elektrika, jejíž model vidíme na Obr. 13. sestává ze dvou tenkých plexisklových či plastových disků s kovovými sektory, které se otáčejí proti sobě, neutralizačních kartáčků (ty jsou na Obr. 13 vyobrazeny pod úhlem 45° na obě strany od svislé osy a přichází do přímého kontaktu s kovovými sektory na discích), sběracích čepelí (ty jsou na Obr. 13 vyobrazeny na obou stranách vodorovného průměru disků a mezi nimi a kovovými sektory je vzduchová mezera), k nim připojených Leydenských láhví, jiskřiště a ručního pohonu na kliku. V klasickém Wimshurstově přístroji je nutné, aby osička, na které sedí otočné disky, byla dělená. Tím zajistíme možnost protiběžného otáčení. K tomuto účelu je také od spodních kladiček jeden pohonný řemen veden přímo a jeden je zkřížený (na Obr. 13 vyobrazen na zadní straně přístroje). Jiskřiště je nastavitelné díky otočným drátům zakončeným kulovými elektrodami a na opačné straně opatřeným izolačními držadly. Ta slouží pro ochranu experimentátora, jelikož
24
jiskřiště je přímo připojeno k nabitým Leydenským láhvím a přímý dotyk by mohl způsobit nepříjemný až zdraví nebezpečný šok. U obvyklých školních pomůcek je možné Leydenské láhve pomocí nějakého mechanismu odpojit. Výklad činnosti tohoto přístroje byl inspirován hlavně článkem [32]. Pro vysvětlení principu funkce indukční elektriky je účelné zakreslit oba disky do jednoho obrázku. Proto zaveďme úmluvu, že bližší disk budeme zakreslovat soustředný, avšak menší než zadní disk. Přední disk se otáčí proti směru hodinových ručiček, zadní pak po směru. Sběrací čepele jsou znázorněny tlustými čarami na krajích vodorovného průměru. Přední neutralizační kartáček je naznačen plnou čarou procházející středem. Zadní neutralizační kartáček pak přerušovanou čarou procházející středem (pro názornost se „vyhýbá“ ploškám předního disku, ve skutečnosti je stejně rovný jako přední). Situaci na počátku vyobrazuje Obr. 14.
Obr. 14 – Schematický nákres indukční elektriky, krok 1 (přední disk je zakreslen menší, zadní pak větší; přední disk rotuje proti směru hodinových ručiček, zadní pak po směru; zadní neutralizátor je znázorněn čárkovaně a přední plnou čarou)
25
Pro názornost nejprve uvažujme situaci, kdy se sběrače neuplatní. Předpokládejme, že zpočátku je jedna ploška na zadním disku mírně kladně nabitá. Když prochází kolem plošek na předním disku, indukuje na jejich bližším povrchu záporný náboj a na vzdálenějším povrchu kladný náboj. Pokud se plošky míjejí mimo neutralizační kartáčky, jakmile se vzdálí, indukce pomine a ploška na předním disku zůstává neutrální. V případě, že se plošky míjejí v oblasti předního neutralizačního kartáčku tvoří však ploška, kartáček a protilehlá ploška jediné kovové těleso. Situaci znázorňuje Obr. 15.
Obr. 15 - Schematický nákres indukční elektriky, krok 2 V tomto tělese se tedy vlivem pole zadní kladně nabité plošky indukuje náboj. V blízké plošce záporný, ve vzdálené kladný. Jakmile plošky opustí kontakt s kartáčkem, zůstane na nich indukovaný náboj trvale. Poté nabité plošky pokračují v cestě po obvodech disků a budí elektrické pole, které ovlivňuje protilehlé plošky. V oblastech, kde se nenacházejí neutralizační kartáčky, toto pole pouze vybudí přitažlivou sílu mezi disky, kterou je třeba překonat při jejich otáčení, ale neuplatní
26
se v mechanismu kladné zpětné vazby. Stále ale platí, že jakmile neutrální ploška opustí pole nabité plošky na druhém disku, zůstává neutrální. Význam má sledovat indukci v okamžiku, kdy nabitá ploška prochází místem protilehlým neutralizačnímu kartáčku druhého disku. V případě na Obr. 15 je to tedy moment po otočení o 4 plošky. Zatím nebudeme při popisu funkce přístroje uvažovat sběrací kartáčky. K jejich efektu se vrátíme na konci výkladu.
Obr. 16 - Schematický nákres indukční elektriky, krok 3 V poloze na Obr. 16 jsou zadní plošky v kontaktu s neutralizačním kartáčkem a zároveň jsou v poli předních nabitých plošek. To způsobí elektrostatickou indukci v tělese zadních plošek dotýkajících se neutralizačního kartáčku, tentokrát však silnější, protože pole budí obě přední plošky. Jakmile plošky zadního disku opustí kontakt s neutralizačním kartáčkem, zůstane na nich jejich naznačený náboj trvale. Původní nabitá ploška v tuto chvíli je mimo oblasti neutralizačních kartáčků, budí tedy elektrické pole, které ovlivňuje neutrální protilehlou plošku, která však zůstane
27
při dalším pohybu nadále neutrální, protože se nedotýká neutralizačního kartáčku. Dalším podstatným momentem je chvíle po otočení o 4 plošky.
Obr. 17 – Schematický nákres indukční elektriky, krok 4 Na Obr. 17 byly opět naznačeny i plošky, jejichž indukovaný stav se v danou chvíli neuplatní v mechanismu zpětné vazby, pouze působí přitažlivou sílu mezi disky. Aby vysvětlení nebylo příliš rozsáhlé, uvažujme nyní analogický postup nabíjení. Následující Obr. 18 zobrazuje již konečný stav.
28
Obr. 18 – Schematický nákres indukční elektriky, krok 5 V konečné fázi je každý disk rozdělen na dvě stejně velké části – plošky jedné jsou nabity záporně, plošky druhé jsou nabity kladně. Tyto části jsou vždy rozděleny neutralizačními kartáčky a vzájemně otočeny o 90°. Kdyby tedy v indukční elektrice nebyly přítomny sběrače náboje, byly by elektrické síly odpudivé a přitažlivé přibližně vyrovnané. Situaci, kdy zapojíme sběrače náboje k vnějšímu obvodu, znázorňuje Obr. 19.
29
Obr. 19 - Schematický nákres indukční elektriky, krok 6 Dosud jsme popisovali funkci přístroje bez uvažování vlivu sběracích kartáčků. Přístroj by tak sice opravdu fungoval, ale neposkytoval svůj hlavní užitek – nemohli bychom z něj odebírat náboj. Předpokládejme nyní, že sběrače jsou absolutně účinné, tedy jakmile jimi nabitá ploška projde, ztratí celý svůj náboj. Na obou discích si tak můžeme povšimnout čtyř plošek v cestě (z hlediska směru otáčení disků) po sběračích, které se staly díky nim neutrální a na kterých je nyní jen náboj indukovaný polem protilehlých plošek. Nyní tedy můžeme pozorovat znatelné zvýšení síly nutné pro otáčení indukční elektrikou.
30
3. Konstrukce Bonettiho přístroje Bonettiho konstrukce elektrostatického generátoru byla zvolena jako nejvhodnější z několika následujících důvodů: •
Delší životnost – disky Bonettiho přístroje nemají metalické sektory, které by se třely o neutralizační kartáčky, jak tomu je u Wimshurstovy indukční elektriky, takže odpadá jejich postupná devastace vzájemným stykem.
•
Snazší konstrukce – díky skutečnosti, že na disky Bonettiho přístroje není třeba lepit či barvit metalické sektory a také není třeba, aby neutralizační kartáčky byly v přímém kontaktu s disky, je konstrukce přístroje méně technologicky náročná než u Wimshurstovy indukční elektriky.
•
Snazší údržba – ze stejného důvodu (absence metalických sektorů a nutnosti přímého dotyku neutralizačních kartáčků) je snazší i údržba přístroje, jelikož při jeho znečištění lze povrch disků snadno očistit kusem tkaniny, aniž bychom poškodili citlivé metalické sektory.
•
Vyšší výkon – díky skutečnosti, že Bonettiho přístroj sbírá náboj z povrchu disků spojitě, nikoli pouze z oblastí pokrytých metalickými sektory, dosahuje lepšího výstupu než Wimshurstova indukční elektrika.
•
Nižší cena – technologický postup, který zvyšuje cenu stávajících Wimshurstových indukčních elektrik, spočívá právě v barvení či lepení metalických sektorů na disky, a tento neduh v případě Bonettiho přístroje odpadá, což snižuje cenu celé konstrukce.
Konstruovaný prototyp byl oproti konstrukcím uvedeným v [8], z nichž vycházel, vylepšen ještě o několik úprav: •
Motorový pohon – díky němu má učitel volné ruce k experimentování
•
Pohon každého disku zvlášť – díky tomuto vylepšení odpadá křížení hnacího řemenu jednoho z disků, což zvyšuje jeho životnost
•
Použití zdvojených kuličkových ložisek – tato úprava zvyšuje životnost a odolnost uložení disků
•
Uložení na stojinách z plexiskla – tato úprava zamezuje úniku náboje z disků lépe než v případě kovových stojen
31
3.1. Princip činnosti
Obr. 20 – Model prototypu Bonettiho elektrostatického generátoru Výše vidíme Obr. 20, který ukazuje model výsledného zařízení a který vznikl jako součást vývojového procesu. Bonettiho elektrostatický generátor je ve většině případů třeba nejprve nastartovat, proto popišme princip jeho činnosti od tohoto kroku. Startování elektrostatického generátoru je akce, při které dodáváme generátoru iniciální náboj, aby poté mohl pokračovat v činnosti. Ve vší obecnosti indukční generátory potřebují ke svému fungování elektrická pole, díky nimž se náboj přesouvá v kovových částech a dává tak vzniknout kladné zpětné vazbě. Tato elektrická pole však musí být dostatečně silná, aby generátor začal pracovat. Proto se někdy stává, že například i indukční elektriku je třeba nastartovat. Protože Bonettiho přístroj nemá kovové sektory, které by byly v kontaktu s neutralizačními kartáčky a které by tedy odevzdaly svůj náboj i při velmi malém potenciálu, musí být intenzita iniciálního pole značná. Nejsnazší metoda startování Bonettiho přístroje je tak přiložit
poblíž
rotujících
disků
proti
jednomu
z neutralizačních
kartáčků
zelektrovanou tyč.
32
Obr. 21 – Schéma principu činnosti Bonettiho přístroje, krok 1 (Přední neutralizátor je znázorněn plnou čarou, zadní pak přerušovanou; sběrače jsou znázorněny na krajích vodorovného průměru) Obr. 21 ukazuje schematický nákres situace při startování generátoru. Přiložená novodurová tyč má záporný náboj a disky jsou neutrální. Zadní disk je opět zakreslen větší, zadní neutralizátor čárkovaný a sběrače červené na krajích vodorovného průměru. Přítomnost nabité novodurové tyče v zadním neutralizačním kartáčku indukuje kladný náboj v jeho bližší straně a záporný v jeho vzdálenější straně. To způsobí polarizaci plexiskla a je-li elektrické pole dostatečně silné, ionizuje vzduch mezi kartáčkem a povrchem plexiskla. Situaci ukazuje Obr. 22 (startovací tyč není zakreslena).
Obr. 22 – Schéma principu funkce Bonettiho přístroje, ionizace vzduchu
33
Na Obr. 22 vidíme neutralizační kartáčky zadního disku, v nichž je indukovaný náboj odpovídající Obr. 21. To způsobí polarizaci plexiskla zadního disku tak, že jeho molekuly v odpovídající části povrchu se orientují vždy nesouhlasným nábojem ke kartáčku. Toto uspořádání vybudí elektrické pole mezi hroty kartáčku a povrchem disku. Vzhledem k velmi malé vzdálenosti mezi hroty kartáčku a povrchem disku (zhruba 1 mm) a k velké špičatosti hrotů je toto pole velmi intenzivní, což vede k ionizaci vzduchu mezi nimi. Ionty jsou poté dle druhu náboje přitahovány buď k neutralizačnímu kartáčku, kde dostanou či předají elektrony a kartáček zůstane neutrální, nebo k povrchu plexiskla. Na povrchu disku ulpívají a jsou díky jeho otáčení unášeny dál. Situaci znázorňuje Obr. 23.
Obr. 23 – Schéma principu funkce Bonettiho přístroje, ionizace vzduchu 2 Na Obr. 23 vidíme ionty, které ulpěly na povrchu zadního disku. I když daná část povrchu plexiskla opustí elektrické pole neutralizačního kartáčku, ionty, které na něm ulpěly, udrží stav jeho polarizace a na povrchu zůstanou i nadále. Tyto ionty pak putují s diskem a budí elektrické pole pro přední disk. Ten se polarizuje, ale jakmile opustí prostor ovlivněný elektrickým polem zadního disku, jeho molekuly se opět uspořádají do neutrálního stavu. Jiná situace však nastává, když se povrchy zadního disku s ionty dostanou proti neutralizačnímu kartáčku předního disku. Podle situace na Obr. 21 toto nastane po otočení disků o čtvrtinu otáčky. Situaci schematicky znázorňuje Obr. 24.
34
Obr. 24 - Schéma principu činnosti Bonettiho přístroje, krok 2 V momentě znázorněném na Obr. 24 elektrické pole buzené zadním diskem indukuje v předním neutralizátoru náboj vždy opačný, než je na dané straně kotouče. Nastává opět ionizace (Obr. 22). Další rozložení náboje ukazuje Obr. 25.
Obr. 25 - Schéma principu činnosti Bonettiho přístroje, krok 3
35
Jakmile se rozložení nábojů na discích dostane do fáze, kterou zobrazuje Obr. 25 (tedy půl otáčky po přiložení tyče), můžeme startovací tyč odstranit. Tímto okamžikem totiž začíná fungovat kladná zpětná vazba. Náboj na předním disku se dostal do oblasti proti zadnímu neutralizátoru, kde indukuje vždy opačný náboj. Ten potom srší na disk zadní, kde posiluje již přítomný náboj. Naproti tomu zadní disk se již nabil po celém obvodu, jeho náboj v předním neutralizátoru indukuje opět opačný náboj než blízká část povrchu a ten srší na disk přední a posiluje již přítomný náboj. Konečnou situaci ukazuje Obr. 26.
Obr. 26 - Schéma principu činnosti Bonettiho přístroje, krok 4 V konečném stavu slyšíme sršení náboje z kartáčků neutralizátorů a cítíme zřetelný zápach ozónu. Tyto projevy nás upozorní na to, že generátor již pracuje a můžeme přestat se startovacím procesem. Zároveň díky přitažlivým elektrickým silám, které vzniknou mezi disky, je třeba překonávat větší sílu při jejich pohánění. Ve zkonstruovaném prototypu se tato skutečnost projeví charakteristickým zvukem zatížení motorů, při ručním pohonu znatelným ztížením otáčení. Zatím byla vysvětlena činnost přístroje, která nebyla ovlivněna výstupním zařízením připojeným ke generátoru, tedy činností sběracích kartáčků. Ty odsávají
36
náboj z obou disků mezi neutralizátory v kvadrantech kolem vodorovného průměru. Řekněme, že v extrémním případě odsají náboj všechen. Situaci pak ukazuje Obr. 27.
Obr. 27 - Schéma principu činnosti Bonettiho přístroje, krok 5 V reálném provozu však není efektivita sběracích kartáčků absolutní, takže zbytky náboje na povrchu plexiskla projdou nedotčeny. Generátor zůstává v tomto stavu, dokud pracuje a je z něj odebírán náboj. Po odstavení disky udrží svůj náboj řádově hodiny až dny (v závislosti na skladovacích podmínkách, především pak vlhkosti vzduchu). Pokud je generátor nečinný po delší dobu, je nutné jej opět nastartovat. Pokud chceme generátor před dlouhodobým skladováním vybít, postačí otáčet jeho disky opačným směrem, než při běžné funkci.
37
3.2. Postup konstrukce 3.2.1. Mechanické části V první fázi byla navržena celková podoba zařízení založená na konstrukci Bonettiho přístroje. Jako materiál disků bylo zvoleno plexisklo pro jeho výborné elektrické vlastnosti. Plexisklo je materiálem s velmi malým povrchovým příjmem vlhkosti, dobrou schopností se nabíjet a výbornými izolačními schopnostmi. Rozměr disku byl zvolen jako kompromis mezi pořizovací cenou a výkonem přístroje na 50 cm v průměru. Tloušťka plexiskla byla volena s ohledem na mechanickou pevnost při otáčení. Usazení disků na otočnou osu bylo předpokládáno pomocí středového otvoru, kterým by měl procházet kovový náboj, a šesti šroubů. Technologický problém přesnosti při zhotovování soustředného otvoru a přesného kruhu byl při stavbě prototypu vyřešen zakázkovou výrobou dílu. Při další výrobě jako školní pomůcky by mohl pomoci žhavený odporový drát a točna tvaru mezikruží. Obr. 28 ukazuje technický výkres disků.
Obr. 28 – Výkres 1: Disk v nárysu a bokorysu
38
K upevnění disků slouží kovové náboje, na kterých disky spočívají svým středním otvorem a jsou fixovány šesti šrouby M5. Průměr nábojů byl původně navrhován větší kvůli mechanické odolnosti zařízení, avšak s přihlédnutím k celkovému předimenzování a maximálnímu průměru dostupného soustruhu byl průměr zmenšen na konečných 80 mm. Technický výkres náboje ukazuje Obr. 29.
Obr. 29 – Výkres 2: Náboj v nárysu a bokorysu Do vnitřních otvorů každého z nábojů byla vlisována dvě ložiska. Důvodem bylo omezení stranového namáhání ložisek a zamezení případnému svlékání nábojů z jediného ložiska. Uložení nábojů na ose ukazuje Obr. 30.
Obr. 30 – Výkres 3: Uložení disků v bokorysu a řezu Každý z nábojů má drážku pro poháněcí gumový o-kroužek. Každý z disků má vlastní elektromotor s převodovkou, aby bylo možné regulovat zvlášť otáčky každého disku a odpadla nutnost křížení pohonného řemenu, což by vyústilo v jeho
39
zbytečné opotřebovávání. Celý mechanismus poté musel být uložen na dobře izolujících stojinách, aby mohlo být dosaženo optimálního výkonu přístroje. Z tohoto důvodu bylo i za materiál stojin zvoleno plexisklo. Obr. 31 ukazuje technický výkres stojin.
Obr. 31 – Výkres 4: Stojina v nárysu a bokorysu Základní desku tvoří cenově dostupná dřevotříska. Vyhovuje svými mechanickými i elektrickými vlastnostmi, protože v této spodní části je již elektrické pole slabé. Pohromadě drží stojiny se základní deskou hliníkové L-profily 50x50x3.
Obr. 32 – Výkres 5: Osa v nárysu
40
Otáčivá část je uložena na ose, jejíž technický výkres ukazuje Obr. 32. Původně byla osa zhotovena z trubky o průměru 20 mm a síle stěny 5 mm, kterou procházela závitová tyč o průměru 8 mm. Konečné rozhodnutí však padlo na výrobu svorníku z 10mm tyče a vyříznutí závitů do obou jeho konců kvůli zmenšení mechanické vůle osy. Jako pohonné jednotky byly zvoleny 12VDC motory s převodovkou 1:50, k nimž byly zhotoveny pohonné kladičky s převodovým poměrem vzhledem k nábojům disků zhruba 1:1. To dovoluje u disků nejvýše asi 130 otáček za minutu. 3.2.2. Elektrické části Pro konstrukci elektrických částí a finalizaci generátoru byl vytvořen přibližný trojrozměrný model s přesností na milimetry. Záměr byl vizualizovat konstrukci v dané chvíli existující pouze v průmětech technických výkresů mechanických částí (model ukazuje Obr. 20). Na obrázku vidíme sestavené mechanické části (základní desku, stojiny připevněné pomocí L-profilů, disky upevněné na ose, motory a pohonné řemeny, přidány byly také rukojeti pro snadné přenášení a gumové nožičky pro ochranu povrchu, na nějž bude generátor položen). Mimo ně jsou na obrázku k vidění i elektrické části generátoru – na ose diagonálně upevněné neutralizační kartáčky, na krajích vodorovného průměru upevněné sběrače náboje, Leydenské láhve po stranách, vepředu postavené jiskřiště s kulovými elektrodami a také napájecí jednotka a ovládací panel. V dalších odstavcích budou jednotlivé části popsány blíže. Klíčovým prvkem pro funkci generátoru jsou neutralizační kartáčky, z nichž na disk musí nasršet dostatečný náboj. První sada kartáčků byla zhotovena z měděné 5mm trubky, v níž byly měkkou pájkou vpájeny měděné dráty. Kartáčky vypadaly zhruba jak ukazuje Obr. 33.
Obr. 33 – Původní konstrukce kartáčků (nahoře sběrací, dole neutralizační)
41
Tato konstrukce kartáčků se však neosvědčila a přístroj se nedařilo uvést do provozu ani opakovaným startováním. Jediným způsobem, jak přimět přístroj s těmito kartáčky dodávat náboj, bylo držet silně zelektrovanou tyč proti neutralizačnímu kartáčku protilehlého disku po celou dobu běhu generátoru. Po oddálení tyče však přístroj opět přešel do neelektrického stavu - stačila jediná jiskra, aby se přístroj nevratně vybil a bylo třeba jej znovu nastartovat. Toto chování bylo způsobeno nedostatečným sršením náboje z neutralizačních kartáčků na povrch disků. Jejich konstrukce tedy byla upravena, jak ukazuje Obr. 34. Místo silných drátěných hrotů byla kolem mosazné tyče ohnuta a k ní připájena hliníková síťka s mnoha jemnými hroty.
Obr. 34 – Vylepšená konstrukce neutralizačního kartáčku Tato konstrukce se již ukázala být funkční a generátor po nastartování držel náboj a mohl jiskřit a napájet elektrostatický motor. Při pokusu o změření výstupního proudu do zkratu však generátor opět přešel do neelektrického stavu a to se opakovalo při každém zkratování výstupních svorek. Na základě analýzy chování Wimshurstovy indukční elektriky, která má o mnoho řádů horší kontakt sběracích čepelí s ploškami než neutralizačních kartáčků s ploškami byla upravena nejprve poloha a poté konstrukce sběracích kartáčků. Experimenty s polohou kartáčků ukázaly, že optimální je nastavit konce kartáčků zároveň s okraji disků. Hroty sběracích kartáčků tak již způsobovaly jen zbytečný únik náboje do vzduchu. Sběracím kartáčkům tedy nejprve byly odebrány hroty, a když se ukázalo, že i s nimi je situace nezměněná a klíčovým parametrem je poloha kartáčků, byly sběrače výrazně zkráceny až do tvaru půlkruhu a umístěny zároveň s okraji disků, jak naznačuje Obr. 35, který situaci schematicky znázorňuje v půdorysu. Sběrače jsou znázorněny černě, plexisklové disky šedivě.
42
Obr. 35 – Výsledné umístění zkrácených sběračů V tomto uspořádání přístroj již dává proud do zkratu aniž by bylo nutné jej znovu startovat. Optimálnější uspořádání by však dle získaných zkušeností mělo obsahovat neutralizační sběrače sestávající z řádově většího množství ostrých hrotů v co možná nejmenší vzdálenosti od povrchu rotujících disků. Tato vzdálenost však u prototypu nebude menší než zhruba 2 mm kvůli mírné asymetrii uložení disků. Při přesnějším vyhotovení mechanických částí by bylo vhodné umístit hroty neutralizačních kartáčků do vzdálenosti pod 1 mm od povrchu rotujících disků. Je očekáváno další zvýšení proudového výstupu. Další důležitou součástí generátoru jsou Leydenské láhve, které slouží k uchovávání vygenerovaného náboje například pro jiskry. Jejich konstrukci schematicky znázorňuje Obr. 36.
Obr. 36 – Schematický řez Leydenskou láhví
43
Návrh řešil především otázku odolnosti kondenzátorů vůči vysokému napětí a to jak z hlediska jejich integrity, tak z hlediska zamezení úniku náboje kvůli případné koróně. Klasická konstrukce Leydenských láhví používaných u elektrostatických generátorů zahrnuje skleněné či plastové pohárky nebo pláště válců pokryté zevnitř a z vnějšku hliníkovou fólií. Vývody jsou pak obvykle v kontaktu s elektrodami prostým dotykem. Tato konstrukce však nevyhovuje natolik vysokým napětím, jaké je s to dodávat konstruovaný prototyp. Na hranách fólie by již vznikala intenzivní koróna, která by působila nadměrné ztráty náboje a omezovala maximální dosažitelné napětí. K okrajům vnitřní hliníkové fólie tedy byly přidány kroužky z hladké měděné trubky o průměru 5 mm. Tím došlo k jejich zaoblení a snížení intenzity elektrického pole v jejich okolí. Vývod vnější elektrody byl uspořádán stejně, ale proto, že vnější elektrody jsou při provozu na nulovém potenciálu, nemusel být zaoblen i druhý okraj fólie. Původní Leydenské láhve byly zkonstruovány z novodurové trubky (oranžový typ používaný pro odpadní vedení do země) průměru zhruba 110 mm a tloušťkou stěny cca. 4,2 mm. Tyto odpadní trubky jsou z materiálu PVC-U, jehož udávaná elektrická pevnost je 20-40 kV/mm. Při průměrné hodnotě elektrické pevnosti tedy kondenzátory měly vydržet napětí přes 100 kV. S přihlédnutím ke skutečnosti, že kondenzátory jsou u generátoru zapojeny sériově, což je výhodné jak z hlediska jejich napěťového zatížení, tak z hlediska toho, že vnější elektrody jsou na nulovém potenciálu a stačí tak ochranou proti úniku náboje korónou opatřit elektrody vnitřní, kondenzátory měly postačit v nejhorším případě k napětí zhruba 150 kV. Kapacita jednoho kondenzátoru byla zhruba 550 pF. Při zkouškách prvních Leydenských láhví s kulovými elektrodami pro dosažení co možná nejdelších jisker však došlo při zhruba 13cm jiskrách k průrazu materiálu kondenzátorů a tím se staly dále nepoužitelné, pročež jsme museli zkonstruovat kondenzátory odolnější. Ke konstrukci odolnějších kondenzátorů byla použita PPL (polypropylenová) vodovodní trubka o vnějším průměru 90 mm a vnitřním průměru 65 mm. Udávaná elektrická pevnost PPL je 50 kV/mm, takže současné kondenzátory by měly vydržet napětí až 0,5 MV. Jejich kapacita však díky zesílení stěny klesla ke zhruba 110 pF na kondenzátor. Tyto kondenzátory byly zároveň použity i k sestavení měřícího kapacitního děliče, který v kapitole 3.4. umožnil určit napětí různých generátorů včetně konstruovaného prototypu.
44
Generátor je poháněn dvěma 12VDC motory zpřevodovanými v poměru 1:50. K napájení těchto motorů byl při experimentech a měření provizorně používán regulovatelný zdroj.
45
3.3. Možné modifikace pro sériovou výrobu Zkonstruovaný prototyp, jehož rozměry jsou pro běžné školní využití přece jen velké, by bylo možno snadno upravit do podoby, kdy by se mohl stát dostupnou a výkonnou školní pomůckou. V této podkapitole je podán námět na takovou úpravu. Elektrostatický generátor je řídce využívanou pomůckou fyzikálního kabinetu (elektrostatika je obvykle probírána kolem února v 6. třídách a primách víceletých gymnázií, 8. třídách a terciích víceletých gymnázií a 2. ročnících středních škol a sextách víceletých gymnázií; ve všech třídách zhruba ve stejném období, takže po zbytek roku leží elektrostatický generátor ladem), proto jsou na něj peníze ředitelstvím škol uvolněny jen zřídka. Cena za materiál použitý na prototypu se pohybuje kolem 7000 Kč, což je stále zlomek ceny Van de Graaffových generátorů srovnatelného výstupu od renomovaných firem typu Phywe, avšak cena zařízení se zmenšením na vhodnější rozměry pro školní použití prudce klesne. Zachovejme disky z plexiskla kvůli jeho skvělým elektrickým vlastnostem. Stojiny mohou být vyrobeny z mnohem levnějšího materiálu než 15 mm tlusté plexisklo, náboje budou z tenčí tyčoviny, ložiska menšího průměru, motory slabší. Přibližný odhad celkových částek je následující: •
Plexisklové disky o průměru 300 mm a tloušťce 3 mm (cca. 150 Kč)
•
Stojiny z plastové desky výšky 250 mm a tloušťce 10 mm (cca. 200 Kč)
•
Náboje, osa a L-profily k uchycení stojen a motorů (cca. 300 Kč)
•
Motory (cca. 600 Kč)
•
Leydenské láhve (cca. 200 Kč)
•
Jiskřiště (cca. 200 Kč)
•
Součástky řídícího panelu (cca. 500 Kč)
•
Pohonné o-kroužky (cca. 30 Kč)
•
Základní dřevotřísková deska (100 Kč)
•
Náklady spojené s prací a energiemi Ve výsledku by tak bylo možno vyrobit tuto pomůcku za částku zhruba
2500 Kč, neuvažujeme-li náklady na práci. Při tom by tato pomůcka měla všechny výhody popsané na začátku kapitoly a svými rozměry nepřesahovala současně používané Wimshurstovy indukční elektriky. Tím by se mohla stát dostupným
46
elektrostatickým generátorem pro výuku fyziky. Cenu pomůcky by bylo možné ještě více snížit výrobou verze poháněné ruční klikou. Odhady pro tuto verzi vypadají následovně: •
Plexisklové disky o průměru 300 mm a tloušťce 3 mm (cca. 150 Kč)
•
Stojiny z plastové desky výšky 250 mm a tloušťce 10 mm (cca. 200 Kč)
•
Náboje, osa a L-profily k uchycení stojen a ručního pohonu (cca. 300 Kč)
•
Mechanismus ručního pohonu – klika s osou (cca. 100 Kč)
•
Leydenské láhve (cca. 200 Kč)
•
Jiskřiště (cca. 200 Kč)
•
Pohonné o-kroužky (cca. 30 Kč)
•
Základní dřevotřísková deska (100 Kč)
•
Náklady spojené s prací a energiemi
Náklady na výrobu verze bez elektrického pohonu by tak bylo možno snížit až na zhruba 1500 Kč.
47
3.4. Měření parametrů generátorů Cílem této části práce bylo změřit některé výstupní parametry vybraných dostupných elektrostatických generátorů. Zajímají nás především dva parametry výstupní proud a maximální napětí. To proto, že množství náboje, který je generátor schopen dodat za časovou jednotku, je popsáno jeho výstupním proudem. Platí totiž: I=
∆Q ∆t
(1)
Maximální napětí je klíčovým parametrem z toho důvodu, že od elektrostatického generátoru požadujeme právě velmi vysoké napětí. Pro měření byly vybrány tyto generátory: hračka Magic wand (malý Van de Graaffův generátor v pouzdře připomínajícím kouzelnou hůlku), školní Van de Graaffův generátor, školní Wimshurstova indukční elektrika a zkonstruovaný prototyp Bonettiho elektrostatického generátoru. 3.4.1. Metody měření
K měření velikosti výstupních proudů elektrostatických generátorů do zkratu je vhodný běžný mikroampérmetr, protože velikosti proudů se pohybují v řádech jednotek mikroampér. Schematické uspořádání měření ukazuje Obr. 37.
Obr. 37 – Schéma zapojení pro měření proudového výstupu Při měření proudového výstupu mikroampérmetrem je třeba dbát zvýšené opatrnosti, protože citlivý přístroj by se mohl snadno zničit, kdyby se ve vedení s nezanedbatelnou kapacitou stačil nakumulovat náboj dostatečný k přeskoku nebezpečné jiskry při zapojování přístroje. To platí i v případě, že je generátor zpočátku nečinný. Proto paralelně s ampérmetrem zařazujeme spínač, který držíme sepnutý až do chvíle, kdy je měření připraveno.
48
Měření
výstupního
napětí
elektrostatických
generátorů
je
mnohem
obtížnějším úkolem. Nemůžeme si totiž dovolit generátor při něm proudově zatěžovat, jelikož jde o zdroj extrémně měkký. Metoda odporového děliče napětí by tedy nemohla fungovat, protože bychom potřebovali udržet příčný proud děličem na hladině zhruba 10-11 A při napětí řádově 105 V. Metoda délky jiskry pak nemůže sloužit k měření s vyhovující přesností, protože závisí na příliš mnoha faktorech a z experimentů vyplývá, že je přesná jen pro jiskry délek řádově několika milimetrů. Při větších vzdálenostech výstupních elektrod je již chování vzduchu coby dielektrika silně nelineární a těžko předvídatelné. Musela tedy být zvolena metoda kapacitního děliče napětí a měření pomocí voltmetru s velmi vysokým vstupním odporem. Schéma jeho zapojení je na Obr. 38.
Obr. 38 – Schéma zapojení kapacitního děliče napětí Princip metody kapacitního děliče je následující: Představme si, že jsme připojili vstupní napětí U in . Na svorkách obou kondenzátorů připojených ke zdroji se začíná hromadit náboj. Na vnitřních svorkách, které jsou spolu spojené, se pak stejně velký náboj, vždy opačného znaménka, indukuje. Řekněme, že vrchní svorku děliče připojíme ke kladnému pólu zdroje. Na vrchní desce C1 je tedy kladný náboj, na jeho spodní desce je indukovaný náboj záporný. Na spodní desce C2 je náboj záporný a na jeho vrchní desce je indukovaný náboj kladný. Náboje na obou kondenzátorech jsou stejně velké. Označme tedy U 1 napětí na C1 a U 2 napětí na C2, Q1 náboj C1 a Q2 náboj C2, C1 kapacitu kondenzátoru C1 a C 2 kapacitu kondenzátoru C2. Z uvedeného plyne:
Q1 = C1U 1 = Q2 = C 2U 2
(2)
49
Vyjádřeme z (2) U 1 :
U1 =
C2 U2 C1
(3)
Součet napětí na obou kondenzátorech musí být roven napětí generátoru, tedy: U in = U 1 + U 2
(4)
Do tohoto vztahu dosadíme z (3):
U in =
C2 U2 +U2 C1
(5)
Vztah (5) postupně upravíme:
C + C1 U in = U 2 2 C1
(6)
Vztah (6) nám umožňuje určit napětí připojené ke vstupním svorkám kapacitního děliče ze známých kapacit a změřeného U 2 . Protože pro kapacity obou kondenzátorů platí: C1 << C 2 , je z (3) zjevné, že U 2 << U 1 . Tím převedeme problém měření velmi vysokého napětí na měření napětí o mnoho řádů menšího. Prakticky je výhodnější určit dělicí poměr kapacitního děliče pomocí kalibrace zdrojem známého napětí než výpočtem, protože při výpočtu se uplatní chyby měření kapacit obou kondenzátorů, které mohou být značné. Kalibraci provedeme tak, že ke vstupním svorkám děliče připojíme výstup vysokonapěťového zdroje známého napětí a změříme napětí na C2. Vydělením velikostí těchto dvou napětí získáme dělicí poměr. Tato teorie však předpokládá, že z C2 není odebírán žádný proud – to je v pořádku, protože měření s tímto děličem probíhá tak, že jej nejprve necháme nabít na napětí zdroje bez připojeného měřícího přístroje a teprve poté k C2 připojíme sepnutím spínače voltmetr s velkým vnitřním odporem. Jakmile připojíme voltmetr, začne se do něj C2 vybíjet. Počáteční napětí na C2 tedy s časem klesá a je třeba údaj odečíst rychle. Na otázku jak rychle nám odpoví výpočet časové konstanty vybíjení C2 do voltmetru. Představme si nyní obvod, jehož schéma ukazuje Obr. 39.
50
Obr. 39 – Náhradní schéma zapojení voltmetru k C2 Obvod je náhradním zapojením voltmetru při měření napětí na C2. Vnitřní odpor voltmetru je znázorněn jako Rv a jeho hodnotu označme Rv . Víme, že okamžité napětí na voltmetru je s okamžitým proudem spojeno vztahem: (7)
u = Rv i
Napětí na kondenzátoru je stejné jako napětí na voltmetru a okamžitý proud lze zapsat jako časovou derivaci okamžitého náboje q, můžeme tedy upravit (7) do tvaru: q dq = − Rv C2 dt
(8)
Znaménko pravé strany naznačuje, že náboj z kondenzátoru s časem ubývá. (8) je diferenciální rovnice, jíž lze řešit separací proměnných: dq 1 =− dt q Rv C 2
(9)
Po integraci dostáváme: ln q = −
t +K Rv C 2
(10)
Integrační konstantu K určíme z počáteční podmínky, že pro t = 0 je q = Q2 , dostaneme rovnici:
ln Q2 = K
(11)
Po dosazení vypočtené integrační konstanty zpět do (10) dostáváme: ln q = −
t + ln Q2 Rv C 2
(12)
Z (12) pak plyne, že:
u = U 2e
−
t Rv C 2
= U 2e
−
t tk
(13)
Časová konstanta t k vybíjení kondenzátoru je čas, za který poklesne původní napětí U 2 na hodnotu U 2 e −1 . Z toho vyplyne podmínka:
51
−
tk = −1 Rv C 2
(14)
Z této podmínky vyjádříme časovou konstantu jako: t k = Rv C 2
(15)
Nyní dosaďme do (16) přibližné skutečné hodnoty. Vnitřní odpor dostupného digitálního voltmetru, který byl použit k měření, je zhruba 107 Ω. Kapacita kondenzátoru C2 byla zhruba C 2 = 5 ⋅ 10 −6 F. Časová konstanta t k tedy je:
t k = 10 7 ⋅ 5 ⋅ 10 −6 s = 50 s Z uvedeného výpočtu vyplývá, že údaj můžeme pohodlně během několika sekund odečíst, aniž bychom způsobili chybu měření vyšší než několik procent. 3.4.2. Naměřené parametry Kapacitní dělič byl sestaven z kondenzátorů o kapacitách přibližně
C1 = 220 pF a C 2 = 5 µF. Jako C1 byly použity paralelně spojené Leydenské láhve vyrobené z PPL trubky, jako C2 pak běžný axiální elektrolytický kondenzátor zn. Tesla. Výpočtem proto dostáváme přibližný dělicí poměr jako: 220 ⋅ 10 −12 + 5,00 ⋅ 10 −6 = 22700 220 ⋅ 10 −12 Při kalibraci kapacitního děliče vysokonapěťovým školním zdrojem na výstupu 20 kV byla naměřena hodnota U out = 0,900 V, což pro reálný dělicí poměr znamená: 20000 = 22200 0,900 Relativní chyba proti očekávané hodnotě dělicího poměru tak je zhruba 2 %. Výstupní parametry byly měřeny postupy popsanými v 3.4.1. Naměřené a přepočtené hodnoty obou parametrů jednotlivých generátorů ukazuje Tab. 2. Zkratový proud je proud odečtený z mikroampérmetru připojeného přímo k výstupním svorkám generátoru. Napětí na výstupu děliče je napětí odečtené z voltmetru připojeného k výstupu kapacitního děliče. Napětí generátoru je napětí na výstupu děliče vynásobené naměřeným dělicím poměrem.
52
Hodnoty z Tab. 2 byly měřeny při plných otáčkách všech přístrojů (hračka Magic wand a školní Van de Graaffův generátor nedisponují nastavením otáček; disky školní indukční elektriky při měření dosahovaly zhruba 500 otáček za minutu; disky prototypu Bonettiho generátoru dosahovaly zhruba 120 otáček za minutu).
Tab. 1 – Naměřené a přepočtené parametry jednotlivých generátorů Generátor Zkratový proud Napětí na výstupu Napětí generátoru [µA] děliče [V] [kV] Magic wand
1
1,49
33
Indukční elektrika
6
3,47
77
Van de Graaff
9
4,95
110
Prototyp Bonetti
9
4,93
110
53
4. Experimenty z elektrostatiky 4.1. Experimenty v učebnicích pro ZŠ a gymnázia S nástupem Rámcových vzdělávacích programů se výuka elektrostatiky stala závislou na libovůli každého pedagoga sestavujícího ŠVP (školní vzdělávací program). V RVP ZV ([5]) o elektrostatice v seznamu učiva ani očekávaných výstupech není zmínka. V RVP G ([6]) je jediná zmínka o elektrostatice na str. 28, cituji: „porovná účinky elektrického pole na vodič a izolant … elektrický náboj a elektrické pole – elektrický náboj a jeho zachování; intenzita elektrického pole, elektrické napětí; kondenzátor“. V učebnicích, které byly většinou sestaveny před příchodem RVP, však zůstává učivo dle klasického schématu, kdy se s elektrostatikou žáci na základních a středních školách v průběhu studia setkají obvykle celkem třikrát. Poprvé v 6. třídě základních škol (nebo v primě osmiletého gymnázia), kde jsou seznámeni fenomenologicky s možnostmi elektrování těles a jejich vzájemným působením. Podruhé v 8. třídě (nebo v tercii gymnázií), kde je látka z primy zopakována a rozšířena o princip elektroskopu, vysvětlení vzniku elektrického náboje na tělese a popis elektrického pole. Potřetí v nějakém ročníku střední školy, kde je žákům vyložen princip kondenzátoru a vysvětleny výpočty elektrických sil. Avšak je na každém učiteli, který sestavuje ŠVP, jestli se elektrostatice bude věnovat či nikoli. V rámci této práce byla zjišťována míra zastoupení experimentů z elektrostatiky v učebnicích pro základní a střední školy. Zkoumána byla literatura [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], z níž tři učebnice byly pro 6. třídu základní školy, tři pro 8. třídu základní školy a 3 pro střední školy. Seznam experimentů v jednotlivých učebnicích uvádí Příloha 2: Tab. 3 – Experimenty z elektrostatiky v učebnicích pro ZŠ a SŠ. Z uvedeného seznamu experimentů je patrné, že experimenty uvedené v učebnicích žákovi pravděpodobně nepostačí k získání patřičného porozumění elektrostatickým jevům. Experiment předváděný učitelem tak má nezastupitelnou roli nejen pro samotnou výuku, ale i pro budování fyziky jako vědy, která učí porozumět světu kolem nás. Například učebnice vydavatelství Fraus pro 6. třídu obsahuje zdaleka nejvíce experimentů z elektrostatiky, ale její pokračování pro 8. 54
třídu se již o elektrostatice zmiňuje jen velmi krátce a přechází ihned k elektrickému proudu a obvodům. Směrem ke středoškolské úrovni potom množství experimentů obsažených v učebnicích klesá a z fyziky se stává předmět plný vzorců. Proto myslím, že je nesmírně důležité nabídnout pedagogům při vzdělávání dostatečnou zásobu experimentů, kterými mohou žáky uvést do problematiky elektrování těles, elektrického pole,
elektrostatické polarizace a indukce,
kondenzátorů atd. Za tímto účelem vznikl i Sborník experimentů z elektrostatiky (kapitola 4.2.).
55
4.2. Sborník experimentů z elektrostatiky Tento sborník experimentů vznikl proto, aby podal začínajícím pedagogům přehled některých základních experimentů z elektrostatiky, přinesl k některým experimentům užitečné technické poznámky (za účelem získání relevantních poznámek byly některé experimenty ověřovány přímo v rámci této práce, jiné poznámky pocházejí z předchozí zkušenosti) a některé experimenty přinesl i nově. V tomto Sborníku se nacházejí experimenty shromážděné z [42], [43], [44], [45], [46], [47] a experiment, který vznikl v rámci této práce. Ten je označen symbolem (O). Nezaručuji jeho originalitu, ale platí o něm, že jsem jej v citované literatuře nenalezl. U jednotlivých experimentů nejsou uváděny zdroje, ze kterých pochází, protože většina z nich se nachází duplicitně v jemných nuancích ve více zdrojích. Naopak, některé experimenty nacházející se ve zmiňované literatuře nebyly do Sborníku zařazeny například z důvodu své nedostatečné názornosti. (Např. v [44] je popisován experiment, jehož cílem je předvést přitažlivé síly mezi nesouhlasnými náboji. Autor navrhuje zavěsit paralelně dva dlouhé tenké kovové proužky, z nichž každý připojit k jedné svorce sekundárního vinutí skládacího transformátoru. Tento transformátor je složen tak, aby poskytoval vysoké napětí.) Cílem Sborníku bylo shromáždit demonstrační experimenty názorné, co možná nejjednodušší na konstrukci, provedení i vysvětlení žákům. Sborník se zabývá experimenty kvalitativními, nikoli kvantitativními, neužívá se tedy elektrostatických voltmetrů, měřičů náboje atd. 4.2.1. Elektrování těles
Pomůcky: Tyče a kusy látky z různých materiálů, malé kousky různých materiálů, pro žáky brčka
Provedení: Nejprve předvedeme, že použité tyče po přiblížení k hromádce malých útržků papíru, hromádce mouky, hromádce malých útržků alobalu apod. nemají na tělíska žádný vliv. Tyč poté třeme kusem odpovídající látky, žáky upozorníme na slabé praskání způsobené přeskakujícími jiskrami. Poté demonstrujeme, že zelektrovaná tyč přitahuje tělíska z hromádky. Žákům je následně možno rozdat plastová brčka a dát jim za úkol třít je papírem a připevnit je na různé svislé plochy třídy. U některých se jim to podaří,
56
u jiných nemusí. Je možné nechat žáky zjišťovat, které plochy brčko udrží a které nikoli. Obzvláště v 6. třídách a primách víceletých gymnázií tento experiment žáky vhodně motivuje ke zkoumání elektrování těles.
Závěry: Tělesa je možné třením přivést do zelektrovaného stavu, kdy přitahují nezelektrovaná tělesa a jiskří.
Poznámky:
1. Brčka je třeba před použitím vždy vyzkoušet. Některé druhy nelze
třením o papír zelektrovat téměř vůbec. Zkušenosti různých experimentátorů jsou různé. 2. Někteří žáci si mohou povšimnout, že vzájemně se brčka odpuzují. Tento jev je dobré vysvětlit jiným experimentem, ale neopomenout se o tomto jevu zmínit. 3. Je velmi účelné výslovně zakázat žákům skrze brčka foukat a jinak je vkládat do úst. Zvláště mladší žáci to mají ve zvyku a následkem je jednak nemožnost brčko zelektrovat kvůli vlhkosti, a jednak nemožnost jeho opětovného použití z hygienických důvodů či kvůli případnému mechanickému poškození. 4.2.2. Vzájemné silové působení zelektrovaných a nezelektrovaných těles
Pomůcky: Plastové tyče nabíjející se silně záporně, skleněné tyče nabíjející se silně kladně, kusy látky nabíjející se opačně než tyče (např. vlna a flanel), závěs, stojan
Provedení: Jednu z tyčí zavěsíme do závěsu na stojan, jak ukazuje Obr. 40.
Obr. 40 – Schematický nákres tyče v závěsu
57
Jako závěs postačí třeba přehnutý čtverec papíru, jehož překrývající se cípy přelepíme izolepou a vytvoříme v nich otvor pro přivázání závěsného vlákna. Počkáme, než se tyč ustálí v torzní rotaci, a poté pokračujeme v experimentu. Nejprve demonstrujeme, že nezelektrovaná tyč při přiblížení k tyči v závěsu nemá žádný efekt. Poté tyč zelektrujeme třením příslušným kusem látky a opatrně přiblížíme k jednomu konci tyče v závěsu. Tyče se přitahují při každé kombinaci materiálů. Stejný experiment opakujeme s tím, že zelektrujeme i tyč v závěsu. Jsou-li tyče v závěsu a tyč přikládaná z rozdílných materiálů (jeden kladně se nabíjející a jeden záporně se nabíjející, např. novodur a sklo), přitahují se silněji než v předchozím případě. Jsou-li ze stejného materiálu (přesněji z materiálu stejně se nabíjejícího), odpuzují se.
Závěry: Existuje dvojí silové působení, přitažlivé a odpudivé, což vede k poznatku o existenci dvou druhů náboje. Zelektrovaná tělesa nezelektrovaná vždy přitahují.
Poznámky:
1. Při přibližování tyčí je vhodné postupovat velmi pomalu, aby
experiment byl názorný a nebudil pochyby, není-li pohyb zavěšené tyče způsoben prouděním vzduchu nebo mechanickým dotykem. Vynikne také rozdíl ve zrychlení dvojic zelektrovaná-zelektrovaná a zelektrovaná-nezelektrovaná tyč. 4.2.3. Elektrostatické motory 1 (odpudivá síla)
Pomůcky: Elektrostatický generátor, elektrostatický motor (konstrukce popsána dále)
Provedení: Uspořádání experimentu schematicky ukazuje Obr. 41.
Obr. 41 – Schéma uspořádání elektrostatického motoru 58
Rotor tohoto elektrostatického motoru tvoří plastová láhev na kovové jehle. Ve dnu láhve je provrtaný otvor, kudy prochází jehla dovnitř až pod víčko. Ve víčku je umístěna kovová destička s důlkem kvůli snížení tření a dobrému vyvážení rotoru. Po stranách láhve stojí kovové hřebínky, z nichž každý připojíme k jedné výstupní svorce elektrostatického generátoru. Generátor uvedeme do chodu. Pozorujeme postupné roztočení a zrychlování rotoru až na určitou mezní rychlost v důsledku toho, že na povrch láhve nasrší náboj z hrotů, od nichž se pak také odpuzuje.
Závěry: Souhlasné náboje se odpuzují. Elektřinu je možno „přesouvat“ sršením. Poznámky:
1. Výroba rotoru elektrostatického motoru tohoto typu je náročnější na
přesnost usazení láhve na trn. Proto je třeba snažit se být co možná nejpečlivější. 4.2.4. Start mýdlové bubliny
Pomůcky: Elektrostatický generátor, kovový kalíšek, bublinotvorný roztok, brčko Provedení: Bublinotvorný roztok nalijeme do kovového kalíšku (např. zátka od pivní láhve) téměř po okraj. Takto naplněný kalíšek postavíme na výstupní svorku elektrostatického generátoru. V případě Van de Graaffova generátoru kalíšek jednoduše položíme na jeho velkou kulovou elektrodu, v případě indukční elektriky kalíšek postavíme na izolovanou kovovou desku spojenou s jednou výstupní svorkou, druhou svorku pak uzemníme. Na hladinu bublinotvorného roztoku pak pomocí brčka nafoukneme polobublinu. Nyní uvedeme generátor do chodu. Blanka postupně vytvoří bublinu a ta odlétne vzhůru.
Závěry: Souhlasné náboje se odpuzují. Poznámky:
1. Pokud blanky bublin praskají, dochází k rozstřikování nabitých
kapiček roztoku po okolí. Je vhodné chránit před nimi oči a poté důkladně očistit kovové části generátoru, pokud jsou zasaženy. 2. K praskání blanek může docházet z několika důvodů. Prvním je špatné
složení
bublinotvorného
roztoku.
V tom
případě
je
třeba
s ním
experimentovat. Dalším důvodem může být příliš velký výkon generátoru – přílišná odpudivá síla potom roztrhne blanku a bublina nevznikne. Snížíme tedy otáčky generátoru, nebo použijeme jiný, méně výkonný.
59
4.2.5. Sdílení elektřiny dotykem
Pomůcky: Novodurová tyč, kousek flanelu, bezová kulička na závěsu Provedení: Nejprve předvedeme žákům, že bezová kulička na závěsu se nepřitahuje k okolním předmětům. To je vhodné provést jejím přiblížením k jakékoli nenabité svislé ploše. Poté zelektrujeme novodurovou tyč a přiblížíme k ní bezovou kuličku na závěsu. Pozorujeme, že kulička se přitahuje k tyči. Po oddálení od tyče kuličku opět přiblížíme k nějaké svislé ploše. Kulička se opět nepřitahuje. Dotkneme se tedy kuličkou zelektrované tyče a přiblížíme ji opět k nějaké svislé ploše. Tentokrát pozorujeme, že kulička se přitahuje.
Závěry: Tělesa je možno elektrovat nejen třením, ale i dotykem se zelektrovanými tělesy. Samotný pobyt v oblasti působení zelektrovaného tělesa však ke zelektrování nestačí (pokud ovšem nepřeskočí jiskra).
Poznámky:
1. Při dotyku tyče a kuličky je účelné se jí nejen dotknout, ale
nenápadně s ní potřít malou část povrchu, aby kulička získala dostatečný náboj a poté se viditelně přitahovala ke svislé ploše. 2. Kvůli malým rozměrům bezové kuličky je vhodné buď experiment promítat na větší plochu, nebo nechat žáky ze zadních lavic přiblížit se. Případně můžeme bezovou kuličku nahradit ping-pongovým míčkem s povrchem potřeným grafitem. 4.2.6. Elektrický ping-pong
Pomůcky: Elektrostatický generátor, 2 desky kondenzátoru na izolačních stojanech, ping-pongový míček s vodivým povrchem na izolačním závěsu, Bunsenův stojan s držákem
Provedení: Postavíme proti sobě rovnoběžně dvě desky kondenzátoru na izolačních stojanech. Každou připojíme k jedné svorce elektrostatického generátoru. Mezi tyto desky zavěsíme na držák připevněný na Bunsenově stojanu zhruba doprostřed pingpongový míček s vodivým povrchem na izolačním závěsu. Poté uvedeme generátor do chodu. Pozorujeme, že míček se brzy přitáhne k jedné z desek, a jakmile se jí dotkne, odpudí se a cestuje směrem od desky, až narazí na druhou desku. Na druhé desce je situace stejná. Tak periodicky dále kmitá mezi deskami.
60
Když míček kmitá mezi deskami, můžeme je uchopit za izolační držáky a měnit jejich vzdálenost. Frekvence kmitání míčku se bude zvyšovat se snižující se vzdáleností desek až do chvíle, než začnou přeskakovat jiskry mezi deskami skrze vodivý povrch míčku. Naopak, když vzdálenost zvětšujeme, frekvence kmitání se snižuje až do chvíle, kdy kyvadlo kmitat přestane, protože elektrické síly již nestačí k jeho dostatečnému vychýlení (nebo jej omezuje závěs, je-li příliš krátký).
Závěry: Vodivá tělesa se snadno nabíjejí dotykem s nabitým tělesem. Poznámky:
1. Míček s vodivým povrchem vyrobíme nejlépe tak, že jeho povrch
jednoduše začmáráme grafitovou tuhou. Nepoužíváme tuhu příliš měkkou, aby nebylo možné ji snadno setřít a nebylo tak třeba pomůcku příliš často restaurovat. 2. Ping-pongové míčky se zavěšují nejsnáze tak, že je nejprve na dvou diametrálně protilehlých místech propíchneme jehlou. Poté do jehly navlékneme nit, která bude tvořit závěs, a protáhneme jehlu oběma otvory. Jehla samozřejmě musí být delší než průměr míčku. Když je vlákno protaženo míčkem, ustřihneme požadovanou délku a vytvoříme na obou jeho koncích uzly dostatečně velké k tomu, aby nemohly projít otvory v míčku. Tím zajistíme, že vlákno nevypadne. 3. Obdobu tohoto experimentu lze zkonstruovat pomocí dvou kulatých kovových desek a skleněné trubice o něco menšího průměru. Na izolační podložku nejprve položíme první kovovou desku. Na ní pak položíme podstavou skleněnou trubici a dovnitř nasypeme metalizované polystyrénové kuličky, které můžeme vyrobit například tak, že obyčejné polystyrénové kuličky potřené lepidlem poprášíme grafitovým práškem. Vrchní podstavu trubice pak přikryjeme druhou kovovou deskou. Každou z kovových desek, kterými jsou přikryté otvory v trubici, připojíme k jedné z výstupních svorek elektrostatického generátoru. Poté uvedeme generátor do chodu a pozorujeme divoké poskakování kuliček mezi deskami. 4.2.7. Funkce elektroskopu
Pomůcky: Novodurová tyč, skleněná tyč, příslušné kusy látky, elektroskop Provedení: Žákům představíme elektroskop jako zařízení určené ke zjišťování elektrického stavu těles a popíšeme jeho části. Poté zelektrujeme třením novodurovou tyč a přiblížíme ji k vrchní desce elektroskopu. Pozorujeme výchylku jeho ručky. Po oddálení tyče výchylka klesne zpět k nule. Stejný experiment zopakujeme se skleněnou tyčí za pozorování stejného výsledku.
61
V další části experimentu zelektrovanou novodurovou tyčí přetřeme desku elektroskopu. Po oddálení tyče výchylka elektroskopu zůstane trvalá. Přiblížíme-li tyč opětovně, výchylku zvětšíme. Elektroskop poté vybijeme a stejný experiment opakujeme se skleněnou tyčí. Pozorujeme stejné výsledky. V další fázi nabijeme elektroskop přetřením skleněnou tyčí a přiblížíme k němu zelektrovanou novodurovou tyč (a poté opakujeme s opačnou kombinací materiálů). Pozorujeme pokles stálé výchylky ručky elektroskopu, která se však vrátí do původní polohy po oddálení tyče. Když druhou tyčí desku elektroskopu přetřeme, klesne výchylka trvale. Posledním experimentem je uzemnění elektroskopu. Nabijeme elektroskop libovolnou tyčí tak, aby ukazoval trvalou výchylku. Poté uzemníme jeho desku vodičem spojeným s uzemněným tělesem. Nakonec elektroskop znovu nabijeme a dotkneme se jeho desky rukou. V obou případech pozorujeme pokles výchylky k nule. (Neklesá-li výchylka k nule, čtěte poznámky.)
Závěry: Principem funkce elektroskopu je odpuzování otočné a pevné ručičky, které se nabíjí stejným druhem náboje. Nesouhlasné náboje se vzájemně mohou vyrušit a těleso se stává opět neutrálním. Náboj obou druhů lze vždy odvést do země a tak získat opět elektricky neutrální těleso. Lidské tělo velmi dobře vede elektřinu.
Poznámky:
1. Některé elektroskopy nemají pevnou a otočnou ručičku, ale dva
lístky. Obdobou výchylky ručičky je pak rozestup lístků. Ty ve vybitém stavu elektroskopu visí souběžně, v nabitém stavu se odpuzují a rozestupují. 2. Někdy, zvláště ve vlhkých dnech, nebo když žáci zadýchají třídu, se elektroskop samovolně velmi rychle vybíjí. V tomto případě je účelné podložit elektroskop polystyrénovou deskou nebo jinou izolační podložkou. Samotný přístroj je pak vhodné odmastit a osušit například fénem. 3. Někdy není možné výchylku nabitého elektroskopu trvale jemně snížit otřením nesouhlasně nabitou tyčí (otření předá příliš mnoho náboje a výchylka je opět velká, i když způsobena nábojem opačného znaménka). To lze vyřešit mírnějším zelektrováním tyče (menší síla na látku a méně opakování pohybů) či jejím zelektrováním a následným otřením rukou po části plochy. Tím odvedeme z povrchu tyče část náboje a zmenšíme tak její efekt na elektroskop. 4. Někdy není možné dotykem ruky výchylku elektroskopu snížit k nule. To je způsobeno většinou skutečností, že experimentátor se při chůzi po třídě sám nabije a jeho podrážky na jeho těle udrží dostatečný potenciál. Řešením je 62
dotknout se zároveň s deskou elektroskopu také uzemněného objektu (vodovodní kohoutek, topení, zemnící kolíček zásuvky, …). Jindy výchylka poklesne k nule, ale okamžitě po opuštění dotyku ruky a desky elektroskopu se výchylka vrátí na nenulovou hodnotu. Příčinou mohou být elektrická pole v okolí elektroskopu, která indukují v jeho kovových částech náboj. Experimentátor poté dotykem ruky způsobí odvod náboje z desky a tím pádem nabití elektroskopu. V takovém případě zkontrolujte, že se poblíž elektroskopu nenachází jiná nabitá tělesa, jako např. použité tyče, kusy látky apod. 4.2.8. Elektrování kovů třením
Pomůcky: Elektroskop, vodič, dvě polystyrénové desky, kovová deska Provedení: Kovovou desku položíme na desku polystyrénovou a nedotýkáme se jí. Žáky přesvědčíme o tom, že deska není nabitá, a to tak, že se jí dotkneme vodičem spojeným s deskou elektroskopu. Elektroskop neukáže výchylku. Poté třeme kovovou desku druhou polystyrénovou deskou a při tom dáváme pozor, abychom se desky nedotkli. Znovu se dotkneme desky vodičem spojeným s deskou elektroskopu. Nyní pozorujeme výchylku. Desku dotykem ruky vybijeme a opakujeme experiment s tím, že tentokrát kovovou desku při tření držíme v ruce. Po spojení drátkem s elektroskopem tentokrát nepozorujeme žádnou výchylku.
Závěry: I kovy je možno nabít třením, avšak nesmí u toho být uzemněny. Poznámky:
1. Někdy je experimentátor sám nabit na vysoký potenciál (zvláště
v suchých dnech s kvalitními podrážkami), takže když drží desku v ruce a poté se jí dotkne drátkem, elektroskop ukáže výchylku. V tomto případě je vhodné se kvalitněji uzemnit. Vzhledem k tomu, že žákům je později vykládáno, že do země je možné náboj vždy odvést, je rozumné učinit tak nepozorovaně, aby nepochybovali o výsledcích experimentu. 2. Místo tření kovové desky polystyrénovou deskou je možné šlehat ji liščím ohonem.
63
4.2.9. Vodiče a nevodiče
Pomůcky: Dva elektroskopy, novodurová tyč, příslušný kus látky, tyče z různých materiálů (kov, plast, dřevo, …), izolační držadla či plastové kleště
Provedení: Dva elektroskopy postavíme do vhodné vzdálenosti a jeden z nich nabijeme. Poté jejich vrchní desky postupně spojujeme tyčemi z různých materiálů a pozorujeme změny. Tyče kovové a jiné vodivé způsobí pokles výchylky nabitého elektroskopu a zvýšení výchylky nenabitého elektroskopu. Tyče vodivé jen nepatrně působí stejný efekt, avšak změna je pomalejší. Tyče nevodivé nezpůsobí žádnou změnu ve výchylkách.
Závěry: Některé materiály vedou elektřinu mnohem lépe než jiné. Z experimentu vyplynou jako výborné vodiče kovy a grafit. Elektřinu také dobře vedou vlhká tělesa. Izolanty jsou naopak sklo, plasty, porcelán atd.
Poznámky:
1. Zvláště kovové spojovací tyče jsou náchylné ke ztrátě náboje (stačí
letmý dotek rukou či jiným uzemněným tělesem či hrot, třeba v podobě škrábance, a tyč způsobí vybití soustavy). Ručka nenabitého elektroskopu se tak nezvedne, jak bychom očekávali. Je třeba držet kovovou tyč na dobrém izolátoru, jehož povrch je suchý a odmaštěný. Nejlepších výsledků dosáhneme bude-li povrch tyče hladký, aby náboj neunikal hroty do okolí. 2. Vodivost dřeva je velmi silně závislá na vlhkosti. Rozdíly se pohybují nikoli v násobných, ale řádových rozměrech. Je tak vhodné experiment předem vyzkoušet. 3. U nevodičů je třeba zajistit, aby jejich povrch byl suchý a odmaštěný. Ke zvlhčení povrchu tělesa často stačí, když jej přineseme studené do zadýchané třídy. Je tak vhodné mít k dispozici suchý kus savé látky, nebo dokonce elektrický vysoušeč vlasů. 4.2.10. Kvantitativní povaha náboje
Pomůcky: Elektroskop, kovová kulička na izolační tyčince, novodurová tyč, odpovídající kus látky
Provedení: Nejprve zelektrujeme novodurovou tyč třením. Přiložíme k ní kovovou kuličku drženou za izolační tyčinku. Kuličkou se poté dotkneme desky elektroskopu.
64
Pozorujeme malou nebo žádnou výchylku. Postup tedy několikrát opakujeme. S každým dalším dotykem nabité kuličky se výchylka elektroskopu zvětšuje. Nyní máme nabitý elektroskop. Jeho desky se dotkneme kuličkou a vzdálíme ji. Na vzdálenějším místě se kuličky dotkneme prstem. Poté se jí opět dotkneme desky elektroskopu a znovu prstu. Tento postup opakujeme. S každým opakováním výchylka ručky elektroskopu klesá.
Závěry: Náboj má kvantitativní povahu, lze jej tedy sčítat a rozdělovat. Poznámky:
1. Někdy se nepodaří dosáhnout uvedeným postupem dostatečné
výchylky elektroskopu. To lze vyřešit umístěním Faradayova poháru na desku elektroskopu a dotýkáním se kuličkou jeho vnitřku. Tento postup nám dovolí dosáhnout na elektroskopu vyššího potenciálu než na kuličce, což zvýší výchylku elektroskopu. Při odvádění náboje se pak dotýkáme kuličkou vnějšku Faradyova poháru. 2. Někdy kulička neudrží dostatečný náboj pro přenos. Přesvědčte se, že její izolační tyčinka je suchá, odmaštěná a z dobrého izolantu. Kulička také musí být hladká. 3. Pokud není k dispozici přímo školní pomůcka v podobě kovové kuličky na izolační tyčince, můžeme si vypomoci připevněním hliníkové kuličky na obyčejné brčko, které je výborným izolantem, nebo v nouzi i kuličkou na závěsu z tenkého vlákna. 4.2.11. Rozložení náboje na vodiči
Pomůcky: Faradayův pohár, Kolbeova síť, Faradyova klec, dva elektroskopy, kovová kulička na izolační tyčce, izolační stojánek, novodurová tyč a odpovídající kus látky nebo elektrostatický generátor
Provedení: Nejprve postavíme Faradayův pohár na izolační stojánek. Přesvědčíme žáky, že není nabitý – to provedeme tak, že se ho na různých místech dotýkáme kuličkou, jejímž prostřednictvím potom přeneseme náboj na desku elektroskopu. To několikrát opakujeme a nepozorujeme žádnou výchylku. Poté pohár nabijeme (několikerým otřením zelektrovanou tyčí nebo spojením s jednou svorkou elektrostatického generátoru). Následně se opět dotkneme kuličkou pohárku z vnějšku a přeneseme náboj na elektroskop. Pozorujeme výchylku ručky elektroskopu. Elektroskop vybijeme a pohárek znovu nabijeme. Tentokrát se však
65
kuličkou dotkneme zevnitř. Nepozorujeme žádnou výchylku ručky elektroskopu ani při opakovaném přenášení. V další fázi budeme potřebovat Kolbeovu síť. To je proužek ohebné kovové síťky upevněný v několika místech na izolačních stojáncích opatřený v několika místech papírovými či jinými proužky nebo kuličkami na nitech, které za vybitého stavu visí podél síťky. Postavíme Kolbeovu síť přibližně do roviny a nabijeme ji. Pozorujeme rovnoměrnou výchylku proužků po obou stranách sítě. Nyní síť vytvarujeme do tvaru velkého „S“. Pozorujeme, že výchylka proužků na vnějších stranách oblouků je velká, kdežto na vnitřních stranách prakticky žádná. Nakonec svineme síť do tvaru pláště válce. Proužky na vnitřní straně visí bez výchylky a proužky na vnější straně jsou vychýleny. Nakonec obrátíme plochy válce tak, že vnější se stane vnitřní a naopak. Pozorujeme opět, že vychýlené jsou jen proužky vně. V závěru postavíme jeden elektroskop do Faradayovy klece a druhý těsně vedle ní. Zelektrujeme novodurovou tyč a přiblížíme se jí k oběma elektroskopům do zhruba stejné vzdálenosti. Pozorujeme výchylku ručky vnějšího elektroskopu a žádné změny na vnitřním elektroskopu.
Závěry: Náboj je rozložen jen na vnějším povrchu vodivých těles. Faradayova klec odstíní vnější elektrická pole a je tak vhodným způsobem ochrany všeho, co je uvnitř.
Poznámky:
1. Při dotýkání se Faradayova pohárku zevnitř je třeba dbát zvýšené
opatrnosti při vyndávání kuličky jeho otvorem. Pokud se příliš přiblížíme okraji pohárku, elektroskop může ukázat výchylku, což by žáky mohlo mást. 2. Používáme-li k experimentu s Faradayovou klecí elektrostatický generátor, necháme jej jiskřit do klece, která stojí na izolační podložce (deska polystyrenu apod.). Klec se nabije, takže vnější elektroskop vychýlí, vnitřní však ne. 4.2.12. Rozložení náboje na izolantu (Lichtenbergovy obrazce)
Pomůcky: Elektrostatický generátor, vodič s hrotem, destička z izolantu (nejlépe plexisklo nebo sklo), velmi jemný nevodivý prášek
Provedení: Nejprve připojíme vodič zakončený hrotem k jedné z výstupních svorek elektrostatického generátoru. Hrot poté upevníme kolmo k povrchu vodorovně položené destičky z izolantu. Uvedeme generátor do chodu a několik sekund jej
66
ponecháme na plných otáčkách. Nyní opatrně odstraníme hrot a foukáme přes povrch destičky jemný prášek. Ten se usadí na nabitých místech destičky, kde vytvoří Lichtenbergův obrazec. Dostaneme různé výsledky pro obě polarity.
Závěry: Rozložení náboje na izolantu je velmi složité. Ukazuje se, že má fraktální strukturu.
Poznámky:
1. Ve starší literatuře a návodech byla doporučována k tomuto
experimentu prášková směs žlutého sirného květu a červeného minia. Tento prášek je však jedovatý, a proto jej nemůžeme doporučit k provádění této demonstrace ve třídě. Vhodné mohou být prášky například výtrusů plavuně či toner z tiskárny. 4.2.13. Nabití na vyšší potenciál než má zdroj
Pomůcky: Elektroskop, Faradayův pohár, kovová kulička na izolační tyčince, novodurová tyč, vysokonapěťový zdroj, kovová koule na izolačním stojanu, vysokonapěťový kabel, vodič
Provedení: Faradayův pohár postavíme na desku elektroskopu. Kovovou kouli na izolačním stojanu spojíme vysokonapěťovým kabelem s 2,5kV výstupem zdroje vysokého napětí. Kovovou kouli také spojíme s deskou elektroskopu. Zdroj vysokého napětí zapneme. Tím jsme dosáhli nabití elektroskopu na stejný potenciál, jako má zdroj. Ručička elektroskopu ukáže určitou výchylku, kterou zaznamenáme. Ve druhé části experimentu odpojíme desku elektroskopu od výstupu zdroje vysokého napětí a poté elektroskop vybijeme. Nyní se dotkneme kovovou kuličkou drženou za izolační tyčinku koule připojené ke zdroji. Nabitou kuličkou se poté dotýkáme Faradayova poháru zevnitř. Při tom dáváme pozor, abychom se při průchodech kuličky jeho otvorem nedotkli jeho okrajů. Pozorujeme narůst výchylky ručky elektroskopu nad hodnotu zaznamenanou v první části experimentu.
Závěry: Vodič lze nabít na vyšší potenciál, než jaký má zdroj napětí. Metodou je přidávání náboje do dutiny vodiče, odkud náboj odejde na jeho vnější povrch.
Poznámky:
1. Velikost výstupního napětí zdroje volíme podle citlivosti
dostupného elektroskopu.
67
4.2.14. Elektrování indukcí
Pomůcky: Novodurová tyč, odpovídající kus látky, 2 elektroskopy, vodivý most s izolační rukojetí
Provedení: Zelektrujeme novodurovou tyč třením a přiblížíme ji k desce elektroskopu. Pozorujeme vychýlení jeho ručky. Když tyč oddálíme, ručka opět poklesne. Pokud se však tyčí dotkneme desky elektroskopu, po oddálení zůstane výchylka trvalá. Když v tomto případě opětovně k nabitému elektroskopu přiblížíme tyč, výchylka se zvětší. Nyní elektroskop vybijeme a tyč znovu zelektrujeme. Přiblížíme ji k desce elektroskopu a dotkneme se desky rukou. Pozorujeme nejprve výchylku ručky a po doteku ruky výchylka zmizí. V tuto chvíli opustíme dotyk desky rukou a oddálíme tyč (v tomto pořadí). Pozorujeme trvalou výchylku ručky elektroskopu. Když nyní přiblížíme k desce zelektrovanou tyč, výchylka ručky elektroskopu klesá, ale vrací se zpět, když tyč znovu oddálíme. Když tyč otřeme o desku elektroskopu, výchylka klesá trvale (dokud elektroskop nepřebijeme na náboj opačného znaménka). V další fázi postavíme do vhodné vzdálenosti dva elektroskopy, jejichž desky spojíme vodivým mostem. Zelektrujeme třením novodurovou tyč a přiblížíme ji k jednomu z elektroskopů. Pozorujeme stejnou výchylku u obou. Když oddálíme tyč, výchylka obou elektroskopů se vrátí k nule. Přiblížíme tedy tyč znovu. Nyní uchopíme vodivý most za izolační rukojeť a odstraníme ho. Oddálíme tyč. Na obou elektroskopech zůstane výchylka. Přiblížíme tyč postupně k oběma elektroskopům. Pozorujeme zvýšení výchylky elektroskopu, který byl při elektrování dál od tyče a snížení výchylky elektroskopu, který byl při elektrování blíže u tyče. Nakonec oba elektroskopy opět spojíme vodivým mostem. Pozorujeme vynulování výchylek obou, což svědčí o tom, že velikost indukovaného náboje byla na obou stejná.
Závěry: Tělesa je možné uvést do elektrického stavu jinými zelektrovanými tělesy i bez dotyku. Tento stav však pomine, když přestane zelektrované těleso působit. Když se za bezdotykového působení zelektrovaného tělesa dotkneme tělesa, na které působíme, zůstane mu náboj opačného znaménka trvale. Rozdělením kovového tělesa na dvě části za působení zelektrovaného tělesa na jeden jeho konec můžeme oddělit oba druhy náboje od sebe. Jedné části tak zbude kladný a druhé záporný náboj.
68
Poznámky:
1. Při elektrování opačným nábojem je třeba dodržet popsané pořadí
akcí. Je-li tyč od elektroskopu oddálena dříve, než zmizí dotek ruky s deskou, náboj je odveden do země a výchylka zůstane nulová. 2. Experiment s rozdělením indukovaných nábojů lze provést například i tak, že vložíme dvě dotýkající se neutrální vodivá tělesa do elektrického pole (nejlépe deskového kondenzátoru, postačí však i pole zelektrované tyče) spojem zhruba kolmo k siločarám a tělesa oddělíme. Na každém z nich potom můžeme elektroskopem zjistit náboj. Pokud náboj těles nestačí k vychýlení elektroskopu při jednom opakování, lze tělesa vložit do pole opakovaně a přenášet náboj vícekrát. Musíme však dbát na dodržení polarity. Uspořádání experimentu ukazuje Obr. 42.
Obr. 42 – Schéma uspořádání experimentu s dělením vodivého tělesa Vodivé destičky musí být upevněny na izolačních rukojetích, které je třeba držet suché a odmaštěné. 3. Pro pochopení funkce jednoho elektroskopu vizte experiment 4.2.7. Funkce elektroskopu. 4.2.15. Elektrický vítr
Pomůcky: Elektrostatický generátor, koule s hrotem, svíčka, elektrický větrníček, zápalky či zapalovač, elektroskop
Provedení: Schematický nákres všech tří fází experimentu ukazuje Obr. 43.
Obr. 43 – Schematický nákres jednotlivých fází experimentu 69
V první fázi kouli s hrotem spojíme s jednou výstupní elektrodou elektrostatického generátoru. Druhou elektrodu uzemníme. Uvedeme generátor do chodu a zapálíme svíčku. Když umístíme plamen svíčky proti hrotu, pozorujeme, jak se ohýbá směrem od něj. Při dostatečném výkonu elektrostatického generátoru lze plamen i uhasit. Velmi podobný efekt pozorujeme v případech obou polarit. Ve druhé části experimentu postavíme proti hrotu elektrostatický větráček tvořený tenkým lístkem ve tvaru písmene „S“ upevněným na snadno otočné ose. Pozorujeme roztočení větráčku. Lístek může být z různých materiálů, pozorovaný efekt by měl být kvalitativně stejný. Ve třetí části experimentu umístíme proti hrotu desku elektroskopu. Opět uvedeme generátor do chodu. Pozorujeme postupné zvětšování výchylky ručky elektroskopu. Žáky také při obou experimentech můžeme upozornit na jemné sršení kolem hrotu (to však je obvykle slyšet jen pokud je chod generátoru tichý).
Závěry: Elektřina má mechanické účinky spočívající nejen v přitažlivých a odpudivých silách mezi zelektrovanými tělesy. Vodič postavený proti hrotu zelektrovaného tělesa se nabíjí.
Poznámky:
1. Pokud není možno desku elektroskopu dostat dostatečně blízko ke
hrotu, je možné ji vodivě propojit s kulovou elektrodou na izolačním stojánku, kterou umístíme proti hrotu. 4.2.16. Vysávání elektřiny
Pomůcky: Elektroskop, polokoule s hrotem, novodurová tyč, odpovídající kus látky Provedení: Nejprve zelektrujeme třením novodurovou tyč a přiblížíme ji k desce elektroskopu. Pozorujeme výchylku jeho ručky v důsledku elektrostatické indukce. Když tyč opět oddálíme, výchylka poklesne k nule. Stejný experiment nyní opakujme s tím, že na desku elektroskopu položíme polokouli s hrotem. Opět zelektrujeme třením novodurovou tyč a přiblížíme ji ke hrotu. Pozorujeme výchylku ručky elektroskopu. Tyč znovu oddálíme, ale tentokrát pozorujeme trvalou výchylku ručky elektroskopu.
Závěry: Hrot může z blízkého tělesa „vysát elektřinu“ trvale. Poznámky:
1. Při přibližování tyče ke hrotu je vhodné nezůstávat s ní na jednom
místě, aby hrot mohl sát náboj z větší části povrchu tyče a výchylka elektroskopu tak zůstala větší.
70
2. Je vhodné upozornit žáky na to, že výchylka elektroskopu je sice trvalá, ale pomalu klesá v důsledku stejného jevu – nyní totiž hrotem srší náboj elektroskopu do okolí. 3. U tohoto experimentu je vhodné poukázat na spojitost se ztrátami sršením v elektrickém vedení. 4.2.17. Vizualizace elektrického pole 1 (olej a krupice)
Pomůcky: Elektrostatický generátor, Petriho misky, elektrody různých tvarů, parafínový nebo ricinový olej (v nouzi i stolní olej), jemná krupice
Provedení: Elektrody umístíme do Petriho misky a připojíme je k výstupním svorkám elektrostatického generátoru. Zalijeme je olejem a jeho povrch řídce posypeme krupicí. Poté uvedeme generátor do chodu. Pozorujeme uspořádání zrníček krupice do tvaru elektrických siločar v důsledku polarizace každého zrnka. Zrnka mají nepravidelný tvar, takže se v první fázi v elektrickém poli natáčí tak, aby svým nejdelším rozměrem byly orientovány rovnoběžně se siločarami. Zrnka také odplouvají po hladině a tvoří řetízky podél siločar elektrického pole. Vznik řetízků je důsledkem vzájemné interakce jednotlivých zpolarizovaných zrnek, která se k sobě natáčí nesouhlasně zpolarizovanými konci. Zrnka se tak uspořádají do stavu s nejnižší možnou energií. Poté můžeme elektrody vyměnit – je účelné ukázat žákům tvar siločar mezi rovnoběžnými deskami, kulovými elektrodami, deskou a hrotem, koulí a hrotem a případně můžeme přidat i elektrody tvarů různých obrázků pro zajímavost. Při znázornění siločar mezi rovnoběžnými deskami je také vhodné vložit mezi ně vodič kruhového tvaru (např. velkou podložku apod.), abychom demonstrovali stínění elektrického pole. Pozorujeme, že siločáry kolem vodiče se deformují a uvnitř jsou zrníčka krupice neuspořádaná.
Závěry: Elektrické pole je kolem každého nabitého tělesa a můžeme ho znázornit pomocí siločar. V okolí hrotu je hustota siločar největší, pole tudíž nejsilnější. Uvnitř vodiče není elektrické pole přítomné.
Poznámky:
1. Někdy se obrazce z krupice roztrhají kvůli příliš silnému
elektrickému poli. Řešením je otáčet generátorem pomaleji, aby vzniklé pole nebylo příliš silné a nestáhlo krupici přímo k elektrodám.
71
2. Je možné připravit trvalé pomůcky pro tento experiment – ploché kovové elektrody přilepíme ke dnu Petriho misky do požadovaných poloh a připájíme k nim vývody. Ty je nejlépe připevnit k okrajům Petriho misky, aby jejich mechanickému namáhání odolávaly spoje s okraji misky, nikoli pájené spoje. 3. Rozměry Petriho misek obvykle nedostačují k demonstraci pro celou třídu. Tento problém lze vyřešit projekcí experimentu Meotarem či jiným projektorem. 4.
Nedaří-li
se
nám
provést
experiment
s elektrostatickým
generátorem, nebo chceme-li ušetřit točení s ním, můžeme k experimentu použít školní zdroj vysokého napětí. 5. Jiným způsobem vizualizace elektrického pole pomocí maličkých tělísek je metoda, kdy vedle sebe vodorovnou podložku souběžně položíme dvě obdélníkové kovové desky do malé vzdálenosti, avšak bez doteku. Každou připojíme k jedné svorce elektrostatického generátoru a posypeme jejich přivrácené hrany korkovou moukou. Když poté uvedeme generátor do chodu, částečky korkové mouky budou při přeskakování opisovat tvar siločar. Dále můžeme jednu svorku elektrostatického generátoru uchopit a druhou připojit k jediné kovové vodorovně ložené desce posypané korkovou moukou. Poté se přiblížíme prstem k desce – jen tak daleko, aby nepřeskočila jiskra. Částečky korkové mouky opět budou poskakovat a opisovat tvar siločar. Tento experiment však pro své velmi malé rozměry je vhodný pouze pro malé skupiny žáků, které se mohou velmi přiblížit. Korkovou mouku můžeme nahradit jiným jemným práškem, u něhož nedochází ke tvorbě větších hrudek. 4.2.18. Vizualizace elektrického pole 2 (jemné lístky)
Pomůcky: Elektrostatický generátor, 2 chocholy, izolační stojany, 2 drátěné sítě s lístky na izolačních stojanech
Provedení: Chochol je krátká kovová tyč, na jejímž konci je kulička a na té je připevněno mnoho podlouhlých proužků. Tyto proužky mohou být z různých materiálů (od hedvábného papíru, přes proužky plastu, až po nitě, vlnu apod.). V první části experimentu jednu svorku elektrostatického generátoru uzemníme a druhou vodivě spojíme s chocholem. Ten umístíme do izolačního
72
stojánku. Generátor uvedeme do chodu. Pozorujeme rovnoměrné rozestoupení lístků chocholu do celého prostoru kolem středové kuličky. Ve druhé části umístíme dva chocholy do izolačních stojánků. Připojíme každý na jednu svorku elektrostatického generátoru a umístíme je do malé vzdálenosti, ale nenecháme chocholy se dotýkat. Poté jednu svorku generátoru uzemníme a připojíme oba chocholy na druhou. Pozorujeme výsledky, které ukazuje Obr. 44.
Obr. 44 – Schematický nákres výsledků experimentu s chocholy V další fázi experimentu umístíme proti sobě rovnoběžně dvě drátěné sítě s lístky na izolačních stojanech. Vzdálenost volíme tak, aby se lístky ani při maximální výchylce nedotýkaly. Každou z nich připojíme na jednu svorku elektrostatického generátoru. Pozorování ukazuje model na Obr. 45.
73
Obr. 45 – Model výsledku experimentu se síťkou Závěry: Z pozorovaných uspořádání lístků můžeme usoudit, jaký je tvar siločar mezi dvěma souhlasnými i nesouhlasnými bodovými náboji a mezi rovnoběžnými nesouhlasně nabitými deskami.
Poznámky:
1. Máme-li k dispozici dostatečně výkonný elektrostatický generátor,
můžeme experiment s vizualizací elektrického pole koule nebo i dvou koulí provést atraktivní formou se dvěma žákyněmi či žáky. Potřebujeme izolační podložku a žákyni s dlouhými rovnými rozpuštěnými vlasy. Žákyni postavíme na izolační podložku (nejlépe tlustou desku polystyrénu) a dáme jí do ruky vodič spojený s výstupní svorkou elektrostatického generátoru. Generátor uvedeme do chodu a pozorujeme postupné ježení jejích vlasů. Tomu může žákyně napomoci občasným potřásáním a kroucením hlavou. Ve druhé fázi potřebujeme dvě izolační podložky (nebo jednu dostatečně velkou) a dvě žákyně. Postavíme žákyně na podložku (nebo každou žákyni na jednu podložku) a dáme každé do rukou jednu svorku elektrostatického generátoru. Postavíme žákyně od sebe do vhodné vzdálenosti. Generátor poté uvedeme do chodu a necháme jej pracovat dostatečně dlouho, aby se žákyním dostatečně zježily vlasy. Experiment poté můžeme opakovat s tím, že oběma žákyním dáme do rukou vodič spojený se stejnou svorkou generátoru a druhou svorku uzemníme.
74
4.2.19. Vizualizace elektrického pole 3 (elektrické jehly)
Pomůcky:
Elektrostatický generátor, 4 izolační stojany, deska z izolantu, větší
obdélníkové desky kondenzátoru na izolačních stojanech, dostatečné množství elektrických jehel
Provedení: Nejprve popišme, co je to elektrická jehla a jak ji vyrobit. Příklady některých konstrukcí elektrických jehel ukazuje Obr. 46.
Obr. 46 – Některé konstrukce elektrických jehel Elektrická jehla je snadno otočný podlouhlý objekt z izolačního materiálu, který se v elektrickém poli může snadno polarizovat a natáčet podle směru jeho siločar. Vyrobit ji můžeme například z izolační tyčinky, kterou uprostřed prohneme kvůli snížení těžiště, nebo z podlouhlého kosočtverce tuhého papíru, do jehož středu protlačíme, opět kvůli snížení těžiště, malou prohlubeň, kterou můžeme například zakápnout lakem nebo jinak zpevnit její povrch, abychom dále snížili tření jehly o hrot. Jako stojan s hrotem pro jehly může posloužit prostý vzhůru obrácený špendlík propíchnutý gumovou kostičkou nebo jiným dostatečně těžkým tělískem z izolantu. Nyní tedy k samotnému provedení experimentu. Desku z izolantu postavíme na čtyři izolační stojany tak, aby byla vodorovná a stabilní. K jejím protilehlým okrajům postavíme desky kondenzátoru a vodivě je spojíme se svorkami elektrostatického generátoru. Na desku rovnoměrně postavíme větší množství elektrických jehel. Poté uvedeme generátor do chodu. Uspořádání za vypnutého generátoru ukazuje Obr. 47, část 1. Uspořádání pozorované po uvedení generátoru do chodu ukazuje Obr. 47, část 2. Elektrické jehly změní své uspořádání v důsledku elektrostatické polarizace. Stav s nejnižší energií, do něhož jehly spějí, je právě ten, kdy je nejdelší rozměr jehly orientován rovnoběžně se siločarami.
75
Obr. 47 – Vizualizace elektrického pole elektrickými jehlami Závěry: Z uspořádání elektrických jehel můžeme soudit tvar siločar homogenního elektrického pole.
Poznámky:
1. Je vhodné desku s elektrickými jehlami umístit doprostřed plochy
desek kondenzátoru. Pokud bychom ji umístili příliš k okraji desek, mohly by se na výsledném obrazci nepříznivě projevit okrajové deformace elektrického pole. 2. Pokud máme k dispozici dostatečně výkonný elektrostatický generátor a dostatečně malé elektrické jehly v dostatečném množství, můžeme vyměnit ploché desky kondenzátoru za jiné tvary elektrod – například hrot proti desce, dvě koule apod. 3. Je velmi důležité, aby jehly byly na svých hrotech skutečně snadno otočné. Netlačíme na ně proto při jejich nasazování seshora. 4. Tento experiment je vlastně zmnoženou obdobou původního experimentu s elektrickou střelkou, zvanou versorium. 4.2.20. Závislost účinků daného náboje na tvaru a velikosti tělesa
Pomůcky:
Dva
elektroskopy,
papírový
lampion,
vysokonapěťový
zdroj,
vysokonapěťový kabel, závaží, izolační tyč, různě velká kovová tělesa (která je možno položit na desku elektroskopu), kovová kulička na závěsu
Provedení: Papírový lampion položíme na desku elektroskopu a dole zatížíme závažím. Lampion zelektrujeme několikerým otřením zelektrovanou skleněnou tyčí. 76
Pozorujeme výchylku ručky elektroskopu. Poté pomocí izolační tyče začneme lampion natahovat a opět spouštět. Pozorujeme střídavé změny výchylky ručky elektroskopu. Ve druhé části experimentu položíme do dostatečné vzdálenosti dva elektroskopy (nesmí se ovlivňovat). Na každou z jejich desek položíme kovové těleso, na každou jinak velké a případně jinak tvarované. Ke zdroji vysokého napětí připojíme vysokonapěťovým kabelem kovovou kouli na izolačním stojanu. Z té potom přenášíme její náboj na jedno z těles na desce elektroskopu. Postup opakujeme než dosáhneme rozumné výchylky ručky elektroskopu. Elektroskopy nabíjíme střídavě, aby na obou byl stejný náboj. Pozorujeme, že při stejném počtu nabíjení jsou výchylky ruček různé.
Závěry: Stejně velký náboj se navenek projevuje v závislosti na velikosti a tvaru tělesa. Elektroskop neměří velikost náboje, ale jeho projevů na konkrétním tělese.
Poznámky:
1. U některých těles bude třeba dodat větší množství náboje, aby se
ručka elektroskopu alespoň trochu vychýlila. Proto je rozumné experiment nejprve vyzkoušet a zvolit podle výsledků vhodnou velikost přenášecí kuličky. 2. Na závěr experimentu je možno oba elektroskopy propojit izolovaným vodivým můstkem – výchylky se tak vyrovnají a tím můžeme demonstrovat, že přesun náboje nezávisí na celkovém množství náboje na tělese, ale na potenciálu. 4.2.21. Povrch vodiče jako ekvipotenciální plocha
Pomůcky: Elektroskop, kovová kulička na izolační tyčce, vodič, kovová koule, Kolbeův válec, Faradayův pohár, izolační stojan, novodurová tyč, příslušný kus látky
Provedení: Nejprve zelektrujeme třením novodurovou tyč. Její pomocí zelektrujeme kouli na izolačním stojanu. Poté vodivě spojíme kovovou kuličku s deskou elektroskopu. Malou kuličkou se dotýkáme různých míst na povrchu nabité koule. Pozorujeme konstantní výchylku ručky elektroskopu. Poté zelektrujeme pomocí tyče Kolbeův válec na izolačním stojanu. Kolbeův válec je válec s hrotem a dutinou. Řez touto pomůckou ukazuje Obr. 48.
77
Obr. 48 – Řez Kolbeovým válcem Po povrchu tohoto válce opět jezdíme malou kuličkou a pozorujeme konstantní výchylku ručky elektroskopu. V poslední fázi zelektrujeme Faradayův pohár na izolačním stojanu a opět se dotýkáme kuličkou vně i uvnitř. Pozorujeme opět konstantní výchylku ručky elektroskopu.
Závěry: Potenciál je na povrchu vodiče všude stejný, lhostejno jde-li o místo v dutině, vně, na hrotu apod. Povrch vodiče tedy tvoří ekvipotenciální plochu nezávisle na jeho tvaru. 4.2.22. Demonstrace kapacity jako konstanty úměrnosti
Pomůcky: Elektroskop, 2 různě velké Faradayovy poháry, novodurová tyč, odpovídající kus látky, kovová kulička na izolační tyčince
Provedení: Se žáky nejprve diskutujeme, že elektroskop reaguje úměrně potenciálu, nikoli celkovému náboji na jeho desce a s ní spojené mechanické části (viz. experiment 4.2.20 Závislost účinků daného náboje na tvaru a velikosti tělesa). Poté postavíme na jeho desku Faradayův pohár. Zelektrujeme třením novodurovou tyč a postupně pomocí kovové kuličky na izolační tyčce přenášíme na vnitřní povrch Faradayova poháru náboj. Pozorujeme konstantní přírůstky výchylky elektroskopu s každým dalším přenesením náboje. Zaznamenáme, kolik přenesení bylo třeba k dosažení definované výchylky elektroskopu (má-li stupnici, volíme výchylku po
78
určitý dílek, pokud ne, volíme místo definované nějakou značkou). Nyní vybijeme elektroskop a experiment opakujeme se druhým Faradayovým pohárem jiné velikosti. Opět přenášíme na jeho vnitřní povrch náboj a zaznamenáme, kolik přenesení bylo třeba k dosažení stejné výchylky. Zjistíme, že u většího poháru bylo třeba více přenesení.
Závěry: U daného tělesa je poměr náboje ku potenciálu konstantní. Konstantu úměrnosti nazveme kapacitou.
Poznámky:
1. Tento experiment je třeba před demonstrací vyzkoušet a zvolit
vhodnou velikost kuličky, aby přenos náboje k rozumné výchylce nevyžadoval příliš mnoho opakování a tak nezabral příliš mnoho času. 2. Předpoklad, že s každým opakováním přeneseme na pohárek stejné množství náboje, je jen přibližný. S dostatečnou přesností můžeme tuto skutečnost zajistit tím, že kuličku nabíjíme zdrojem vysokého napětí. 4.2.23. Princip kondenzátoru
Pomůcky: Elektroskop, novodurová tyč, odpovídající kus látky, kovová destička na izolačním držadle
Provedení: Nejprve zelektrujeme třením novodurovou tyč a nabijeme s ní otřením elektroskop tak, aby ukazoval velkou výchylku. Poté uchopíme kovovou desku za izolační držadlo a přibližujeme ji k desce elektroskopu. V důsledku elektrostatické indukce na přibližované desce pozorujeme postupný pokles ručky elektroskopu úměrný zmenšující se vzdálenosti mezi deskou elektroskopu a přibližovanou deskou. Na bližším povrchu přibližované desky se totiž indukuje opačný náboj než jaký má deska elektroskopu, a tím snižuje její potenciál. Po opětovném oddálení desky výchylka ručky elektroskopu opět stoupne.
Závěry: Projevy náboje na tělese závisí na geometrii těles v jeho okolí. Poznámky:
1. Přibližovanou desku můžeme ve druhé fázi experimentu uzemnit
dotekem prstu. Výchylku elektroskopu tím ještě více snížíme, protože odvedeme z odvrácené strany desky indukovaný náboj, na situaci po oddálení se nic nezmění.
79
4.2.24. Deskový kondenzátor a jeho kapacita
Pomůcky: Elektroskop, 4 kovové destičky dvou různých velikostí na izolačních stojáncích, vodiče, tenké desky z různých dielektrických materiálů, zdroj vysokého napětí, novodurová tyč, odpovídající kus látky, kovová kulička na izolační tyčince, kovová koule na izolačním stojanu, vysokonapěťový kabel
Provedení:
V tomto
experimentu
ukážeme
závislost
kapacity
deskového
kondenzátoru na třech parametrech – na vzdálenosti desek, na velikosti desek a na dielektriku mezi deskami. V první fázi postavíme 2 větší kovové desky rovnoběžně do definované vzdálenosti tak, aby bylo možno vzdálenost mezi deskami viditelně zmenšit i zvětšit. Jednu vodivě spojíme s deskou elektroskopu a druhou uzemníme. Třením zelektrujeme novodurovou tyč a nabijeme jí desku spojenou s elektroskopem. Pozorujeme výchylku ručky elektroskopu. Poté měníme vzdálenost mezi deskami kondenzátoru – nejprve ji zmenšujeme, pak zvětšujeme. Pozorujeme pokles výchylky při přibližování desek a nárůst výchylky při vzdalování desek. Ve druhé fázi vybijeme elektroskop a zachováme uspořádání experimentu s většími deskami v dané vzdálenosti. Ke kovové kouli na izolačním stojanu připojíme výstupní svorku školního zdroje vysokého napětí. Pomocí kovové kuličky na izolační tyčince z ní přenášíme náboj na desku spojenou s elektroskopem. Spočítáme, kolikrát musel být náboj přenesen k dosažení určité známé výchylky elektroskopu. Poté vyměníme desky za menší, jednu opět uzemníme a druhou spojíme s deskou elektroskopu. Je důležité, abychom desky umístili do stejné vzdálenosti, jako předchozí. Vybijeme elektroskop a znovu přenášíme náboj z kovové koule na izolačním stojanu na desku spojenou s elektroskopem. Počítáme počet přenosů potřebných k dosažení stejné výchylky jako v prvním případě. U větších desek napočteme větší počet přenosů. Ve třetí fázi experimentu uspořádáme pomůcky stejně jako ve fázi první, avšak desky umístíme blíže k sobě – tak daleko, abychom mezi nimi mohli snadno prostrčit nejtlustší desku z připravených a přitom se desek nedotkli (tím by mohlo dojít k jejich posunu), ale ne zbytečně o moc dále. Vybijeme elektroskop a zelektrujeme
třením
novodurovou
tyč.
Nabijeme
tyčí
desku
spojenou
s elektroskopem. Pozorujeme výchylku ručky elektroskopu. Poté vkládáme mezi
80
desky kondenzátoru desky z různých dielektrik a všímáme si různě velkých poklesů výchylky.
Závěry: Kapacita deskového kondenzátoru prudce klesá s rostoucí vzdáleností desek, což se při konstantním náboji projeví jako prudký nárůst napětí. Kapacita deskového kondenzátoru roste se zvětšující se plochou desek. Kapacita deskového kondenzátoru závisí na materiálu jejich dielektrika.
Poznámky:
1. Při posouvání deskami kondenzátoru je třeba držet je důsledně za
izolované části. Ideálně experimentátor posouvá jen uzemněnou deskou, protože té se může dotknout, aniž by ovlivnil experiment. 2. Závislost kapacity kondenzátoru na velikost desek, resp. jejich překrývajících se ploch, lze snadno ukázat speciální školní pomůckou – otočným kondenzátorem. Ten sestává ze dvou polokruhových kovových desek, z nichž každá je upevněna na otočné ose. Když desky postavíme proti sobě, můžeme snadno za stavu připojeného k elektroskopu měnit překrývající se plochu desek kondenzátoru. Pozorování je takové, že s rostoucí velikostí plochy, kterou se desky překrývají, roste i kapacita. 4.2.25. Kondenzační elektroskop
Pomůcky: Elektroskop, velmi tenký lístek dielektrika, kovová deska s izolační rukojetí, 12V akumulátor, vodiče
Provedení: Nejprve položíme na desku elektroskopu tenký lístek dielektrika (optimálně slídovou destičku nebo jiný materiál s vysokou permitivitou, postačí však i PE fólie; nejlépe je, když její tloušťka je nejvýše v řádech desítek mikronů) a na něj potom kovovou desku s izolační rukojetí. Nyní nabijeme obě desky dotykem vývodů akumulátoru. Nepozorujeme výchylku elektroskopu v důsledku velmi nízkého napětí na vývodech. Nyní uchopíme vrchní kovovou desku za izolační držadlo. Zvedáme ji pomalu výše a výše, až zpozorujeme na elektroskopu výchylku.
Závěr: Tento experiment je důkazem, že kapacita deskového kondenzátoru prudce klesá s rostoucí vzdáleností desek.
81
4.2.26. Důkaz homogenity pole deskového kondenzátoru
Pomůcky: Elektrostatický generátor, 2 desky kondenzátoru na izolačních stojanech, bezová kulička na závěsu, novodurová tyč, odpovídající kus látky
Provedení: Desky kondenzátoru postavíme rovnoběžně do větší, ale ne příliš velké, vzdálenosti od sebe (optimálně volíme vzdálenost tak, aby takovou, abychom mezi deskami mohli manipulovat s kuličkou, ale abychom příliš nedeformovali elektrické pole mezi nimi; tomuto účelu vyhovuje vzdálenost cca. 10 cm). Každou z nich připojíme na jednu svorku elektrostatického generátoru. Generátor uvedeme do chodu. Nyní zelektrujeme třením novodurovou tyč a dotkneme se jí bezovou kuličkou. Nabitou bezovou kuličku držíme za závěs a vložíme ji mezi desky kondenzátoru. Pohybujeme s ní prostorem mezi deskami (nesmíme se však žádné z desek dotknout) a pozorujeme takřka konstantní výchylku kyvadélka od svislé polohy.
Závěry: Pole deskového kondenzátoru je skutečně homogenní, protože síla působící na konstantní náboj je v každém místě prostoru mezi deskami stejná.
Poznámky:
1. Kuličku musíme držet velmi jistou rukou, abychom se jí nedotkli
desky kondenzátoru. V takovém případě by se nabila jejím nábojem a výchylka by se tak změnila. Můžeme si pomoci zavěšením kuličky na Bunsenův stojan, kterým poté jemně posouváme po podložce. 2. S kuličkou se nesmíme příliš přibližovat k okrajům desek kondenzátoru. Elektrické pole u jejich okrajů je deformované, takže výchylka kyvadélka by se měnila. 3. Pomocí výchylky kuličky je možné měřit elektrickou sílu. Toho můžeme využít například k určení náboje kuličky, známe-li napětí mezi deskami a jejich vzdálenost. 4.2.27. Spád potenciálu podél vodiče, vznik elektrického proudu
Pomůcky: Dřevěná tyč s kyvadélky, indukční elektrika, izolační stojany, novodurová tyč, odpovídající kus látky, vodiče
Provedení: Dřevěnou tyč se dvojicemi kyvadélek v izolačních stojanech ukazuje Obr. 49.
82
Obr. 49 – Schéma uspořádání experimentu 27 Kyvadélka na této tyči musejí být alespoň částečně vodivá. Můžeme je nahradit lístky velmi tenké kovové fólie (obdoba lístků lístkového elektroskopu), nebo použít k jejich zavěšení vlhké nebo částečně vodivé vlákno a kyvadélka např. poprášit grafitem. Dřevěnou tyč s kyvadélky umístíme do izolačních stojanů. Jeden její konec spojíme s kladným pólem indukční elektriky, druhý konec s jejím záporným pólem. Poté indukční elektriku uvedeme do chodu. Pozorujeme různé rozestoupení dvojic kyvadélek v závislosti na jejich poloze na tyči. Nejvíce se rozestoupí kyvadélka na koncích tyče, beze změny zůstanou viset kyvadélka uprostřed tyče. Schematicky výsledné uspořádání experimentu ukazuje Obr. 50.
Obr. 50 – Schéma uspořádání experimentu 27 po uvedení generátoru do chodu. O skutečnosti, že na opačných koncích vodiče jsou nesouhlasné potenciály můžeme žáky přesvědčit tak, že zelektrujeme třením novodurovou tyč a přiblížíme ji postupně k oběma koncům dřevěné tyče. Pozorujeme zvýšení výchylky u jednoho konce a snížení u druhého. Poté přestaneme indukční elektrikou otáčet. Pozorujeme postupný pokles výchylek všech dvojic kyvadélek.
Závěry: Na vodiči směrem od kladného pólu zdroje klesá potenciál. Zhruba uprostřed je nulový vzhledem k zemi. Odtud dále klesá směrem k zápornému pólu zdroje. Elektrický proud může procházet pouze je-li mezi konci vodiče rozdíl potenciálů. 83
Poznámky:
1. Při tomto experimentu je vhodné připojit k výstupu indukční
elektriky Leydenské láhve. Protože suchá dřevěná tyč vede proud jen minimálně, zbude z výstupu indukční elektriky dostatek proudu k jejich nabití. Po zastavení indukční elektriky pak bude pokles výchylek kyvadélek pomalejší. 4.2.28. Elektrostatické motory 2 (princip elektrického větru)
Pomůcky: Elektrostatický generátor, elektrostatické motory popsané dále Provedení: K výrobě elektrostatického motoru založeného na elektrickém větru potřebujeme jen list tenkého plechu nebo drát. Možné tvary ukazuje Obr. 51.
Obr. 51 – Možné tvary rotorů elektrostatických motorů Takovýto rotor položíme na kovovou jehlu, kterou umístíme do izolačního stojánku. Jednu z výstupních svorek generátoru pak připojíme jehle a generátor uvedeme do chodu. Pozorujeme postupné roztočení rotoru elektrostatického motoru.
Závěry: Elektrický vítr má hybnost. Poznámky:
1. Počet ramen symetrických tvarů rotoru může být různý.
Nejjednodušší rotory mohou mít pouze dvě (tvar „S“ či „Z“). Počet ramen je však omezen rozestupem mezi nimi – je nutné, aby ionty elektrického větru měly kam odlétávat. Optimální počet ramen je proto 4.
84
4.2.29. Elektrický vítr a volné oblečení (O)
Pomůcky: Elektrostatický generátor, koule s hrotem na izolačním stojanu, kus tkaniny, plechová deska o něco větší než tkanina, závěs, vodiče
Provedení: Nejprve umístíme kus tkaniny do závěsu několik centimetrů před svislou plechovou desku. Proti tkanině postavíme do o něco větší vzdálenosti kouli s hrotem na izolačním stojanu. Umístění volíme tak, aby hrot byl postaven zhruba proti středu tkaniny. Plechovou desku uzemníme, kouli s hrotem spojíme s jednou svorkou elektrostatického generátoru. Nyní uvedeme generátor do chodu. Pozorujeme, že tkanina se postupně přichýlí k desce až se na ni nakonec „přilepí“.
Závěry: Elektrický vítr má mechanické účinky a ionty, které ho tvoří, ulpívají na izolantech a tím je nabíjejí.
Poznámky:
1. Tento experiment můžeme zopakovat v podobném uspořádání, ale
tkaninu zavěšenou před kovovou deskou můžeme nahradit žákem s volným tričkem. Necháme žáka stát na zemi a mírně se předklonit (je vhodné, aby stál ke třídě profilem, aby bylo přichýlení viditelné), aby jeho volné tričko odstoupilo od těla. Namíříme proti němu hrot koule (ten můžeme uchopit za izolační stojan rukou, abychom zajistili jeho optimální polohu) a uvedeme generátor do chodu. Pozorujeme postupné „nalepení“ oblečení na žákovo tělo a sám žák cítí účinky elektrického větru v místě, kam dopadá. 4.2.30. Elektrostatický odlučovač
Pomůcky: Elektrostatický generátor, kartáček s mnoha hroty, izolační stojan, kovová deska na izolačních stojanech, jemný prášek
Provedení: Postavíme kartáček proti kovové desce do větší vzdálenosti. Kartáček připojíme k jedné svorce elektrostatického generátoru a kovovou desku ke druhé. Uvedeme generátor do chodu a začneme pozvolna prosypávat jemný dobře viditelný prášek mezi elektrodami. Pozorujeme, že prášek se pod vlivem elektrického větru nabíjí a přitahuje ke kovové desce, kde ulpívá.
Závěry: Statické elektřiny lze využít k efektivnímu čištění průmyslových aerosolů vypouštěných do ovzduší.
Pomůcky:
1. Jiná varianta tohoto experimentu se dá provést s uzavřenou láhví,
kterou částečně obalíme vnější elektrodou a jako vnitřní elektroda poslouží vsunutý
85
hrot. Elektrody připojíme ke svorkám elektrostatického generátoru. Do láhve poté foukneme kouř (např. z vonné tyčinky) a uvedeme generátor do chodu. Pozorujeme, jak částice kouře přilínají ke stěnám nádoby, až se její prostor vyčistí.
86
Závěr Úvodem této bakalářské práce byla diskutována nesmírná důležitost experimentu ve výuce fyziky. Důvodem této diskuze je skutečnost, že někteří učitelé fyziky experimenty při výuce téměř neprovádějí, což může mít neblahé důsledky pro žáky. Stať o smyslu experimentu ve výuce fyziky může být inspirací i návodem pro ty, kdo váhají, zda-li experimentovat. V rámci této práce byly vyhledány informace o různých druzích elektrostatických generátorů, přinesena vysvětlení principů činnosti některých z nich a vytvořeny možné učební materiály. Byly také vytvořeny některé trojrozměrné modely založené na historických kresbách skutečných elektrostatických generátorů. K zevrubnému vysvětlení principů byly vybrány běžně používané školní pomůcky. Tato část práce může sloužit jako učební text pro široké spektrum čtenářů. Dále byl navrhnut, vylepšen a zkonstruován prototyp elektrostatického generátoru, Bonettiho přístroje, který zůstane na KDF (katedra didaktiky fyziky) a u nějž byly navrhnuty možné konstrukční změny, díky nimž by se mohl stát vhodnou školní pomůckou. U tohoto přístroje byl také vypracován výklad principu
činnosti. Část kapitoly se také věnuje zkušenostem získaným při konstrukci přístroje. Tyto zkušenosti mohou být přínosem každému konstruktérovi, který se rozhodne sám Bonettiho přístroj postavit. V závěru kapitoly jsme se věnovali měření některých výstupních parametrů dostupných elektrostatických generátorů. Zkonstruovaný prototyp svými parametry překonal indukční elektriku a vyrovnal se profesionálně vyráběnému Van de Graaffovu generátoru firmy Phywe. Na konci práce je zařazen výtah experimentů týkajících se elektrostatiky z učebnic pro ŽŠ a SŠ, které se zabývají výkladem elektrostatiky. Na jejím základě bylo konstatováno, že úloha metodických materiálů pro učitele je nezastupitelná. Jako pomůcka a inspirace pro učitele byl sestaven obsáhlý sborník třiceti experimentů z elektrostatiky, který byl obohacen o experiment autorský. K velké
části experimentů byly doplněny praktické poznámky pocházející buď z ověření experimentů v rámci této práce, nebo z předchozí zkušenosti.
87
Seznam použité literatury [1]
VICENTINI, Matilde and Elena SASSI. Aims and Strategies of Laboratory Work. In: VICENTINI, Matilde and Elena SASSI. Connecting research in physics education with teacher education. Vol. 2. Ed. New Delphi: ICPE. 2010. ISBN 0-9507510-5-0. S.241-255.
[2]
WATSON, Rod. The role of Practical Work. In: MONK, Martin and Jonathan OSBORNE. Good practice in science teaching: what research has to say. Philadelphia: Open University Press, 2000, ix, 246 p. ISBN 03-352-0391-4.
[3]
DVOŘÁK, Leoš. Lze učit fyziku zajímavěji a lépe?: příručka pro učitele. 1. vyd. Praha: Matfyzpress, 2008, 161 s. ISBN 978-80-7378-057-9.
[4]
Inquiry-based Learning: Explanation. EDUCATIONAL BROADCASTING CORPORATION. Http://www.thirteen.org [online]. 2004 [cit. 2012-05-19]. Dostupné z: http://www.thirteen.org/edonline/concept2class/inquiry/index.html
[5]
Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání. [online]. Praha: Výzkumný ústav pedagogický v Praze, 2007. 126 s. [cit. 2012-05-05]. Dostupné z WWW:
.
[6]
Rámcový vzdělávací program pro gymnázia. [online]. Praha: Výzkumný ústav pedagogický v Praze, 2007. 100 s. [cit. 2012-05-05]. Dostupné z WWW: . ISBN 978-80-87000-11-3.
[7]
DVOŘÁKOVÁ, Irena. Fyzikální vzdělávání žáků a učitelů v projektu Heuréka. Praha, 2011. Dostupné z: http://kdf.mff.cuni.cz/lide/dvorakova/Disertace.pdf. Disertační práce. Univerzita Karlova v Praze. Vedoucí práce doc. RNDr. Leoš Dvořák, CSc.
[8]
FORD, R. A. Homemade lightning: creative experiments in electricity. 3rd ed. McGraw-Hill: TAB Books, 2002, 223 s. ISBN 00-702-1528-6.
[9]
MOORE, A. D. Electrostatics: exploring, controlling, and using static electricity : including the Dirod manual. 2nd ed. Morgan Hill, CA: Laplacian Press, c1997, 243 s. ISBN 18-855-4004-3.
[10]
VAN DOORN, C. Z. Demonstration of Electrostatic Generator Principles. American Journal of Physics. 1969, vol. 37, p. 225. 88
[11]
SEARS, Francis W. Another Demonstration of Electrostatic Generator Principles. American Journal of Physics. 1969, vol. 37, p. 1067-1068.
[12]
GRAHAM, M. Talmage a James YOUNG. Robert Jemison ”Tee” Van de Graaff: From Football Fields to Electric Fields. THE PHYSICS TEACHER. 2004, vol. 42, p. 463-467.
[13]
DE QUEIROZ. Doublers of electricity. PHYSICS EDUCATION. 2007, vol. 42, p. 156-162.
[14]
DE QUEIROZ, Antonio Carlos Moreirão. Electrostatic Machines. Antonio C. M. de Queiroz Home Page [online]. 1996 [cit. 2012-05-22]. Dostupné z: http://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.html
[15]
GRAMATKE, Hans-Peter. The History of Electrostatic Generators. Hans Peter's Mathematical, Technical, Historical and Linguistic Omnium Gatherum [online]. 2003 [cit. 2012-05-22]. Dostupné z: http://www.hpgramatke.net/history/english/page4000.htm
[16]
Martin van Marum - Wikipedia, the free encyclopedia. Wikipedia, the free encyclopedia [online]. 2012 [cit. 2012-05-19]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Martin_van_Marum
[17]
Johan Wilcke - Wikipedia, the free encyclopedia. Wikipedia, the free encyclopedia [online]. 2012 [cit. 2012-05-19]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Johan_Carl_Wilcke
[18]
William Thomson, 1st Baron Kelvin - Wikipedia, the free encyclopedia. Wikipedia, the free encyclopedia [online]. 2012 [cit. 2012-05-19]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Lord_Kelvin
[19]
A Star Close Up: Building a Dirod electrostatic generator. A Star Close Up [online]. 2011 [cit. 2012-05-19]. Dostupné z: http://astarcloseup.blogspot.com/2011/04/building-dirod-electrostaticgenerator.html
[20]
Amazon.com: Electrostatics: Exploring, Controlling and Using Static Electricity/Includes the Dirod Manual (9781885540041): A. D. Moore, Joseph M. Crowley: Books. Amazon.com: Online Shopping for Electronics, Apparel, Computers, Books, DVDs & more [online]. 1996 [cit. 2012-05-22]. Dostupné z: http://www.amazon.com/Electrostatics-Exploring-ControllingElectricity-Includes/dp/1885540043
89
[21]
The TriboElectric Series. AlphaLab Gauss Meter and EMF Detectors [online]. 2012 [cit. 2012-05-06]. Dostupné z: http://www.trifield.com/content/tribo-electric-series/
[22]
ARESTI, A. a A. DELUNAS. Two-inductor electrostatic generator. American Journal of Physics. 1983, vol. 51, p. 472-473.
[23]
PLANINŠIČ, Gorazd. Conducting rod on the axis of a charged ring: The Kelvin water drop generator. American Journal of Physics. 2000, vol. 68, p. 1084-1089.
[24]
DESMET, S., F. ORBAN a F. GRANDJEAN. On the Kelvin electrostatic generator. European Journal of Physics. 1989, vol. 10, p. 118-122.
[25]
SE-YUEN, Mak. The Kelvin Water-Drop Electrostatic Generator - An Improved Design. The Physics Teacher. 1997, vol. 35, p. 549-551.
[26]
The Kelvin water-drop generator. PHYSICS EDUCATION. 2002, vol. 37.
[27]
HILL, M. a D. J. JACOBS. A novel Kelvin Electrostatic Generator. PHYSICS EDUCATION. 1997, vol. 32, p. 60-63.
[28]
SUBUDHI, K. S. a P. TIWARI. Comparison of Simon's and Van de Graaff's Theories of the Electrostatic Generator. American Journal of Physics. 1962, vol. 30, p. 333-335.
[29]
SIMON, A. W. Theory of the frictional Van de Graaff electrostatic generator. American Journal of Physics. 1975, vol. 43, p. 1108-1110.
[30]
SIMON, A. W. On the Theory of the Van de Graaff Electrostatic Generator. American Journal of Physics. 1954, vol. 22, p. 318-326.
[31]
KOVANDOVÁ, Monika. Techmania - Edutorium - Exponáty. Techmania Edutorium - Edutorium [online]. 2008 [cit. 2012-05-20]. Dostupné z: http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=exponaty&xser= 456c656b74f8696e612c206d61676e657469736d7573h&key=108
[32]
INDUKČNÍ ELEKTŘINA. FyzWeb - novinky [online]. 2011 [cit. 2012-0520]. Dostupné z: http://fyzweb.cz/materialy/videopokusy/POKUSY/JISKRENI/INDUKCNIEL EKTRINA.htm
[33]
RAUNER, Karel. Fyzika 6: učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2004, 120 s. ISBN 80-723-8210-1.
90
[34]
MACHÁČEK, Martin. Fyzika 6: pro základní školy a víceletá gymnázia. 3. vyd. Praha: Prometheus, 2006, 159 s. Učebnice pro základní školy (Prometheus). ISBN 80-719-6186-8.
[35]
KOLÁŘOVÁ, Růžena a Jiří BOHUNĚK. Fyzika pro 6. ročník základní školy. 2. upr. vyd. Praha: Prometheus, 2002, 159 s. Učebnice pro základní školy (Prometheus). ISBN 80-719-6246-5.
[36]
RAUNER, Karel. Fyzika 8: učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2006, 128 s. ISBN 80-723-8525-9.
[37]
KOLÁŘOVÁ, Růžena a Jiří BOHUNĚK. Fyzika pro 8. ročník základní školy. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2006, 223 s. Učebnice pro základní školy (Prometheus). ISBN 80-719-6149-3.
[38]
JÁCHIM, František a Jiří TESAŘ. Fyzika pro 8. ročník základní školy. 1. vyd. Praha: SPN - pedagogické nakladatelství, 2004, 151 s. ISBN 80-7235125-7.
[39]
SVOBODA, Emanuel. Přehled středoškolské fyziky. 3. vyd. Praha: Prometheus, 1998, 496 s. ISBN 80-719-6116-7.
[40]
LEPIL, Oldřich, Milan BEDNAŘÍK a Radmila HÝBLOVÁ. Fyzika pro střední školy. 3., přeprac. vyd. Praha: Prometheus, 2002, 311 s. Učebnice pro střední školy (Prometheus). ISBN 80-719-6185-X.
[41]
VACHEK, Jaroslav. Fyzika pro I ročník gymnázií. 2. vyd. Praha: SPN, 1985, 383 s. Učebnice pro střední školy.
[42]
SVOBODA, Emanuel. Pokusy z fyziky na střední škole. 1. vyd. Praha: Prometheus, 1999, 396 s. ISBN 80-719-6009-8.
[43]
ZAHRADNÍČEK, Josef. Základní pokusy fysikální. 1. vyd. Brno: s.n., 1935, 218 s.
[44]
HLAVIČKA, Alois. Pokusy z elektřiny. 1. vyd. Praha: SPN, 1955, 283 s.
[45]
FUKA, Josef, Jan KUNZFELD a Jaroslav NOVOTNÝ. Pokusy z fyziky na základní škole. 1. vyd. Praha: SPN, 1985. Pomocné knihy pro učitele.
[46]
KAŠPAR, Emil, František ČERNICKÝ, Václav HOUDEK, Josef NOVÁK, Vladimír NOVOTNÝ, Jaroslav STUDNIČKA, Miroslav SVOBODA a Jaroslav VACHEK. Demonstrační pokusy z elektřiny, optiky a atomové fyziky. 2. vyd. Praha: SPN.
[47]
БУРОВ, Владимир Алексеевич, Борис Сергеевич ЗВОРЫКИН, Александр Андреевич ПОКРОВСКИЙ и Иван Михайлович 91
РУМЯНЦЕВ. Демонстрационный эксперимент по физике 2. 1. изд. Москва: Просвещение, 1968, 432 стр.
92
Seznam použitých zkratek IBSE KDF PPL PVC RVP SŠ ŠVP ZŠ
-
inquiry-based science education katedra didaktiky fyziky polypropylen polyvinylchlorid rámcový vzdělávací program střední škola školní vzdělávací program základní škola
93
Přílohy Příloha 1: Tab. 2 – Triboelektrická řada (triboelectric series)
Materiál
Tab. 2 – Triboelektrická řada (triboelectric series) Afinita [nC/J]
Polyuretanová pěna Krabicová lepící páska Vlasy, mastná kůže Pevný Polyuretan Fluorid hořečnatý (MgF2) Nylon, suchá kůže Strojový olej Nylatron (nylon vyplněný MoS2) Sklo Papír (bez povrchové úpravy) Dřevo (borové) Silikon II značky GE (vytvrzuje se na vzduchu) Bavlna Nitrilová guma Vlna Polykarbonát Plexisklo a lepivá strana průhledné lepící pásky Epoxid (deska plošných spojů) Styren-butadienová guma (SBR, Buna S) Sprejové barvy na bázi rozpouštědla Polyethylen EVA guma pro těsnění Přírodní guma Tavné lepidlo Polystyrén Polyamid Silikony (vytvrzované vzduchem a termosety, nikoli GE) Vinyl: pružný (čisté potrubí) Polypropylen Nitrát celulózy Polyethylen (ultra vysoká molekulární váha – UHMW) Neoprén Polyvinylchlorid (křehký vinyl) Guma Teflon
+60 +55 +45 +40 +35 +30 +29 +28 +25 +10 +7 +6 +5 +3 0 -5 -10 -32 -35 -38 -40 -55 -60 -62 -70 -70 -72 -75 -90 -93 -95 -98 -100 -105 až -140 -190
Tabulka byla převzata z [21] a přeložena do češtiny. Pro více informací, například o chování kovů při nabíjení, vizte zdroj.
94
Příloha 2: Tab. 3 – Experimenty z elektrostatiky v učebnicích pro ZŠ a SŠ
Tab. 3 – Experimenty z elektrostatiky v učebnicích pro ZŠ a SŠ Kniha
[35]
[36]
[34]
Experiment Česání vlasů plastovým hřebenem PET proužek a jeho odpuzování od sebe sama Přitahování papíru a PET sáčku Vzájemné působení papíru, PET sáčku a PET proužku Tření různých materiálů a jejich různé nabíjení Přilínání šatů z uměliny Elektrování balónků na niti Zelektrované pravítko a kousky papíru Pavoučci v krabici s plastovým víkem Česání vlasů plastovým hřebenem Svlékání svetru přes hlavu Nabíjení chůzí po koberci Strouhání polystyrenu Tření skleněné tyče Elektrické kyvadélko Mletí, praní vlny v benzínu, barvení stříkáním Tření různých materiálů a jejich různé nabíjení Tření PET sáčků a jejich vzájemné působení Různě zelektrované tyče v závěsu Přilínání šatů z uměliny Různá míra zelektrování tyčí Nabíjení zrcadla a sáčku Televizní obrazovka a sáček PET fólie / balónek a PET fólie na kolíčku Stavba elektroskopu (+ tvorba stupnice) Versorium Opakované nabíjení elektrometru Nabíjení nabitého elektrometru opačným nábojem Sírová koule (Otto von Guericke) Van de Graaffův generátor Určení znaménka náboje pomocí nabitého elektroskopu Přenášení náboje mezi nesouhlasně nabitými elektroskopy kuličkou Přenášení náboje mezi nabitým a nenabitým elektroskopem kuličkou Spojení nabitého a nenabitého elektroskopu tyčí z různého materiálu Spojení nabitého a nenabitého elektroskopu uzemněnou tyčí Van de Graafův generátor a jeho účinky na vlasy Silové působení dvou nabitých koulí (jedna na závěsu, druhá pevná) Zviditelnění elektrického pole chocholy a síťkami s lístky Zviditelnění elektrického pole krupicí v oleji Elektrování nenabitého elektrometru indukcí Elektrování vodivě spojených elektroskopů indukcí Jiskření s Van de Graaffovým generátorem Tření jantaru kusem látky Van de Graaffův generátor a jeho účinky na vlasy Svlékání svetru přes hlavu Česání vlasů plastovým hřebenem Nabíjení chůzí po koberci
Strana 41 41 42 42 44 44 44 48 56 56 56 56 56 56 56 56 57 57 57 58 58 58 58 58 62 62 62 63 63 63 63 63 63 63 63 63 65 67 68 68 69 70 30 30 30 30 30
95
[38]
[37]
[36] [40]
Tření zahřátého papíru rukou PET proužek a jeho odpuzování od sebe sama Papírové figurky v krabici s plastovým poklopem Elektrování stuhy Přitahování vodního pramínku nabitým hřebenem Elektrické kyvadélko Vzájemné působení tyčí v závěsu Tření různých materiálů a jejich různé nabíjení Nabíjení elektroskopu pravítkem a jeho uzemnění Spojení nabitého a nenabitého elektroskopu vodivým mostem Experiment s nabitým papírem a moukou Tření gramodesky kusem látky Dvě kuličky na Van de Graafově generátoru Televizní obrazovka a papír Výroba elektroskopu Opakované nabíjení elektroskopu zelektrovanou tyčí Nabíjení nabitého elektroskopu opačným nábojem Vzájemné působení tyčí v závěsu Kondenzátorové kyvadlo Papírky v krabici s plastovým víkem Zviditelnění elektrického pole krupicí v oleji Elektrické kyvadélko Zviditelnění elektrického pole mřížkami s nitkami Utírání gramodesky Vzájemné působení zelektrovaných bezových kuliček Elektrování pravítka a svetru Alobalové proužky a kolíček na prádlo Elektrování novin u zdi kartáčem PET proužek a jeho odpuzování od sebe sama Jiskření s Van de Graaffovým generátorem Vzájemné působení plastového sáčku a papíru Balónky na nitích PET proužek a jeho odpuzování od sebe sama Elektrování pravítka Stavba elektroskopu ze svíčky Uzemnění elektroskopu Studium výchylky elektroskopu při nabíjení různým nábojem Opakované nabíjení elektroskopu zelektrovanou tyčí Dvě kuličky na Van de Graafově generátoru Hliníkový válec na závěsu Nabíjení elektroskopu indukcí Uzemnění elektroskopu Působení zelektrované tyče na kousky papíru Elektrování závěsu smetákem Nabíjení dvou vodivě spojených elektroskopů indukcí Zviditelnění elektrického pole krupicí v oleji Dvě PS koule na niti Dvě kovové koule na niti Řezání polystyrenu Působení zelektrovaného pravítka na kousky papíru Česání vlasů plastovým hřebenem
31 31 31 31 31 32 32 32 34 34 35 35 35 35 35 46 47 47 48 48 48 49 49 50 50 51 51 51 51 52 98 98 100 102 104 104 106 107 108 109 109 110 110 110 113 117 117 117 117 48 48
96
[41]
[42]
Přilínání šatů z uměliny Nabíjení elektrometru pravítkem Dvě kuličky na vlákně Zviditelnění elektrického pole krupicí v oleji Nabíjení dvou vodivě spojených elektrometrů indukcí Nabíjení elektrometru indukcí Kondenzátor z elektrometru a uzemněné kovové desky Zelektrovaná tyč a elektrické kyvadélko Přenos náboje kuličkou Spojování nabitého a nenabitého elektroskopu různými můstky Zjišťování elektrického pole tyčí se zrcátkem v závěsu Zviditelnění elektrického pole krupicí v oleji Milikanův pokus Faradayův pohár a přenášení náboje kuličkou Faradayova klec vodivě spojená s elektroskopem uvnitř a vně Měření náboje na kouli Zvětšování desek kondenzátoru Přenos náboje na elektrometr Trvalé nabití elektrometru indukcí
48 50 50 55 59 60 62 246 246 247 253 257 265 267 267 269 270 233 241
97
