25230 22502 
 

Πειράματα στατικού ηλεκτρισμού

Print Email

 

Στο χώρο του Εργαστηρίου φυσικών Επιστημών και στα πλαίσια του μαθήματος Φυσικής της Γ Γυμνασίου πραγματοποιήθηκε σειρά πειραμάτων στατικού ηλεκτρισμού.

 

 

 

Σκοπός της άσκησης είναι να παρατηρήσουν οι μαθητές μας τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Τα όργανα που χρησιμοποιήσαμε φαίνονται στην παρακάτω εικόνα.

Από αριστερά προς τα δεξιά διακρίνονται:

  • δύο κυκλικές μεταλλικές πλάκες,
  • μεταλλικό σφαιρίδιο αναρτημένο σε ορθοστάτη (ανάμεσα στις πλάκες),
  • ηλεκτρικό εκκρεμές,
  • ηλεκτρικός στρόβιλος,
  • κυλινδρικός αγωγός,
  • δύο ηλεκτροστατικοί θύσανοι.

Για την παραγωγή ηλεκτρικών φορτίων χρησιμοποιήθηκε η ηλεκτροστατική μηχανή Wimshurst. Είναι μια συσκευή που μπορεί να παράγει μεγάλες ποσότητες θετικών και αρνητικών φορτίων.

Αποτελείται από δύο μεγάλους πλαστικούς δίσκους που περιστρέφονται χειροκίνητα  γύρω από κοινό άξονα με αντίθετη φορά. Στην εξωτερική περίμετρο τους είναι τοποθετημένα λεπτά φύλλα αλουμινίου. Σε αυτά τα φύλλα και σε δύο αντιδιαμετρικά σημεία εφάπτονται σύρματα χαλκού (ψύκτρες). Με την περιστροφή των δίσκων λόγο τριβής αναπτύσσονται θετικά και αρνητικά φορτία. Αυτά τα φορτία οδηγούνται τελικά σε δύο μεταλλικές σφαίρες, τους πόλους της γεννήτριας. Στην μία σφαίρα καταλήγει το αρνητικό φορτίο και στην άλλη το θετικό.

Όταν η απόσταση των δύο σφαιρών είναι μικρή,  έχουμε ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ τους, διαρροή δηλαδή φορτίων από τη μία σφαίρα στην άλλη. Το φορτίο της μηχανής εξουδετερώνεται και η μηχανή εκφορτίζεται. Δείτε στο παρακάτω βίντεο την λειτουργία της.

 

 

 

1. Ηλεκτρική άπωση

Συνδέουμε με ένα καλώδιο τον έναν πόλο της μηχανής Wimshurst με έναν θύσανο. Θέτουμε σε λειτουργία τη μηχανή. Παρακολουθήστε τι θα συμβεί στο βίντεο:

 

 

 

Το φορτίο  οδηγείται στο θύσανο και έτσι τα νήματα του απωθούνται γιατί έχουν φορτιστεί με το ίδιο είδος φορτίου. Με το πείραμα αυτό βλέπουμε το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται  γύρω από ένα ηλεκτρικό φορτίο.

 

2. Ηλεκτροστατικό πεδίο ζεύγους ομώνυμων και ετερώνυμων φορτίων.

Στο πείραμα αυτό χρησιμοποιούμε δύο θυσάνους για να δούμε το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται γύρω από δυο ομώνυμα και δυο ετερώνυμα ηλεκτρικά φορτία.

 

 

 

3. Ο πυκνωτής που παίζει ρακέτες! ( Μεταλλική σφαίρα σε ηλεκτρικό πεδίο)

Συνδέουμε τις δύο μεταλλικές κυκλικές πλάκες με τους πόλους της ηλεκτροστατικής μηχανής Wimshurst. Αναρτούμε από ορθοστάτη ένα σφαιρίδιο (μπαλάκι από φελιζόλ τυλιγμένο με αλουμινόχαρτο) και το τοποθετούμε ανάμεσα στις πλάκες. Δείτε στο παρακάτω βίντεο τι θα συμβεί.

 

 

 

Βλέπουμε ότι το μπαλάκι εκτελεί ταλάντωση, χτυπώντας πάνω στις μεταλλικές πλάκες πλάκες.

Οι μεταλλικές πλάκες φορτίζονται με αντίθετα φορτία από την ηλεκτροστατική μηχανή. Η διάταξη αυτή, των δύο αντίθετα φορτισμένων μεταλλικών πλακών σε μικρή απόσταση, ονομάζεται πυκνωτής. Το ηλεκτρικά ουδέτερο σφαιρίδιο έλκεται αρχικά από τη δεξιά πλάκα. Ας  υποθέσουμε ότι είναι αρνητικά φορτισμένη. Μόλις το σφαιρίδιο έρθει σε επαφή μαζί της, θα αποκτήσει αρνητικό φορτίο προσλαμβάνοντας ηλεκτρόνια (φόρτιση με επαφή). Τότε απωθείται και κατευθύνεται  προς τη αριστερή πλάκα η οποία ταυτόχρονα το έλκει εξαιτίας του θετικού φορτίου της. Κατά την επαφή του με τη αριστερή πλάκα θα φορτιστεί θετικά (δίνοντας ηλεκτρόνια στη πλάκα).  Έτσι απωθείται πάλι και οδεύει ξανά προς την πρώτη, κ.ο.κ.

Το σφαιρίδιο μεταφέρει ηλεκτρόνια από την αρνητικά φορτισμένη πλάκα στην θετικά φορτισμένη. Μόλις σταματήσουμε τη μηχανή, σταματάμε και την τροφοδοσία των πλακών με ηλεκτρικά φορτία και το σφαιρίδιο μετά από λίγο σταματά, έχοντας εξουδετερώσει το φορτίο των πλακών.

 

4. Ηλεκτρικός στρόβιλος

Συνδέουμε τον ηλεκτρικό στρόβιλο πρώτα με τον έναν πόλο της μηχανής και στη συνέχεια με τον άλλο. Ο στρόβιλος περιστρέφεται μόλις θέσουμε σε λειτουργία τη μηχανή. Ανεξάρτητα από το είδος του φορτίου που αποκτά περιστρέφεται πάντα προς την ίδια φορά.

 

 

 

Ας υποθέσουμε ότι συνδέουμε αρχικά τον αρνητικό πόλο της μηχανής. Τα ηλεκτρόνια οδηγούνται προς το στρόβιλο και τις ακίδες του. Από εκεί διαφεύγουν προς τον περιβάλλοντα αέρα τον οποίο ιονίζουν. Θυμηθείτε, ιονισμός είναι το φαινόμενο όπου ένα άτομο ή μόριο προσλαμβάνει ή αποβάλλει ηλεκτρόνια και μετατρέπεται σε ιόν, φορτισμένο δηλαδή άτομο ή μόριο. Τα μόρια του αέρα λοιπόν, μπροστά από τις ακίδες μετατρέπονται σε αρνητικά ιόντα.  Έτσι ασκούν απωστική δύναμη στις αρνητικά φορτισμένες ακίδες του στροβίλου. Η ερμηνεία του φαινομένου είναι η ίδια ακριβώς και με τη σύνδεση του θετικού πόλου, με τη διαφορά ότι το φορτίο είναι τώρα θετικό. Σε κάθε περίπτωση οι δυνάμεις που ασκούνται στις ακίδες του στροβίλου φαίνονται στο παρακάτω σχήμα:

Το αποτέλεσμα είναι να έχουμε ζεύγος δυνάμεων που τελικά περιστρέφoυν το στρόβιλο προς μία πάντα κατεύθυνση ανεξάρτητα από το φορτίο που φέρει.

 

5. Ηλεκτρική θωράκιση

Τέλος συνδέουμε το κυλινδρικό αγωγό με τη μηχανή. Ο αγωγός αυτός διαθέτει στηρίγματα, ένα εσωτερικά και ένα εξωτερικά από τα οποία έχουμε κρεμάσει από ένα διπλό εκκρεμές.

 

 

 

Παρατηρούμε το εξωτερικό διπλό εκκρεμές να αποκλίνει. Αντίθετα το εσωτερικό εκκρεμές δεν φορτίζεται  και τα σφαιρίδιά του δεν απωθούνται. Στο εσωτερικό λοιπόν του κυλινδρικού αγωγού δεν υπάρχουν φορτία ούτε  ηλεκτρικό πεδίο. Τα φορτία συγκεντρώνονται στην εξωτερική επιφάνεια των αγωγών και στα αιχμηρά τους σημεία. Οι αγωγοί  δηλαδή "θωρακίζουν" το εσωτερικό τους από οποιοδήποτε εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Μια σημαντική ιδιότητα των αγωγών με πολλές πρακτικές εφαρμογές. Ένα καλό καλώδιο κεραίας τηλεόρασης για παράδειγμα, είναι τυλιγμένο εσωτερικά με μεταλλικό φύλλο και προστατεύει το τηλεοπτικό σήμα που μεταφέρει από εξωτερικά ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούν παρεμβολές.

{jcomments on}

Ηλεκτρονική Τάξη

Υπουργείο Παιδείας

Πανελλήνιο Σχολικό Δίκτυο

Διαδραστικά Βιβλία