Pár pokusů z elektrostatiky

Pokusy se statickou elektřinou se začaly provádět v 17. století. V následujícím století si už získaly nesmírnou popularitu i mezi laickou veřejností. Týkaly se hlavně působení elektrických nábojů, ale neměly v té době žádné praktické využití. Význam elektrostatiky začal růst až v polovině 20. století, dnes už najdeme elektrostatické aplikace všude kolem nás. Připomeňme si některá zařízení, využívající elektrostatické jevy:

• kopírka - světlo se odráží od předlohy a na nabitém světlocitlivém válci vzniká její elektrostatický obraz, který se zviditelní tonerem a přetiskne na papír;
• laserová tiskárna - má podobnou konstrukci jako kopírka, obraz písmen se na světlocitlivém válci vykresluje laserovým paprskem;
• piezoelektrický zapalovač - stlačováním určitých krystalů vznikne na jejich povrchu vysoké napětí a přeskočí elektrická jiskra;
• obrazové čipy - používají se v digitálních fotoaparátech a kamerách, na ploše čipu vzniká elektrostatický obraz předmětu a zpracovává se elektronikou přístroje;
• elektrostatický filtr (odlučovač) - částice prachu v kouřových plynech se silným elektrickým polem nabíjejí a usazují se na opačně nabitých elektrodách;
• ultrazvukový generátor - střídavým napětím dochází k rychlému kmitání piezoelektrického krystalu, při kterém vzniká ultrazvuk; používá se např. v medicíně;
• elektrostatické lakování - nabité částečky rozptýlené barvy jsou přitahovány opačně nabitým povrchem lakovaného předmětu a vytvářejí velmi kvalitní nátěr, např. automobilových karosérií;
• urychlovače - nabité částice (protony, ionty) jsou urychlovány silným elektrostatickým polem a získávají přitom velkou energii, která se dá využít k různým jaderným reakcím (jeden z nejdůležitějších přístrojů jaderné fyziky).

Žáci se s některými z uvedených aplikací setkávají prakticky denně. Je proto vhodné nevyhýbat se elektrostatickým experimentům nejen demonstračním, ale především žákovským. Řadu z nich je totiž možno snadno a spolehlivě realizovat i s předměty denní potřeby. Poznatky o působené elektrických nábojů proto mohou žáci objevit vlastnoručně vyrobenými pomůckami. Možností je hodně, pro inspiraci jsme vybrali několik snadno realizovatelných.

Nafukovací balónek - generátor náboje

Nafouknutý balónek s přivázanou nití třeme o suché vlasy. Snadno se přesvědčíme, že balónek získá opačný náboj, než vlasy - vzájemně se přitahují. O polaritě nabitého balónku se přesvědčíme přiblížením nabité skleněné a novodurové tyče k balónku. Z triboelektrické řady je zřejmé, že třením se skleněná tyč nabije kladně, novodurová záporně. Z chování zavěšeného balónku snadno odvodíme znaménko jeho náboje.

1. Obrázek 2. Obrázek 3. Obrázek

Elektroskop z plechovky

Profesionální školní elektroskopy jsou přístroje úctyhodné, ale pro motivaci je lepší, když si každý žák udělá elektroskop vlastní. Stačí k tomu prázdná nápojová plechovka a kelímek od jogurtu. Plechovku kouskem izolepy upevníme na kelímek (izolátor) a na otevírací očko zavěsíme proužek tenkého papíru. Improvizovaný elektroskop je hotov a můžeme zkoušet nabít ho dotykem nebo indukcí. Proužek papíru poslušně stoupá a klesá podle velikosti přivedeného náboje.

4. Obrázek

Elektrostatické kyvadélko

Pokus s indukcí a přenášením náboje je nejen atraktivní, ale i poučný z hlediska jeho vysvětlení. Variant je celá řada, často se používá pingpongový míček s vodivým povrchem (natřený tuhovým práškem). Ve spojení s malým van de Graaffovým generátorem spolehlivě funguje například sestava dvou nápojových plechovek a malého kovového kroužku - kyvadélka. Závěs musí být od plechovek izolovaný, použijeme například plastovou tyčinku nebo brčko. Plechovky jsou Alkaprenem přilepené na kousku polystyrenu. Konduktor generátoru je připojen k jedné plechovce, druhá je spojena s jeho uzemňovací zdířkou. Budete-li provádět pokus např. s nabitým balónkem nebo nabitou skleněnou tyčkou, jednu plechovku uzemněte proužkem alobalu nebo držte rukou.

5. Obrázek

Faradayova klec

Stínění elektronických přístrojů hraje v technice důležitou roli. Proto je vhodné sestavit si spolehlivou Faradayovu klec a stínění demonstrovat. Obvyklý pokus s proužky papíru je sice názorný, ale o jeho atraktivitě lze pochybovat. Zkuste to jinak - ve výprodeji zakupte za pár korun miniaturní rádio a pořiďte si cedník, pod který se rádio vejde. Na stůl položte plech nebo kus alobalu a na něj hrající rádio. Pak přístroj přiklopte cedníkem a přesvědčivá demonstrace je hotova - rádio nevydá ani hlásek. Proveďte pokus se stanicemi na středních (AM) a velmi krátkých (FM) vlnách, s plechovou podložkou a bez ní.

6. Obrázek

Sršení náboje

Při výkladu funkce bleskosvodu hovoříme o "sání" elektřiny hrotem, Franklinovým kolečkem demonstrujeme jev opačný, sršení náboje z hrotů. V jiné variantě pokusu, neméně působivé, pozorujeme sršení náboje a jeho působení na plamen svíčky. Realizace je snadná - na dobře izolovaný stojan (Holtzova svorka apod.) upevníme dlouhý hřebík a ve vhodné výšce postavíme zapálenou svíčku. Z hřebíku připojeného k van de Graafovu generátoru srší náboj a plamen svíčky se zřetelně vychýlí. Místo Holtzovy svorky stačí hřebík uchytit na polystyrenový hranolek nebo na kelímek od jogurtu.

7. Obrázek