Domů > Odborné články > Gymnaziální vzdělávání > Model centrálního elektrostatického pole
Odborný článek

Model centrálního elektrostatického pole

30. 7. 2010 Gymnaziální vzdělávání
Autor
Jaroslav Reichl

Anotace

Elektrostatické pole je na rozdíl od pole gravitačního, které žáci znají z praxe, více abstraktní. Proto je nutné hledat cesty, jak i toto pole žákům přiblížit. Pokud žáci uvidí netradiční experiment zobrazující 3D model centrálního elektrostatického pole, jistě si jeho závěry dobře zapamatují.

Elektrostatické pole je většinou druhý typ pole, s nímž se žáci středních škol ve výuce setkávají. Žákům středních škol (i studentům vysokých škol) se často zdůrazňuje, že řada veličin popisujících elektrostatické pole je analogická, jako jsou veličiny popisující gravitační pole, s nímž máme všichni každodenní zkušenost (můžeme chodit po povrchu Země, házíme míčem při hraní sportovních her, při sledování televizních přenosů nebo telefonování využíváme satelity pohybující se na oběžné dráze kolem Země atd.). Přesto je elektrostatické pole z řady důvodů odlišné od gravitačního pole. Jeden z jeho popisů pomůže názorně pochopit následující experiment.

Motivace

Pochopení základních veličin a vlastností popisujících elektrostatické pole je velmi důležité pro další výuku fyziky. Nejen proto, že žáci (resp. studenti) na základě dobré znalosti vlastností elektrostatického pole lépe pochopí vlastnosti magnetického pole, ale také snadněji pochopí jeho praktické využití (např. Faradayova klec, elektrostatický odlučovač kouře…).

Učitel se sice může při výkladu vlastností a veličin popisujících elektrostatické pole odvolávat na gravitační pole, které bylo probráno dříve a s nímž mají žáci (resp. studenti) každodenní zkušenost, ale musí vzít v úvahu i jisté rozdíly obou polí. Například: gravitační síla je vždy silou přitažlivou, zatímco elektrostatická síla může být přitažlivá nebo odpudivá v závislosti na znaménku nábojů daných hmotných bodů (resp. těles), mezi nimiž působí. S tím souvisí i veličina elektrická intenzita a její směr. Tato veličina je analogická gravitační intenzitě, která se zavádí pro popis gravitačního pole. Gravitační intenzita se ovšem příliš často nepoužívá, neboť v gravitačním poli většinou vyšetřujeme pohyb určitého tělesa (resp. hmotného bodu) a jeho pohyb je pro žáky (resp. studenty) snadnější popisovat pomocí gravitačního zrychlení. Elektrická intenzita je ovšem důležitá pro popis elektrostatického pole jako takového - a tento popis je jednodušší než popis pomocí elektrostatické síly.

Pro kvalitativní popis elektrostatického pole je též důležitý popis pomocí siločar. Pojem siločára souvisí velmi úzce s veličinou elektrická intenzita a její správné pochopení usnadní žákům (resp. studenům) pochopení řady praktických aplikací elektrostatického pole i vlastností později probíraného magnetického pole. Bohužel v řadě učebních textů je pojem siločára pouze definován, a elektrostatické pole není již zobrazeno v reálném experimentu. A ještě méně je zdrojů, v nichž je uvedeno (o zobrazení nemluvě), že elektrostatické pole je trojrozměrné.

A právě trojrozměrnost centrálního elektrostatického pole lze velmi jednoduše demonstrovat zajímavým experimentem.

Příprava experimentu

K experimentu budeme potřebovat van der Graaffův generátor (lze použít též Wimshurstovu indukční elektriku, ale van der Graaffův generátor je lepší), izolační podložku (polystyrenová deska), dva vodiče a jednoho dobrovolníka, kterého vybereme mezi žáky (resp. studenty). Ačkoliv dále popisovaný experiment není nebezpečný, je dobré upozornit žáky (resp. studenty), aby k experimentu přistupovali zodpovědně. Je nutné dodržet pokyny vyučujícího, žák (resp. student) se nesmí dotýkat žádného předmětu ve svém okolí, nesmí mít u sebe mobilní telefon a další elektronické zařízení a musí být zdravý. Zejména nesmí mít žádné problémy se srdcem, srdeční arytmií a podobně. Budeme pracovat se zdrojem vysokého napětí (více než 100 kV), ale přesto se nejedná o životu nebezpečný zdroj. Oba uvažované přístroje mají totiž natolik velký vnitřní odpor, že jimi (a následně tedy i tělem dobrovolníka) prochází velmi malý proud.

Dobrovolníka vybereme na hodině, která předchází té, v níž chceme experiment provést, a požádáme jej, aby si v předvečer následující hodiny fyziky umyl vlasy. Je potřeba, aby vlasy byly čerstvě umyté bez částic prachu, tuku a dalších nečistot. Tyto nečistoty zvyšují jak hmotnost vlasu, tak jejich vodivost. A obě tyto veličiny jsou pro zdárný průběh experimentu velmi kritické.

Provedení experimentu

Na zem vedle stolu, na kterém bude zdroj vysokého napětí, postavíme izolační podložku. Na ni si stoupne žák (resp. student) (pokud možno v kvalitní obuvi s gumovou nebo korkovou podrážkou) a oběma rukama se chytí kulového konduktoru van der Graaffova přístroje (viz obr. 1). Druhou elektrodu van der Graaffova generátoru uzemníme, čímž zvýšíme rozdíl potenciálů mezi oběma elektrodami. Znovu upozorníme, že dobrovolník má být natolik daleko od okolních předmětů (stůl, židle…), aby se minimalizovalo nebezpečí vzniku elektrického výboje mezi ním a daným předmětem. Zároveň dbáme na to, aby se ani spojovací vodič mezi generátorem a místem uzemnění nedotýkal žádných předmětů.

Celkový pohled
1. Celkový pohled
Jaroslav Reichl, © 2010

obr. 1

Uvedeme přístroj do chodu (buď pomocí elektrického motoru, nebo pomocí kliky) a chvíli počkáme. Za chvíli uvidíme, jak se vlasy našeho dobrovolníka postupně zvedají (viz obr. 2 a obr. 3).

Detailní pohled I.
2. Detailní pohled I.
Jaroslav Reichl, © 2010

obr. 2

Detailní pohled II.
3. Detailní pohled II.
Jaroslav Reichl, © 2010

obr. 3

Přejedeme-li rukou ve vzdálenosti zhruba 5 cm nad zvednutými vlasy (jako bychom chtěli dobrovolníka pohladit po hlavě), vlasy se začnou k ruce přitahovat.

Po skončení experimentu požádáme dobrovolníka, aby se pustil konduktoru přístroje a sešel z izolační podložky. Buď zůstane chvíli bez dotyku s okolními předměty a samovolně se vybije, nebo mu nabídneme vybití přes nás nebo nějaký kovový předmět. Rychlé vybití přes druhé těleso probíhá při jiskrovém výboji, který dobrovolníka v místě přeskoku jiskry trošku štípne. Není to velká bolest, ale pro nepřipraveného člověka to může být nepříjemné.

Dobrovolníkem byl Martin Hrzán ze třídy 09M SPŠST Panská v Praze.

Vysvětlení experimentu

Vlasy, které postupně získávají náboj od konduktoru generátoru přes tělo dobrovolníka, se nabíjejí navzájem stejným nábojem. Hlava dobrovolníka má stejný náboj jako vlasy. Proto se vlasy odpuzují jak od sebe navzájem, tak od hlavy dobrovolníka.

Odpuzující se vlasy modelují trojrozměrné rozložení siločar centrálního elektrostatického pole.

Interakce nabitých vlasů s rukou vyplývá z interakce nabitého tělesa (vlasů) s nenabitým tělesem (rukou). Tato část popsaného experimentu může sloužit i jako motivace pro nabíjení těles elektrostatickou indukcí.

Licence

Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons BY-NC-ND.

Autor
Jaroslav Reichl

Hodnocení od recenzenta

Tým RVP.CZ
30. 7. 2010
Velmi dobře zpracováno z hlediska motivace žáků. Materiál bude bezesporu efektivně využitelný ve výuce fyziky.

Hodnocení od uživatelů

Miroslav Melichar
1. 8. 2010, 09:47
Velmi pěkný materiál. Navíc je třeba ocenit komentáře obou recenzentů, které jistě podpoří praktické využití námětu ve výuce výrszněji než pouhé udělení hvězdiček.

Vaše hodnocení

Ohodnoťte hvězdičkami:

Váš komentář

Pro vložení komentáře je nutné se nejprve přihlásit.

Článek není zařazen do žádného seriálu.

Klíčové kompetence:

  • Gymnázium
  • Kompetence k řešení problémů
  • rozpozná problém, objasní jeho podstatu, rozčlení ho na části

Průřezová témata:

  • Gymnaziální vzdělávání
  • Environmentální výchova
  • Člověk a životní prostředí

Organizace řízení učební činnosti:

Frontální

Organizace prostorová:

Školní třída

Nutné pomůcky:

van der Graaffův generátor