Tanári segédlet Ajánlott évfolyam: 8. Időtartam: 45 Töltődj fel! FIZIKA LEVEGŐ VIZSGÁLATAI Kötelező védőeszköz: Balesetvédelmi rendszabályok: Pacemakerrel vagy hallókészülékkel élő ember ne végezze a kísérleteket! Az elektrosztatika fontos fejezete a fizikatanításnak. A levegő témakörhöz a villámok jelenségén keresztül kapcsolódnak az ezen az órán elvégzendő kísérletek. Ezek jól ismert, klasszikus kísérletek és elvégzésük és elemzésük megfelelő lehetőséget nyújt a tanulók gondolkodásának fejlesztésére. A kísérletek nagyon látványosak, ezért kellően motiválhatják a tanulókat. Az összes kísérlet egyetlen eszköz, a Van de Graaff-generátor, vagy más néven szalaggenerátor használatát igényli. A Van de Graaff-generátor nagyfeszültség előállítására alkalmas elektrosztatikus generátor. Az általunk használt kísérleti eszköz 50 200 kv, a nagyobb méretű, kutatási célra készített példányok több millió volt feszültséget is szolgáltathatnak. Az eszköz Robert Jemison Van de Graaff (1901 1967) amerikai mérnök, fizikus nevét őrzi. Ő volt az első szalaggenerátor építője (1933). Az órát érdemes azzal kezdeni, hogy bemutatjuk az eszközt és működését. 1) Üres fémgömb (pozitív töltésű) 2) Felső kefe 3) Felső (plexi) henger 4) Gumiszalag (pozitív része) 5) Gumiszalag (negatív része) 6) Alsó (fém) görgő 7) Alsó kefe 8) Kisütőgömb (negatív töltésű) 9) Szikrakisülés A Van de Graaff-generátor szerkezete A generátorban egy gumiból készült szalag köt össze két görgőt. Az alsó görgőt villanymotor forgatja. A felső görgőről leváló szalag negatív töltésű lesz (5). Ezt a negatív töltést egy kefe (7) gyűjti össze és a kisütőgömbre (8) juttatja. (a kisütőgömböt gyakran leföldelik) Az alsó görgőről leváló szalag pozitív töltésű lesz (4), ezt a pozitív töltést a szalag a felső görgőnél található (2) keféhez szállítja. A kefe a pozitív töltést a vele összeköttetésben levő, a felső görgőt és kefét körbevevő üreges fémgömbre (1) juttatja. A fémgömbre jutó pozitív töltés a gömb külső felületére áramlik. A két gömbön egyre több töltés halmozódik fel, emiatt a két gömb közti feszültség egyre nagyobb lesz. Elegendően nagy feszültségnél a gömbök között szikrakisülés (9) jöhet lére. A kisüléskor a töltések semlegesítik egymást, majd a feltöltődési folyamat újra megindul. 137
Biztonsági figyelmeztetések a Van de Graaff-generátor használatához: A diákok csak tanári felügyelet mellett használják a Van de Graaff-generátor! Pacemakert használó ember soha ne használja a generátort! A generátor nagy feszültséget állít elő. Maradjunk legalább 1 m távolságra a töltött generátortól. Fehér vagy vörös színű szikrakisülés akár 35-50 cm távolságra is létrejöhet. Ezek súlyos sérülést ha nem is, ijedtséget biztosan okoz-nak. Tartsuk megfelelő távolságban a készüléket a hálózati áramforrástól! A generátor kikapcsolása után mindig érintsük kisütőgömböt a nagy fémgömbhöz, hogy az ott maradt töltések eltávozhassanak. Figyeljünk az eszköz motorjának melegedésére! Ez huzamos használat esetén károsíthatja a szalagot vagy a motort magát. Tartsuk a készüléket tisztán és szárazon! A por és a nedvesség rontja a generátor teljesítményét. Az órán elvégzendő kísérletek: 1. Tanári kísérlet: Az elektromosan töltött testek egymásra gyakorolt hatása Egy önként jelentkező, gumitalpú cipőt viselő, bátor, hosszú, száraz hajú diák álljon a Van de Graaff generátor mellé, szigetelő talpazatra! Kezét helyezze a kikapcsolt eszközre, majd kapcsoljuk be a generátort! Milyen változás látható a diák hajában? A diák hajszálai szétágaznak, mint a sündisznó tüskéi. A hajszálak azonos töltésűek lesznek, taszítják egymást, megfelelő idő után nagyon látványos frizura keletkezik. A Van de Graaff-generátorral előállított feszültség magas, az áramerősség az iskolai kísérletek céljára gyártott példányoknál általában 10 15 mikroamper alatt marad. Ezért az előzőleg kisütött Van de Graaff generátor fémgömbjét és a (leföldelt) kisütőgömböt megfogva a generátor nyugodtan bekapcsolható, mert a kialakuló néhány mikroamper erősségű áram az emberi szervezetben semmiféle káros hatást nem fejt ki. A kísérlet videón: http://www.youtube.com/watch?v=87dqbdqbx8u A magyarázatban leírtak miatt szintén nem jár kockázattal, de meglepően érdekes élmény, ha egy másik jelentkező a kikapcsolás után kezet fog a frizurás gyerekkel. Helyezzünk a kikapcsolt állapotú Van de Graaff-generátor fémgömbjére néhány alu-mínium tálkát, majd kapcsoljuk be az eszközt! Mi történik a tálkákkal? A tálkák egymás után lerepülnek a generátorról. A tálkák azonos töltésűek lesznek, ezért a köztük fellépő taszító erőhatás következtében lerepülnek a generátorról. A kísérlet videón: http://www.youtube.com/watch?v=bxerkuq0p6c 138
Lógassunk egy szigetelő zsinórra rögzített fémgömböt a bekapcsolt Van de Graaff-generátor fémgömbjének közelébe! A kis gömböt a generátor magához vonzza, majd eltaszítja. A fémgömb a generátor elektromos mezejébe kerül, az elektromos megosztás miatt a generátor felőli része ellentétes töltésű lesz, mint a generátor. Az ellentétes töltések vonzó hatása miatt a kis gömböt magához rántja a generátor. Az érintkezéskor töltések áramlanak a kis gömbre, így az is ugyanolyan töltésű lesz, mint a generátor. Most már taszítják egymást, a kis gömb eltávolodik a generátortól. Ha gondoskodunk arról, hogy a kis gömbről távozzanak a töltések (pl. kézzel megérintjük), a jelenség megismétlődik. A kísérlet videón: http://www.youtube.com/watch?v=hg7mmrjr5ew Kapcsoljuk be a Van de Graaff-generátort, majd fújjunk szappanbuborékokat a generátor fémgömbjének irányába! Hogyan mozognak a szappanbuborékok? A buborékok először a generátor irányába, majd az érintkezés után az ellenkező irányba mozognak. A buborékok az elektromos megosztás miatt először a generátor irányába, majd az érintkezés után az ellenkező irányba mozognak. 2. Tanári kísérlet: A töltések elhelyezkedése a vezetőn Aggassunk papírcsíkokat a fémrácsos henger (Faraday-kalitka) oldalára! A hengert kössük össze a Van de Graaff-generátorral! A generátor bekapcsolása után figyeljük meg a papírcsíkok állását! A csíkok hengeren kívüli része eltávolodik a hengertől (azonosan töltött testek taszítják egymást). A belül lógó rész változatlan marad. A hengerre vitt többlettöltés teljes egészében a henger külső felületén helyezkedik el, a térerősség a henger belsejében zérus. Hasonló kísérlet videón: http://www.youtube.com/watch?v=wqvimbn9gg4 A Van de Graaff-generátort kössük össze egy szigetelt talpú fémpohárral! A generátor bekapcsolása után egy szigetelt nyelű fémgömb segítségével próbáljunk a pohár belső, majd a külső felületéről töltéseket hordani egy elektroszkópra! 139
Csak a pohár külső részéről tudunk töltéseket vinni az elektroszkópra. A pohárra vitt többlettöltés teljes egészében a pohár külső felületén helyezkedik el. A térerősség a pohár belsejében zérus. 3. Tanári kísérlet: A legyező Feladat Vágjunk le egy A4-es papírlapból 10-15 db kb.1 cm széles és 15-20 cm hosszú papírcsíkot! Ezeket a csíkokat tűzőgép segítségével az egyik végüknél rögzítsük egybe! Az így kapott papíreszközt cellux szalag segítségével rögzítsük a Van de Graaff-generátor fémgömbjéhez! Indítsuk be a gépet! A papírcsíkok szétágaznak, mint egy legyező. A papírcsíkok azonos elektromos töltést nyernek, így taszító hatás lép fel közöttük. Ennek hatására szétágaznak. Források: Wikipédia www.sulinet.hu www.youtube.com http://www.fizkapu.hu/fiztan/cikkek/c_08_002.doc 140