by Φόρτιση ηλεκτροσκοπίου και απόκλιση των φύλλων του με μπαταρία 4,5 Volts.
Είναι από τη σειρά πειραμάτων που βιντεοσκοπούμε με το Θοδωρή. Στο βίντεο χρησιμοποιούμε έναν επίπεδο πυκνωτή, φτιαγμένο από δυο μεταλλικούς δίσκους και ένα κομμάτι από μεμβράνη διαφάνειας για εκτυπωτή λέιζερ (ή φωτοαντιγραφικό) για να δείξουμε ότι τα φύλλα ενός ηλεκτροσκοπίου μπορούν να αποκλίνουν με μια μπαταρία 4,5 Volts. Θεωρούμε ότι η επίδειξη βοηθά τους μαθητές να κατανοήσουν ότι τα φαινόμενα που συνήθως δείχνουμε στο κεφάλαιο του στατικού ηλεκτρισμού μπορούν να παραχθούν και στο δυναμικό ηλεκτρισμό. Ουσιαστικά ότι τα φορτία είτε παράγονται με τριβή είτε προέρχονται από μπαταρία είναι τα ίδια. Θυμίζω για το σκοπό αυτό ο Faraday έκανε μεγάλο αριθμό πειραμάτων μεταξύ των ετών 1830-32, και ο Arons – στο γνωστό βιβλίο που μετέφρασε και ο επιμελήθηκε όμορφα ο Ανδρέας Βαλαδάκης– προτείνει να δείχνουμε στους μαθητές μας (σελίδες 267-269).
Αυτό το «Πυκνωτικό ηλεκτροσκόπιο» είναι μια ιδέα του Volta από το 1782. Κάτι που μας εντυπωσίασε είναι ότι με την κατασκευή μας απέκλιναν τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου και με «μπαταρία» που φτιάξαμε από λεμόνι, γαλβανιζέ βίδα και φύλλο χαλκού (ή κέρμα των 5λεπτών του Ευρώ). Σημειώνεται ότι τεχνικά το πείραμα είναι αρκετά απαιτητικό, μην απογοητευτείτε αν δεν το πετύχετε εύκολα: Απόλυτη παραλληλία μεταξύ των δίσκων, μικρή απόσταση μεταξύ τους – σε σημείο που απαιτεί προσεκτικό καθάρισμά τους από παλιότερες κόλλες- και, όπως σχεδόν κάθε πείραμα στατικού ηλεκτρισμού, μια μέρα χωρίς υγρασία.
Επιπλέον προσφέρεται για τη διδασκαλία του επίπεδου πυκνωτή που υπάρχει στην καινούργια ύλη για τη Β΄ Λυκείου.
Το εντυπωσιακά απλό πείραμα που παρουσιάζεται εδώ αποκαλύπτει άμεσα τη σύνδεση μεταξύ του στατικού και του δυναμικού ηλεκτρισμού.
Παναγιώτη σ’ ευχαριστούμε και γι’ αυτό.
Αντιγράφω από τον Arons:
“…ήδη από την παιδική ηλικία τους οι μαθητές ακούνε τους όρους “φορτίο” και “ηλεκτρισμός” να χρησιμοποιούνται χωρίς διάκριση, όταν αναφερόμαστε στις μπαταρίες, στις πρίζες του σπιτιού και στα ηλεκτροστατικά φαινόμενα. Ουδέποτε ρώτησαν ωστόσο γιατί δεχόμαστε ότι υπάρχει σύνδεση μεταξύ αυτών των φαινομενικά διαφορετικών συστημάτων. Η χρήση της ίδιας ονομασίας, από πολύ νωρίς, εξαφάνισε την ερώτηση που θα έπρεπε να είχε τεθεί.”
Ομολογώ ότι δεν είχα τολμήσει ποτέ να κάνω αυτό το πείραμα, γιατί δεν πίστευα ότι θα πετύχει!
Παίρνοντας θάρρος από την επιτυχία αυτού του πειράματος, μήπως το απλουστεύαμε ακόμη περισσότερο χρησιμοποιώντας, αντί για το ηλεκτροσκόπιο, ηλεκτρικό εκκρεμές;
Καταπληκτικό!
Ούτε εγω φανταζόμουν κάτι τέτοιο.
Ανδρέα και Γιάννη γεια σας.
Εγώ δεν πίστευα ότι μπορεί να γίνει και με τη “μπαταρία λεμονιού”. Είχα διαβάσει, σε μια άλλη παραλλαγή, το πείραμα το 1981 και όταν το πρωτοκουβέντιασα με συναδέλφους στο Τμήμα Φυσικής αρχικά αμφέβαλαν.
Ανδρέα με το “ηλεκτρικό εκκρεμές” εννοείς μπαλάκι να πάλλεται μεταξύ των οπλισμών, οι οποίοι να έχουν αρχικά φορτιστεί με μπαταρία? (έστω και μεγαλύτερης τάσης)
Προσωπικά το θεωρώ και καλό πείραμα για τη διδασκαλία του επίπεδου πυκνωτή, μπαίνει του χρόνου στην ύλη της Β΄ Λυκείου. Το ηλεκτροσκόπιο δείχνει την ύπαρξη φορτίων, μετρά όμως διαφορά δυναμικού. Στο συγκεκριμένο πείραμα όταν συνδέθηκαν οι δυο πόλοι της μπαταρίας με τους δυο μεταλλικούς δίσκους- οπλισμούς του πυκνωτή- μεταφέρθηκαν σε αυτούς φορτία ίσου μέτρου. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο δίσκων ήταν 4,5 Volts, μια και αυτοί ήταν συνδεμένοι με την μπαταρία. Μεταξύ του φορτίου και της διαφοράς δυναμικού ισχύει η σχέση C=Q/V, όπου C η χωρητικότητα του πυκνωτή, Q το φορτίο σε κάθε οπλισμό του πυκνωτή (το οποίο παραμένει σταθερό μετά την απομάκρυνση του καλωδίου) και V η διαφορά δυναμικού μεταξύ των οπλισμών. Η χωρητικότητα του επίπεδου πυκνωτή δίδεται από τη γνωστή σχέση (δυσκολεύομαι να τη γράψω) στην οποία υπάρχει: α) η σχετική διηλεκτρική σταθερά του υλικού που μπαίνει μεταξύ των μεταλλικών δίσκων, β) το εμβαδόν του κάθε οπλισμού, και γ) η απόσταση μεταξύ των δυο οπλισμών. Όταν απομακρύνεται η μια πλάκα του πυκνωτή, αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των δυο οπλισμών και από τη σχέση που δίνει τη χωρητικότητα του επίπεδου πυκνωτή προκύπτει ότι ελαττώνεται η χωρητικότητά C, οπότε, από τη σχέση V=Q/C, αυξάνεται η διαφορά δυναμικού V με αποτέλεσμα την απόκλιση των φύλλων. Αυτό εξηγεί και τις αποκλίσεις/συγκλίσεις των φύλλων του ηλεκτροσκοπίου που δείχνεται στα τέλος.
καλησπέρα σε όλους
όταν κάποιος δεν έχει πραγματοποιήσει ένα παρόμοιο πείραμα έχει αρκετές απορίες
“αυξάνεται η διαφορά δυναμικού V με αποτέλεσμα την απόκλιση των φύλλων. Αυτό εξηγεί και τις αποκλίσεις/συγκλίσεις των φύλλων του ηλεκτροσκοπίου που δείχνεται στα τέλος.“
η διαφορά δυναμικού, Παναγιώτη, το εξηγεί ή το ότι τα δύο φύλλα (ένα το κινητό και ένα το ακίνητο στέλεχος) είναι φορτισμένα;
αλλά και γιατί ο ένας οπλισμός του πυκνωτή να έχει καλυφθεί με μονωτικό;
Βαγγέλη το μονωτικό κάνει δυο δουλειές:
Επιτρεπει να πλησιάσουν πάρα πολύ κοντά οι οπλισμοί.
Αυξάνεται και η διηλεκτρική σταθερά.
Έτσι έχουμε μεγάλη χωρητικότητα και κάποιο φορτίο. Όταν αποσυνδέουμε, τότε το φορτίο μένει σταθερό οπότε μειώνοντας την χωρητικότητα (απομάκρυνση) αυξάνεται το δυναμικό, διότι V=Q/C.
καλημέρα σε όλους
θα έλεγα, Γιάννη, ότι είναι ασήμαντη η αύξηση της χωρητικότητας, εκτός στη θέση της σχεδόν επαφής των οπλισμών, διότι ένα πολύ μικρό τμήμα της απόστασης καλύπτεται από διηλεκτρικό,
αν πάντως, αυτό είναι ο λόγος μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πιο χοντρό πλαστικό, αλλά και πολλούς πλαστικούς δίσκους τοποθετημένους, χωρίς να κολληθούν, ο ένας πάνω στον άλλον, πάνω στον ακίνητο οπλισμό του ηλεκτροσκοπίου
προσθέτω κι άλλο ερώτημα: τί σημαίνει ότι για να δείξει το ηλεκτροσκόπιο απαιτείται τάση 4000V;
Καλημέρα Βαγγέλη.
Το αντιλαμβάνομαι ως:
-Για να κινηθεί το στέλεχος πρέπει να έρθαι το ηλεκτροσκόπιο σε επαφή με μεγάλη μεταλλική σφαίρα δυναμικού 4.000 V.
Καλημέρα Βαγγέλη
Συμφωνώ με την απάντηση του Γιάννη. Στην προηγούμενη απάντησή μου γράφω:
“Η χωρητικότητα του επίπεδου πυκνωτή δίδεται από τη γνωστή σχέση (C=εS/d δυσκολεύομαι να τη γράψω, έχει και τη διηλεκτρική σταθερά του κενού) στην οποία υπάρχει: α) η σχετική διηλεκτρική σταθερά ε του υλικού που μπαίνει μεταξύ των μεταλλικών δίσκων , β) το εμβαδόν S του κάθε οπλισμού, και γ) η απόσταση d μεταξύ των δυο οπλισμών. Όταν απομακρύνεται η μια πλάκα του πυκνωτή, αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των δυο οπλισμών (εδώ θα μπορούσα να γράψω και η διηλεκτρική σταθερά) και από τη σχέση που δίνει τη χωρητικότητα του επίπεδου πυκνωτή προκύπτει ότι ελαττώνεται η χωρητικότητά C, οπότε, από τη σχέση V=Q/C, αυξάνεται η διαφορά δυναμικού V με αποτέλεσμα την απόκλιση των φύλλων”.
Η παρουσία του d (απόστασης των οπλισμών) στον παρονομαστή απαντά στις υποθέσεις για χοντρό πλαστικό ή πολλά φύλλα. Η ύπαρξη του πλαστικού παίζει ρόλο στην αρχική χωρητικότητα του πυκνωτή όπου και καλύπτει όλο το κενό. Στην τελική κατάσταση του πυκνωτή έχει αλλάξει και το d και το ε.Τέλος το ηλεκτροσκόπιο για να δείξει απαιτείται μεγάλη τάση, τώρα αν 4000Volts ή λίγο μικρότερη (η και μεγαλύτερη) εξαρτάται από την κατασκευή του.
Ανδρέα νομίζω ότι κατάλαβα πως μάλλον θεωρείς το να ελεγχθεί πειραματικά αν ένα ελαφρό σώμα, αναρτημένο με μονωτικό νήμα έλκεται από τον σταθερό πόλο του πυκνωτή, και όχι μπαλάκι να πάλλεται μεταξύ των οπλισμών, οι οποίοι να έχουν αρχικά φορτιστεί με μπαταρία.
Παναγιώτη καλησπέρα.
Ναι, εννοώ να ελεγχθεί αν ένα χαρτάκι έλκεται από τον ένα δίσκο.
ευχαριστώ Παναγιώτη και Γιάννη
Καλημερίζω την παρέα από Κέρκυρα
Συμπωματικά το πείραμα αυτό το έκανα με το συνεργάτη μου πριν μερικούς μήνες. Διαφωνούσαμε ως προς το πως θα δώσουμε την ερμηνεία. Ο Βαγγέλης ο συνεργάτης μου, είχε ( και έχει ακόμη δεν μπόρεσα να τον μεταπείσω) ότι η καλύτερη ερμηνεία είναι με την αύξηση της τάσης, ίδια δηλαδή με αυτή που δίνει ο Παναγιώτης.
Η δική μου ερμηνεία αποφεύγει την αναφορά στην τάση, γι αυτό θεωρώ ότι είναι απλούστερη. Η ερμηνεία που δίνω είναι ότι αρχικά φτιάχνουμε έναν πυκνωτή με μεγάλη χωρητικότητα αφού η απόσταση μεταξύ των οπλισμών του είναι πολύ μικρή (αν βάλω ζελατίνη τροφίμων θα είναι ακόμη μικρότερη). Έτσι λόγω της μεγάλης χωρητικότητας ο πυκνωτής αποκτάει πολλά φορτία στον κάθε οπλισμό του. Απομακρύνοντας στην συνέχεια τον έναν οπλισμό, τα φορτία του άλλου οπλισμού λόγω της μεταξύ τους άπωσης διασκορπίζονται σε όλο το μεταλλικό μέρος του ηλεκτροσκοπίου με αποτέλεσμα να απωθούνται τα φύλλα μεταξύ τους.
καλησπέρα Πάνο
μάλλον δεν είδες το πρώτο μου σχόλιο
“ή το ότι τα δύο φύλλα (ένα το κινητό και ένα το ακίνητο στέλεχος) είναι φορτισμένα;“
Καλησπέρα Πάνο.
Θυμήθηκα το ανέκδοτο με τον Χότζα (Και συ δίκιο έχεις).
Στέκουν και οι δύο ερμηνείες, καθως και μία τρίτη:
Όταν απομακρύνεις την κίτρινη σφαίρα δεν αυξάνεται το δυναμικό της πράσινης μεταλλικής σφαίρας;
Αν δεν είναι σφαίρες αλλά πλάκες δεν ισχύει το ίδιο;
Ίσως υπάρχει και 4η ερμηνεία.
Στη Φυσική υπάρχουν πολλές ερμηνείες για το ίδιο φαινόμενο.
Τα ηλεκτρονια κινούνται δεχόμενα δύναμη από πεδίο αλλά κινούνται και διότι μεταβαίνουν από το χαμηλό δυναμικό στο ψηλό.
Τα σώματα πέφτουν στη γη διότι έλκονται βαρυτικά αλλά και διότι πρέπει να μειωθεί η δυναμική ενέργεια, κ.λ.π.
τελικά, Γιάννη, παραγέρασα και “χάνω λάδια” μου φαίνεται, και ως Πειραματικός, αλλά και, κυρίως, “ως εκ του Κλασσικού”…
μα, αυτήν την τρίτη σου λύση, υπονοώ από την αρχή, για την ερμηνεία της ένδειξης του ηλεκτροσκοπίου, της απόκλισης δηλαδή του κινητού στελέχους από την κατακόρυφη
είναι ένας τρόπος για να αποκτήσει ο δίσκος του ηλεκτροσκοπίου φορτία, θετικά στην περίπτωση που φαίνεται στην εικόνα σου, θα μπορούσε αυτό να γίνει και αν ακουμπούσαμε φορτισμένο σώμα με τριβή ή τον ένα πόλο φορτισμένης ηλεκτροστατικής μηχανής, η με μια “κουτάλα” μεταφοράς φορτίων, τα οποία στη συνέχεια διαχέονται παντού και στο ακίνητο στέλεχος και στο κινητό, οπότε αυτά ως ομόσημα φορτισμένα απωθούνται, να τη η εξήγηση της απόκλισης
το ότι δημιουργείται τάση πολύ μεγάλη, το ότι το δυναμικό του απομένοντος δίσκου αυξάνεται τί μας νοιάζει και, κυρίως τί νοιάζει το ηλεκτροσκόπιο;
αυτό είναι η εξήγηση της φόρτισης του ηλεκτροσκοπίου, δεν είναι η εξήγηση της απόκλισης των φύλλων του
τα γράφω αυτά, διότι κάποιος Coulomb, μου έκανε αναπάντητες…
Βαγγέλη έγραψα και πριν ότι υπάρχουν διάφορες ερμηνείες.
Η εξήγηση που δόθηκε από τον Παναγιώτη απαντά στο ερώτημα “Που βρέθηκαν τα 4.000 V;”.
Η άλλη απαντά στο ερώτημα “Γιατί απωθούνται τα φύλλα που δεν απωθούντο πριν την απομάκρυνση;”.
Δεν ξέρω αν κατάλαβα τι λες. Εγώ δεν μίλησα για επαφή. σφαιρών και φόρτιση. Είπα απλώς ότι η απομάκρυνση του ενός αυξάνει το δυναμικό του άλλου.
ε, μα, ρε συ, Γιάννη, και αν αυξάνεται το δυναμικό, εμάς τί μας κόφτει;
αυτό που βλέπουμε με τα μάτια που η φύση μας έδωσε για να βλέπουμε, και όχι να εννοούμε, είναι η απόκλιση του δείκτη του ηλεκτροσκοπίου
αυτό προσπαθούμε να ερμηνεύσουμε
οφείλεται σε κάτι άλλο εκτός από εφαρμογή του νόμου του Coulomb;
άλλο το γήπεδο και άλλο η εξέδρα,
νομίζω…
Βαγγέλη τι μας κόφτει;
Τέθηκε στη συζήτηση το εξής:
-Για να εκδηλωθεί άπωση φύλλων συνήθους ηλεκτροσκοπίου απαιτείται φόρτισή του σε δυναμικό 4.000 V περίπου. Απέκτησε ο δίσκος τέτοιο δυναμικό;
Δόθηκε λοιπόν μια απάντηση σ’ αυτό.
Άλλο ερώτημα:
Αρκεί μια μπαταρία των 4,5 V για το πείραμα; Αρκεί ένα λεμόνι;
Προφανώς ο νόμος Κουλόμπ εξηγεί την άπωση των φύλλων. Όμως αν ακουμπήσω μεταλλική σφαίρα με δυναμικό 200 V δεν θα παρατηρηθεί απόκλιση.
Δεν υπάρχει μόνο μία προσέγγιση ενός φαινομένου. Υπάρχουν ποιοτικές προσεγγίσεις, ποσοτικές προσεγγίσεις και ίσως και μικτές.
Κάποτε κάναμε άσκηση στο Λύκειο και βρίσκαμε το έργο που απαιτείται για να απομακρυνθούν οι οπλισμοί κατά Δx .
Εντυπωσιακό Παναγιώτη.
Οι ερμηνείες πολλές.
Είναι πολλές οι ερμηνείες Άρη (Σπύρος Καληγήρου).
Η μία εξηγει σε τι συμβαίνει με την ανακατανομή των ηλεκτρονίων.
Η άλλη απαντά στο ερώτημα “Που βρέθηκαν τα 4.000 V που απαιτούνται για την απόκλιση των φύλλων του ηλεκτροσκοπίου;”.
Συμφωνώ απόλυτα στα λεγόμενά σου Γιάννη. Είναι επιλογή του καθενός να επιλέξει ποιά ερμηνεία του φαίνεται πιο απλή. Εγώ πάντως το Βαγγέλη ( Το συνεργάτη μου όχι τον Κουντούρη) εδώ και 3 μήνες δεν τον έπεισα ότι η δική μου ερμηνεία είναι πιο απλή. Ίσως να έχει δίκιο…
Καλημέρα Πάνο.
Όχι μόνο θέμα προσωπικής επιλογής αλλά και στόχου.
Αν η ερώτηση είναι “Που βρέθηκαν τα 4.000 V;” τότε επιλέγουμε την εξήγηση που δόθηκε.
Αν η ερώτηση είναι “Γιατί αποκλίνουν μετά την απομάκρυνση και όχι πριν;” επιλέγουμε αυτήν που σου αρέσει περισσότερο.
Σωστά νομίζω μιλάς Γιάννη.