Miksi paino liikkuu? Opi sähkön ihmeistä ja maadoituksen salaisuudesta “Sähköstaattisen kellon” avulla
Olen Ken Kuwako, tiedekouluttaja. Joka päivä on koe.
Oletko koskaan talvella tuntenut sen tutun, ikävän ”SÄH”-iskun tarttuessasi ovenkahvaan? Se on tietysti staattinen sähkö. Vaikka se on näkymätöntä, se on todellinen voima! Tänään esittelen teille yksinkertaisen mutta syvällisen kokeen, jonka tiedekerhon oppilaat kehittivät. Sen avulla tämä näkymätön voima saadaan ”näkyväksi” ja jopa kuuluvaksi – se on ”staattisen sähkön kello”!
Mietitkö, mikä ihme on ”staattisen sähkön kello”? Aloitetaan katsomalla tämä video:
Emme vain soita kelloa, vaan syvennymme kysymykseen: ”Miksi paino itse asiassa liikkuu?” Tämä pieni, naputteleva kello kertoo meille ”sähkön tarinan”, joka ulottuu aina salamoista kodin maadoitusjohtoihin asti. Koe tarjoaa loistavan tilaisuuden oppia kattavasti sähköstä, staattisen sähkön perusperiaatteista varauksen siirtoon, dielektriseen polarisaatioon ja maadoituksen merkitykseen.
Nap-nap! Näin staattisen sähkön kello toimii
Tämä kellokoe on erittäin tehokas havainnollistamaan staattisen sähkön perusominaisuuksia, erityisesti varauksen siirtoa, sähköstaattista voimaa (Coulombin voima) ja dielektristä polarisaatiota. Pureudutaanpa siihen mekanismiin, miksi paino liikkuu niin kiireisesti oikealle ja vasemmalle.
Vaihe 1: Täydellinen valmistautuminen kokeeseen!
Ensin tarvitaan muutama asia kokeen sujuvaan läpiviemiseen.
- Kaksi metallista tyhjää tölkkiä (Nimetään ne A ja B. Samankokoiset tölkit, esim. alumiinitölkit, ovat käteviä.)
- Heiluri/Paino (Kevyt ja hyvin sähköä johtava materiaali on ihanteellinen. Me käytimme mutteria. Ripustuslangan on hyvä olla eristävää, esim. nailonia.)
- Syömäpuikot tai vastaava tanko (Heilurin ripustamiseen)
- Staattisen sähkön generaattori (Esimerkiksi latauspistooli tai PVC-putki/akryylilevy, jota hierotaan turkista tai talouspaperia vasten sähkön tuottamiseksi)
- Johto tai kaapeli, jossa on klipsit (Tölkki B:n maadoittamiseen)
Valmistelut:
- Heilurin asennus: Kiinnitä heiluri syömäpuikkoon.
- Tölkkien asettelu: Aseta heiluri tölkkien A ja B väliin.
- Maadoituksen kytkeminen: Kiinnitä johto tai kaapeli tölkkiin B ja yhdistä toinen pää pöytään tai lattiaan (eli maadoitukseen). Yhteys vesiputkeen tai rakennuksen metalliosaan tehostaa maadoitusta.
Vaihe 2: Kokeen suoritus ja ”Miksi?”-kysymyksen syventäminen
Nyt pääsemme itse kokeeseen! Käydään läpi vaiheet ja samalla kurkistetaan taustalla olevaan fysiikkaan.
Staattisen sähkön kerääminen tölkkiin A:
Ohje: Tuo latauspistooli (oletetaan sen olevan negatiivisesti varautunut) lähelle tölkkiä A. Negatiivisia elektroneja siirtyy pistoolista tölkkiin A, jolloin tölkki A varautuu negatiivisesti.
Paino vetäytyy tölkkiä A kohti!:
Ohje: Kun staattisesti varautunutta tölkkiä A lähestyy vielä varautumaton heiluripaino, paino vetäytyy tölkkiä A kohti.
Tässä esitellään dielektrisen polarisaation käsite. Painon vapaat elektronit (metallisen painon tapauksessa) hylkivät tölkki A:n negatiivista varausta ja siirtyvät kauemmas tölkistä A (eli B:n puolelle). Tämän seurauksena painon A:ta lähimpään puoleen kerääntyy positiivinen varaus ja B:tä lähimpään puoleen negatiivinen varaus. Tätä ilmiötä kutsutaan ”dielektriseksi polarisaatioksi”.
”Eikö niin, että plussat ja miinukset vetävät toisiaan puoleensa?” Tölkki A:n negatiivisen varauksen ja painon A-puolelle kertyneen positiivisen varauksen välille syntyy vetovoima (sähköstaattinen voima), joka vetää painon tölkkiä A kohti.
Paino lähtee tölkki A:sta pois!
Ohje: Kun paino koskettaa tölkkiä A, se hylkii tölkkiä A ja liikkuu poispäin.
Opettajan selityksen kulmakivi:
”Miksi se lähtee pois, vaikka se juuri tarttui kiinni?”
Kun paino koskettaa tölkkiä A, negatiivisia elektroneja siirtyy tölkistä A painoon. Tämän seurauksena paino varautuu myös negatiivisesti.
”Eikö niin, että samanlaiset varaukset hylkivät toisiaan?” Koska sekä paino että tölkki A ovat nyt negatiivisesti varautuneita, ne synnyttävät hylkimisvoiman (sähköstaattinen voima), ja paino alkaa liikkua pois tölkistä A kohti tölkkiä B.
Paino lähestyy tölkkiä B ja luovuttaa elektronit!
Ohje: Negatiivisesti varautunut paino lähestyy maadoitettua tölkkiä B ja koskettaa sitä.
”Mitä tarkoittaa, että tölkki B on maadoitettu?” Maadoitus on tila, jossa laite on ”yhteydessä Maahan”. Maa on käytännössä varauksen varasto. Koska maapallomme on valtava, voimme ajatella sitä ”sähkön jättisienenä”, joka voi vastaanottaa minkä tahansa määrän ylimääräisiä elektroneja.
”Paino on negatiivisesti varautunut, eikö vain?” Painossa olevat ylimääräiset negatiiviset elektronit virtaavat tölkki B:n kautta maahan. Tämän seurauksena paino menettää varauksensa ja muuttuu neutraaliksi.
Paino lähtee tölkki B:stä ja sykli toistuu!
Ohje: Luovutettuaan elektroneja ja muututtuaan neutraaliksi paino siirtyy pois tölkistä B ja vetäytyy taas tölkkiä A kohti. Tämä liikesarja toistuu. Aina kun paino koskettaa tölkkiä, kuuluu ”nap, nap…”, mikä tekee laitteesta kirjaimellisesti ”staattisen sähkön kellon”!
Syvempää oppimista: Tiedon karttumista
Tällä kokeella on muuten pitkä historia! Amerikkalainen tiedemies, Benjamin Franklin, joka todisti salaman olevan sähköä leijan avulla, kehitti laitteen nimeltä ”Franklinin kello”, joka soi salaman lähestyessä. Sen periaate oli täsmälleen sama kuin tässä staattisen sähkön kellossa. On jännittävää ajatella, kuinka pieni koe liittyy historiallisiin suuriin keksintöihin! Tämän kokeen avulla opit käytännössä seuraavat tärkeät fysiikan käsitteet:
- Varausten tyypit ja ominaisuudet: Perusperiaate, jonka mukaan on olemassa positiivisia ja negatiivisia varauksia, ja että eri varaukset vetävät toisiaan puoleensa, kun taas samanlaiset varaukset hylkivät toisiaan.
- Sähköstaattinen voima (Coulombin voima): Varauksien välillä vaikuttava voima.
- Johteet ja eristeet: Johteiden (metallitölkit ja paino), joissa varaukset voivat liikkua vapaasti, ja eristeiden (heilurin lanka), joissa ne liikkuvat huonosti, roolit.
- Dielektrinen polarisaatio: Ilmiö, jossa varautunut esine aiheuttaa varauksen epätasaisen jakautumisen (polarisaation) vielä varautumattomassa johteessa (tai eristeessä).
- Maadoituksen (maan potentiaaliin kytkemisen) rooli: Mekanismi, jolla ylimääräinen varaus päästetään maahan, jolloin esine palautuu neutraaliksi tai turvallisuus varmistetaan. Esimerkiksi pesukoneissa ja mikroaaltouuneissa oleva vihreä johto on juuri sama maadoitus. Sähkövuodon sattuessa se ohjaa sähkön turvallisesti maahan ja estää meitä saamasta sähköiskua. Tämä pieni koe liittyy siis suureen mekanismiin, joka suojelee turvallisuuttamme!
Tämä staattisen sähkön kellokoe on loistava tilaisuus ymmärtää syvällisesti sähkön peruslait ja periaatteet pelkän näkyvän ilmiön sijaan. Tässä on toinen selitys kellokokeesta, jossa käytettiin Van de Graaffin generaattoria:
Yhteydenotto ja pyynnöt
Tehdään tieteen ihmeistä ja hauskuudesta helpommin lähestyttävää! Olen koonnut selkeästi kotona tehtäviä hauskoja tiedekokeita ja niiden vinkkejä. Selaa vapaasti muita artikkeleita! ・Tietoa ylläpitäjästä, Ken Kuwakosta, löydät täältä ・Erilaiset pyynnöt (kirjoittaminen, luennot, kokeilupajat, TV-ohjaus, esiintymiset jne.) täältä ・Artikkelipäivitykset julkaistaan X:ssä!
Kokeiluvideoita julkaistaan kanavalla Tieteen temput -kanava!
