Paljastamme “Sähk!”-ilmiön salaisuuden – 150 000 voltin Van de Graaff -generaattorin hämmästyttävä totuus!
Olen Ken Kuwako, tiedekouluttaja. Joka päivä on koe.
Talvella, kun kosket ovenkahvaan, tunnet sen tutun ”tärähdyksen” ja sen kirpaisee, tai kuulet ne rätisevät äänet, kun riisut villapaidan. Kaikki tämä on aineen kykyä varastoida sähköä – staattisen sähkön temppuja. Tänään esittelen hieman salaperäisen, mutta äärimmäisen hauskan tiedelaitteen, jonka avulla voimme tarkoituksella luoda tätä sähköä ja jopa hallita sitä (ehkä?).
”Tärähdyksen” hallintaa? Mystinen pallo: Van de Graaff
Laitteen nimi on ”Van de Graaff”. Etkö ole nähnyt tiedelaboratoriossa tai museossa, kuinka ihmisen hiukset nousevat pystyyn heidän koskettaessaan hopeista palloa? Juuri se! Tämä hieman hankala nimi juontaa juurensa itse keksijältä, tohtori Robert Jemison Van de Graaffilta.
Mielenkiintoista on, että tätä ei alun perin rakennettu tiedetuntien leluksi. Tohtori kehitti tämän korkeajännitelaitteen osana ”hiukkaskiihdytintä”, jolla hiukkasia isketään atomiytimiin suurella nopeudella. Toisin sanoen, se oli alun perin huipputason tutkimusväline atomimaailman tutkimiseen! (Jos olet kiinnostunut, etsi ” Van de Graaffin kiihdytin”, niin näet kuinka mahtavasta laitteesta on kyse!)
(Muuten, Edo-kauden staattisen sähkön generaattorin ”Erekiterun” mekanismi on koottu tähän.)
150 000 voltin maailma!
Minulla on henkilökohtaisesti Narikan valmistama Van de Graaff. Se pystyy tuottamaan jopa 150 000 voltin jännitteen! (Ostin sen salaa perheeltäni, mutta tämän kokoinen laite… se paljastui heti).
Kuullessasi 150 000 volttia, saatat ajatella: ”Vaarallista sähköiskun sattuessa!” Mutta vaikka staattisen sähkön jännite (voltit) on korkea, virtaava sähkömäärä (ampeerit) on äärimmäisen pieni, joten vaikka se tuntuu tärähdyksenä, suurta vaaraa ei ole. (Tietenkin heikkohermoisten tai sydämentahdistinta käyttävien on oltava varovaisia!) Yleensä staattisen sähkön kokeet onnistuvat huonosti muulloin kuin talvisina, kuivina päivinä, mutta tämä laite on niin tehokas, että kokeita voi tehdä rätisten ja paukkuen jopa kosteana päivänä.
Van de Graaffia käyttämällä voit tehdä kokeita, joissa hiukset nousevat pystyyn tai kerätty sähkö purkautuu. Esimerkiksi, kun kosket Van de Graaffiin kädelläsi, sähkö varastoituu kehoosi, ja se purkautuu sormenpäästäsi ”napsahduksena”. Hyödyntämällä tätä mekanismia, voit tehdä monia hauskoja staattisen sähkön kokeita!
Yllättävän yksinkertainen? Van de Graaffin ”sisus”
Van de Graaff näyttää hieman ”hullun tieteilijän” laitteelta, mutta mitä sen sisällä on? Itse asiassa tämän pallon voi avata. Kurkataan sisään…
Yllätyitkö? Kyllä, sisällä on vain kuljetushihnan kaltainen mekanismi. Jos tarkistan omistamani Narikan Van de Graaffin tekniset tiedot heidän verkkosivuiltaan…
Korkeajännite-staattinen sähkö tuotetaan johtamalla kumitelan avulla syntynyt staattinen sähkö kupuun (keräyspallo), missä se varastoidaan.
● Syntyvä jännite: enintään noin 150 000 V ● Purkausetäisyys (noin): enintään 110 mm (kosteus 40 %), vähintään 60 mm sadekaudella (mitattu arvo) ● Keräyspallo: φ noin 215 mm ● Purkauspallo: φ noin 115 mm ● Virtalähde: AC100V 50/60Hz ● Koko: noin 270×210×620 mm (keräyspallo), noin 150×130×490 mm (purkauspallo) ● Paino: noin 5,6 kg
Van de Graaffin sydän! Sähkön ”kuljetuksen” hämmästyttävä mekanismi
Van de Graaffin periaate on lyhyesti sanottuna: ”Luodaan sähköä kitkan avulla ja varastoidaan se palloon hihnan avulla”. Kun Van de Graaffin pallo avataan, sisällä näkyy kumilenkki ja kaksi rullaa, yksi ylhäällä ja yksi alhaalla. Itse asiassa juuri se, että näiden kahden rullan ”materiaali” on erilainen, on Van de Graaffin suurin salaisuus. Katsotaanpa, miten sähkö varastoituu siitä hetkestä lähtien, kun virta kytketään päälle, kuljetushihnan liikkeen mukana.
① [Alaosa] Hankaa ja ”luo” sähköä (miinuksen synty)
Kun kuljetushihna alkaa liikkua, kumilenkki hankaa voimakkaasti alatelan A (akryylihartsista valmistettu) kanssa. Aineilla on järjestys sen suhteen, onko niillä taipumus muuttua hankaamalla ”positiivisiksi” vai ”negatiivisiksi”. Tätä kutsutaan ”sähköistymisjärjestykseksi”.
Kumin ja akryylihartsin tapauksessa akryylihartsilla on taipumus muuttua positiiviseksi, ja kumilla negatiiviseksi. Toisin sanoen negatiivinen sähkö (elektronit) siirtyy akryylihartsista kumilenkkiin. Tämän seurauksena kumilenkki varautuu negatiivisesti (–).
② [Nousu] Kuljeta ja ”varastoi” sähköä (palloon)
Negatiivisella (–) sähköllä lastattu kumilenkki nousee nopeasti kuin kuljetushihna. Se saapuu yläpään pallon sisällä olevaan metalliseen ”keräyslevyyn”. Tällöin hihnan tuoma negatiivinen sähkö (elektronit) siirtyy metalliseen keräyslevyyn purkautumalla rätisten. Koska elektronit voivat liikkua vapaasti metallin sisällä, ne leviävät hetkessä koko palloon ja varastoituvat sinne.
③ [Yläosa] Hankaa ja ”nollaa” sähkö (plussan synty)
No niin, sähkön siirrettyään ”tyhjäksi” tullut kumilenkki kääntyy ja laskeutuu alas. Tällöin se hankaa ylätelaa B (valmistettu PVC-hartsista) vasten. Tässä ”sähköistymisjärjestys” astuu jälleen kuvaan! Uusi kumppani on PVC-hartsi. PVC-hartsilla on kumia ”vieläkin suurempi taipumus tulla negatiiviseksi”. Silloin, toisin kuin aiemmin, negatiivinen sähkö (elektronit) varastetaan kumilenkiltä PVC-hartsiin. Elektronit menettänyt kumilenkki varautuu suhteellisesti positiivisesti (+).
④ [Lasku] Kuljetaan myös vastakkainen sähkö (tukijalkaan)
Positiivisesti (+) varautunut kumilenkki laskeutuu suoraan alaosaan. Saavuttuaan ala-alueella olevaan toiseen keräyslevyyn, se siirtää positiivisen sähkön sinne. Tämä positiivinen sähkö varastoituu Van de Graaffin ”tukijalkaan” (jalustaosa).
⑤ [Toistuva sykli] Ja kohti korkeaa jännitettä…
Lenkki koskettaa suoraan alarullaa A (akryylihartsi) ja palaa takaisin vaiheeseen ①, jossa se ”kerää miinuksen (–)”. Tämä sykli: ”① Kuljeta miinus → ② Varastoi palloon → ③ Kuljeta plussa → ④ Varastoi tukijalkaan” toistuu moottorin avulla suurella nopeudella.
Tämän seurauksena yläpään palloon varastoituu yhä enemmän negatiivista (–) sähköä, ja alapään tukijalkaan yhä enemmän positiivista (+) sähköä. Kun negatiivinen ja positiivinen sähkö kerääntyvät suuria määriä eri paikkoihin, niiden välille syntyy voimakas ”halu käyttää sähköä” (jännite), joka johtaa jopa 150 000 voltin korkeaan jännitteeseen.
Staattisella sähköllä voidaan luoda näin voimakasta energiaa yhdistämällä pelkän hankaamisen lisäksi ”materiaalin valinta” ja ”kuljetusmekanismi”. Todellista tieteellistä oivallusta!
Tämä on usein väärinymmärretty: elektronit eivät virtaa pistorasiasta sisään. Mekanismi on yllättävän yksinkertainen. Pistorasian virtaa käytetään vain moottorin pyörittämiseen, ja sähkö itsessään syntyy ”kitkasta”.
Tarkempi mekanismi on kuvattu täällä.
Koe! Onko palloon varastoitunut sähkö + vai –?
Emme voi tietää varmasti ennen kuin kokeilemme! Siksi tutkimme, onko tämän staattisen sähkön generaattorin yläpallo varautunut positiivisesti vai negatiivisesti.
https://youtu.be/1u3j8XRYNrg
Käytämme ”ilmapalloa”. 
Hankaamalla ilmapalloa esimerkiksi silkkipaperilla, ilmapallo varautuu negatiivisesti.
Aineilla on sähkön ”+” ja ”–” varauksia, ja kun eri materiaaleja hierotaan yhteen, negatiivinen sähkö (elektronit) pyrkii siirtymään. Ilmapallon ja silkkipaperin tapauksessa elektronit siirtyvät silkkipaperista palloon, jolloin pallo varautuu negatiivisesti.
Tuodaan tämä negatiivinen ilmapallo nyt lähelle Van de Graaffia, kun virta on kytketty päälle. Käytän Narikan Van de Graaffia. Kun virta on päällä ja pallo on lähellä…
Kun käteni irrotin, pallo hylki sitä.
Ilmapallo hylki palloa hienosti! Muista fysiikan perussääntö: ”Samantyyppiset sähkövaraukset (– ja – tai + ja +) hylkivät toisiaan, ja erityyppiset sähkövaraukset (+ ja –) vetävät toisiaan puoleensa”. Koska negatiivinen ilmapallo hylki palloa, tiedämme, että myös tässä Van de Graaffin pallossa on varastoitunut negatiivista sähköä!
[Sovellus] Sähkö ”karkaa”? Sähköisen induktion ihme
Tässä tulee se hauska osuus: kytke Van de Graaffin virta pois päältä ja kosketa palloa kädellä kerran sähkön poistamiseksi (purkaminen). Nyt pallon pitäisi olla ”neutraali” tila, ei positiivinen eikä negatiivinen (tyhjä sähköstä). Entä jos tuomme aiemmin käytetyn negatiivisen ilmapallon lähelle tätä ”tyhjää” palloa?
Hui! Ilmapallo tarttui palloon kevyesti! Hassua, eikö? Vaikka pallon pitäisi olla tyhjä, miksi se vetää puoleensa negatiivista ilmapalloa (eli osoittaa positiivisia ominaisuuksia)? Tämä on yksi staattisen sähkön mielenkiintoisimmista ilmiöistä, jota kutsutaan ”sähköiseksi induktioksi”.
Pallo on valmistettu ”metallista”. Metallissa on paljon vapaita negatiivisia sähkövarauksia (vapaat elektronit), jotka voivat liikkua vapaasti. Kun negatiivinen ilmapallo tuodaan lähelle… Metallin vapaat elektronit reagoivat: ”Vau! Miinus on tulossa!” ja pakenevat ilmapallosta kauimpana olevalle puolelle (tässä kuvassa se puoli, johon käteni koskettaa).
Negatiivinen varaus siirtyi pallon vastakkaiselle puolelle (elektronit saattavat olla paenneet minun kehoani pitkin)
Tämän seurauksena ilmapalloa lähellä oleva puoli muuttuu ”positiiviseksi”, koska elektronit ovat paenneet sieltä. Siksi se vetää puoleensa negatiivista ilmapalloa. Tämä on sama periaate kuin se, että hiukset, joita on hangattu viivaimella, tarttuvat seinään, vaikka seinän ei pitäisi olla sähköisesti varautunut.
Staattinen sähkö on ”miksi?” -kysymysten aarrearkku
Pieni asia, mutta ilmapallon liike muuttuu ”hylkimisestä” ”puoleensavetämiseen” riippuen siitä, onko virta kytketty PÄÄLLE vai POIS PÄÄLTÄ. Tällainen arkielämän ilmiöiden miettiminen – miksi näin tapahtui? – on staattisen sähkön kokeiden syvyys ja itse tieteen hauskuus.
Kun tunnet ”tärähdyksen” talvella, se on todiste siitä, että elektronit (negatiivinen sähkö) ovat hypänneet sinusta johonkin tai jotain on hypännyt sinuun. Voi olla hauskaa ajatella: ”Ahaa, nyt elektroni siirtyi”, kun se tapahtuu.
Tällaisia hauskoja kokeita voit tehdä staattisen sähkön generaattorilla (Van de Graaff)!
Olen julkaissut myös hauskoja Van de Graaffilla tehtyjä kokeita. Nämä sisältävät kokeita, joita tein TV-ohjelmassa muun muassa Suzu Hirosen, Ryohei Suzukin, Yasuko-sanin sekä Chocolate Planetsin Osadan ja Matsuon kanssa. Katso lisätietoja täältä.
※ Huomioithan, että staattisen sähkön generaattorilla (Van de Graaff) tehtävät kokeet on ehdottomasti tehtävä asiantuntijan valvonnassa. Kokeile varoen. Jos sinulla on staattiseen sähköön liittyviä pyyntöjä (tiedetunteja, TV-konsultointia/esiintymisiä tms.), ota yhteyttä tästä.
【Erikoisartikkeli】Et voi lopettaa! Staattisen sähkön kokeet
Tiedustelut ja pyynnöt
Tuo tieteen ihmeet ja hauskuus lähemmäksi! Olen koonnut selityksiä hauskoista tiedekokeista, joita voit tehdä kotona, sekä vinkkejä niiden tekemiseen. Etsi lisää tietoa! ・Science Notebook -sisältö on julkaistu kirjana. Lisätietoja täältä ・Tietoja ylläpitäjä Ken Kuwakosta täältä ・Monenlaiset pyynnöt (kirjoittaminen, luennot, tiedetunnit, TV-konsultointi/esiintyminen jne.) täältä ・Artikkelipäivitykset X:ssä!
Kokeiluvideoita julkaistaan kanavalla Kagaku no Netacho Channel!
