Model centrálního elektrostatického pole

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.

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).

obr. 2

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.