© Helsingin yliopiston opettajankoulutuslaitos

Kirjasto1 SÄHKÖVARAUSTA SYNTYY HANKAAMALLA

Sähkövaraus synnyttää sähköisen vuorovaikutuksen

Kun Nano ottaa kuivalla ilmalla pipon päästä, hiukset hankautuvat villaiseen pipoon ja tulevat sähköisiksi. Hiusten sähköistyminen havaitaan siitä, että hiukset ovat ”pörröllään” koska hiukset hylkivät toisiaan. Samalla tavalla keinokuituvaatteet ja piirtoheitinkalvo tulevat sähköisiksi, kun niitä hangataan.

Nano ja Piko päättävät tutkia piirtoheitinkalvojen sähköistymistä. Nano ottaa käteensä kaksi piirtoheitinkalvoa pöydältä. Kun hän vie ne lähekkäin, ne eivät vedä toisiaan puoleensa eivätkä hylji toisiaan eli niiden välillä ei havaita vuorovaikutusta. Piko hankaa molempia kalvoja villakankaalla. Kun Nano ottaa hangatut kalvot käteensä ja vie ne lähekkäin, ne hylkivät toisiaan. Kun Piko vie villakankaalla hangatun piirtoheitinkalvon villakankaan lähelle, ne vetävät toisiaan puoleensa. Kokeessa havaitaan, että hangatut piirtoheitinkalvot hylkivät toisiaan ja hankaamiseen käytetty kangas vetää kalvoa puoleensa. Hankaus synnyttää kalvoille ominaisuuden, joka aiheuttaa kalvojen välille selvästi havaittavan vuorovaikutuksen.

Nanon kädessä olevat hankaamattomat piirtoheitinkalvot eivät vaikuta toisiinsa. Kun piirtoheitinkalvoja on hangattu villakankaalla, ne hylkivät toisiaan. Pikon kädessä oleva hankaamisessa käytetty villakangas ja sillä hangattu piirtoheitinkalvo vetävät toisiaan puoleensa.

Sähköinen vuorovaikutus ilmenee hangattujen kappaleiden välisinä veto- tai poistovoimana.

Kappaleen hankauksessa saamaa ominaisuutta, joka synnyttää kappaleiden välille vuorovaikutuksen, kutsutaan sähkövaraukseksi. Sähkövaraus on kappaleen ominaisuus samalla tavalla kuin kappaleen massa tai lämpötila. Mitä suurempi on kappaleen massa sitä suuremmalla voimalla Maa vetää sitä puoleensa. Samalla tavalla, jos kappaleen sähkövaraus on suuri, voi kappaleen synnyttämä sähköinen vuorovaikutus olla voimakas.

Edellisessä kokeessa havaittiin, että hangatut kappaleet voivat hylkiä toisiaan tai vetää toisiaan puoleensa. Tämä ilmiö selitetään siten, että sähkövarauksia on kahdenlaisia. Toista lajia on alettu kutsua positiiviseksi ja toista negatiiviseksi sähkövaraukseksi. Kokeen perusteella ei voi päätellä, kummasta kappaleesta tulee positiivisesti varautunut ja kummasta negatiivisesti varautunut. Koe osittaa vain sen, että varauksia on kahdenlaisia.

Sähköisen vuorovaikutuksen aiheuttaa sähkövaraus. Sähkövaraus on joko positiivinen tai negatiivinen.

Piirtoheitinkalvo saa hankaamisessa negatiivisen sähkövarauksen ja hankaamiseen käytetty villakangas positiivisen sähkövarauksen. Samanmerkkisen sähkövarauksen saaneet kappaleet hylkivät toisiaan ja erimerkkisen varauksen saaneet vetävät tosiaan puoleensa.

 

Kappaleen sähkövarausta merkitään plus- ja miinusmerkeillä. Erimerkkisesti varautuneet kappaleet vetävät toisiaan puoleensa ja samanmerkkisesti varautuneet kappaleet hylkivät toisiaan.

 

 

Yksinkertainen malli kappaleen varautumisesta

Kaikki mallit, yksinkertaisetkin, ovat vain malleja luonnon ilmiöille. Erityisesti atomitason mallit ovat hankalia, koska atomeja ei voi nähdä. Sen tähden on tarkkaan harkittava, kannattaako peruskoulussa tukeutua lainkaan atomitason malleihin ilmiöitä selitettäessä.

 

 

 

Yksinkertainen atomin malli

 

 

Kappaleet rakentuvat atomeista. Atomin rakenneosat, protonit ja neutronit, sijaitsevat atomiytimessä ja elektronit ytimen ympärillä olevassa elektroniverhossa. Pienintä tunnettua sähkövarausta kutsutaan alkeisvaraukseksi. Elektronin e- varaus on negatiivinen ja yhden alkeisvarauksen suuruinen. Protonin p+ varaus on yhtä suuri, mutta positiivinen. Atomin kokonaisvaraus on nolla, koska siinä on yhtä monta protonia kuin elektronia. Atomia on sähköisesti neutraali.

Neutraalin kappaleen muuttumista sähköiseksi eli kappaleen varautuminen selitetään siirtyvien pienten ”hiukkasten” avulla, joilla on sähkövaraus. Siirtyvissä ”hiukkasessa” voi esimerkiksi olla ylimäärin elektroneja protoneihin verrattuna.

Kappaleen varautumisen selittävän yksinkertaisen mallin mukaan kappaleen varautuessa siirtyy kappaleesta toiseen sähkövarauksia.

Piirtoheitinkalvosta tulee negatiivisesti varautunut, kun sitä hangataan villakankaalla. Negatiivisia sähkövarauksia siirtyy villakankaasta piirtoheitinkalvoon.

Polarisaatio

Kampa varautuu negatiivisesti, kun Nano kampaa sillä hiuksia. Nanon hiukset saavat puolestaan positiivisen varauksen ja hylkivät toisiaan. Hiukset tulevat sähköisiksi.

Nano kampaa hiuksiaan ja koskettaa kammalla pieniä paperipaloja. Paperipalat tarttuvat kampaan, vaikka niitä ei ole varattu hankaamalla. Negatiivisesti varautunut kampa karkottaa paperipalan elektroneja, jolloin paperipalan kamman puoleinen pää varautuu positiivisesti ja kammasta kaukana oleva pää negatiivisesti, koska erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Sanotaan, että paperipala on polarisoitunut.

Varattu kappale voi olla sähköisessä vuorovaikutuksessa myös alunperin neutraalin kappaleen kanssa Tällöin neutraali kappale polarisoituu.

Negatiivisesti varattu kampa vetää paperipalan positiivista päätä puoleensa. Negatiivisesti varattu kampa hylkii paperipalassa olevia elektroneja ja aikaansaa paperin polarisoitumisen.

Ilmapallo varautuu sähköisesti, kun sitä hankaa hiuksiin. Varautunut pallo tarttuu seinään, koska seinä polaroituu ja vetää palloa puoleensa.

Salaman synty

Ukkossäällä pilvissä olevat hiukkaset varautuvat hankautuessaan toisiaan vasten. Positiiviset varaukset voivat kerääntyä pilven yläosaan ja negatiiviset alaosaan. Käytännössä varaukset saattavat jakautua hyvinkin monimutkaisella tavalla pilvessä.

Pilven alaosassa oleva negatiivinen varaus karkottaa maanpinnalta elektroneja, jolloin maahan syntyy positiivinen varaus. Kun varaukset ovat riittävän suuret, ne purkautuvat salamana. Salama kestää lyhyen ajan, mutta purkauksessa vapautuu huomattavasti energiaa. Tämä purkausenergia voi sytyttää esimerkiksi tulipalon. Jos salaman energian pystyisi varastoimaan, se riittäisi 100 watin hehkulampun energiaksi yhdeksi kuukaudeksi. Korkeissa rakennuksissa on metallista valmistettuja ukkosenjohdattimia, jotka johtavat sähköpurkauksen maahan vaurioita aiheuttamatta.

Korkeisiin rakennuksiin asennetaan ukkosenjohdattimet. "Johdatin" on metallijohdin, jonka toinen pää on rakennuksen korkeimmassa kohdassa ja toinen pää maassa. Kun salama iskee rakennuksen korkeimpaan kohtaa, johtaa "johdatin" salaman, sähkövirran, maahan. Sähkövirta kulkee aina helpointa reittiä, tässä tapauksessa pitkin "johdatinta".

Pieniä salamoita, kipinöintiä, voi nähdä, kun riisuu pimeässä huoneessa keinokuituisen villapuseron. Näiden pienten kipinöiden alkuperä on luonteeltaan samanlainen salaman kanssa.

Sähkövarauksen historiaa

Antiikin kreikkalaiset havaitsivat vuoden 600 eKr. vaiheilla, että hangattu meripihkakappale veti puoleensa keveitä esineitä. Meripihka on kreikan kielellä elektron. Tästä elektroni on saanut nimensä.

Sähkön järjestelmällinen tutkiminen alkoi hankaussähkön tutkimuksesta. Saksalainen Magdeburgin pormestari Otto von Guericke rakensi v. 1672 ensimmäisen hankaussähkökoneen. Hänen koneensa muodostui käden kokoisesta rikkipallosta, jota pyöritettiin ja hangattiin käsin. Von Guericke havaitsi, että luonnossa esiintyy sekä veto- että poistovoimia, joita hän sai aikaan hankaamalla. Hän piti näin aikaansaatuja voimia maan vetovoimaa vastaavana. Von Guericken sai tekemissään kokeissa niin voimakkaita sähköiskuja, ettei hän suostunut toistamaan kokeitaan. Raportoidessaan kokeistaan tiedeakatemialle hän ilmoitti, ettei edes maan kunnia saa häntä toistamaan kokeitaan. Vasta 1700-luvun lopulla ymmärrettiin näiden voimien sähköinen luonne.

Tutkimuksia

Käytettävissäsi on piirtoheitinkalvoja, villakangasta, pingispallo ja alumiinifoliota. Varo hankaamasta kalvoja ennen koetta.

Kappaleen varaaminen

Hankaa kahta piirtoheitinkalvoa villakankaalla.

Piirtoheitinkalvojen välisen vuorovaikutuksen tutkiminen

–  Miten ne vaikuttavat toisiinsa?
–  Miten hankaamiseen käytetty villakangas vaikuttaa piirtoheitinkalvoon?
–  Miten piirtoheitinkalvo vaikuttaa hiuksiin?

Varatun kappaleen vaikutus varaamattomaan kappaleeseen

Hankaa piirtoheitinkalvo villakankaalla. Aseta hangatulle kalvolle pingispallo, joka on päällystetty alumiinifoliolla.

–  Pohdi selitystä havainnoillesi.

Kampaa hiuksiasi muovikammalla. Vie kampa hanasta hiljaa valuvan ohuen vesinoron lähelle.

–  Mitä vesinorolle tapahtuu? Miksi?

Tehtäviä

1.Kun hiuksia harjataan, harja saa negatiivisen varauksen. Minkä merkkisen varauksen hiukset saavat? Miksi?

2.Missä jokapäiväisissä tilanteissa voi esiintyä hankaussähköä?.

3.Sanotaan, että kokolattiamatto tulee helposti sähköiseksi. Mitä tällä tarkoitetaan? Miksi kokolattiamatolla kävelyn jälkeen saa helposti sähköiskuja?

4.Miten salama syntyy? Kuinka salamalta voidaan suojautua? Miten taloja suojellaan salamalta?

5.Valmista kuvan ohjeen mukainen varausilmaisin maitopurkista. Tutki, mihin kohtaan hangattu kappale kannattaa laittaa, jotta varausilmaisin toimisi. Tutki, miten hankaamisen määrä vaikuttaa ilmaisimen toimintaan.

Demonstraatioita

1. Piirtoheitinkalvojen veto- ja poistovoimat

Demonstraatiossa havainnollistetaan piirtoheitinkalvojen varautumista. Kalvo saa hankauksessa sähkövarauksen. Sähkövarauksia havaitaan olevan kahdenlaisia. Varaukset voivat joko hylkiä tai vetää toisiaan puoleensa. Katso tarkemmin ilmiön selitys edellä olevasta tekstistä.

Koe onnistuu parhaiten uusilla kalvoilla. Vanhat kalvot saattavat olla varautuneita jo entuudestaan ja aiheuttaa ei-toivottuja tapahtumia. Koe onnistuu paremmin kuivalla kuin kostealla säällä. Paras sää kokeiden onnistumiseen on kuiva pakkasilma.

1. Kaksi hankaamatonta piirtoheitinkalvoa eivät ole keskenään vuorovaikutuksessa. Ne eivät vedä toisiaan puoleensa eivätkä hylji.

2. Hankaa piirtoheitinkalvoa villakankaan palalla.

3. Hankaa myös toista kalvoa villakankaan palalla.

4. Vie hangatut kalvot lähekkäin. Havaitaan, että kalvot hylkivät toisiaan. Kalvot saivat hankaamisessa ominaisuuden, joka synnyttää kalvojen välille poistovoiman (vuorovaikutuksen). Tätä kappaleen hankaamisessa saamaa ominaisuutta kutsutaan sähkövaraukseksi.

5. Vie hankaamisessa käytetty villakangas piirtoheitinkalvon lähelle. Havaitaan, että kangas vetää kalvoa puoleensa. Ilmeisesti villakangaskin sai hankaamisessa samantapaisen ominaisuuden, kuin piirtoheitinkalvo. Kappaleet voivat siis saada hankaamisessa sellaisen ominaisuuden (varauksen), että tämä ominaisuus voi synnyttää joko veto- tai poistovoiman kappaleiden välille. Havaittua kappaleen ominaisuutta on siis kahta lajia. Näitä kahta kappaleen samaa hankaamisessa saamaa ominaisuutta on alettu kutsua positiiviseksi ja negatiiviseksi sähkövaraukseksi.

Edellä tehdyt kokeet tulkitaan siten, että kappale voi saada hangattaessa joko positiivisen tai negatiivisen sähkövarauksen. Kun kahdella kappaleella on sama sähkövaraus, ne hylkivät tosiaan. Kun sähkövaraus on erilainen, kappaleet vetävät toisiaan puoleensa. Katko tarkemmin ilmiön selitys linkistä.

2. Hangattu kampa vetää keveitä esineitä puoleensa

Demonstraatiossa havainnollistetaan kappaleen polarisoitumista. Varattu kappale vetää toisia kappaleita puoleensa, koska kappaleet polarisoituvat, jos lähellä on varattu kappale. Katso tarkemmin ilmiön selitys edellä olevasta tekstistä.

1. Hankaa kampaa villakankaan palalla tai kampaa hiuksiasi.

2. Vie kampa lähelle paperisilppua. Havaitaan, että paperisilppu tarttuu kampaan, vaikka silppua ei ole hangattu.

3. Vie hankaamisessa käytetty villakangas paperisilpun lähelle. Havaitaan, että sekin vetää paperisilppua puoleensa.

Demonstraatio havainnollistaa kappaleen polarisoitumista. Varattu kampa tai villakangas vetävät paperisilppua puoleensa, koska paperisilppu polarisoituu, kun lähellä on varattu kappale. Katso tarkemmin ilmiön selitys edellä olevasta tekstistä.

3. Elektroskooppi

Elektroskoopi on laite, jolla voidaan todeta, että kappaleella on sähkövaraus. Elektroskooppi on eristetty metallikappale, jonka toinen pää jakautuu kiinteäksi sauvaksi ja osoittimeksi, joka voi kiertyä. Elektroskooppi varautuu, kun sen kohtiota kosketetaan varatulla kappaleella. Elektroskoopin runko ja osoitin varautuvat samanmerkkisiksi ja karkottavat siten toisiaan. Elektroskooppiin siirtynyt varaus on sitä suurempi, mitä suurempaan kulmaan osoitin kääntyy. Kun elektroskooppiin tuodaan lisää varausta, kulma suurenee. Elektroskooppiin voidaan tuoda peräkkäin vastakkaismerkkisiä varauksia, jolloin todetaan, että ne kumoavat toisensa. Varaamisen jälkeen kulma alkaa hitaasti pienentyä varauksen purkautuessa ympäristöön.

1. Aseta elektroskooppi eristelevylle (esim. oppikirja) pöydälle. Kosketa elekstroskoopin kohtiota varaamattomalla lasisauvalla (sauvaa ei ole hangattu).

2. Hankaa lasisauvaa villakankaalla.

3. Kosketa elektroskoopin kohtiota varatulla lasisauvalla. Havaitaan, että elektroskoopin osoitin kiertyy. Varatusta kappaleesta siirtyy varauksia elektroskooppiin.

4. Hankaa sauvaa uudestaan.

5. Kosketa elektroskoopin kohtiota varatulla lasisauvalla. Havaitaan, että elektroskoopin osoitin kiertyy lisää. Varatusta kappaleesta siirtyy lisää varauksia elektroskooppiin.

6. Kosketa elektroskoopin kohtiota metalliesineellä. Havaitaan, että elektroskoopin osoitin palaa alkutilanteeseen. Varaus purkautuu johdekappaletta pitkin käden kautta ympäristöön. Jos elektroskoopin kohtiota kosketetaan eristekappaleella, esimerkiksi lasisauvalla, ositin ei kierry eli elektroskooppi ei purkaudu. Ilmiö selitetään siten, että varaukset voivat liikkua vain johdekappaleissa - eristeissä varaukset eivät pääse liikkumaan.

7. Kun varaukset ovat purkautuneet elektroskoopista, osoitin on pystyasennossa.

4. Nauhageneraattori

Myös samassa kappaleessa samanmerkkiset varaukset karkottavat toisiaan. Siksi johteessa varaus asettuu ulkopinnalle, keräytyy erityisesti ulkoneviin kärkiin ja pyrkii purkautumaan niistä. Onttoon johdekappaleeseen voidaan tuoda jatkuvasti lisää varausta sisäpinnan kautta. Tähän perustuu nauhageneraattorin toiminta: nauha vie isoon kupuun sisäpuolelle jatkuvasti lisää sähkövarausta.

1. Kun varausta (sähkövarauksia) on siirtynyt isoon kupuun riittävästi, syntyy ison kuvun ja pallon välille kipinäpurkaus, pieni salama (katso salaman synty). Iso kupu vastaa ukkospilveä ja pieni pallo maan pintaa.

2. Sähköistä hylkimisvoimaa voidaan demonstroida nauhageneraattorin kupuun kiinnitetyllä kulhollisella eristepalloja tai viuhkalla. Pallot varautuvat samanmerkkisesti ja hylkivät toisiaan. Ne alkavat pomppia.