Zbuduj miniaturowy przyrząd pomiarowy, jakiego meteorolodzy używają do przewidywania burz, i sprawdź nim, czy w pobliżu znajduje się naładowany elektrostatycznie przedmiot — bez dotykania go. Wystarczy słomka, kawałek folii aluminiowej i igła, żeby uzyskać obracający się wskaźnik, który reaguje na obecność ładunku dokładnie tak, jak igła kompasu reaguje na pole magnetyczne.

Co nam będzie potrzebne?

  • prosta plastikowa słomka do napojów (najlepiej sztywna, ok. 15–20 cm)
  • folia aluminiowa
  • cienka igła do szycia lub ostro zatemperowany ołówek
  • szklanka lub mały słoik jako podstawka
  • kawałek plasteliny lub gumki do mocowania igły
  • nożyczki i taśma klejąca
  • plastikowy grzebień lub balon lateksowy jako źródło ładunku
  • wełniany sweter, szalik albo suche włosy do potarcia grzebienia/balonu

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotowanie skrzydełek z folii. Wytnij dwa małe, jednakowe prostokąty folii aluminiowej, mniej więcej 2 × 3 cm każdy, i owiń nimi oba końce słomki jak małe flagi, dociskając folię tak, żeby ściśle trzymała się plastiku. Ważne, żeby oba końce były jak najbardziej symetryczne pod względem wagi i wielkości folii — od tego zależy, czy słomka będzie się swobodnie obracać w poziomie, nie przechylając się na jedną stronę.

Krok 2: Budowa pivotu. Wbij igłę pionowo w kulkę plasteliny umieszczoną na dnie szklanki, ostrzem do góry, tak żeby sterczała nad krawędzią naczynia. To ten sam trik balansowania na możliwie najmniejszym punkcie podparcia, który wykorzystuje się przy budowie kompasu z igły — chodzi o to, żeby tarcie było jak najmniejsze.

Krok 3: Osadzenie słomki na igle. Znajdź dokładny środek ciężkości słomki i w tym miejscu zrób od spodu małe wgłębienie czubkiem nożyczek lub przekłuj delikatnie plastik. Nałóż słomkę na czubek igły tak, żeby balansowała poziomo i mogła swobodnie się obracać przy najlżejszym dotknięciu. Poświęć chwilę na dokładne wyważenie — nawet niewielka asymetria sprawi, że słomka sama będzie dryfować w jedną stronę, zanim jeszcze zbliżysz do niej cokolwiek naładowanego.

Krok 4: Ładowanie źródła pola. Potrzyj energicznie plastikowy grzebień lub nadmuchany balon o wełniany sweter albo suche włosy przez 20–30 sekund, dokładnie tak jak przy klasycznym elektryzowaniu balonem . Naładowany w ten sposób przedmiot wytwarza wokół siebie pole elektryczne, które twój detektor za chwilę wykryje.

Krok 5: Test detekcji. Powoli zbliżaj naładowany grzebień lub balon do jednego końca słomki, nie dotykając folii — zatrzymaj się kilka centymetrów przed nią. Słomka zacznie się obracać, kierując oklejony folią koniec w stronę naładowanego przedmiotu, mimo że nie doszło do żadnego kontaktu. Odsuń grzebień, a słomka powinna się uspokoić; zbliż go z drugiej strony, a wskaże w nową stronę — twój detektor reaguje na obecność pola, niezależnie od tego, gdzie akurat znajduje się źródło ładunku.

Wyjaśnienie naukowe

Twój detektor nie wykrywa ładunku przez bezpośredni kontakt, tylko przez zjawisko polaryzacji elektrycznej. Aluminium jest przewodnikiem, więc swobodne elektrony w folii mogą się w nim przemieszczać. Kiedy naładowany grzebień zbliża się do jednego końca słomki, jego pole elektryczne odpycha lub przyciąga elektrony w folii, tworząc na bliższej krawędzi ładunek przeciwny do ładunku grzebienia, a na dalszej — ładunek zgodny. Ponieważ bliższa, przeciwnie naładowana krawędź jest odpychana słabiej niż jest przyciągana (siła Coulomba maleje z kwadratem odległości), folia zawsze zostaje przyciągnięta w stronę źródła pola — niezależnie od tego, czy grzebień jest naładowany dodatnio, czy ujemnie. To dlatego detektor wykrywa samą obecność pola, a nie jego znak.

Zasada wykorzystująca skręcenie lekkiego elementu pod wpływem sił elektrycznych ma bogatą historię naukową. To właśnie na tym mechanizmie, tylko w wersji obracającej się na cienkim włóknie zamiast na igle, francuski fizyk Charles-Augustin de Coulomb zbudował w 1785 roku swoją słynną wagę skręceń (balans torsyjny). Mierząc, jak bardzo naładowana kulka na wysięgniku odchylała się pod wpływem drugiej naładowanej kulki, Coulomb wyprowadził matematyczne prawo opisujące siłę między ładunkami elektrycznymi — dziś znane jako prawo Coulomba, fundament całej elektrostatyki. Twoja słomka na igle to, w uproszczeniu, domowa wersja tego samego pomysłu: lekki element obracający się pod wpływem sił elektrycznych, którego wychylenie zdradza obecność pola.

Współczesnym potomkiem tej idei są młynki polowe (field mills), urządzenia stosowane na stacjach meteorologicznych i lotniskach do ciągłego pomiaru natężenia atmosferycznego pola elektrycznego. Przed burzą pole elektryczne w powietrzu gwałtownie rośnie, ponieważ chmury burzowe gromadzą ogromne ładunki — młynki polowe wykrywają ten wzrost na długo przed pierwszym piorunem, pozwalając służbom lotniskowym wstrzymać operacje na płycie postojowej. Ten sam mechanizm polaryzacji przewodnika w polu elektrycznym leży też u podstaw działania niektórych czujników zbliżeniowych oraz elektrometrów laboratoryjnych, które mierzą pole bez konieczności dotykania badanego obiektu — dokładnie tak, jak twój detektor ze słomki.

Warianty

Pomiar zasięgu pola. Zbliżaj naładowany grzebień do detektora z różnych odległości, notując, od jakiego dystansu słomka zaczyna reagować. Powtórz pomiar dla świeżo naładowanego grzebienia i dla takiego, który leżał nietknięty przez kilka minut — zauważysz, że zasięg wykrywalnego pola maleje wraz z rozpraszaniem się ładunku.

Detektor dwuramienny. Zamiast pojedynczej słomki użyj krzyżaka z dwóch słomek sklejonych taśmą pod kątem prostym, z folią na wszystkich czterech końcach, osadzonego na tej samej igle. Taki układ reaguje na pole z dowolnego kierunku wokół detektora, a nie tylko wzdłuż jednej osi.

Porównanie źródeł ładunku. Sprawdź detektorem różne naelektryzowane przedmioty — balon potarty o włosy, linijkę potartą o sweter, ekran telewizora zaraz po wyłączeniu. Zestawiając siłę i zasięg wychylenia słomki, zbudujesz nieformalny ranking, które źródła generują silniejsze pole, podobny do tego, jak w tańczących figurkach w polu elektrycznym porównuje się siłę różnych ładunków.

Często zadawane pytania

Dlaczego słomka odwraca się w stronę naładowanego przedmiotu, a nie od niego, skoro elektryczność kojarzy się głównie z odpychaniem? Odpychanie występuje tylko wtedy, gdy oba obiekty mają ten sam znak ładunku netto, tak jak dwa balony potarte o ten sam materiał. Tutaj folia na słomce nie jest naładowana z góry — dopiero pole grzebienia indukuje w niej lokalne rozdzielenie ładunku, a bliższa krawędź folii zawsze przyjmuje ładunek przeciwny do zbliżającego się przedmiotu. Ponieważ siły elektryczne słabną z odległością, silniejsze przyciąganie bliższej krawędzi zawsze wygrywa ze słabszym odpychaniem dalszej, więc wypadkowa siła zawsze ciągnie słomkę w stronę źródła pola.

Czy zamiast folii aluminiowej można użyć papieru albo plastiku? Papier i większość plastików to izolatory, w których elektrony nie mogą się swobodnie przemieszczać, więc efekt polaryzacji byłby dużo słabszy i trudniej zauważalny. Folia aluminiowa działa dobrze właśnie dlatego, że jest przewodnikiem — jej swobodne elektrony natychmiast reagują na najmniejszą zmianę pola w otoczeniu. Jeśli koniecznie chcesz poeksperymentować z innym materiałem, spróbuj cienkiej folii cynowej albo miedzianej taśmy, które również dobrze przewodzą prąd.

Dlaczego mój detektor reaguje bardzo słabo albo wcale? Najczęstszą przyczyną jest zbyt duże tarcie w punkcie podparcia — sprawdź, czy słomka rzeczywiście swobodnie się obraca po delikatnym trąceniu palcem, zanim zbliżysz do niej cokolwiek naładowanego. Drugą typową przyczyną jest wilgotne powietrze, które błyskawicznie rozprasza ładunki elektrostatyczne, więc eksperyment znacznie lepiej wychodzi zimą, przy suchym powietrzu z ogrzewania, niż w wilgotny letni dzień. Upewnij się też, że grzebień lub balon są naprawdę mocno naelektryzowane — im dłużej i energiczniej pocierasz je o wełnę czy włosy, tym silniejsze i łatwiej wykrywalne pole wytworzysz.