Το αλουμινένιο κουτάκι αναψυκτικού που κινείται με στατικό ηλεκτρισμό

Μπορεί να κινείται ένα κουτάκι αναψυκτικού χρησιμοποιώντας ένα πλαστικό καλαμάκι που τρίβουμε σε ένα χαρτομάντιλο;

Υλικά που χρειαζόμαστε

ένα πλαστικό καλαμάκι, απλό ή λίγο πιο χονδρό (γρανίτας) εναλλακτικά, ένα μπαλόνι, ένα κομμάτι πλαστικού σωλήνα (pvc) ή ένα πλαστικό χάρακα ένα αλουμινένιο κουτάκι αναψυκτικού ή μπύρας, χωρίς το περιεχόμενο (π.χ. από την ανακύκλωση) χαρτομάντιλο ή χαρτί κουζίνας εναλλακτικά, ένα μάλλινο γάντι ή τρίβουμε το καλαμάκι πάνω στα ρούχα μας τραπέζι ή θρανίο … για τη διαδρομή του αλουμινένιου κουτιού

Τι θα κάνουμε

Τοποθετούμε ένα κουτάκι αναψυκτικού πλάγια πάνω στο τραπέζι, όπως δείχνει η διπλανή φωτογραφία. Παίρνουμε ένα χονδρό καλαμάκι γρανίτας και το τρίβουμε με λίγο χαρτί κουζίνας ή πάνω στα ρούχα μας. Πλησιάζουμε το καλαμάκι παράλληλα στο αλουμινένιο κουτί αναψυκτικού και παρατηρούμε ότι το καλαμάκι το έλκει, είτε προς τα δεξιά είτε προς τα αριστερά, ανάλογα με το σε ποια μεριά το πλησιάζουμε. Μπορούμε να ελέγχουμε την κίνηση του κυλινδρικού κουτιού και να το κάνουμε να "ρολάρει" πάνω στο τραπέζι. Αν "ξεφορτίζει" το καλαμάκι μας, το ξανατρίβουμε και συνεχίζουμε το παιχνίδι. Μπορούμε ακόμα να συνεργαστούμε με ένα συμμαθητή ή μία συμμαθήτριά μας και να τραβάμε από τη μια ή από την άλλη μεριά το κυλινδρικό κουτί, χρησιμοποιώντας τα δύο καλαμάκια μας.

Ερωτήματα

• Τι συμβαίνει στο κουτί όταν φέρνουμε κοντά το φορτισμένο καλαμάκι;
• Ποια είναι η πηγή του στατικού ηλεκτρισμού στο πείραμα;
• Γιατί το κουτί κινείται χωρίς να το αγγίξουμε;
• Πώς αλλάζει η κίνηση του κουτιού αν αλλάξουμε την απόσταση μεταξύ του καλαμακιού και του κουτιού;
• Αν τρίψουμε το καλαμάκι για περισσότερη ώρα, πώς θα επηρεαστεί η έλξη που ασκεί στο κουτί;
• Τι θα συμβεί αν το κουτί είναι γεμάτο αντί για άδειο; Θα υπάρξει διαφορά στην κίνηση;
• Αντί για πλαστικό καλαμάκι, ποιο άλλο υλικό θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε; Πώς πιστεύετε ότι θα επηρεαστούν τα αποτελέσματα;
• Τι θα συμβεί αν χρησιμοποιήσουμε διαφορετικά υφάσματα για να τρίψουμε το καλαμάκι;
• Μπορεί το φαινόμενο να συμβεί και με αντικείμενα που δεν είναι μεταλλικά (π.χ., ένα πλαστικό αντικείμενο αντί για το κουτί αναψυκτικού);

Τι συμβαίνει;
Όταν τρίβουμε το πλαστικό καλαμάκι, αποκτά αρνητικό φορτίο, επειδή μεταφέρονται ηλεκτρόνια από το χαρτί κουζίνας ή ύφασμα στο καλαμάκι. Το μέταλλο του κουτιού αναψυκτικού είναι αγωγός και τα ηλεκτρόνια μέσα του αναδιατάσσονται εξαιτίας της παρουσίας του στατικά φορτισμένου καλαμακιού. Δημιουργείται μια έλξη ανάμεσα στο πλαστικό καλαμάκι και στο μεταλλικό κυλινδρικό κουτί, η οποία είναι αρκετή για να το κυλήσει πάνω στο τραπέζι ή στο θρανίο.

Το πείραμα αξιοποιεί τη φυσική αρχή του στατικού ηλεκτρισμού, δηλαδή την ανισορροπία ηλεκτρικών φορτίων που δημιουργείται σε ένα αντικείμενο. Η ανισορροπία αυτή προκαλείται από τη μεταφορά ηλεκτρονίων όταν δύο διαφορετικά υλικά έρχονται σε τριβή. Όταν τρίβουμε το καλαμάκι πάνω σε ύφασμα (ή μαλλί ή χαρτί κουζίνας), ηλεκτρόνια μεταφέρονται από το ύφασμα/χαρτί στο καλαμάκι (ή το αντίστροφο, ανάλογα με τα υλικά). Το τρίψιμο είναι απαραίτητο για να δημιουργηθεί στατικός ηλεκτρισμός. Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται ηλεκτροστατική φόρτιση μέσω τριβής, μεταφέρει ηλεκτρόνια από το ένα υλικό στο άλλο. Το καλαμάκι αποκτά αρνητικό φορτίο, ενώ το ύφασμα/χαρτί αποκτά θετικό φορτίο. Το χαρτί κουζίνας τείνει να χάνει ηλεκτρόνια και να αποκτά θετικό φορτίο όταν τρίβεται με πλαστικά, όπως το καλαμάκι. Το καλαμάκι, ως πλαστικό, έχει την τάση να κερδίζει ηλεκτρόνια και να αποκτά αρνητικό φορτίο.

Όταν το καλαμάκι πλησιάζει το μεταλλικό κουτί, τα ηλεκτρικά του φορτία δημιουργούν μία έλξη λόγω των ηλεκτρικών δυνάμεων που περιγράφονται από τον νόμο του Coulomb. Ο νόμος αυτός αναφέρει ότι τα αντίθετα φορτία έλκονται, ενώ τα όμοια φορτία απωθούνται. Το μεταλλικό κουτί είναι αγωγός, γεγονός που σημαίνει ότι τα ηλεκτρικά φορτία μέσα του μπορούν να κινηθούν ελεύθερα. Όταν το αρνητικά φορτισμένο καλαμάκι πλησιάσει το κουτί, τα θετικά φορτία του μετάλλου έλκονται προς την πλευρά του καλαμακιού, ενώ τα αρνητικά φορτία απομακρύνονται. Αυτή η αναδιάταξη φορτίων προκαλεί την έλξη του κουτιού προς το καλαμάκι. Η δύναμη που ασκείται από τα ηλεκτρικά φορτία υπερνικά την (έτσι κι αλλιώς μικρή λόγω του κυλινδρικού σχήματος) τριβή του κουτιού με την επιφάνεια του τραπεζοθρανίου. Έτσι, το κυλινδρικό μεταλλικό κουτί κυλάει προς την μεριά που πλησιάζουμε το πλαστικό καλαμάκι.

Ακολουθεί ένας πίνακας που δείχνει υλικά που αποκτούν θετικό ή αρνητικό φορτίο όταν τρίβονται με άλλα:

Διδακτική αξιοποίηση
Το πείραμα αυτό επιδεικνύει τις βασικές αρχές του στατικού ηλεκτρισμού και των ηλεκτρικών δυνάμεων. Είναι ένας έξυπνος και διασκεδαστικός τρόπος να δει κανείς πώς η μεταφορά ηλεκτρικών φορτίων μπορεί να επηρεάσει την κίνηση αντικειμένων.

Δείτε παρακάτω ένα βίντεο με την κύλιση πλαστικού μπουκαλιού, αλλά και μεταλλικού κουτιού με στατικό ηλεκτρισμό!

Δείτε παρακάτω ένα βίντεο με την κύλιση μεταλλικού κουτιού με στατικό ηλεκτρισμό και με ένα μπαλόνι!

Δείτε παρακάτω ένα βίντεο σχετικά ηλεκτροστατικά πειράματα και επεξηγήσεις από τον εξαιρετικό Bruce Yeany

Δείτε παρακάτω ένα βίντεο με μερικά ακόμα ηλεκτροστατικά πειράματα και επεξηγήσεις από τον εξαιρετικό Bruce Yeany