Wiatr elektrostatyczny
Elektrostatyka
Wyobraźmy sobie kulę wykonaną z materiału dobrze przewodzącego prąd elektryczny. W takim wypadku nie ma żadnego powodu by gęstość ładunku na jego powierzchni nie była rozłożona równomiernie.
Przeprowadźmy jednak eksperyment myślowy i weźmy przewodnik o innym kształcie niż kula. Potencjał elektryczny w każdym punkcie powierzchni tego ciała musi być równy. Gęstość ładunku zależy więc odwrotnie proporcjonalnie od promienia krzywizny w miejscu jej pomiaru. Im mniejszy promień krzywizny, tym większa gęstość ładunku.
Przewodnik naładowany i mający ostre brzegi łatwo traci swój ładunek. Dzieje się tak dlatego, że promień krzywizny na ostrzach jest tak mały (a gęstość ładunku tak duża), że sąsiadujące z nimi powietrze zostaje zjonizowane. Ładunek zostaje przekazany na cząstki powietrza. Powstaje wtedy tak zwany wiatr elektryczny.
Zasada jego powstawania jest podobna w przypadku ładunku dodatniego i ujemnego. Przedstawią ją rysunek:
Na końcu ostrza gęstość ładunku jest największa. Osiąga ona taką wartość, że obojętne cząstki gazów zostają zjonizowane czyli zyskują ładunek elektryczny. Znak ich ładunku jest taki sam jak ładunku ostrza: ładunki jednego znaku się odpychają. Ostrze jest nieruchome czyli zostają odepchnięte cząstki gazu, tworząc wiatr.
Możemy się postarać zaobserwować to zjawisko.
Doświadczenie
Jako źródło wysokiego napięcia można zastosować generator Van de Graaffa, szkolną maszynę elektrostatyczną lub generator wysokiego napięcia ZVS. Po szczegóły budowy ZVSa odsyłam zainteresowanych do mojej strony poświęconej temu urządzeniu. Potrzebujemy też świecy i ostro ściętego drucika jako ostrza.
Ostrzeżenie: Używania układu ZVS nie polecam początkującym bez doświadczenia w obchodzeniu się z wysokim napięciem. Na wyjściu urządzenia występuje napięcie wielu tysięcy woltów. Przy nieumiejętnym obchodzeniu się z urządzeniem może dojść do poważnego porażenia! Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Jeden z biegunów wyjściowych ZVSa uziemiamy, zaś drugi podłączamy do ostrza, które umiejscawiamy naprzeciw płomienia świecy:
Po włączeniu przetwornicy na ostrze zostanie podane wysokie napięcie. Zacznie od niego wiać wiatr elektryczny. Może odchylić płomień świecy lub nawet go zgasić. Widać to na filmiku:
Ostrze znajduje się po prawej stronie. Ciąg powietrza jest wyczuwalny dłonią jako chłód. Daje się odczuć także zapach ozonu.
Siła odrzutu wiatru elektrostatycznego jest w tym wypadku tak duża, że z łatwością rozwiewa drobinki styropianu:
Podczas zjawiska wiatru elektrycznego dochodzi także do wyładowania koronowego, o którym możesz przeczytać na tej stronie.
Na tej zasadzie działają jonoloty oraz młynek Franklina (opisany tutaj). Ostatnio efekt elektronowego wiatru elektrostatycznego jest testowany jako napęd dla niewielkich statków kosmicznych i sond międzyplanetarnych.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa:
- Gębura G., Metodyka eksperymentu fizycznego w szkole podstawowej, PWN, Warszawa, 1978
- Griffiths D.J., Introduction to Electrodynamics, Prentice Hall, Nowy Jork, 1999
- Perelomov A.M., Popov V.S., Terent'ev M.V., Ionization of Atoms in an Alternating Electric Field, Soviet Physics JETP, 1966, 23(5), str. 924
Marek Ples