Elektryczne bombki

Taki zapalacz, który trzeba mocno naciskać, nazywamy piezoelektrycznym. Działa on poprzez ściskanie kryształu kwarcu, czyli zwykłego, przezroczystego piasku a wytwarza całkiem spore ładunki elektryczne. Zapalacz taki i dwie bombki zawieszone na gaćzce posłużą nam do choinkowego doświadczenia. Pokażemy, jak dwa ładunki różnego znaku się przyciągają.

Bombki zawieszamy obok siebie, w odległości około 1 cm, na cienkim (np. o średnicy 0,1 mm) drucie. Z drugiej strony druty podłączamy do dwóch biegunów zapalacza (trzeba przedtem zdjąć metalowy kapturek). Naciśnięcie zapalacza powoduje zbliżanie się bombek, a właściwie ich szybkie zderzenie.

Oczywiście, do tego samego pokazu można użyć maszyny elektrostatycznej i styropianowych kulek zawiniętych w aluminiową folię lub pokrytych grafitem koloidalnym, ale nie będzie to już doświadczenie choinkowe.

Oddziaływanie bombek można opisać prawem Coulomba:

F = k·q1q2/r2 ,

gdzie q1 i q2 oznaczają wartości ładunków, a r odległość między nimi, k = 1/4πε0= 9·109Nm2/C2.

Co prawda, prawo Coulomba dotyczy ładunków punktowych, ale ładunek rozłożony na sferycznej powierzchni bombek można przybliżyć za pomocą ładunków punktowych, umieszczonych w środku bombek.

Obliczmy siłę z jaką oddziaływują bombki. ładunek zgromadzony na powierzchni bombek można obliczyć z ich pojemności elektrycznej. Pojemność elektryczna kuli wyraża się wzorem C=R/k, gdzie R jest promieniem kuli. Znaczenie "pojemności" jest następujące: pojemność przewodnika wynosi 1 farad (F), jeżli ładunek elektryczny 1 C zgromadzony na nim wytwarza potencjał 1V.

Zapalacz dostarcza napięcia rzędu 10 kV, ale pojemność bombek jest bardzo mała (dla bombek o średnicy 4 cm wynosi około 0,4·10-11 F). W efekcie ładunek na każdej z bombek jest mały (4·10-8C). Siła, z jaką przyciągają się bombki odległe o 5 cm jest również bardzo mała (5,7 mN), podczas gdy wychylenie o 1,5o od pionu (tj. o 0,5 cm bombki zawieszonej na 20 cm drucie) bombki o masie 5 g wymaga siły 1,2 do kwadratu ich "zbliżenia" (FC ~ 1/r2) podczas gdy siła przeciwdziałająca, wynikająca z odchylenia mN. Dlatego, dla zaobserwowania zderzenia, bombki muszą być naprawdę blisko siebie.

Podłączając trzecią bombkę do jednego z biegunów obserwujemy jak dwie bombki tego samego znaku odpychają się (bombkę znaku przeciwnego należy umieścić dalej, aby siła przyciągania była mała; obecność bombki przeciwnego znaku jest niezbędna dla wypływu ładunku z zapalacza).