Fysikum Kandidatprogrammet FK VT16 DEMONSTRATIONER ELEKTROSTATIK I

Transkript

1 DEMONSTRATIONER ELEKTROSTATIK I Elektrisk influens Laning, kapacitans och spänning Urlaning Kraftverkan mellan konensatorplattor Uppatera en 9 november 15

2 Introuktion I litteraturen och framför allt på webben kan u enkelt hitta ett stort antal experiment som kan utföras me mycket enkla hjälpmeel för att påvisa elektrostatiska fenomen. Nean har vi valt ut en el av essa försök och i enna emonstration skall u koncentrera ig på att visa: 1. Elektrisk influens.. Laning, kapacitans och spänning. 3. Urlaning. 4. Kraftverkan mellan konensatorplattor. Försöken är enkla och utförs me mycket enkla meel men kan kräva en hel el övning för att fungera bra. För att et u skall visa skall framgå så starkt som möjligt får u inte ha för bråttom. Tala inte om för åskåaren va som skall ske, men tala hela tien om va u gör för att åstakomma en önskae effekten. Va ser åskåaren? Hur skall et förklaras? Tänk också på att klargöra orsakssammanhangen, t.ex. kan man me förel först visa att en urlaa stav inte påverkar et system man vill stuera utan först efter et att man, me någon meto, överfört laning till staven. 1. Elektrisk influens Elektroskop. Ebonitstav och kattskinn (gör staven negativ), glas/plaststav och sienuk (gör staven positiv). Lätt, ickeleane kula upphäng i remsa av silkespapper. Aluminiumburk. Figur 1. Elektroskopet och en el av en utrustning som använs för elektrostatiska försök. För att neanståene försök skall gå fram tyligt måste u göra mycket långsamma rörelser för att unvika att kulan eller elektroskopets visare skall börjar svänga på ett sätt som försvårar tolkningen av en elektrostatiska påverkan. Det kan iblan vara instruktivt att upprepa vissa rörelser för att visa att utslagen är entyiga och reproucerbara. Öva! Laa upp ebonitstaven genom att gnia en me kattskinnet. För staven sakta mot en upphänga kulan och notera att kulan först attraheras av staven och sean, efter kontakt, repelleras av staven (et kan krävas flera kontaktförsök innan kulan tar emot stavens laning). Förklara. Diskutera stavens och kulans laningar. Visa återigen att kulan repelleras av ebonitstaven. Va häner nu om u för en stav me motsatt laning mot kulan? Uppatera en 9 november 15

3 I avsnitt 5 nean om Laningsrelationer kan u lära ig vilka mjuka material som ger positiv respektive negativ laning för olika stavmaterial. Demonstrera elektroskopets funktion genom att långsamt föra en laa stav mot en övre platta elen. Elektroskopet kan sean laas upp genom irekt kontakt me ett laat föremål eller me hjälp av influens genom att hålla en laa stav nära elektroskopets övre platta el och sean urlaa elar av et, genom att kort beröra elektroskopets övre eller unre fasta el (håll kvar staven i nära läge och avlägsna en efter urlaningen). Diskutera elektroskopets laning. Unersök inverkan av en stav me motsatt laning mot en första. Influens kan påvisas på flera sätt. 1) Experimentera me att påvisa en attraktiv kraft mellan en laa stav och en smal vattenstråle. Observera att kraften är allti attraktiv oberoene av tecknet hos stavens laning. Va kan etta bero på och hur uppkommer kraftverkan? ) Lägg en (tom) läskerycksburk av aluminium på ett plant unerlag. Försök få burken att rulla utan att viröra en me hjälp av en upplaa stav. Förklara!. Laning, kapacitans och spänning Elektrostatisk voltmeter. Plattkonensator i form av aluminiumplattor me stö. Aluminium/plexiglasskiva me stö. Glimlampa. Figur. Elektrostatiskt voltmeter me plattkonensator. I figuren har en plexiglasskiva förts in mellan plattorna. För en plattkonensator gäller att ess kapacitans C (förmåga att lagra en viss mäng laning A på plattorna för en given spänning U över plattorna) beskrivs av uttrycket C r, är ε är en naturkonstant (ielektricitetskonstanten för vakuum) och ε r en faktor >1 som beror av materialet mellan plattorna (för luft är ε r = 1). A är plattornas area och avstånet mellan em. Då Q = CU finner vi att essa storheter är relaterae till varanra som A Q r U I enna emonstration skall u använa två aluminiumplattor me stö, som ställa mot varanra på ett avstån på 1 - cm skall fungerar som en plattkonensator. Koppla in en elektrostatiska voltmetern mellan plattorna 3. Laa upp en ena plattan i konensatorn me hjälp av en upplaa ebonitstav. Stuera utslaget på voltmetern. Förklara hur en Elektroskopet uppfanns 1748 av Jean Antoine Nollet, , fransk prästlär, experimentalfysiker och melem av Paris vetenskapsakaemi. 3 Patenteraes av William Thompson (Lor Kelvin) år 1887 (skotsk matematiker och fysiker, ). Uppatera en 9 november 15

4 elektrostatiska voltmetern fungerar. Ientifiera vilka slags laningar som samlats på e olika plattorna. Öka och minska avstånet mellan plattorna genom att sakta ra isär eller föra en ena plattan mot en anra. Iaktta utslaget på en elektrostatiska voltmetern. Förklara! Diskutera et faktum att när utslaget på voltmetern ökar (minskar) så är et ett tecken på att konensatorns kapacitans minskar (ökar). Varför ökar (minskar) å spänningen? Va häner om vi för in ett ielektrikum mellan plattorna? Till förfogane finns ett par rektangulära skivor av plexiglas och aluminium. Välj ett lämpligt avstån mellan konensatorplattorna. Laa upp konensatorn och för in en aluminiumskiva mellan plattorna. Va häner? Ta bort aluminiumskivan och för in plexiglasskivan istället. Va häner? För in en lärobok i ellära mellan plattorna. Förklara! 3. Urlaning Den upplaae konensatorn kan urlaas me hjälp av en glimlampa. Ett annat sätt att laa ur konensatorn är att införa sotpartiklar mellan plattorna. Laa upp konensatorn fullt och tän ett litet ljus och för in mellan plattorna. Betrakta lågan! Va häner? Förklara (lågan innehåller i huvusak positiva koljoner)! 4. Kraftverkan mellan konensatorplattor Plattkonensator me cirkulära skivor. Plexiglasskiva, stativ, cylinerstö. Våg (min kg). Voltmeter. Spänningskälla 3V. Transformator 3/1. Figur 4. Uppställning för mätning av kraften mellan cirkulära konensatorplattor Bygg upp en plattkonensator enligt figuren ovan. Den unre plattan vilar, via ett isolerane, cylinriskt rör av plexiglas mot vågen. Den övre plattan fixeras me hjälp av klämma och stativ, cirka 6 7 mm över en unre (ju närmare e kan placeras utan kontakt, esto bättre. Varför?). Plattorna matas me växelström för att enkelt kunna generera en spänning som forras (ca 15 V). Tänk igenom varför plattorna attraheras, oberoene av om likspänning eller växelspänning läggs över plattorna. Notera hur mycket vågens utslag änras å Uppatera en 9 november 15

5 spänningen ras på (öka försiktigt från noll till max). OBS: Håll fingrarna borta från sekunärsian spänningen är blir över 1V! Beräkna spänningen på sekunärsian. Uner förbereelsen av enna emonstrationer är et lämpligt att göra några elektriska mätningar, enligt teorin nean, så att u kan presentera ett uppmätt väre på ielektricitetskonstanten och plexiglasets relativa ielektricitetskonstant. Om laningen på plattorna är Q och fältet är E så är attraktionskraften mellan plattorna F A U = QE. Men å Q = CU = U och E = me Q = EA, är A är plattans area får U vi slutligen F = E A = A. U är spänningen och är avstånet mellan plattorna. Attraktionskraften motsvarar tyngen av en viss massa m (vågens utslag minskar me m). Detta ger mg U A Me enna formel kan väret på ε kontrolleras! Lägg en cirkulära plexiglasskivan mellan plattorna (vri allti ner spänningen till noll och stäng av spänningskällan när plattorna manövreras!). Avläs vågens väre me och utan platta vi en och samma spänning och beräkna en relativa ielektricitetskonstantet för plexiglas. 5. Laningsrelationer Gnis me Kattskinn Ylle Sien Gummi Nylon Papper Stav av Glas Ebonitstav Plexiglas Nylon Teflon - - Tabell 1. Tabell över laningar som stavar av olika material erhåller som gnis me olika mjuka material. Uppatera en 9 november 15