چرا شعله شمع در نزدیکی واندوگراف باردار منحرف میشود؟

[parisa]

پاسخ زیر و توضیحات اضافی در رابطه با واندوگراف از وبلاگ فیزیک برای زندگی به شرح زیر است:
[h=2]مولد واندوگراف الف) تاریخچه و طرز کار مولد واندوگراف

قبل از بحث درباره ساخت مولد واندوگراف لازم است بحث مختصری راجع به تاریخچه ساخت آن و همچنین طرز عملکرد این دستگاه داشته باشیم مولد واندوگراف در سال 1937 توسط فیزیکدان آمریکایی رابرت جمیسون واندوگراف اختراع شد این دستگاه قادر است که ولتاژهای تا 20 میلیون ولت ایجاد نماید و از آن برای انرژی دادن و شتاب دادن به ذرات اتمی که احتیاج به سرعت بالا برای نفوذ در هسته اتمها دارند استفاده می­شود این برخوردها در اتمها، پایه شناخت و اساس فیزیک هسته­ای و ذرات بنیادی می­باشد.
دو نوع مولد واندوگراف وجود دارد که به شرح نوع معمول آن که از تسمه و غلتک در آن استفاده می­شود می­پردازیم این نوع واندوگراف از یک موتور- دو غلتک ، یک تسمه و دو شانه و یک گوی فلزی آلومینیمی یا نظیر آن ساخته شده است.
هنگامیکه موتور روشن می­شود غلتک پایینی ( شارژ ) شروع به چرخاندن تسمه می­کند. نظر به اینکه تسمه از لاستیک و کائوچو و غلتک پایینی پوشیده از سلسیوم است غلتک پایینی شروع به تولید بار منفی کرده و غلتک بالایی بار مثبت تولید می­کند با رجوع به لیست Triboelectinc ( الکتریسیته مالشی ) خواهید فهمید که علت عدم تعادل بارها چیست در این لیست سلسیوم پایین­تر از لاستیک است بدین معنا که قدرت جذب الکترون آن فوق­العاده زیاد است بنابراین غلتک پایینی الکترون را از تسمه­ای که الکترونها از آن عبور کرده­اند جذب می­کند این بار منفی قوی بر روی غلتک دو کار را انجام می­دهد.
1- الکترون­هایی که در نزدیکی نوک شانه­ها هستند را دفع می­کند و شانه­ها بار مثبت پیدا می­کنند.
2- ذرات هوا را یونیزه کرده وقتی یک اتم از الکترون جدا شود حالت چهارم ماده یا پلاسما ایجاد می­شود بنابراین اتمهای مثبت هوا و الکترون آزاد بین غلتک و شانه بوجود می­آیند که الکترونهای آزاد توسط شانه­هایی که قبلاً باردار مثبت شده­اند جذب می­شوند و اتمهای مثبت جذب غلتک ، که دارای بار منفی است می­شود.
اتمهای مثبت ذرات هوا سعی می­­کنند که به سمت غلتک با بار منفی بروند ولی تسمه راه آنها تا غلتک قرار دارد بنابراین جذب تسمه می­شوند تسمه با بار مثبت به طرف غلتک بالایی حرکت می­کند که معمولاً از جنسی است که الکترون از دست می­دهد. در نتیجه بارهای مثبت تسمه از یک طرف توسط غلتک بالایی خنثی می­شود و از طرف دیگر شانه­های بالا که به کلاهک متصل هستند مقداری از بار تسمه را خنثی می­کنند و حتی مقداری بار منفی نیز به تسمه می­دهند، در نتیجه کلاهک، دارای بار منفی می­شود و تسمه نیز هنگام پایین آمدن مقداری بار منفی خواهد داشت.
چه اصولی را باید رعایت کنیم تا بار مولد واندوگراف شبیه باشد.
1- شانه­ها ( جاروبک­ها ) هنگام چرخش دستگاه با سطح بیرونی تسمه مالش خیلی جرئی داشته باشند.
2- تسمه علاوه بر علتش روی غلتک­ها اندکی لغزش هم داشته باشد ( تسمه نه زیاد شل و نه زیاد محکم باشد).
3- تسمه و غلتک­ها باید کاملاً تمیز باشند. ( می­توان با الکل آن­ها را پاک کرد ).
4- پهنای تسمه با پهنای غلتک یکسان باشد.
5- تسمه نباید سیاه رنگ باشد زیرا امکان دارد دارای کربن باشد و اجسام با ترکیب­های کربنی می­توانند رسانا باشند.
6- سرعت چرخش موتور حدالامکان زیادتر باشد.
7- در روزهای گرم و مکان­های با رطوبت زیاد نتیجه کار دستگاه ( مثل سایر آزمایش­های الکتریسیته ساکن مناسب نمی­تواند باشد.)
نقش هر یک از اجزاء واندوگراف در ایجاد الکتریسیته ساکن روی واندوگراف

1- نقش کلاهک :
اگر کلاهک کروی واندوگراف را بر دارید به کمک یک الکتروسکوپ ملاحظه می­کنید که مقدار بار الکتریکی تیغه بالایی واندوگراف بشدت کاهش می­یابد تفاوت کلاهک کروی و تیغه فوقانی واندوگراف در ظرفیت الکتریکی آنهاست می­دانیم هر جسم رسانا دارای یک ظرفیت الکتریکی است اما ظرفیت الکتریکی یک کره رسانا از رابطه بدست می­آید این ظرفیت بسیار بیشتر از ظرفیت الکتریکی قطعات فلزی کوچکی است که در زیر کلاهک وجود دارد وقتی کلاهک را بر می­داریم بار الکتریکی یکی اضافی از طریق یونیزاسیون در هوا پخش می­شود.
2- نقش جاروبک­ها :
هنگام کار واندوگراف می­توان جاروبک­ها را حذف کرد در این حالت مقدار بار الکتریکی روی کلاهک کاهش می­یابد اما به صفر نمی­رسد این آزمایش نشان می­دهد که کلاهک علاوه بر اینکه از طریق رسانش فلزی جاروبک­ها بارداری می­شوند، از طریق یونیراسیون هوا نیز بار الکتریکی دریافت می­کند اینکه هواهی اطراف تسمه­ها و غلتک­ها یونیزه می­شود براحتی قابل آزمایش است کافی است مدت کوتاهی کلاهک یک الکتروسکوپ را به تسمه­های واندوگراف در حال کار نزدیک کنید و سپس الکتروسکوپ را دور کنید خواهید دید بدون تماس الکتروسکوپ باردار شده است این مقدار بار از طریق یونیزاسیون هوا به الکتروسکوپ انتقال یافته است پس هوای اطراف تسمه­ها و غلتک­ها بشدت یونیزه می­شود.
3- نقش تسمه :
اگر حرکت تسمه بر روی غلتک­ها فقط غلتشی باشد امکان باردار شدن بسیار کاهش می­یابد فرض بر این است که تسمه علاوه بر غلتکش، لغزش نیز دارد و این لغزش سبب تولید بار الکتریکی بر ر.وی تسمه­ها می­شود و در قسمتی که با غلتک­ها در تماس است علامتی با جوهر یا ماژیک بکشیم واندوگراف را بکار اندازیم مشاهده می­شود که ماژیک در جهت چرخش بر روی تسمه پخش شده است و این نشانگر لغزیدن تسمه بر روی غلتک­ها است و در اصل همین مالش میان تسمه و غلتک­ها سبب تولید بار الکتریکی می­شود اگر تسمه دستگاه شل باشد تعداد روی­ها کاهش می­یابد در این دو حالت مقدار باردهی واندوگراف کم می­شود بهتر است به روش تجربی این موضوع کنترل شد.
4- نقش غلتک­ها :
مالش میان تسمه و غلتک­ها همچنان که در قسمت قبل ذکر شد زمینه ساز تولید بار الکتریکی است جنس غلتک پایینی یا بالایی نقش تعیین شده در نوع بار الکتریکی کلاهک دارد دو مسئله زیر در مورد غلتک­ها وجود دارد.
الف) اولین نکته قابل توجه این است که اگر در اثر مالش بطور مداوم غلتک پلی اتیلن بار منفی یا مثبت دریافت کند سرانجام پس از چند دقیقه بار سرسام­آوری پیدا می­کند و این مقدار بار سرسام­آور قادر است جرقه­هایی با طول بسیار بلند ایجاد کند.
اما در عمل طول جرقه­های یک واندوگراف معمولی در حدود یک سانتی­متر است این مقدار ثبات نسبی دارد.
علت آن است که بار کلاهک از طریق یونیزاسیون به طور مرتب به هوا انتقال می­یابد.
ب) نکته دوم این است که اگر بار الکتریکی در محل مالش غلتک و سطح داخلی تسمه تولید می­شود چگونه با توجه به عایق بودن تسمه بار الکتریکی به سطح خارجی تسمه و سپس به زمین یا کلاهک منتقل می­شود پاسخ آن را باید در نسبی بودن نارسانایی تسمه جستجو کرد نارسانایی یک جسم نسبی است معمولاً یک لایه نازک مانند هوا در برابر برق 220ولت نارسانا است ولی در مقابل برق با ولتاژ 20000ولت دیگر به اندازه قبل نارسانا نیست به همین علت فاصله سیم­های برق با ولتاژ بالا را زیاد در نظر می­گیرند اختلاف پتانسیل تولید شده در واندوگراف بسیار زیاد است و این اختلاف پتانسیل زیاد الکترون را قادر می­سازد تا از سه کوانتمی تسمه گذشته و به سطح خارجی تسمه برسد لذا بارهای اضافی غلتک­ها از طریق یونیزاسیون هوا و عبور کوانتمی از سه تسمه به زمین و کلاهک می­رسد.
آزمایش­های جانبی واندوگراف
1- فرفره­ی الکتریکی :
اگر مطابق شکل فرفره­ای فلزی که با اصطکاک بسیار کمتر روی سوزن نوک تیز می­تواند بچرخد درست کرده روی کلاهک مولد واندوگراف قرار دهیم بعد از روشن شدن دستگاه در جهت نشان داده شده شروع به چرخش می­کند طبق قانون سوم نیوتن وقتی مولکولهای هوا به نوک تیز فرفره که تراکم بار زیادی دارند برخوردمی­کنندیونیزه­می­شوندونیرویرو به عقبی را ایجاد می­کند و باعث چرخش فرفره می­شوند مانند شکل
2- مشاهده چگالی سطحی بار الکتریکی بیشتر در نقطه­های نوک تیز :
اگر چند تکه سبک را روی یک مخروط فلزی قرار دهیم و آن را به مولد واندوگراف وصل کنیم می­بینیم که تکه کاغذهای واقع در قسمت نوک تیز مخروط بیشتر از همه پرتاب می­شوند. یعنی تراکم بار در نقاط نوک تیز جسم رسانا بیشتر است.
3- نخ­های افشان :
اگر یک در چند رشته نخ را در یک فیش فلزی مخصوص محکم کنیم دو یا نخ­های را دور حلقه فلزی وصل می­کنیم و آن را به کلاهک دستگاه وصل کنیم نخ­ها از هم باز می­شوند و به صورت شعاعی قرار می­گیرند زیرا هوای اطراف کلاهک یونیزه می­شود.و نخ­ها باردار کرده است و هر نخ می­خواهد از نخ دیگر حداکثر فاصله را داشته باشد.
4- گلوله­های رسانای سبک در استوانه شفاف :
این استوانه با دو قاعده ( بالا و پایین ) رسانا می­باشد گلوله­های سبک و رسانا در درون آن واقع شده­اند. وقتی این استوانه به کلاهک دستگاه وصل می­شود گلوله­ها شروع به حرکت رفت و برگشت به بالا و پایین می­کنند زیرا از قاعده­ی پایینی بار ( - ) دریافت و به شدت از این قاعده دفع می­شوند و وقتی به قاعده بالایی می­رسند بار الکتریکی خود را به آن می­دهند و دوباره می­افتند و این عمل را آن قدر تکرار می­کنند تا دو قاعده بالایی و پایینی هم پتانسیل شوند و در این حالت گلوله­ها به حالت معلق در استوانه باقی می­مانند.
5- استوانه فاراده :
با اتصال یک استوانه بلند و باریک به کلاهک دستگاه این استوانه باردار می­شود اما باری در آن تولید نمی­شود زیرا گلوله­های سبک ( آونگ دوگانه ) از هم فاصله گرفته­اند یعنی کل بار الکتریکی استوانه در سطح خارجی آن است و با یک صفحه­ی آزمون و الکتروسکوپ این نتیجه را می­توان تأیید کرد.
البته این آزمایش را می­توان به این صورت هم می­توان انجام داد که استوانه را به طور عمودی به کلاهک وصل کنیم، و وقتی دستگاه روشن است گلوله­های سبک را عمودی به درون آن بیاندازیم مشاهده می­شود که هیچ حرکتی در درون لیوان ندارند یعنی بار الکتریکی در سطح داخلی لیوان وجود ندارد.
6- روشن و خاموش شدن لامپ نئون ( مهتابی ) در نزدیکی کلاهک :

وقتی یک لامپ نئون را به کلاهک نزدیک می­کنیم وقتی بار کافی در کلاهک جمع شده باشد با تخلیه­ی آن به لامپ یک لحظه روشنایی لامپ دیده می­شود و بعد خاموش می­شود. ( و همین طور با لامپ فازمتر هم می­توان این آزمایش را انجام داد) و این عمل مرتباً ادامه پیدا می­کند.
7- انحراف شعله شمع :
اگر شمع را روشن کرده در مقابل نوک تیز یک میله فلزی وصل شده به کلاهک واندوگراف قرار دهیم موقع روشن شدن دستگاه شعله شمع انحراف پیدا می­کند با توجه به یونیزه شدن بسیار زیاد مولکولهای هوا اطراف قسمت نوک تیز و دفع یون­های هم نام و جذب سون­های نام هم نام جریانی از هوا در فضای اطراف به وجود می­آید و شعله شمع در مجاورت دستگاه خم می­شود
البته انحراف شعله ممکنه بخاطر خاصیت پلاسمایی اون باشه لازم دیدم در مورد پلاسما ها مطالبی رو در ادامه مطلب بیارم که دونستنش خالی از لطف نیست :