Luku 31: Salama on hankaussähköilmiö
I Taustatietoa lukuihin
Johdantokuva:
Kuvaan liittyy video, jonka voi näyttää oppilaille. Ukkonen on eräs voimakkaimmista luonnonilmiöistä Suomessa. Ukkosta ei tarvitse pelätä, kun tietää, miten siltä voi suojautua.
Video - varatut ilmapallot
Videolla tuodaan esille varausten väliset veto- ja poistovoimat. Ilmapallon hankaaminen turkilla saa ilmapallon varautumaan negatiivisesti ja muovilla hankaaminen saa aikaan positiivisen varauksen. Videolla havaitaan, että pallot vetävät toisiaan puoleen. Kun roikkuvia ilmapalloja hangataan villasukalla, ne varautuvat samanmerkkisesti, jolloin ne hylkivät toisiaan.
Video - polarisaatio
Videolla havainnollistetaan sähköistä vetovoimaa ja polarisaatiota. Hangattu pallo vetää neutraaleja hiuksia puoleensa.
Kun sähköisesti varattu ilmapallo viedään kiinni valkokankaaseen (eriste), tarttuu se siihen kiinni. Valkokankaassa (eristeessä) olevat elektronit eivät pääse liikkumaan vapaasti. Eristeen atomit tai molekyylit asettuvat siten, että siihen syntyvät positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet puolet
Video - sähköinen influenssi
Kun varattu eboniittisauva viedään elektroskoopin kannan lähelle, heilahtaa elektroskoopin osoitin. Elektroskoopin runko ja osoitin varautuvat samanmerkkisesti varausten jakaantumisen seurauksena ja alkavat siten hylkiä toisiaan. Tämä havaitaan osoittimen heilahduksena. Kun sauvalla kosketaan kantaan, siirtyvät varaukset kokonaisuudessaan elektroskooppiin, jolloin osoitin jää osoittamaan jotain lukemaa. Varaus purkautuu, kun kantaan kosketaan sormella.
Appletti - varausten vuorovaikutus
Appletin avulla voidaan osoitaa veto- ja poistovoimat sekä niiden suuruudet, kun hiukkasten varausta muutetaan. Sähköisen vuorovaikutuksen etäisyysriippuvuus tulee esille myös tehokkaasti.
Appletti - sähkövirta
Appletilla saadaan havainnollistettua sähkövirran kulkua johtimessa tasa- kuin vaihtovirran tapauksissa. Sähkövirran suunnaksi on sovittu suunta + navalta kohti - napaa. Sähkövirran havaittiin olevan elektronien liikettä. Samalla huomattiin, että sovittu suunta oli väärä suhteessa sovittuun sähkövirran suuntaan. Elektronit liikkuvat - navalta kohti + napaa. Sopimus sähkövirran suunnasta jäi kuitenkin voimaan. Puhutaan "sopimuksen varaisesta sähkövirran suunnasta".
Video - van de Graafin generaattori
Videolla havainnollistetaan sähkökentän kenttäviivojen suuntia.
Video - sähköinen influenssi
Videolla havainnollistetaan sähköistä influenssia eli varausten jakautumista johdemateriaalissa. Johteena toimii elektroskoopin metallinen kanta, runko ja osoitin. Kun varattu (videolla negatiivisesti) eboniittisauva tuodaan metallisen kannan läheisyyteen, sen metalliosien elektronit pyrkivät mahdollisimman kauaksi sauvasta. Varausten jakautumisen ansiosta elektroskoopin osoitin ja runko saa samanmerkkisen varauksen. Tämän seurauksena ne hylkivät toisiaan ja se havaitaan osoitimen heilahduksena.
Luvun tavoitteena on:
- sähkövaraus, positiivinen ja negatiivinen varaus
- polarisaatio
- sähköinen influenssi
- salaman synty, suojatuminen ukkoselta
Arvio luvun käsittelyyn kuluvasta ajasta: 3-4 oppituntia
III Tehtävien vastaukset
31A. Tarkista tietosi
1. Aine koostuu
a) atomeista
2. Ydin koostuu
b) protoneista ja neutroneista
3. Protonin varaus on
b) positiivinen
4. Elektronin varaus on
c) negatiivinen
5. Neutronin varaus on
a) nolla eli se on varaukseton
6. Kun muovista kappaletta hangataan kankaalla, muodostuu kappaleeseen
c) sähkövaraus
7. Edellinen johtuu siitä, että
a) elektroneita
8. Lähekkäin olevat samanmerkkiset varaukset
a) hylkivät toisiaan
9. Lähekkäin olevat erimerkkiset varaukset
b) vetävät toisiaan puoleensa
10. Lähekkäin oleva positiivisesti varautunut kappale ja neutraali eristekappale
b) vetävät toisiaan puoleensa
11. Lähekkäin oleva negatiivisesti varautunut kappale ja neutraali eristekappale
b) vetävät toisiaan puoleensa
12. Edellinen ilmiö on seurausta
c) sähköisestä polarisaatiosta
31B. Täydennä lauseet.
Salama|salama on esimerkki voimakkaasta kipinäpurkauksesta, joka on Hankaussähköilmiö|hankaussähköilmiö. Rakennuksia suojataan salaman iskuilta Ukkosenjohdattimen|ukkosenjohdattimen avulla. Sähkölaitteiden suojaamiseen käytetään joko Ylijännittesuojaa|ylijännittesuojaa tai metallista koteloa, joka muodostaa suojaavan ns. Faradayn häkin|faradayn häkin laitteen ympärille.
Kappaleen varautumisen hankauksessa saa aikaiseksi kappaleesta toiseen siirtyvä Elektroni|elektroni. Kappale, josta elektroni siirtyy pois, saa Positiivisen|positiivisen varauksen. Puolestaan kappale, johon elektroni siirtyy, saa Negatiivisen|negatiivisen varauksen. Erimerkkisten varausten välillä on Veto|vetovoima. Samanmerkkisten varausten välillä on Poisto|poistovoima.
31C. Sanaristikko
vaakaan:
3. protoni: Atomin hiukkanen, jonka varaus on positiivinen
4. elektroni: Atomin hiukkanen, jonka varaus on negatiivinen
5. elektronipilvi: Atomin toinen pääosa
6. neutroni: Atomin hiukkanen, jolla ei ole varausta
7. atomi: Aine koostuu näistä
8. ydin: Atomin toinen pääosa
pystyyn:
1. varaukseton: Atomin varaus
2. sähkövirta: On elektronien liikettä johtimessa
31D. Atomin rakenne
A: Protoni|protoni ja se on varaukseltaan Positiivinen|positiivinen
B: Neutroni|neutroni ja se on varaukseltaan Neutraali|neutraali:
C: Elektroni|elektroni ja se on varaukseltaan Negatiivinen|negatiivinen
Edellä olevista hiukkasista elektronin|Elektronin siirtyminen hankauksen vaikutuksesta saa aikaan kappaleen sähköisen varauksen. Kun hiukkasia siirtyy kappaleeseen, tulee siitä negatiivisesti|Negatiivisesti varautunut. Kun hiukkasia siirtyy pois aineesta, tulee siitä positiivisesti|Positiivisesti varautunut.
31E. Korjaa väärät väittämät
Vertaa alla olevia väittämiä tähän tilanteeseen:
Vertailutilanne. Alla olevissa kivussa on tehtävän alkuperäiset kuvat.
a) Oikein
b) Väärin
Korjaus:
Voimien oltava lyhyempiä, koska hiukkaset ovat kauempana kuin vertailutilanteessa ja sähköisen varauksen suuruus on verrannollinen etäisyyden neliöön.
c) Oikein
d) Väärin
Korjaus:
Voima ja vastavoima ovat yhtä suuret, joten vaikka toisen hiukkasen varaus onkin pienempi, niin niiden väliset voimat ovat yhtä suuret. Voimanuolien pituuksien on oltava vertailutilanteeseen nähden nelinkertaiset.
31F. Sähkövaraus
a) Minkälainen varaus on hiuksilla?
Hiuksilla on positiivinen varaus, koska niistä on siirtynyt negatiivisia elektroneja kampaan.
b) Mitä on tapahtunut, että kampa ja hiukset saivat sähköiset varaukset?
Hiuksista on siirtynyt hankauksen vaikutuksesta elektroneja kampaan. Koska kammassa on sen jälkeen enemmän negatiivisia elektroneja kuin positiivisia protoneja, kampa varautuu negatiivisesti. Hiuksista puolestaan puuttuu negatiivisia elektroneja, jolloin positiviisia protoneja on enemmän. Siten hiukset varautuvat positiivisesti.
Hiukset ovat nousseet pystyyn hankauksen vaikutuksesta.
Huomioita:
Jos oppilas ehdottaa, että protoneja on siirtynyt hankauksessa, niin silloin kannattaa kerrata lyhyesti kemian puolelta protonin merkitys. Tietyn alkuaineen protoneilla on aina sama määrä protoneja ytimessään. Jos protoneja siirtyisi hankauksen vaikutuksesta, aina muuttuisi toiseksi!
c) Miten hiusten varautumisen voi havaita? Kampaa omia hiuksiasi ja ota kuva niistä.
Hiukset nousevat pystyyn, koska samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan.
31G. Ota selvää 1 - Varattu kappale ja vesinoro
Vesinoro (linkki videoon) kääntyy toiseen suuntaan, koska varattu kappale saa vesimolekyylit järjestymään siten, että vesimolekyylin osittaisesti positiivisesti varautunut puoli eli vedyt kääntyvät kohti negatiivisesti varautunutta kappaletta.
Vesimolekyylillä, vaikka onkin molekyyliyhdiste, on hetkittäin vetyjen puolella positiivinen varaus ja hapen puolella negatiivinen. Tämä johtuu hapesta, joka vetää hivenen enenmmän puoleensa yhteisiä sidoselektroneita. Sen takia negatiivisesti varautuneen viivoittimen kohdalla vesimolekyylit kääntyvät vedyt viivoitinta kohden ja vesinoro tekee mutkan.
31H. Ota selvää 2 - Ukkonen
Miksi golf-kentällä on varoitus pelaamisesta ukkosella? Käytä apunasi internettiä.
Golf-kentät ovat melko avaraa seutua. Siten pelaa on maaston korkein kohta. Salama hakautuu usein juuri alueen korkeimpiin kohteisiin. Siksi ukkosen aikaan pelaaminen voi olla vaarallista.
esimerkiksi
http://www.mtv.fi/uutiset/kotimaa/artikkeli/salama-iski-mieheen-golf-kentalla-lappajarvella/3538176
31I. Ota selvää 3 - Hankaussähkö
Hiukset ovat hanganneet lastenrattaiden kankaaseen. Hankauksessa elektroneita on siirtynyt, jolloin sekä hiukset että kangas ovat sähköistyneet. Varauksen merkkiä kummankaan osalta ei voida sanoa. Erimerkkisesti varautunut kangas ja hiukset vetävät toisiaan puoleensa.
31J. Ota selvää 4 - Faradayn häkki
Etsi internettiä apunasi käyttäen, mikä Faradayn häkki on ja miten se liittyy sähköoppiin.
Faradayn häkki on sähköä johtavasta materiaalista valmistettu häkki, jota sähkökenttä ei läpäise. Esimerkiksi auton kori tai laivan runko ovat Faradayn häkkejä. Siksi kännykkä ei kuulu hyvin laivan ruumassa.
esimerkiksi linkit:
http://fi.wikipedia.org/wiki/Faradayn_h%C3%A4kki
https://www.youtube.com/watch?v=qj0PbpyHf1k
(Video osoittaa sen, että häkin sisälle ei muodostu sähkökenttää, joka vuorovaikuttaisi sen sisällä olevan nauhan kanssa. Ulkopuolella olevat kohteet reagoivat syntyneeseen sähkökenttään.)
31K. Ota selvää 5 - Miten ukkoselta suojaudutaan?
Etsi internettiä apunasi käyttäen, miten ukkoselta voi suojautua ihminen ja miten rakennuksia suojataan.
Ihminen voi suojautua menemällä sisälle taloon tai autoon. Auto on turvallisempi sen metallisen korin ansiosta (Faradayn häkki!). Talon sisällä ei saa oleskella vesipisteiden eikä sähkölaitteiden läheisyydessä. Rakennuksia suojataan ukkosenjohdattimilla, jotka ovat metallista johdinta, joka johtaa salaman maahan.
Esimerkiksi linkit:
http://www.tukes.fi/tiedostot/sahko_ja_hissit/faq/ukkossuojaus.pdf
II Kokeellisuus
TYÖ 1 - Hankaussähkötutkimus
Luettele aineita, jotka sähköistyvät hankauksessa. Mainitse, millä materiaalilla hankasit ja mitä.
Esim. muovi ja muovi, villakangas ja muovi, villa ja muovi
Luettele aineita, jotka eivät sähköistyneet hankauksessa. Mainitse, millä materiaalilla hankasit ja mitä.
Esim. villa ja metalli
Miten hankaamisen määrä vaikutti välähdyksen voimakkuuteen?
Mitä enemmän ainetta hankasi, sitä voimakkaampi oli välähdys.
TYÖ 2: Varauksen merkki
a) Havainnot (eboniittisauva + villakangas):
Välähdys tapahtuu sauvan puolella. Tällöin eboniittisauvan varaus on negatiivinen.
b) Havainnot (lasisauva + silkkikangas):
Välähdys tapahtuu käden puolella. Tällöin lasisauvan varaus on positiivinen.
Luokka pitää olla pimennettynä, koska välähdykset eivät välttämättä ole helposti nähtäviä. Työ ei välttämättä onnistu uudenmallisella hohtolampulla, koska siinä välähdys tapahtuu aina keskellä. ks. kuvat: uusi ja vanha hohtolamppu.
Kuvassa ylempänä uudemapaa mallia oleva hohtolamppu. Alemmalla vanhemman mallisella hohtolampulla saa osoitettua varauksen merkin.
Hohtolampulla saadaan selville varauksen merkin lisäksi myös varauksen suuruus. Hohtolamppu välähtää negatiivisen varauksen puolella. Välähdyksen voimakkuus kertoo varauksen voimakkuuden.
TYÖ 3 - Sähköisiä veto- ja poistovoimia
Hankaa ensin eboniittisauvaa villakankaalla ja aseta se herkkäliikkeisen jalustan päälle. Hankaa tämän jälkeen lasisauvaa muovikalvolla. Vie lasisauva lähelle hangattua eboniittisauvaa. Mitä huomaat?
Sauvojen välillä on vetovoima.
Hankaa eboniitti sauva uudelleen villakankaalla ja aseta se herkkäliikkeiselle jalustalle. Hankaa sitten toista eboniittisauvaa villakankaalla. Vie hangattu sauva toisen lähelle. Mitä huomaat?
Sauvojen välillä on poistovoima.
Tutki hohtolampun avulla, minkä varauksen eboniittisauva ja lasisauva saavat. Miten varaukset vuorovaikuttavat keskenään?
Eboniittisauva varautuu villakankaalla negatiiviseksi ja lasisauva muovista positiiviseksi. Erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa ja samanmerkiset varaukset hylkivät.
Huomioita:
Jos ilma on erityisen kostea, voi olla, että hankaussähkötyöt eivät onnistu hyvin. Tällöin lasisauvan hankaamisen muovikalvolla ( = vetovoiman osoittaminen) voi korvata siten, että hankaa eboniittisauvaa villakankaalla. Vetovoima saadaan osoitettua siten, että sama hangattu villakangas viedään hangatun eboniittisauvan lähelle. Tällöin ne vetävät toisiaan puoleensa.
TYÖ 4: Taikurin viivoitin
Hankaa muovista viivoitinta esimerkiksi hiuksiisi tai puseroosi. Vie se sen jälkeen lähelle paperisilppua. Mitä havaitset?
Paperinpalat tarttuvat viivoittimeen etäältäkin.
Mistä ilmiö johtuu? Kokeile, toimisiko se samalla tavalla jonkin muun kappaleen kanssa.
Viivoittimen hankaaminen saa siihen aikaan sähkövarauksen. Kun varattu viivoitin viedään neutraalin paperisilpun lähelle, tapahtuu niissä polarisaatio eli paperin molekyylien kääntyminen. Kääntymisen vaikutuksesta paperin palan viivoittimen puoleinen reuna on positiivisesti varautunut. Siten paperinpalat tarttuvat negatiivisesti varautuneeseen viivoittimeen.
Viivoittimen pitäisi vetää puoleensa kaikkia eristemateriaaleja, mutta kappaleet voivat olla liian suurimassaisia, että vuorovaikutuksen suuruus ei riitä liikuttamaan niitä.
TYÖ 5: Varauksen suuruus
Hankaa eboniittisauvaa hieman villakankaalla. Kosketa sauvalla elektroskoopin kantaa. Mitä havaitset?
Elektroskoopin viisari asettuu toiseen asentoon.
Mistä ilmiö johtuu?
Negatiivisesti varautuneesta eboniittisauvasta siirtyy ylimääräisiä elektroneja elektroskoopin kantaan ja viisariin. Siten ne saavat negatiivisen varauksen ja viisari alkaa hylkimään runkoa. Tämän seurauksena viisari asettuu toiseen asentoon.
Kahden mallisia elektroskooppeja negatiivisesti varautuneina. Koska osoittimella ja rungolla on samanmerkkinen varaus, hylkii ne toisiaan. Siten osoitin kääntyy.
Pura elektroskoopin varaus koskettamalla kantaa kädelläsi. Hankaa uudelleen eboniittisauvaa villakankaalla, mutta tällä kertaa voimakkaammin. Kosketa sauvalla elektroskoopin kantaa. Mitä havaitset?
Käden kosketus purkaa varauksen eli ylimääräiset elektronit siirtyvät käden kautta maahan. Elektroskoopilla ei ole enää sähköistä varausta. Viisari värähtää suurempaan asentoon, kun enemmän hangatulla sauvalla kosketaan kantaa.
Selitä ilmiö.
Osoitin kääntyy eri asentoon, koska varauksen suuruus on tapauksissa eri. Kun eboniittisauvaa hangataan enemmän, siirtyy siihen enemmän negatiivisia elektroneja kuin vähäisemmällä hankauksella. Ylimääräiset elektronit siirtyvät elektroskooppiin, kun sitä kosketaan varatulla eboniittisauvalla.
TYÖ 6 - Sähköinen influenssi (demo)
Hankaa eboniittisauvaa villakankaalla. Vie varattu sauva lähelle elektroskoopin kantaa. Mitä huomaat
Elektroskoopin viisari heilahtaa, kun varattu sauva tuodaan kannan lähelle.
Mistä ilmiö johtuu?
Eboniittisauva varautuu negatiivisesti, kun sitä hangataan villalla. Sauvan negatiivinen varaus saa aikaan varausten jakautumisen elektroskoopin rungossa ja osoittimessa siten, että elektronit siirtyvät mahdollisimman kauaksi varautuneesta sauvasta. Näin runko ja osoitin saavat hetkellisesti negatiivisen varauksen ja ne alkavat hylkiä toisiaan. Tämä havaitaan osoittimen heilahduksena. Kun varattu sauva viedään kauemmaksi, palaavat elektronit paikoilleen, jolloin varausjakaumaa ei ole. Viisari palaa lepoasentoon (ks. elektroskoopin kuvat yllä).
Mikä on ilmiön nimi?
Kyseessä on sähköinen influenssi. Varausjakauma syntyi johteeseen, josa elektronit pääsevät liikkumaan vapaasti.