kísérleti fizika oktatás demonstrációs van de graaff...

Jófeju Anikó

Kísérleti fizika oktatás demonstrációsVan de Graaff-generátorral

Fizika BSc szakdolgozat

Jófeju AnikóELTE TTK Fizika BSc,

fizika-matematika tanári szakirány

Témavezeto: Dr. Horváth ÁkosEgyetemi docens

ELTE TTK Fizikai Intézet

Atomfizikai Tanszék.

Budapest, 2013 május 31.

Kivonat

Szakdolgozatom három fo részre tagolható: az elso részben a Van de Graaff-generátorok

általános bemutatására fektettem hangsúlyt, sorra vettem a gererátorok muködését a kezdetektol a

sztatikus részecskegyorsítókig.

A második részben egy teljes generátor tervezését és lehetséges kivitelezését szeretném bemutatni,

valamint a rendelkezésünkre álló meghibásodott, elhasználódott generátor javítási munkálatait,

lépéseit részletezem.

A harmadik részben változatos középiskolai kísérleteket veszek sorra, és vizsgálom meg a

jelenségek fizikai hátterét.

i

Tartalomjegyzék

1. Bevezeto 1

2. Irodalmi áttekintés 22.1. Töltés eloállításának módszerei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2. Sztatikus töltést eloállító gépek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.3. Robert Van de Graaff élete, munkássága . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.4. A generátor muködése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.5. Sztatikus részecskegyorsítók muködése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.6. A tandemgenerátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.7. Van de Graaff-generátorok a napjainkban . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3. A munka 113.1. Teljes generátor tervezése, megépítésének célja . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2. Az építéshez felhasználható anyagok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.3. Jelenlegi generátorunkról és annak hibáiról . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.4. Javítás menete és ellenorzése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.5. Tapasztalatok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4. A készülék használata a középiskolai oktatásban 184.1. A generátorral kapcsolatos jelenségek általános leírása . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1.1. Korona-, csúcs-, nyaláb- és szikrakisülések . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1.2. Coulomb törvénye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.1.3. Elektromos potenciál és feszültség . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.1.4. Csúcshatás, elektromos szél . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1.5. Ködfény . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1.6. Kondenzátorok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1.7. Elektromágneses hullámok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.1.8. Szikrák kémiai hatásai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2. A generátorral elvégezheto kísérletek és mérések . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2.1. Szikrák bemutatása kisütogömbbel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

ii

4.2.2. Coulomb-vonzóero bemutatása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2.3. Különbözo elektródok átütési feszültségének meghatározása . . . . . . . 26

4.2.4. Gyertyaláng elfújása elektromos széllel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.2.5. Elektrosztatikus Segner-kerék . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.6. Cigarettafüst lecsapatása csúcshatással . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2.7. Hajfelállítás van de Graaff-generátorral . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2.8. Elektrosztatikus harangjáték . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2.9. Neoncso felvillantása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.2.10. Elektromosság észlelése zsebrádióval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.2.11. Elektromos szikrák mechanikai hatásainak vizsgálata . . . . . . . . . . . 31

4.2.12. Eletromos szikrák kémiai hatásának vizsgálata . . . . . . . . . . . . . . 31

4.2.13. Eletromos szikrák mágneses hatásának vizsgálata . . . . . . . . . . . . . 32

4.2.14. Elektromos szikrák hohatása-szikrák nyoma hopapíron . . . . . . . . . . 32

5. Összefoglalás 34Irodalomjegyzék . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

1. fejezet

Bevezeto

Dolgozatomban a kísérleti fizika egyik alapterületének, az elektrosztatikának oktatásával fog-

lalkozom. Munkám elso harmadában az elektrosztatikus kísérletek egy alapeszközének, a Van

de Graaff-generátornak kifejlesztésérol, muködésérol, és szélesköru felhasználásáról írok a fizi-

kai kutatásokban. Sajnos, felmérések szerint elmondhatjuk, hogy a természettudományos tárgyak

helyzete a közoktatásban nem épp szívderíto. Folyamatosan csökkennek a természettudományos

óraszámok, manapság a fizika és kémia szakos tanár hiányszakmának minosül. Másik elszomorító

tényezo, hogy a diákok érdeklodése is más területek felé irányul. Ennek egyik okát abban is látom,

hogy a tanárórákon nem sikerül lekötni a figyelmüket, felkelteni érdeklodésüket. Ennek orvosságai

lehetnének a látványos demonstrációs kísérletek. A diákok nem látnak elegendo kísérletet, szinte

nem is végeznek tanulói kísérletet, hacsak nem reál tagozatos osztályba járnak, és emelt óraszám-

ban tanulják a fizikát, viszont beláthatjuk, nem ok vannak többségben. Ezért éreztem indíttatást

arra, hogy ezzel a témával dolgozzam, és olyan demonstrációs kísérletekkel foglalkozzam dolgo-

zatom harmadik részében, amik egy kevésbé természettudományos érdeklodésu diák érdeklodését

is megfoghatják. Tapasztalatom szerint, a megfeleloen bemutatott és elmagyarázott kísérletek elo-

segíthetik az élményszeru tanulást.

Másrészt a demonstrációs kísérletek hiányát abban látom, hogy a fizikaszertárak eszközbázisa

meglehetosen hiányos, elavult. Sok helyen elofordul, hogy a kísérletekhez nincs mit felhasználni.

Elég sok legyártott kísérleti eszközt az iskolák nem engedhetnek meg maguknak. Ez a tény moti-

vált arra, hogy megtervezzek egy ilyen generátor,t és leírjam elkészítésének menetét. Sok esetben

az elég lenne a meghibásodott Van de Graaff-generátort megjavítanák, bizonyos alkatrészeket ki-

cserélnék. Ezekre a kisebb-nagyobb javítási munkálatokra szeretnék ötleteket bemutatni a dolgo-

zatom második részében.

Témaválasztásom hátterében az áll, hogy tanári szakirányos hallgatóként fontos számomra a fi-

zikaoktatás és a természettudományos tantárgyak helyzete. Úgy érzem, megfelelo módszerekkel

több diákkal meg lehet szerettetni a fizikát, a természettudományokat, és ha csak egy kicsit is

megismertetni velük a megértés, a felfedezés örömét.

1

2. fejezet

Irodalmi áttekintés

2.1. Töltés eloállításának módszerei

(forrás: [5][6])

Történelmi adataink szerint eloször Thales tett említést arról i. e. 600 körül, hogy a borostyánko,

amit gyapjúval megdörzsöltek, apró testeket vonz magához. Hasonló tulajdonsággal sok más test

is rendelkezik, mint például a foncsorozott borrel megdörzsölt üvegrúd. Ezek a testek dörzsölés

hatására olyan állapotba kerülnek, amelyben erohatást képesek kifejteni. Ezt az állapotot elektro-

mos állapotnak nevezzük és az erohatást a testeken lévo elektromos töltésnek tulajdonítjuk.

Kísérleti tapasztalatok alapján két gyapjúval megdörzsölt ebonit rúd taszítja egymást, viszont ha

egy borrel megdörzsölt üvegrúddal közelítünk a gyapjúval dörzsölt ebonit rúdhoz, akkor közöttük

vonzás lép fel. Arra következtettek, hogy kétféle töltés létezhet. Önkényesen a borrel dörzsölt üveg

töltését pozitívnak, a gyapjúval dörzsölt ebonit rúd töltését negatívnak nevezzük. Ezek alapján úgy

találták, hogy egynemu töltések taszítják, a különbözoek pedig vonzzák egymást.

Megdörzsölt ebonit rúd a semleges golyót érintkezés után eltaszítja, ez pedig azt jelenti, hogy a

golyó érintkezéskor negatív töltést vett fel. Érintkezés útján az elektromos töltés átmehet egyik

testrol a másikra.

Két különbözo anyagú test dörzsölésekor a két testen ellentétes elojelu töltések halmozódtak fel,

ebbol pedig az következik, hogy a dörzsölés eredménye nem a töltések létrehozásában, hanem a

kétféle töltés szétválasztásában áll.

2.2. Sztatikus töltést eloállító gépek

(forrás:[1][2][15])

A történelem során már többen is próbáltak sztatikus elektromos töltést eloállítani. Az ilyen

sztatikus töltést eloállító gépeket nevezik elektromozó gépeknek. Az elso ilyen gép osét eloször

Otto von Guericke (1602-1686) készítette el 1672-ben, amelynek segítségével az elektromos

megosztás és az elektromos szikrák tulajdonságait vizsgálta. Guericke a gépénél egy tengelyen

2

2. FEJEZET. IRODALMI ÁTTEKINTÉS 3

forgó kéngolyót dörzsölt a száraz tenyerével. Christian August Hausen (1693-1743) 1743-ban el-

készített gépe ettol csak annyiban különbözött, hogy o a kéngolyó helyett üveggolyót alkalmazott.

Hausen gépét Georg Matthias Bose (1710-1761) tökéletesítette úgy, hogy selyemfonálra

felfüggesztett fémcsövet függesztett az üveggolyó fölé, a golyó függoleges átmérojétol kis távol-

ságra. Az üveggolyó és a henger között szikrák ugrottak át, s a henger is elektromos állapotba

került.

A gépet úgy próbálták javítani, hogy a dörzsölt test alakját próbálták változtatni. Eleinte az

egyetlen golyót egy golyósorral cserélték ki. Ezen pedig Andrew Gordon úgy változtatott, hogy a

dörzsölt golyósort üveghengerrel helyettesítette.

Eddigiek során a test dörzsölt alakján próbáltak változtatni. Nagy haladás volt továbbá az is, hogy

már nem a kezükkel dörzsölték a testet, hanem egy másik anyagot próbáltak erre használni. Ilyen

változtatást vezetett be Giessling: a hengert már nem kézzel, hanem egy alkalmasan felerosített

gyapjúpárnával dörzsölték. Ezt az újítás Winkler találta ki. Késobb a dörzsölo anyagon változtat-

tak, a gyapjúpárnát egy foncsorozott borrel helyettesítették. Ez növelte a gép hatékonyságát.

Az elektromosság a fémhengerre folytonos kisülések útján ment át, láncok, szövetszalagok köz-

vetítésével, amik összekötötték a fém hengert és az üveghengert. Benjamin Wilson a csúcshatást

használta fel erre. A fémhengerrol egy pálcáról egy fém fésu lógott le az üveghenger felé.

Ezután ismét a forgóhenger alakján igyekeztek változtatni. Jesse Ramsdennek és Holtznak kis

eltéréssel, de egyszerre jutott eszébe, hogy a forgóhenger helyett üvegkorongot használjon. Így

1766 tájékán kituno elektromozó gépet szerkesztettek.

2.1. ábra. Ramsden gépe, amelyen a forgóhengert üvegkoronggal helyettesítette. [15]


2.2. ábra. A Holtz álltal készített elektromozó gép. [15]

A XVIII. században a legnagyobb elektromozó gépet Martin van Marum készítette 1785-ben

a párizsi nemzetközi elektromossági kiállításra. Ezt a gépet modernizálta Robert Van de Graaff.

Elektromos töltés eloállítására az idok során sokféle gépet szerkesztettek. Alessandro Volta

is dolgozott ilyen eszközön 1775 körül, ez az eszköz volt az elektrofór. Egy lapos óntálat

olyan gyantás anyaggal kell feltölteni, ami az ido során lepénnyé keményedik. Miután ezt

megdörzsöljük, negatív elektromos töltéssel fog bírni. Ezután egy szigetelo nyéllel ellátott tányért

helyezünk a lepényre, és egy rövid érintés után felemeljük a tányért. Ennek köszönhetoen a tányér

pozitív elektromos töltést kapott. Az erovonalak a gyantáról a fémtányérhoz futnak, mikor az

éppen rajta fekszik. Az érintés után azok a vonalak, amelyek a tányér felso felületéhez mentek,

összeomlanak úgy, hogy csak azok maradnak meg, amik a gyanta és a tányér között futnak. A

lepény erosen tartja a negatív töltését, annyira, hogy még akkor sem sül ki, amikor a tányért

rátesszük. A folyamatot újra és újra megismételhetjük. Ahhoz, hogy töltést állítsunk elo, munkát

kell végeznünk.


2.3. ábra. Az elektrofor sematikus rajza.[2]

2.3. Robert Van de Graaff élete, munkássága

(forrás:[14])

Robert Jemison Van de Graaff holland származású fizikus 1901. december 20-án született Tusca-

loosaban, Alabama államban, a Universiy of Alabama és a Sorbonne egyetemeken végezte tanul-

mányait, a PhD fokozatát az Oxford Egyetemen szerezte 1928-ban. Nem sokkal késobb, 1929-ben

fejlesztette ki elso nagy feszültségu generátorát a Princeton Egyetemen. Az a generátor 80000 V

feszültség eloállítására volt képes. 1931-re pedig sikerült egy 7 millió V feszültségu generátort

terveznie. A tandem Van de Graaf generátort is o fejlesztette ki, amely több generátorból áll, ahol

a negatív inonokat felgyorsítják, még mielott egy vagy két elektron válna le az ionokról, majd újra

gyorsítják. 1965-ben az American Physical Society neki ítélte a Bonner-díjat az elektrosztatikus

gyorsítókkal végzett munkájáért. Van de Graaff generátorának kifejlesztésénél az elektromozó gé-

pet „modernizálta”. Megújította a gép készítésénél alkalmazott anyagokat: már nem foncsorozott

bort használt dörzsölo anyagként, hanem az elso generátoránál selyemszalagot, majd a késobbi-

ekben gumiszalagot, valamint az üveghengert is plexihengerre cserélte le. Eloször alkalmazta a

fémhenger helyett a fémburát.

2.4. A generátor muködése

(forrás:[5][6][7])

A generátorban két görgo között egy végtelenített, szigetelobol, általában gumiból készült szalag

van. Az alsó görgot általában forgatják. Az egyik görgo muanyagból, plexibol készül, a másik

pedig fémbol. Ha a felso görgo plexibol készült, akkor a leváló szalag negatív töltésu, és ezt a

negatív töltést egy fémkefe szedi le és juttatja az alsó görgohöz(amit leföldelnek) a csúcshatás

lévén. Ennek köszönhetoen a felso fémbúra pozitív töltéssel fog bírni. A negatív töltéseket pedig


leföldeljük. Ha a görgok sorrendjét megcseréljük, akkor a polaritás is megváltozik, ebben az eset-

ben a felso fémbura negatív töltéssel fog redelkezni. Ez úgy lehetséges, hogy a szalaggenerátor

plexi görgojének pozitív töltése megosztó hatással van a földelt fésure, és a földelésbol negatív

töltéseket szív a szalag külso felületére. A töltéseket a gumiszalag a felso fémhengerhez szállítja,

ott újra a csúcshatásnak köszönhetoen a felso fésusoron át a felso elektróda külsejére kerülnek.

A felso fémburán és a kisütogömbön a töltésszétválasztás miatt egyre több töltés halmozódik fel,

így a feszültség egyre nagyobb lesz. Ha elég nagy a feszültségkülönbség a két gömb között, akkor

létrejöhetnek a kisülések, a szikrák.

2.4. ábra. A Van de Graaff-készülék.[2]

2.5. Sztatikus részecskegyorsítók muködése

(forrás:[3][4][5][13][18])

A részecskegyorsítók építésére vonatkozó elso kísérletek a huszadik század elso felében kezdod-

tek el. Egyik elso gyorsítók voltak az elektrosztatikus részecskegyorsítók, a legegyszerubb fajtánál

két elektróda között sztatikus nagyfeszültséget hoznak létre.

Ahhoz, hogy töltött részecskékkel létrehozhassunk magreakciókat, a részecskékkel nagy energiát

kell közölnünk, hogy a céltárgyak Coulomb-terének taszító hatását le tudjuk gyozni. Legegysze-

rubb esetben két elektróda között sztatikus nagyfeszültséget hozunk létre.

Elve: egy közel 10 kV egyenfeszültségu tusor folyamatosan tölti az elotte futó szigeteloszalagot,

amit egy motor hajt meg. A szalag ezt a töltést felviszi a felso elektródára, ahol egy másik tusor


leszedi azt. A generátort jellemezhetjük a maximális feszültséggel és maximális felvitt árammal.

i = vbd (2.5.1)

ahol v a szalagsebesség, b a szalagszélesség, d pedig a szalag töltéssurusége. Azt, hogy mekkora

ez az áramerosség, a levego átütési szilárdsága határozza meg, ami 2,6 ·10−9 Ascm2 Mivel ennek csak

a fele engedheto meg a valóságban, ezért a felso elektródába egy áttölto berendezést helyeznek el,

amivel a töltés megkétszerezheto.

A maximális feszültséget nagyrészt a felso elektróda mérete szabja meg. A feszültség addig

emelkedhet, amíg egy helyen meg nem haladj az átütési szilárdságot. Ha a felso elektródának a

feszültséggel növekvo veszteségi árama is van, akkor a feszültség addig fog emelkedni, míg a

vesztett és a felvitt áramok nem kerülnek egyensúlyba. Az így kiadódó feszültség kisebb e fenti

elektróda átütési feszültségénél.

Ionforrásként többféle ionforrás is rendelkezésre állhat. Az ionokat egy kivonó elektródán

keresztül a gyorsító csobe juttatják, ahol ezután az ionok a föld potenciál felé gyorsulnak. Ezután

egy analizáló mágnes segítségével az ionokat mágneses térben körpályára állítják, egy-egy kör

megtétele után vízszintesen haladnak tovább a megfelelo energiájú, tömegu és töltésu ionok.

Vákuumrendszer segítségével kis nyomást, nagy vákuumot hoznak létre, hogy a gázrészecskékkel

ütközve ne veszítsenek energiát, ne lassuljanak le, és ne töltodjenek át. Több esetben is kapcso-

lómágnes segítségével a különbözo kutatási területekhez tartozó nyalábcsatornákba irányítják az

ionnyalábot. Ahhoz pedig, hogy jól definiált részecskesugár vagy részecskenyaláb legyen, a teret

fókuszáló elektródákra van szükség.

Ilyen egyszeres gyorsító a kaszkád- és a Van de Graaff féle generátor is.


2.5. ábra. Van de Graaff-generátor és gyorsító.[3]

2.6. A tandemgenerátor

(forrás:[4]

A Van de Graaff generátorok feszültségértékének felso határa 20MV körül van, és ezt is úgy lehet

elérni, ha két generátort összekapcsolnak. Az áttöltéses, a tandemgenerátorok olyan berendezések,

amelyek generátor feszültségét kétszeresen használják ki. L.M. Alvarez azt javasolta, hogy iontöl-

téssel a részecskék energiáját meg lehet növelni. Ha gyorsítóba, a gyorsítócso vége felol negatív

töltésu ionokat lövünk be, és a feszültségforrás polaritása pozitív, akkor az ionok eU energiájúak

lesznek. (e az ion töltése, U pedig a generátor teljes feszültsége). Az elektród belsejében fémfólián

vagy gázkamrán haladnak át az ionok, amikor áthaladnak, az ionokról elektronok szakadnak

le, ionok pozitív töltésuekké vállnak, és energiájuk nem változik. Amikor ezeket az ionokat az

elobbivel azonos tengelyu, de másik oldalukon földelt gyorsítócsövön küldjük át, a cso másik

végén az ionok 2eV energiával távoznak. Ez lehetové tette eros ion sugarak generálást, amelyek

elegendoek voltak nukleáris vizsgálatokra. A legmagasabb feszültség, amit elkértek: 25,5GV volt.


2.6. ábra. Tandemgenerátor. [4]

2.7. Van de Graaff-generátorok a napjainkban

Ma Van de Graaff-generátorokat az iskolai oktatásban, demonstrációs kísérletek kivitelezésére

is használják. Felhasználásával különbözo elektrosztatikai kísérleteket végezhetünk el. Ezeknek

részletesebb leírására a késobbi munkám során fogok kitérni.

Különbözo kutatóintézetekben a mai napig használatban vannak a Van de Graaff generátorok.

Ezeket az kutatási területeknek megfeleloen legyártott eszközöket a nagyenergiás kísérletekhez

használják fel.

Magyarországon két kutatóintézetben használják oket szilárdtestfizikai és részecskefizika kutatá-

sokra: Budapesten az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontban és Debrecenben az Atommagkutató

intézetben.

A Magyar Tudományos Akadémia Wigner Fizikai Kutatóközpont Van de Graaff-gyorsítója

(forrás:[9] [10])

A budapesti MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Van de Graaff-gyorsítóját a Központi Fizikai

Kutatóintézet munkatársai tervezték és építtették meg, és 1970. március 12-én helyezték üzembe.

Azóta több rekonstrukción és felújításon is átesett, az utolsóra 1989 és 1992 között került sor.

1997-ben a gyorsítót összekötötték a Nehézion Kaszkádgyorsítóval, 2003-ban pedig üzembe

állhatott a Hamburgi Egyetemrol áttelepített mikronyaláb rendszer.

A generátor néhány fontosabb adata: A gyorsító feszültség 0,5-4,5 MV között van, a maximális

gyorsító feszültsége 5MV , energiastabilitása maximum 1keV . A generátor ionválasztéka a

gyorsításhoz: proton, deuteron, hélium és nitrogén. Az analizáló mágnes típusa NMR Teslameter.

Szilárdtestek felületének közelében az azt alkotó elemek mélységbeli eloszlásának meghatá-

rozására leggyakrabban néhány MeV-es energiájú ionok szórásán alapuló módszereket, ú.n.

ionnyalábos analízist alkalmaznak. Bár e módszereket már régóta használják, még mindig sok

probléma merül fel, amikor új területeken alkalmazzák.


A Van de Graaff-generátoros kutatásokat az intézetben az ionnyalábos analízis fejlesztésére

használják, másrészt a szilárdtestfizika és az anyagtudomány területén dolgoznak vele. Az IBA

fejlesztésének területén a Rutherford-visszaszórásos spektrometria területére, oxigén kimutatására

dolgoztak ki új módszert, ami alapjául 16O(α ,α)16O rugalmas rezonanciája szolgál. A módszer

felbontását 3,5-5 faktorral tovább sikerült növelni azzal, hogy súrlódó beesésu geometriát

használnak. Az ERDA módszert (hidrogén izotópok mélységbeli eloszlásának vizsgálata) tovább-

fejlesztették, és kifejlesztettek egy módszert a megfelelo kísérleti paraméterek meghatározására

az optimális mélységfelbontáshoz. Sikerült kifejleszteniük egy új módszert a csatornában haladó

ionok fékezodésének meghatározására úgy, hogy az egyes elemek hatáskeresztmetszetében levo

rezonanciákat használták. A módszer speciális céltárgy készítést nem követel meg. Valamint

számos programot fejlesztettek ki az IBA spektrumok analízisére.

A szilárdtestfizika és anyagtudomány területén az ionimplantáció alapfolyamatait vizsgálják

különbözo szigetelo és vezeto egykristályokban. Továbbá az ionimplantációs felületmódosítással

jobb felületi tulajdonságú anyagokat állítanak elo. Ionimplantáció hatását vizsgálják porózus

anyagokon, valamint, hogy a folyamat milyen felületi deformációkat hoz létre. Kutatásaik során

nemegyensúlyi fázisokat hoznak létre, és vizsgálják azokat. Továbbá a generátorral vizsgálnak

még vékonyrétegeket, határfelületeket; nanorészecskéket, porózus vagy heterogén anyagokat és a

szilíciumkarbid oxidációs folyamatait. [10]

A Magyar Tudományos Akadémia Atommagkutató Intézetének generátorai

(forrás:[11][12])

Az ATOMKI részecskefizikai kutatásaiban két generátort használnak, egy 1 MV-os és egy 5 MV-

os Van de Graaff gyorsítót.

Az 1 MV-os gyorsítót jellemzo muszaki adatok: A névleges gyorsítófeszültségtartományból ál-

talában 90-1000 kV-tal dolgoznak. A berendezés energiastabilitása 10 keV, a kutatásokhoz

H+,He+,C+ ionokat hasznának fel. A gyorsító analizáló mágneses térméroje pedig egy Hall-elem.

Az 5 MV-os Van de Graaff-gyorsító muszaki adatai: Maximális gyorsítófeszültsége 5 MV, tipikus

gyorsítófeszültség tartománya 0,8-3,5 MV között van. A berendezés energiastabilitása kisebb mint

1 keV. Ennél a generátornál más szélesebb ionválaszték áll a kutatók rendelkezésére: H+,D+,He+,

C+,N+,O+,Ne+. Analizáló mágneses térméroként NMR Teslametert használnak.

3. fejezet

A munka

3.1. Teljes generátor tervezése, megépítésének célja

(forrás:[16])

A generátort akár házilag is meg lehet építeni. Erre a lehetoségre szeretnék egy példát adni. A

generátor talapzatát többféleképpen lehet kivitelezni: lehet plexilapra vagy fára is dolgozni. A

mi esetünkben a voksomat faanyag mellett tenném le, mivel könnyebben alakítható mint a plexi.

A generátor tartóoszlopát egy ∼ 10 cm belso átméroju plexihenger adná, és a plexihengeren

az alkatrészeknek a megfelelo alakításokat el kell végezni. A görgok méretüket tekintve 5 cm

átmérojuek, anyagukat tekintve: az egyik fém, például alumínium, a másik pedig muanyag.

Ezeknek a helyét is ki kell alakítani a plexihengeren: az alsónak az oszlop végétol számolva 10-12

cm magasan az oszlop feléig egy vékony, 1-1,5 cm széles rést, a felsonek a plexioszlop tetején

vághatunk két kis nyílást, egymással szemben. Ezeken kívül még a töltéseket leszedo fésuknek

kell helyet kialakítani, a felso tartórúdjának a görgok vájatára merolegesen, 5 cm mélységig

kell egymással szemben egy-egy rés. Az alsó fésunek a henger alsó részében, az alsó görgovel

párhuzamosan, 7 cm mélységig kell két 0,5 cm szélességu rés, egymással szemben.

A görgoknél fontos a töltésszétválasztás szempontjából, hogy más anyagból legyenek. A gene-

rátorhoz ∼ 9,5 cm hosszú görgok alkalmasak. Elképzeléseim szerint a görgok fém tengelyeken

helyezkednek el, és könnyen forognak ezeken a tengelyeken. Ahhoz, hogy szíjhajtásos megol-

dással meg lehessen hajtani a motort, szükséges egy egy szíjtárcsa, amibe a szíj be tud feszülni.

Ennek alakja függ a szíj alakjától. A szíjtárcsát a plexihengeren kívül képzelem el. A tengelyek

rögzítéséhez egy kis darab menetes szárakat is hegeszthetünk a tengelyek végére, amit ezután

csavarkötéssel rögzíthetünk. A görgok sorrendjét attól függoen szabnám meg, hogy melyik

anyagot tudom könnyebben alakítani.

Még nem ejtettem szót a gumiszalagról. Anyaga lehet akár szilikonból, latexbol, vagy egyéb

gumiszalagból. Szilikongumi szalagot lehet könnyedén alakítani, méretre vágni és ragasztani

ragasztóval. A szalagot végteleníteni kell, ezt úgy lehet elérni, hogy a szalag két végét összera-

gasztjuk.

11

3. FEJEZET. A MUNKA 12

A generátor nagyon fontos része a nagyobbik elektróda, a fémbura. Ennek beszerzése lehet a

legegyszerubb: akár két IKEA-s tál is megfelel. Az egyik tál aljára kell egy akkora lyukat vágni,

hogy a plexihenger beleférjen, ez megközelítoleg egy 13 cm átméroju kerek nyílást jelent.

A felso leszedofésut is a burához tudjuk rögzíteni: a görgokkel párhuzamos fésut egy rá meroleges

tengelyre forraszthatjuk és ezt a tengelyt a két tál közé rögzíthetjük. A tengely lehet akár

forrasztható lemez, amire vékony drótokat forraszthatunk. A két keverotálat egymáshoz több

csavarkötéssel erosíthetjük. Az alsó fésusort a plexi aljába vágott kis résben rögzíthetjük, a résen

keresztül krokodilcsipeszes vezetékkel könnyen megoldható a földelés is.

Ezután már csak a generátor összeszerelése vár ránk: eloször a gumiszalagot rátenném a görgokre,

ezután illeszteném be oket a helyükre, és csavarkötéssel rögzíteném, majd a leszedofésuk tenge-

lyeit helyezném el, szintén csavarkötéssel szorítanám be oket. Ezután helyezném a talapzatba a

plexihengert, és végül felhelyezném a burát.

3.1. ábra. Az tervezett demonstrációs szalaggenerátorunk terve.

Sajnos a kereskedelmi forgalomban kapható demonstrációs Van de Graaff-generátorok igen

drágák. Áruk 100000 Ft-tól kezdodik, amit sok iskola nem engedhet meg magának. Viszont van-

nak vállalkozó kedvu fizikatanárok, akik vállalkoznának a generátor megépítésére. Építeni ol-

csóbb: fobb kiadást a plexihenger, a keverotálak és a motorhajtás jelent, ezek együttes ára 30000

Ft körül van. Emellé járulnak még a rögzítéshez felhasználandó anyacsavarok, tengelyek és me-


netes szárak; a töltésleszívó fésusorok és a kábelek ára: ezek összesen maximum 5000− 7000

Ft. Emellé társul még a szilikongumi szalag, ami 3000 Ft-ba kerülhet; a görgoket és a faanyagot

hozzászámolva ezek a kiadások 10000 Ft-ot jelentenek. Összesen egy Van de Graaff-generátor

megépítése 50000 Ft kiadást jelent.

3.2. Az építéshez felhasználható anyagok

(forrás:[16])

A generátor megépítéséhez a legkülönfélébb anyagokat is felhasználhatjuk.

A felso elektróda mindenképp vezetobol kell, hogy legyen. A mi tervünkben én is fémburát

választottam. Az egyik fontos dolog a kivitelezésnél, hogy a bura mindenképp zárt legyen, és

csak az a nyílás legyen rajta, ahol a tartóoszlop bemegy az elektródába. A másik tényezo, amire

érdemes odafigyelni, az, hogy az elektródán ne legyenek kiálló, csúcsos egyenetlenségek.

3.2. ábra. Triboelektromos sor. [16]


A görgok anyagának kiválasztásánál érdemes figyelembe venni a triboelektromos sort (3.2-es

ábra), ami azt mutatja meg, hogy dörzselektromos jelenség esetén a két dörzsölodo anyag közül,

egymáshoz viszonyítva melyik lesz pozitívabb. Az egyik görgonek érdemes muanyagnak vagy

üvegnek lennie, másik görgo anyagának pedig érdemes fémet választanunk. A hengerek anya-

gát érdemes a triboelektromos sorból két, minél távolabb elhelyezkedo anyagot választanunk. A

görgoknek pedig könnyen kell a tengelyeiken mozogniuk.

A görgokhöz érdemes a töltésszállító szalag anyagát is a triboelektromos sor alapján megha-

tározni. Például a szilikongumi szalag jó választás lehet, de nejlonszalag is megfelelhet, de akkor

muanyaghenger helyett más megoldást kell találni: kicserélhetjük a görgot szilikongumi görgore.

Mind a két esetben figyelmet kell fordítani arra, hogy szalag feszes legyen.

A leszedofésusoroknál szintén fontos, hogy vezeto anyagból legyenek, és a fésusor végig

hegyes legyen, mert így tudja majd a töltéseket csúcshatás lévén a szalagra juttatni. Anyagát

tekintve lehetnek akár hegyes fémlemezek, surun forrasztott vezetékdarabkák, vagy vékonyabb

vezetékfésuk.

A szerkezet vázát szigetelo cso adja, ez lehet akár PVC-cso, de az én választásom inkább

a plexicsore esett, mivel itt nyomon tudjuk követni a szalag és a görgok munkáját, ami egy

demonstrációs eszköz esetében nem utolsó szempont.

Végül, de nem utolsó sorban az eszköz talapzatát is szigeteloanyag adja, ehhez használhatunk

fát, plexit, amihez hozzá tudunk jutni, és meg tudjuk munkálni.

3.3. Jelenlegi generátorunkról és annak hibáiról

Generátorunkat a Kölcsey Ferenc Gimnáziumnak köszönhetjük. Az iskola rendelkezésünkre

bocsátotta az évek során eléggé elhasználódott, megviselt Calderoni J-16 típusú demonstrációs

Van de Graaff-generátorát. A generátor "több sebbol vérzett": fobb alkatrészei szerencsénkre meg-

voltak, így azokat nem kellett pótolni. Sajnos az eszköz így is sok javításra szorult. Rendelkezé-

sünkre állt a felso bura, a két görgo: az egyik alumíniumból, a másik plexibol, a plexi tartóelemek

és és a generátort meghajtó motor.

A generátorról hiányzott a felso fésusor, az ékszíj, ami összekötötte az alsó fémhengert a generátor

motorjával, valamint a végtelenített gumiszalag is kifogásolható állapotban volt. A gumiszalag el-

szakadt, anyaga elfáradt, hosszanti irányban sávosan elvékonyodott, és sok helyen apró, kis lyukak

keletkeztek rajta. A szakadást úgy próbálták meg orvosolni, hogy gumis anyagból megfoltozták.

Sajnos ez a módszer nem oldotta meg a problémát. A foltozás folyamatosan elakadhatott az alsó

fésusorban. Valószínuleg a gumiszalag roncsolódását is az okozhatta, hogy a szalag folyamatos

érintkezésben lehetett a tusorral. A generátornak továbbá szüksége volt még egy tápegységre, ami

a muködéséhez szükséges 24V feszültséget biztosítja számára, valamint vezetékekre, amik pedig


összekötik a tápegységet a generátor motorjával. A görgok rendes rögzítése sem volt megoldott,

mivel a két-két tekeros csavaranyából ketto is hiányzott

A javítás során megtaláltuk az ékszíjat a generátor belsejében, a motor mellett. Valószínuleg vala-

mikor az évek során eshetett bele, egy óvatlan pillanatban az ékszíj résén keresztül.

3.4. Javítás menete és ellenorzése

Javítási munkálatokban és a javítási ötletekben Nagy Viktor, Békefi László és Kovács Norbert,

a Csodák Palotája munkatársai voltak segítségemre, és hasznos tanácsokkal láttak el a javítással

kapcsolatban. Eloször is eltávolítottuk a már használhatatlanná vált gumiszalagot, valamint a javí-

tás idejére leszereltem a plexihengert és a fémhengert, és a munka idejére félretettem.

A munkálatokat a generátor borításának leszerelésével kezdtem, ennek köszönhetoen megtaláltam

a lecsúszott ékszíjat. Ezután egy tápegység segítségével muködésbe hoztuk a generátorhoz tartozó

motort. A motor kifogástalanul muködött, nem szorult cserére. Miután leellenoriztük a motor mu-

ködését és kivettem az ékszíjat, visszacsavaroztam a generátor motorházának oldalát.

Következo teendoként a leszedotusorokat pótoltam. Elkészítéséhez nyomtatott áramkör lemezeket

vágtunk fel 12 cm hosszúságú, 1 cm szélességu darabokra, valamint egy kicsit szélesebb utolsó

darabot is hagytunk. Ezután muszerdrótból 2 cm hosszúságú, vékony kis "sepruket" készítettem,

majd ezeket a kis sepruket 0,5 cm távolságnyira ráforrasztottam az egyik nyomtatott áramköri le-

mezkére. Ebbol a vékony lemezbol lett a felso leszedofésu. Alsó fésubol több félét is készítettünk:

egy hasonló seprus szerkezetut muszerdrótból, mint a felso fésusornál, és két másikat úgy, hogy

rézvezetéket forrasztottam rá a nyomtatott áramköri lemezre. A két tusor között a különbség a

rézdrótok suruségében volt. Az egyik lemezen 0,5 cm-ként helyezkednek el a vezetékdarabkák, a

másik lemezen 1-1 cm távolságra vannak egymástól. A forrasztás elott 2 cm hosszúságúra vágtam

fel a rézvezetéket, ennek köszönhetoen a késobbiekben megfelelo hosszúságúra vágtam le a szá-

lakat.

Ezután megoldást kellett találni arra a problémára, hogy nem lehetett rögzíteni a felso tusort. Az

alsó tusorral nem adódtak ilyen problémák, azokat két csavarral egyszeruen rögzíteni lehetett arra

a fémrúdra, ahova eredetileg is rögzítve voltak, és ahonnan a generátor földelése is megoldható.

Esetünkben az alsóhoz hasonló rögzíto rúd teljesen hiányzott. Új rögzíto rudat úgy készítettünk,

hogy egy vékony vasrudat méretre vágtunk, és a két végére menetes szárat hegesztettünk. Kiegé-

szítésként, hogy a leszedofésu biztosan érintkezzen a felso fémburával, egy vékony fémlemezt

rögzítettünk a menetes szárra. Ezt a szárat ezután két záranyával rögzítettük a helyére a plexiruda-

kon.


3.3. ábra. A felso töltésleszívó-fésu alkatrészei.

A szigetelo szalagot szilikongumi szalagból készítettük. Méretét úgy határoztuk meg, hogy

megfelelo mértékben ki legyen feszítve a két görgo között. Ezután már csak a generátor összeál-

lítása maradt hátra. Az alsó fém görgot két csavaranyával rögzítettem. Ennek köszönhetoen a két

rendelkezésünkre álló rögzítoanyát a felso görgohöz fel tudtuk használni, így lehetoségünk van

könnyen fel és le szerelni a gumiszalagot. Ez fontos a szilikonszalag állagának megóvásáért.

A generátorhoz készítettünk még továbbá kábeleket a tápegység és a generátor összekapcsolá-

sához, valamint a generátor földeléséhez. Ehhez vezetékek végére banándugót forrasztottunk, a

könnyebb megismerhetoség érdekében különbözo színu vezetékeket és banándugókat használ-

tunk.

3.4. ábra. A használatra kész, megjavított generátor.


3.5. Tapasztalatok

A javítási munkálatok után a generátorunk a vártnak megfeleloen muködött, még a kisülések

elott lehetett érezni az influencia hatásait például a hajunkon. Miután megfelelo feszültségre

töltöttük a generátort, ezután a kisütogömbbel a kívánt kisüléseket is létre tudtuk hozni.

A leszedo tusoroknál nagyon fontos a tusorok alakja, hogy a tuk hegyesek legyenek és megfele-

loen közel legyenek a szigetelobol készült szalaghoz, de ne érjenek hozzá. A mi generátorunknál

ezt olyan jól sikerült beállítani, hogy már "kézi hajtással" is töltésmegosztást tudtunk létrehozni.

A fésuk csúcshatásnak köszönhetoen továbbítják és szedik le a töltéseket a gumiszalagra. A

görgok és a szalag dörzsölodésének köszönhetoen jön létre a töltésszétválasztás. Attól függoen,

hogy melyik görgo hol helyezkedik el, változhat a készülék polaritása: a mi esetünkben a plexi

henger helyezkedik el fent, a fémgörgo pedig lent, ennek köszönhetoen a a felso fém bura pozitív

töltéssel bír.

A kísérletek sikerének szempontjából elengedhetetlen, hogy a levego páratartalma a leheto

legkisebb legyen, mert a nedvesség elvezeti a töltéseket.

4. fejezet

A készülék használata a középiskolaioktatásban

4.1. A generátorral kapcsolatos jelenségek általános leírása

4.1.1. Korona-, csúcs-, nyaláb- és szikrakisülések

(forrás:[5][6])

Ha nagyfeszültséget hozunk létre egymástól néhány cm távolságban, akkor az elektródáink

felületén kékes-pirosas világító pontokra, fényrétegeket figyelhetünk meg, mindemellett pedig

halk sercegést is hallhatunk. Ezt jelenséget nevezzük koronakisülésnek. A folyamat közben a

két elektród közötti rész sötét marad. Abban a speciális esetben, ha az egyik elektródot csúcsos

elektróddal helyettesítjük akkor csúcskisülésrol beszélhetünk. Fémlap és hegyes csúcs között

általában 2000 vagy 3000V esetén jön létre a kisülés attól függoen, hogy a csúcs katód vagy anód,

mindemellett ez a feszültségérték független a két elektród távolságától.

Ha a korona és csúcskisüléseknél a feszültséget tovább növeljük akkor nyalábkisüléseket tapasz-

talhatunk. A csúcskisülésekkel ellentétben a nyalábkisüléseknél erosen ingadozó áramerosséggel

találhatjuk szemben magunkat.

Az elobbiekben említett kisülési formák a ködfénykisülések és a sötét kisülések keverékének

tekinthetoek. Keletkezésük leegyszerusítve annak köszönheto, hogy az elektródok erosen görbült

részein (csúcsokon, éleken) és ezek közvetlen közelében a nagy térerosség hatására ütközési a

töltéshordozók a gázmolekulákat ionizálják, és fénykibocsátásra kényszerítik. Ezt a folyamatot

nevezzük ütközési ionizációnak.

Szikrakisülések során ha az eloidézo feszültséget tovább növeljük, a nyalábok egyre hosszabbak

lesznek, foleg ha lassan feltölto feszültségforrást alkalmazunk, a két elektród között szikra, átütés

ugrik át, ami pedig egy rövid idotartamú, eros áramnak felel meg.

Ekkor a térerosség elérte a megfelelo Ea átütési értéket. Ennek értéke függ a gáz p nyomásától. A

18

4. FEJEZET. A KÉSZÜLÉK HASZNÁLATA A KÖZÉPISKOLAI OKTATÁSBAN 19

Paschen-törvény szerint e ketto hányadosa közelítoleg állandó:

Ea

p≈ const. (4.1.1)

Kello feszültség hatására az elektródok közötti térben fényesen világító "csatornácskákban"

intenzív ütközési ionizációs folyamatok játszódnak le. Az átütések igen gyakran hanghatással jár-

nak. A szikra mellett a gáz hirtelen felmelegszik, és a helyi túlnyomás hanghullámot idéz, ekkor

csattanást hallunk. A szikrák alakja az ionok véletlenszeru felhalmozódásától függ, a kisülés a

"legkönnyebb" utat választja. Ismétlodés esetén a szikrák a már korábban ionizált utat választják.

A szikrák fejlodésével együtt csökken a kisülési köz ellenállása, ennek köszönhetoen a térerosség

is amit a szikrák pedig megszunnek. Ezután a folyama újra indul.

Meghatározott alakú és méretu elektródok között adott minoségu gázban a Va szikrafeszültség

lényegében csak a l szikraköztol függ.

Va = Ea · l (4.1.2)

4.1.2. Coulomb törvénye

(forrás:[5])

Két elektromosan töltött test között fellépo erot eloször Charles Augustin de Coulomb (1736-

1806) francia fizikus írta le kvantitatív módon.

1785-ben torziós ingájának segítségével vizsgálta két kisméretu, töltött fémgömb között erohatást

a gömbök távolságának és a töltés nagyságának függvényében.

Torziós szálon függo szigetelo rúd egyik végén kis fémgolyó helyezkedett el, a másik végére pedig

ellensúly foglalt helyet. A kis fémgömb mellé egy második, rögzített töltött gömböt helyezett r

távolságba. A két töltött gömb között fellépo hatás miatt (taszítás, vonzás) a a felfüggesztett golyó

elmozdul, a szigetelo rúddal együtt ϕ szöggel elfordul. Az új egyensúlyi helyzetben a golyók közti

F eronek a forgatónyomatéka egyenlo a szál elcsavarodásából származó, ϕ-vel arányos visszahajtó

nyomatékkal. A torziós szál irányító nyomatékából és a ϕ elcsavarodási szögbol meghatározható

F . Coulomb a golyók közötti r távolságot változtatva arra jutott, hogy a gömbök között ható ero

azok távolságának négyzetével arányos:

F ∼ 1r2 . (4.1.3)

Abban idoben még nem volt definiálva a töltés egysége, és még nem volt módszerük arra sem,

hogy a töltésmennyiséget összehasonlítsák az egységgel. Ennek ellenére Coulomb azzal a mód-

szerével, hogy egy töltött gömböt és egy vele egyméretu semleges gömböt összeérintett, két gömb

között a töltést meg tudta osztani. Ennek köszönhetoen tudta felezni, negyedelni és nyolcadolni a

töltésmennyiséget. Megmérve a töltéspárok közötti erok nagyságát, arra a következtetésre jutott,

hogy az F ero a töltésmennyiségek szorzatával egyenes arányos:

F ∼ |Q1Q2|. (4.1.4)


A két összefüggésbol adódik a Coulomb-törvény:

F = K|Q1Q2|

r2 . (4.1.5)

Az egyenlet nyugalomban lévo, pontszeru töltésekre, ponttöltésekre igaz. Pontszerunek akkor te-

kinthetjük a testet, ha méretei elhanyagolhatóan kicsinyek a test és más számításba jövo testek

közti távolsághoz képest. Az egyenlet vektor alakban:

F12 = K|Q1Q2|

r2 r12. (4.1.6)

Az egyenletekben szereplo K egy pozitív konstans arányossági tényezo. Értéke attól függ,

hogy milyen egységrendszerben mérjük az egyenletben szereplo tényezoket.

A K arányossági tényezot K = 14πε0

= 8,98755 · 109 Nm2

C2 alakban szoktuk felvenni, ahol ε0, a

vákuum permittivitásának (dielektromos állandójának) nevezünk.

Az 14πε0

tényezot a K helyére behelyettesítve a törvény:

F =1

4πε0

|Q1Q2|r2 . (4.1.7)

4.1.3. Elektromos potenciál és feszültség

(forrás:[6])

Az elektromos teret meghatározza, ha tudjuk az E térerosséget a hely függvényében, a E =

E(x,y,z) vektorfüggvényt, ehhez három skaláris függvény szükséges. Ennél egyszerubben jelle-

mezheto az elektromos tér az elektromos potenciál segítségével, ami egyetlen skaláris függvény-

ként áll a rendelkezésükre.

Q töltésu pontszeru testre, próbatöltésre elektromos térben F = QE ero hat. Ha a próbatöltést A

pontból B-be visszük egy görbe mentém−F erovel, akkor az F ero ellenében munkát kell végezni:

WAB =−∫ B

A Fsds =−Q∫ B

A Esds. A munka független az úttól és nem más a próbatöltés potenciális

energiájának a megváltozása:

W12 =UpotB−UpotA = Q∫ B

AEsds. (4.1.8)

Az egyenletbol megkapjuk az A és B pontok közötti potenciálkülönbséget vagy feszültséget.

ϕ ≡ ϕB−ϕA =UpotB−UpotA

Q=−

∫ B

AEsds. (4.1.9)

Az egységnyi próbatöltés B és A pontokhoz tartozó potenciális energiájának a különbsége a munka,

amelyet az elektromos erok ellen kell végezni, amíg a próbatöltést A pontból B-be visszük. Az

elektromos tér valamely P pontjában a potenciál értéke a nullponthoz képest:

ϕP =UpotP

Q=−

∫ P

0Esds. (4.1.10)


Mértékegysége: 1V = 1 JC .

Mivel a végzett munka független az úttól, ezért zárt görbe mentén végzett teljes munka zérus.

Ezért elektrosztatikai tér az elektromos térerosségnek bármely zárt görbe mentén vett integrálja

zérus. ∮Esds = 0. (4.1.11)

Másik összefüggés szerint, ha A pontból a próbatöltést kis ∆s szakasszal elmozdítjuk, a potenciál

megváltozik: ∆ϕ =−Es∆s, ebbol következoen pedig Es =− ∂ϕ

∂ s

Ez fennáll a koordináta-rendszer x,y,z tengelyeire is. A térerosség derékszögu komponensei a

potenciálnak az x,y,z koordináták szerinti negatív parciális differenciálhányados.

Ennek köszönhetoen az a vektoregyenlet:

E =−gradϕ. (4.1.12)

Ekvipotenciális felületnek nevezzük az olyan felületeket amelyeknek minden pontjában megegye-

zik a potenciál értéke: ϕ(x,y,z) = const. Ekvipotenciális felületen az elektromos erokkel szemben

végzett munka zérus.

4.1.4. Csúcshatás, elektromos szél

(forrás:[5][6])

Ha csúccsal rendelkezo vezetot erosen feltöltjük néhány ezer volt feszültségre, például influen-

ciagéppel, akkor a csúcsos vezeto közelében az elektromos tér olyan nagy is lehet, hogy miatta

a levego is elveszítheti a vezetoképességét, és a vezetorol csúcskisülések következtében töltések

távozhatnak el.

Példa a folyamatra: a pozitív töltéssel rendelkezo a levego molekulái dipólusokká polarizálódnak,

a csúcs ezeket pedig magához vonzza. A részecskék érintés útján átveszik a pozitív csúcs töl-

tését, a csúcs ezután a részecskéket eltaszítja magától. Ezek az eltaszított ionok ezután a levego

részecskéit magukkal sodorva a csúcsot körülvevo levegot mozgásba hozzák. Ez az úgynevezett

elektromos szél. A jelenség során a vezeto töltöttsége csökken, a töltések a csúcsról kiáramlanak,

és az elektromos széllel együtt távoznak.

4.1.5. Ködfény

(forrás:[5]) Gázok önálló elektromos vezetése szoros kapcsolatban áll a gázmolekulák ütkö-

zési ionizációjával. Ha egy gázrészecske nem termikus mozgása révén jut az ütközési ionizációhoz

szükséges sebességre, hanem például elektromos tér hatására, akkor akkor a gáz önálló elektromos

vezetésérol van szó. Ebben az esetben az ionok ionizátorokká válnak. az ion sebessége egy mo-

lekulával való ütközés során attól függ, minél mekkora volt a szabad úthossza. Nagyobb úthossz

nagyobb mozgási energiát jelent, ami pedig nagyobb ütközési sebességet okoz. Önálló elektromos


vezetés könnyebben jön létre ritkított gázokban.

0,5 m hosszú néhány cm átméroju, két végén két sík elektróddal ellátott üvegcsore adjunk

∼ 1000 V feszültséget. Ha csoben ∼ 50 torr nyomás van, akkor az anód és katód között vé-

kony szikraszeru jelenség tapasztalható. Ha nyomást tovább csökkentjük, akkor ez a "fényszál

kiszélesedik", néhány torr nyomáson az egész keresztmetszetet kitölti, és hosszanti irányban pedig

sötétebb és világosabb rétegek figyelhetoek meg. Nagyságrendileg 1 torr nyomáson az említett

csoben létrejövo önálló gázkisülést ködfénykisülésnek nevezzük (1 atm=760 torr=1,013·105 Pa).

Ködfénykisülés részei sorrendben a következok: katód mellett létrejövo pirosas fény a katódfény,

mellette a sötétebb rész a sötét katódtér, amit a katód felol élesen elváló, az anód felé elmosódó

negatív ködfény követ. Ezután következik az úgynevezett Faraday-féle sötéttér, amit pedig a cso

legnagyobb részét kitölto plazma azaz a pozitív oszlop követ. Az anódfény elott még gyakran egy

sötét anódtér jelenik meg a pozitív oszlop után.

A kisülési csövek fo világító részei a negatív ködfény és a pozitív oszlop. A kisülési csövek fé-

nyének spektruma függ a csövet kitölto gáztól. Ködfénykisülésnél a gázoszlop melletti feszültség-

változás nem egyenletes. A teljes feszültség nagy része a sötét katódtérre esik, ezt a feszültséget

nevezzük katódesésnek. A csoben a továbbiakban a feszültség lassan no, az anód közelében van

csak jelentosebb emelkedés.

4.1.6. Kondenzátorok

(forrás:[6])

Vegyünk két, más vezetoktol távol lévo vezetot. Az egyik rendelkezzen Q töltéssel, a másik vezeto

pedig rendelkezzen −Q töltéssel. Lehetséges megoldás erre, ha Az egyiknek Q töltést adunk, a

másik vezetot pedig leföldeljük, ekkor az influenciának köszönhetoen pontosan−Q lesz. A pozitív

vezetorol induló erovonalak mind a negatívon végzodnek, a két vezeto között surusödnek össze.

Az ilyen két vezetobol álló rendszert kondenzátornak nevezzük. A két vezeto között ϕ feszültség

van.

A ϕ feszültség és a töltés között egyenes arányosság van:

Q =Cϕ. (4.1.13)

A csupán a geometriáktól függo C mennyiség a kondenzátor kapacitása. A kapacitás megadja azt

a töltésmennyiséget, ami a kondenzátort egységnyi feszültségre feltölti.

Kapacitás SI-egységekben:

1CV

= 1AsV≡ 1F (4.1.14)

Leggyakrabban alkalmazott kondenzátorfajták: síkkondenzátor, gömbkondenzátor, hengerkon-

denzátor. Kondenzátorok fegyverzetei között számos anyagot felhasználnak szigeteloanyagként:

levegot, csillámot, üveget, keramikus anyagokat, szerves muanyagokat, oxidrétegeket.


4.1.7. Elektromágneses hullámok

(források:[5][6])

Elektrodinamika jelenségeit a Maxwell-egyenletekkel tudjuk leírni. James Clerk Maxwell

(1831-1879) egyenleteivel nem csak az elektromos és mágneses jelenségeket tudta leírni, hanem

az elektromágneses hullámok létezését is meg tudta jósolni.

Az egyenletek integrális formái:

c2∮

Bds =∫

∂E∂ t

dF+1ε0

∫jdF, (4.1.15)∮

EdF =1ε0

∫ρdV , (4.1.16)

∮Eds =−

∫∂B∂ t

dF, (4.1.17)∮BdF = 0. (4.1.18)

Az egyenletek differenciális alakra hozhatóak a Gauss-tétel és a Stokes-tétel segítségével:

c2rotB =∂E∂ t

+j

ε0, (4.1.19)

divE =ρ

ε0, (4.1.20)

rotE =−∂B∂ t

, (4.1.21)

divB = 0. (4.1.22)

Maxwell-egyenletekbol származtathatóak az elektromos és a mágneses tér hullámegyenletei. Ve-

gyük az 1. egyenlet differenciális alakját töltés és árammentes szabad térben:

c2rotB =∂E∂ t

, (4.1.23)

és vegyük az egyenlet rotációját.

rotrotB = graddivB−∆B =1c2

∂ rotE∂ t

=− 1c2

∂ 2B∂ t2 . (4.1.24)

Mivel divB = 0, ezért

∆B =1c2

∂ 2B∂ t2 . (4.1.25)

Hasonlóan kapható meg az elektromos tér hullámegyenlete is:

∆E =1c2

∂ 2E∂ t2 . (4.1.26)

Tehát az elektromágneses terek elektromágneses hullámok alakjában létezhetnek.


4.1.8. Szikrák kémiai hatásai

(forrás:[5][6])

A folyadékok többsége, ha kémiailag tiszta állapotú, rosszul vezeti az áramot. Ezzel szemben vi-

szont vannak folyadékok, oldatok, amikben ingen eros áramot tapasztalhatunk.

Elektrolitoknak, vagy másodfajú vezetoknek vagy ionvezetoknek nevezzük az olyan vezetoket

amikben az áram áthaladásakor kémiai változásokat idéz elo. Ilyen elektrolitok lehetnek savak

vagy bázisok vizes oldatai. Az elektrolitba merülo két fémes vezeto ami az áram be és kilépését

szolgálja, elektródoknak nevezzük. Anódnak nevezzük a pozitív elektródot, ahonnan az áram az

elektrolitba lép, és katódnak a negatív elektródot.

elektrolitokban a a töltések hordozói az ionok, ezért is nevezzük oket ionvezetoknek. Elektrolízis-

nél az elektromos tér hatására ami az elektródok között lép fel a pozitív töltésu ionok az úgyneve-

zett kationok a katód felé, míg a negatív töltésu anionok az anód felé igyekeznek. Az ionok amint

az elektróddal érintkeztek, elveszítik töltésüket, semlegesek lesznek. ezt nevezzük elsodleges fo-

lyamatnak. Az atomok és atomcsoportok másodlagos folyamatok után vagy egymással vagy az

elektróddal vagy az oldószerrel lépnek reakcióba.

Az elektrolízist Faraday kísérleti tapasztalatokon alapuló törvényei írják le.

Faraday I. törvénye: az elektrolízis során a egyes elektródokon kiváló anyag m tömege arányos az

elektroliton átfolyó Q töltésmennyiséggel:

m = KQ, (4.1.27)

ahol K az anyag elektrokémiai egyenértéke. Faraday II. törvénye: az elektródon kiváló anyag m

tömege egyenes arányos az ion M moláris tömegének az ion z töltésszámának hányadosával.

mMz

(4.1.28)

Ezek után felírhatjuk 1 mól anyagmennyiségre, hogy

K = (mQ)1mól =

MNAze

=M

zNAe=

MzF

, (4.1.29)

ahol NA az Avogadro-szám, F pedig a Faraday-állandó:

F = 96458coulomb

mol. (4.1.30)

4.2. A generátorral elvégezheto kísérletek és mérések

4.2.1. Szikrák bemutatása kisütogömbbel

(forrás:[8])

Jelenség: A muködésbe hozott generátor gömbjei között szikrák csapnak át. A szikrák gyakorisága

függ a létrehozott feszültségtol és a két gömb távolságától. Kísérletben akkor sem esik bajunk, ha


a földelt kis gömböt a kezünkbe vesszük.

A kísérlet részletes leírása: A kísérlethez a generátor alsó tusorát a szokásos módon leföldeljük és

a generátorhoz tartozó kisebb kisütogömböt. Ezt a kisebb, állványon álló gömböt tegyük 2-3 cm

távolságnyira a generátor nagy gömbjétol. A nagy gömb pozitív töltéssel bír, míg a kicsi, leföldelt

gömb negatív töltéssel, a megosztás miatt. Miután elindítottuk a generátort, rövid idon beül, kis

csattanások mellett szikrák kezdenek el átütni.

Továbbiakban bemutathatjuk, hogy a leföldelt gömb fémrúdját nyugodt szívvel kezünkbe vehet-

jük. A kísérlet során semmi bajunk nem eshet, mivel az egész áramkör a fémrúdon keresztül, a

földelésen keresztül záródik, nem pedig a testünkön keresztül.

Értelmezés: A szalag segítségével folyamatosan töltött nagy elektróda és a leföldelt kis elektróda

között megno a feszültség, ennek köszönhetoen láthatunk szikrakisüléseket. A kisülések során a

térerosség csökken, ennek köszönhetoen megszunik a szikra, de kis ido múltán a jelenség újra

lejátszódik.

Tananyag:Szikrakisülések, dörzselektromosság[17]

Értékelés:Ha a diák eloszor találkozik muködo Van de Graaff-generátorral, eloször meglepodhet,

hogy akár 10 cm-es szikrákat is létre tudunk hozni. Ebben az esetben nagyobb idoközönként sül

ki a generátor.

4.2.2. Coulomb-vonzóero bemutatása

(forrás:[8]

Jelenség: Szikrák keltése közben megfigyelheto, hogy a kisebb kisütogömb a kezünkben minden

egy egyes szikrakisülés után a nagyobbik, pozitív gömbtol elfelé indul meg kezünkben.

A kísérlet részletes leírása: Miután leállítottuk a generátort, a generátor fémgömbjén még nagyobb

mennyiségu töltés maradhat. Ha a kis, leföldelt kisütogömböt közelítjük a generátorhoz, hangos

csatt mellett, egy utolsó szikra megjelenése mellett kisüthetjük a generátort. A generátor által lét-

rehozott szikrák akár 10-15 cm-esek is lehetnek, de az egészségre ártalmatlanok. A nagyfeszült-

séghez ebben az esetben igen kicsi, 20-30 µA áramerosség párosul. Az átüto szikra kellemetlen,

kissé fájdalmas, szúró érzést okoz, de nem veszélyes.

Értelmezés: A jelenség magyarázata a Coulomb-törvény. A két ellentétes töltéssel bíró gömb kö-

zött vonzóero lép fel. Amikor szikra csap át a két gömb között, azoknak a töltése, nulla lesz és egy

nagyon rövid idore a vonzóero megszunik. Ekkor a kezünk ellendül, mivel eddig ez a vonzóero

megszunik, amit addig kiegyensúlyoztunk.

Tananyag: Coulomb-törvény, 10. osztály[17]

Értékelés: Nagyon látványosan lehet demonstrálni vele az erot. Tapasztalataim szerint, sokkal job-

ban észreveheto a hatás, ha nem magára az erore koncentrálunk. Nagyobb töltöttség esetén a kis

gömb akár 5-6 cm-re is kilendülhet.


4.2.3. Különbözo elektródok átütési feszültségének meghatározása

(forrás:[7])

Jelenség:Különbözo görbületu elektródok esetén más-más szikrahosszt tapasztalunk.

A kísérlet részletes leírása:

Üttessük át a szikrákat különbözo görbületu elektródok között, és figyeljük meg, hogyan függ a

szikrák alakja az elektródok alakjától.

Értelmezés:Hogy átüttessük a szikrát különbözo elektródok között, más-más nagyságú feszült-

séget kell eloállítanunk. Van de Graaff-generátorra kapcsolva az elektródokkal nagyfeszültséget

közlünk. Ha egymáshoz közelítve az elektródokat, megfigyelhetjük, hogy szikrahossz hogyan

függ az elektród alakjától. A szikrahosszból következtethetünk az elektródok közötti feszültség

nagyságára. A generátor felszínén azonos a feszültség, az összefüggés a töltések, és a potenciál

között U ∼ Q/r összefüggés miatt minél kisebb a görbületi sugara az elektródnak, annál nagyobb

lesz a töltés a katódon. Minél több töltés rakódik az elektród csúcsára, annál könnyebben válnak

le onnan töltések, a taszító ero (F ∼ Q2) miatt, ezért minél csúcsosabb egy elektród, annál

könnyebben válik le róla töltés, ezért annál nagyobb lesz a létrehozható szikra hossza.

Tananyag: Potenciál, feszültség. 10 osztály.[17]

Értékelés: Kísérlet tanulságos, látványos. Fakultáción ajánlanám a bemutatásukat.

Feszültség (kV)

Szikrahossz (mm)

Csúcsok közöttGömbsugár

Csúcsok között5 cm 30 cm

20 15,5 5,8 6,0 6,0

40 45,5 13 13,3 13,7

100 220 45 35,7 36,7

200 410 262 75,3 75,3

4.1. táblázat. Különbözo elektródtípusok szikrahossza adott feszültségeken.[7]

4.2.4. Gyertyaláng elfújása elektromos széllel

(forrás:[7][8])

Jelenség: Elektromosan feltöltött csúcs közelébe helyezett gyertya lángja elalszik.

A kísérlet részletes leírása: Kössünk össze Van de Graaff-generátorral kössünk össze egy jól

szigetelt talapzaton álló, hegyes csúcsban végzodo állványt. A hegyes csúcs mellé helyezzünk el

egy meggyújtott gyertyát. A gyertyalángját a csúcshatásnak köszönheto elektromos szél eloltja. A

kísérlet úgy is elvégezheto, ha a Van de Graaff-generátor buráján található kis lyukba gombostut

helyezünk.

Értelmezés: A csúcs közelében a csúcstól elfelé irányuló légáramlás, elektromos szél ami a


gyertya lángját elhajlítja, eloltja.

Tananyag: elektromos töltések vezeton, csúcshatás. 10 osztály.[17]

Értékelés: Klasszikus, mondhatnám "kötelezo" kísérlet a csúcshatás bemutatására, véleményem

szerint viszont annyira nem lebilincselo a diákok számára

4.1. ábra. Csúcshatás elobb elhajlítja, majd el is oltja a gyertya lángját. Kísérleti berendezés a

4.2.3-as kísérlethez. [7]

4.2.5. Elektrosztatikus Segner-kerék

(forrás:[7][8])

Jelenség: Van de Graaff-generátorhoz csatlakoztatott Segner-kerék mozgásba jön.

A kísérlet részletes leírása: Ennél a kísérletnél a szigetelt állványra a tu helyett egy könnyen forgó

kereket helyezünk a tucsapágyra. Röpzsinórral most ez csatlakoztatjuk a generátorunkhoz. Ha a

generátort elindítjuk a kerék gyors forgásba jön.

Értelmezés: A jelenség mögött az a magyarázat áll, hogy a csúcsokon nagy töltéssuruség alakul

ki, ami a környezetében nagy, inhomogén elektromos teret eredményez. Ez polarizálja a levego

molekuláit és a levegoben lévo szennyezodéseket. Ezeket a kis polarizált részecskéket a csúcsok

magukhoz vonzzák, feltöltik oket, és eltaszítja oket. Ezek a nagy sebességu részecskék jelentik az

elektromos szelet, és visszalöko hatásuk megforgatja a Segner-kereket.

Tananyag: elektromos töltések vezeton, csúcshatás. 10. osztály[17]

Értékelés:Hatás- ellenhatás elvén alapul a kísérlet, akár a Newton-törvényeknél is elo lehet venni

a kísérletet. Kifejezetten jó tanulói kísérletnek találom.

4.2. ábra. Az elektrosztatikus Segner-kerék: kísérleti elrendezés a 4.2.4-es kísérlethez. [7]


4.2.6. Cigarettafüst lecsapatása csúcshatással

(forrás:[7])

Jelenség: Cigarettafüsttel telefújt üvegcsoben a szögesdróton létrejövo csúcshatás hatására a

füstrészecskék lecsapódnak, az üvegcso pedig kitisztul.

A kísérlet részletes leírása: A kísérlethez szükségünk lesz egy 15-20 cm hosszúságú, szögesdrót-

hoz hasonló tüskés elektródra. Ez saját magunk is elkészíthetjük úgy, hogy egy vezeto huzalra

0,5-1 cm-es közönként a szálra merolegesen 0,5-1 cm nagyságú dróttüskéket forrasztunk fel.

Ezt az elektródot ezután tegyük bele egy 4-5 cm átméroju üvegcsobe. Az elektród egyik végét

szúrjuk át egy lapos dugón úgy, hogy a vége kilógjon a dugóból, és a dugóval zárjuk le az

üvegcsövet. Az üvegcsövet rögzítsük függoleges helyzetben egy szigetelo állványra, úgy hogy a

zárt vége felfelé nézzen. Az elektród kiálló végét kapcsoljuk össze Van de Graaff-generátorral,

majd töltsük tele az üvegcsövet cigarettafüsttel. Indítsuk el a generátort. Az üvegcsoben gomolygó

suru füst hirtelen lecsapódik, a cso pedig kitisztul.

4.3. ábra. Füstlecsapatás: saját készítésu kísérleti eszköz a 4.2.5-es kísérlethez.

Értelmezés: A csúcsok közelében kialakuló elektromos tér a füst részecskéin és a füsttel

együtt befújt vízpárán töltéseket influál és a részecskéket ennek köszönhetoen magához vonzza.

A részecskék egy része megtapad az elektródon, másik része pedig ellökodik onnan és az üvegcso

falán csapódik le.

Tananyag: elektromos töltések vezeton, csúcshatás. 10. osztály[17]

Értékelés: Néhány kísérlet után az üvegcsövet alaposan meg kell tisztítani, és ki kell szárítani. A

kísérleti eszközhöz én a rézvezetékre vékony, suru rézvezeték-sepruket forrasztottam, aminek a

szálait ezután széthajtogattam. Dohányzás nem megengedett az iskolákban, még demonstrációs

céllal sem, bár a diákokat mindig meg lehet nyerni olyan kísérlettel, amivel ellen lehet szegülni a

házirendnek, amivel egy kicsit "tilosban lehet járni".

4.2.7. Hajfelállítás van de Graaff-generátorral

(forrás:[7])

Jelenség: A kísérletre önként vállalkozó diákot feltöltjük Van de Graaff-generátorral. Hamarosan

az önkéntes haja látványosan égnek áll.

A kísérlet részletes leírása: Ehhez a kísérlethez érdemes olyan önként jelentkezo alanyt, diákot

választani, akinek épp frissen mosott, vékony szálú haja van. Sok esetben a természetes szoke hajú


alanyok vékony szálú hajjal rendelkeznek. A diákot tájékoztassuk, hogy a kísérlet nem veszélyes,

de közben váratlan, kis szikrák üthetnek át a testére, amik kis fájdalmat okozhatnak neki.

A kísérlethez állítsuk a jelentkezot szigetelo zsámolyra, például üvegzsámolyra. És kérjük

meg, hogy teljes kezét, tenyerét is helyezze a generátor burájára. Tegyük a generátortól minél

messzebb a feszültségszabályzó gömböt és indítsuk el a generátort, és kezdjük el feltölteni a di-

ákot. Azt tapasztaljuk, hogy a diák haja elkezdenek megemelkedni. A kísérlet sikerességét elo-

segíthetjük azzal is, hogy megkérjük, hogy néhányszor rázza meg a fejét, vagy szabadon maradt

kezével lazítsa meg a „frizuráját”.

A kísérlet végén, miután leállítottuk a generátort és a bátor alanyunk elengedte a generátort,

megkérhetünk még egy önként jelentkezot, hogy legyen olyan kedves és segítse le a zsámolyról a

társát. Ekkor a két személy között szikra pattan át, ami elég meglepo lehet a segíto fél számára.

Értelmezés: Csúcshatás következtében a diák hajszálainak a végein megülnek a töltések. Mivel

minden egyes hajszála ugyanolyan nemu töltéssel bír, ezért a a diák hajszálai egyre messzebb

igyekeznek egymástól, mivel az egynemu töltések taszítják egymást. Ennek következtében az

önkéntes hajszálai folyamatosan megemelkednek és egy igen látványos, sugaras frizurát kapunk.

Tananyag: Elektromos töltések vezeton, emberi szervezet mint vezeto, csúcshatás. 10. osztály[17]

Értékelés: A kísérlet szempontjából fontos, hogy megbízható generátorral dolgozzunk. Ez azt

jelenti, hogy jó, ha az eszköz 8-10 cm-es szikrákat tud biztosítani. Másik fontos alappillére

a kísérletnek, hogy a tanuló jól szigetelo alapon álljon. Ezt többféleképpen meg lehet oldani,

például, az említett üvegzsámollyal, vagy fahasábokkal megemelt plexilapra is állíthatjuk a

jelentkezot. Én a kísérlethez hungarocell lapot használtam, amit fahasábokkal emeltem meg.

Jó lehet az is, ha a szigetelo lap a padlón helyezkedik el, bár túl kicsi lap esetén kúszó szikrák

léphetnek fel, amik a szigetelo lap szélét megkerülve üthetnek át. Ez elég kellemetlen lehet a

tanuló számára is. Ha röpzsinórral kötjük össze a diákot a generátorral, kérjük meg, hogy szorosan

tartsa a zsinórt, ugyanis ebben az esetben is kis szikrák üthetnek át, amik szintén kellemetlen

élményt nyújthatnak a tanulónak.

4.2.8. Elektrosztatikus harangjáték

(forrás:[16])

Jelenség: Feltöltött kondenzátorlemezek közé lógatott apró fémtárgy mozgásba jön, és a lemezek-

hez való ütközés során hanghatást kelt.

A kísérlet részletes leírása: Kondenzátorlemezek közé vagy Van de Graaff-generátor gömbje és

egy földelt síklemez közé, 30-50 cm hosszú szigetelo fonálon lógassunk be kis fémtárgyat, pl.

csavaranyát, vagy alufóliával bevont pingpong labdát. Indítsuk el a generátort. Az inga lengeni

kezd, és a kis ingatest a lemezeknek ütközve hangot ad ki. Amíg üzemben tartjuk a generátort,

folyamatosan, ugyanolyan intenzíven mozog ide-oda az ingatest, amint leállítottuk a generátort,

az ido múlásával a az ütközések száma is csökkenni kezd, majd idovel meg is szunnek, mert az


kisütjük az inga mozgásával a kondenzátorunkat. A kisütést nyomon követhetjük egy beskálázott,

kondenzátorhoz kötött elektroszkóppal. Az elektroszkóp jelzi, hogy hogyan csökken az ütközések

számával a kondenzátorunk töltöttsége.

Értelmezés: A generátor és a lemez az ingatest töltéseit megosztással szétválasztják. Kis inho-

mogenitás miatt az inga az egyik oldal felé indul el, és nekiütközik. Érintkezés útján az lemezzel

ellentétes töltését leadja és feltöltodik annak töltésével. Innentol a folyamat úgy zajlik, hogy

mivel az ingatest és a lemez ugyanazzal a töltéssel bírnak, ezért a feltölto lemez magától a testet

eltaszítja, a másik pedig magához vonzza. Folyamat addig ismétlodik a míg a kondenzátor ki nem

sül.

Tananyag: Kondenzátorok, 10 osztály.[17]

Értékelés: Diákok számára meglepo, hogy elektrosztatikus kísérlet közben hanghatást tapasztal-

hatunk, ennek köszönhetoen a inkább megmarad emlékeikben a jelenség.

4.2.9. Neoncso felvillantása

(forrás:[7])

Jelenség: Miközben szikrákat üttetünk át a generátorról a kisütogömbre, a közelben elhelyezett

neoncso a szikrák átcsapásakor fel-fel villan.

Rövid értelmezés: Kísérlet során a fénycsoben az

A kísérlet részletes leírása: Hozzuk muködésbe a Van de Graaff-generátorunkat. Ez után egy

neoncsovel közeledjünk a generátorhoz, közben pedig folyamatosan üttessünk át szikrákat a

kisütogömbre. Láthatjuk, hogy a neoncso minden átütéskor felvillan. A lejátszódó jelenséget

negatív ködfénynek nevezzük.

Értelmezés: A neoncsoben ütközési ionizáció játszódik le. A csoben található ritkított gázban

önálló elektromos vezetés jön létre.

Tananyag: Ködfény

Értékelés: A kísérlet akkor látványos igazán, ha sötét tanteremben mutatjuk be. Úgy is nagyon jól

muködik, ha fénycso egyik végét leföldeljük, és a másikra pedig átütettjük a szikrákat.

4.2.10. Elektromosság észlelése zsebrádióval

(forrás:[7])

Jelenség:A Van de Graaff-generátor szikrakisülései hangeffektust hoznak létre a rádióban.

Rövid értelmezés:A kisülésekkor elektromágneses hullámok keletkeznek, amit észlel a rádió.

A kísérlet részletes leírása: A zsebrádiót állítsuk rövid- vagy középhullámon olyan helyre, hogy

éppen ne fogjunk vele állomást. Hogy a demonstráció jól érzékelheto legyen, állítsuk hangosra

a hangeroszabályzót. A muködésbe hozott generátorról feszültségszabályzó gömbünkre. Ekkor


a zsebrádióból sistergés hallatszik, amikor pedig a szikra átüt a két fémgömb között, erosebb

hanghatás, pukkanás hallható.

A kísérlet ezen része akkor is jól hallható, ha éppen valamilyen musort veszünk a rádióval. A

jelenség hasonló ahhoz, amit akkor tapasztalunk, ha viharos idoben, villámtevékenység mellett

rádiózunk.

Értelmeszés: A rádióban található LRC kör rezonál fehérzaj esetén. Amikor átüttetjük a szikrát

a generátorról a kisebbik elektródára, akkor változik a pillanatnyi áramsuruség. Ez változó

elektromágneses teret hoznak létre, ezért a szikra maga adóként funkcionál amit a rádió vevoje

érzékel, ezt hallhatjuk.

Tananyag: Elektromágneses hullámok hatásai, 11. osztály[17]

Értékelés: Különleges kísérlet, a természeti jelenségek fizikai hátterére is rávilágíthatunk ezzel a

demonstrációval.

4.2.11. Elektromos szikrák mechanikai hatásainak vizsgálata

(forrás:[7])

Jelenség: Szikrák nyomot hagynak a vékony papíron, mikor átüttetjük oket rajta.

Rövid értelmezés: Elektromos szikráknak mechanikai nyomát vizsgálhatjuk meg.

A kísérlet részletes leírása:A Van de Graaff-generátorral létrehozott szikrákat átüttethetjük ciga-

rettapapíron vagy selyem papíron vagy más kelloen vékony papíron. Ha a papírt ezek után a fény

felé tartjuk, láthatjuk, hogy a szikrák a papíron nyomot hagytak.

Értelmezés:Az átütés helyén a papír lokális dielektromos állandója megno, ennek következtében

a továbbiakban is aa szikrák abban a pontban ütnek át, és ez hagyhat nyomot a papíron.

Tananyag: Elektromos szikrák mechanikai hatása, 10. osztály[17]

Értékelés:Nekem sajnos nem sikerült kiviteleznem a kísérletet, sem a selyempapíron, sem a ciga-

rettapapíron nem láttam a szikrák nyomát.

4.2.12. Eletromos szikrák kémiai hatásának vizsgálata

(forrás:[7])

Jelenség: Elektromos szikráknak köszönhetoen a kálium-jodiddal átitatott papír elszínezodik.

Rövid értelmezés: Elektromos szikrák hatására kémiai reakció játszódik le. A szikrák hatására a

kálimjodid molekulák elbomlanak.

A kísérlet részletes leírása: A kísérethez keményítos kálium-jodid-oldattal itassunk át szuropapírt.

Ezen a papíron ez után üttessünk át szikrákat. Mivel a szikra lebontja a káliumjodidot, a pozitív

pólusnál a papír kék színu lesz.

Értelmezés:Az anód feloli oldalon, ott, ahol a szikrák lecsaptak, apró kis foltokban látható a jód

és a keményíto. A jodidionok jóddá oxidálódnak és ez tud a keményítovel kék színu komplexet


alkotni.

Tananyag:elektromos szikrák, elektromos áram kémiai hatása, elektrolízis. 10. osztály[17]

Értékelés:A kísérlet inkább kémiai témájú, de szerintem elektromos szikrák hatásainak tárgyalásá-

nál érdekességképpen be lehet mutatni. Ezenkívül jó alkalom arra, hogy a természettudományok

közötti kapcsolatokra felhívjuk a diákok figyelmét.

4.2.13. Eletromos szikrák mágneses hatásának vizsgálata

(forrás:[7])

Jelenség: Mágnesessé tehetünk kötotudarabot, ha áram járta tekercsbe helyezzük.

A kísérlet részletes leírása: Szikraköz gömbjei között helyezzünk el üvegcsövecskét. A csobe

tegyünk mágnesezetlen kötotu darabot. Az üvegcsore tekerünk fel néhány menetnyi vastag,

jó vezeto huzalt. A dróton keresztül, ha átüttetjük a szikrákat a kötotudarabka egy ido után

mágnesessé válik.

Értelmezés:A töltések a nagyobb töltésu generátorból az alacsonyabb töltésu gömb felé áram-

lanak, az áram hatására a tekercsben homogén mágneses tér jön létre, amelynek hatására a

ferromágneses tu felmágnesezodik, és a szuszceptibilitás-görbe hiszterézise miatt ha megszunik

a mágneses tér, a tu mágnesezett marad. A jelenség azért nem azonnali, mert a tekercsen csak

nagyon rövid ideig halad áram (impulzusszeru áram folyik át a szikrák miatt), ezért idobe telik,

mire a ferromágneses tu felmágnesezodik.

Tananyag: Elektromos szikrák, elektromos áram mágneses hatásai. 11.osztály[17]

Értékelés:Érdekes kísérlet, alapszinten is érdemes bemutatni, bár a fizikai tárgyalását inkább

emelt óraszámú, fakultációs osztályoknak ajánlanám.

4.4. ábra. A szikrák mágneses hatásának vizsgálatához összeállított demonstrációs kísérlet.[7]

4.2.14. Elektromos szikrák hohatása-szikrák nyoma hopapíron

(forrás:[7])

underlineJelenség: Elektromos szikrák hatására a pénztárgép-szalagon apró barna pöttyök

jelennek meg.


Rövid értelmezés: Az elektromos szikráknak köszönhetoen a papír eléri az apró pontokban azt a

homérsékletet aminek hatására megbarnul.

A kísérlet részletes leírása: A nagy elektróda és a segédgömb közé helyezzünk hopapírt. Ehhez

akár használhatunk közönséges pénztári blokkot is. Indítsuk el a generátort és üttessük át

szikrákat a hopapíron. A generátor leállítása után a szalagon apró feketés barnás tuhegynyi

pontokat tapasztalhatunk. Hasonló elszínezodést tapasztalhatunk, ha a papírt hoforrás fölé tartjuk.

A hohatás bizonyítására megnézhetünk egy másik kísérletet:[7] Éterrel átitatott vattapamacsot

rögzítsünk egy üvegbot végére. A generátor elindítása után üttessünk át szikrát a vattacsomóra.

A szikrának köszönhetoen a vattapamacs meggyullad. A kísérletet elvégezhetjük Bunsen-égo

kanócával is.

Értelmezés: Elektromos szikrák hohatása, gyulladási homérséklet, az égés feltételei.

Tananyag: Elektromos szikrák hohatása, gyulladási homérséklet, égés feltételei. 10 osztály.[17]

Értékelés: A hohatást nagyszeruen demonstrálja a hopapír. A kísérlet során felhívhatjuk a

diákok figyelmét, hogy akár a legszokatlanabb hétköznap eszközeinek is könnyen a tudomány

szolgálatába állíthatjuk, és kísérleti eszközként használhatjuk oket.

Úgy gondolom a demonstrációs Van de Graff-generátorok méltánytalanul mellozött kísér-

leti eszközök a fizikaoktatásban. A középiskolákban tanított elektrosztatikai alapjelenségek közül

a legtöbb témában tudunk vele kísérletezni, valamint egyes kísérletek során más tudományterü-

letek is hasznát veszik az eszköznek. A jelenségek bemutatásához nincsen nagy eszközigény, és

ezeknek a kísérletek óra elotti összeállítása sem igényel sok ráfordított idot a tanároktól.

5. fejezet

Összefoglalás

A munkám során, a dolgozatban bemutattam a különbözo sztatikus töltést létrehozó gépeket

és fejlodésüket egészen a Van de Graaff-generátorok kifejlesztéséig. Az irodalom segítségével be-

pillantást nyerhettünk a Van de Graaff-generátorok muködésébe, röviden ismertettem a sztatikus

részecskegyorsítókat, a tandemgenerátor és a kaszkádgenerátor muködését. Bemutattam a ma Ma-

gyarországon használatos nagy, Van de Graff típusú gyorsítókat és kutatási területeiket.

A dolgozatban példát adtam egy teljes demonstrációs Van de Graff-generátor tervezésére. Bemu-

tattam, egy meghibásodott, alkatrészhiányos eszköz javítási munkálatait és a javítás során tapasz-

talt észrevételeimet.

Végül, de nem utolsó sorban az irodalomból összegyujtöttem olyan elektrosztatikus demonstrációs

kísérleteket, amelyehez Van de Graaff-generátor használata szükséges. Megvizsgáltam egy egysé-

ges szempontrendszerben ezen kísérletek fizikai hátterét, tananyagba történo beilleszthetoségét és

taníthatóságuk véleményem szerinti elonyeit és hátrányait.

34

Irodalomjegyzék

[1] Ifj. Gazda István, Sain Márton: Fizikatörténeti ABC (Tankönyvkiadó Vállalat, Budapest,

1980.)

[2] Lawrence Bragg: Az elektromoság diadalútja (Dante Kiadó, Budapest, 1950.)

[3] Simonyi Károly: Elektronfizika (Tankönyvkiadó, Budapest, 1969.)

[4] Kiss Dezso, Krajcsos Zsolt: Nukleáris technika (Tankönyvkiadó, Budapest, 1984.)

[5] Hevesi Imre: Elektromosságtan (Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1998.)

[6] Budó Ágoston: Kísérleti fizika (Tankönyvkiadó, Budapest, 1968.)

[7] Fizikai kísérletek gyujteménye 2. szerk.: Juhász András (Arkhimédész Bt.-Typotex Kiadó, Bu-

dapest, 1995.)

[8] Ifj. Zátonyi István: Klasszikus és modern elektrosztatikai kísérletek (Összefoglaló az 51. Or-

szágos Középiskolai Fizikatanári Ankét és Eszközbemutatón tartott muhelyfoglalkozása alap-

ján. Békéscsaba, 2008)

www.fizkapu.hu/fiztan/cikkek/c_08_002.doc (Letöltés dátuma: 2013. 05. 30.)

[9] MTA Wigner Fizikai Kutató Központ Ionnyaláb-fizikai Osztályának az 5 MV-os Van de

Graaff-gyorsítót bemutató honlapja:

http://www.rmki.kfki.hu/nuclphys1/EG2R (Letötés dátuma: 2013. 05. 30 )

[10] MTA Wigner Fizikai Kutató Központ Ionnyaláb-fizikai Osztályának az 5 MV-os Van de

Graaff-gyorsítóval végzett kutatásait bemutató honlapja:

http://www.rmki.kfki.hu/nuclphys1/kutatas (Letöltés dátuma: 2013. 05. 30.)

[11] MTA ATOMKI 1 MV-os gyorsítóját ismerteto honlap:

http://www.atomki.hu/atomki/Accelerators/VDG/vdg1.html (Letöltés dátuma: 2013. 05. 30.)

[12] MTA ATOMKI 5 MV-os gyorsítóját ismerteto honlap:

http://www.atomki.hu/atomki/Accelerators/VDG/vdg5.html (Letöltés dátuma: 2013. 05. 30.)

35

IRODALOMJEGYZÉK 36

[13] MTA ATOMKI Van de Graaff-gyorsítót bemutató honlap:

http://www.atomki.hu/atomki/Accelerators/VDG/keptar/vdg5poszter.pdf (Letöltés dátuma:

2013. 05. 30.)

[14] Robert Van de Graaff élete és munkássága:

http://tvdg10.phy.bnl.gov/vandegraaff.html (Letöltés dátuma: 2013. 05. 21.)

[15] Amédée Guillemin: Mágnesesség és elektromosság (Kir. Magyar Természettudományi Tár-

sulat, Budapest, 1885.)

http://leporollak.hu/tudomany/guillemi/GUIL1B-4.HTM (Letöltés dátuma: 2013. 05. 11

[16] A Kecskeméti Foiskola Elektrotechnika Van de Graaff-generátor építéséhez szóló segéd-

anyaga:

http://www.gamfelektro.hu/edu/csino/files/pp_eltech2.pdf (Letöltés dátuma: 2013. 05. 18.

[17] Oktatáskutató és Fejleszto Intézet kerettanterve a gimnáziumok 9-12. évfolyama számára

fizikából

http://kerettanterv.ofi.hu/3_melleklet_9-12/3.2.08.1_fizika_9-12_g.doc (Letöltés dátuma:

2013. 05. 30.)

[18] MTA ATOMKI sztatikus gyorsítókat ismerteto honlapja:

http://www.atomki.hu/atomki/Accelerators/VDG/keptar/vdg5poszter.pdf (Letöltés dátuma:

2013. 05. 30.)

Köszönetnyilvánítás

Ezúton szeretném megköszönni témavezetom, Dr. Horváth Ákos segítségét a szakdolgozat el-

készítésében, aki készséggel állt segítségemre a munkám során fellépo problémák esetén.

Köszönönettel tartozom továbbá kollégáimnak, a Csodák Palotája dolgozóinak: Nagy Viktornak,

Kovács Norbertnek, Békefi Lászlónak, hogy a Van de Graaff-generátor javítási munkálatai során

hasznos tanácsokkal láttak el, és segítségemre voltak a munkálatokban.

Köszönöm Csernovszky Zoltánnak, a budapesti Kölcsey Ferenc Gimnázium fizikatanárának, hogy

a használt Van de Graaff-generátort rendelkezésemre bocsátotta.

Köszönöm Családomnak, Barátaimnak , hogy támogatásukra a dolgozat megírása közben bár-

mikor számíthattam, továbbá mindenkinek aki a dolgozat elolvasásával és hasznos tanácsaival

támogatta a munkámat.

37

Nyilatkozat

Név: Jófeju Anikó

ELTE Természettudományi Kar, szak: Fizika BSc

Neptun azonosító: asv7xe

Szakdolgozat címe: Kísérleti fizika oktatás demonstrációs Van de Graaff-generátorral

A szakdolgozat szerzojeként fegyelmi felelosségem tudatában kijelentem, hogy a dolgozatom

önálló munkám eredménye, saját szellemi termékem, abban a hivatkozások és idézések standard

szabályait következetesen alkalmaztam, mások által írt részeket a megfelelo idézés nélkül nem

használtam fel.

Budapest 2013. május 31.

38

kísérleti fizika oktatás demonstrációs van de graaff...

Documents