شعله حامل جریان و تولید یون!

شاید برای شما هم جالب باشد که شعله کبریت در هوا یونیزه می شود. می خواهیم با استفاده از این واقعیت در این آزمایش، یونش را نشان دهیم و ببینیم که چگونه با باردار کردن یک الکتروسکوپ، این یونش آشکار می شود.

وسایل لازم:

• منبع تغذیه EHT با مقاومت بی خطر داخلی 0-5 kV 
• دو صفحه فلزی با دستگیره های عایق
• الکتروسکوپ با ورقه های طلا
• قلاب برای نگه داشتن الکتروسکوپ
• کبریت
• دو عدد تکیه گاه و بست
• سیم های رابط
• پروژکتور و وب کم متصل به آن (اختیاری)

نکات مهم:

وب کم برای نشان دادن تصویر ورقه طلا روی پرده به کار می رود. از یک لامپ پر نور استفاده کنید تا سایه ورقه طلا را روی پرده یا دیوار بیندازید. مکان لامپ باید در همان سمت ناظر و زیر خط دید باشد. صفحه شیشه ای را از پشت الکتروسکوپ بردارید.

مزیت استفاده از منبع تغذیه EHT (منبع تغذیه ای با ولتاژ زیاد) آن است که مثل یک مدار الکتریکی است (البته از نوع عجیب و غریب!). الکتروسکوپ، نقش اندازه گیری بسیار حساس این آزمایش را دارد و هوای بین صفحات فلزی، چیزی است که مقاومت را تغییر می دهد.

دقت کنید هنگام استفاده از الکتروسکوپ مخصوصا هنگام حرکت ورقه ها به اطراف، فکر نکنید تردستی است!

ایمنی:

منبع EHT مورد استفاده در  مدرسه بایستی حداکثر جریان5 mA  داشته باشد که ایمنی لازم را تأمین کند. یک مقاومت 50 MΩ  بی خطر می تواند شوک جریان را به کم تر از 0.1 mA  کاهش دهد.

حتما دقت کنید که هیچ رسانای ولتاژ بالای بدون عایقی وجود نداشته باشد، هرجا که لازم است، از رابط 4mm ماده استفاده کنید.

دستور آزمایش:

تنظیمات:

a)    دو صفحه فلزی را موازی هم و به فاصله 5 cm  از هم قرار دهید.

b)    یکی از صفحه های فلزی را به قطب مثبت منبع تغذیه EHT متصل کنید؛ البته یک مقاومت برای ایمنی مدار لازم است.

c)     قلاب را به الکتروسکوپ وصل کرده و صفحه فلزی دیگر را از طریق قلاب به ورق الکتروسکوپ وصل کنید.

d)    محفظه الکتروسکوپ را به قطب منفی منبع EHT وصل کنید.

e)    قطب منفی منبع تغذیه را به زمین وصل کنید.

شارش جریان و باردار کردن الکتروسکوپ

f) منبع را در حدود3 kV  تنظیم کنید و روشن کنید. ورقه الکتروسکوپ به دلیل بارهای القا شده به آن، بالا می آید؛ با یک لحظه وصل ورقه الکتروسکوپ به زمین، آن را به وضعیت اولیه برگردانید.

g) شعله کبریت را در زیر فاصله بین ورقه های فلزی نگه دارید و ببینید چه اتفاقی می افتد. هوای میان این فاصله، یونیزه می شود و اجازه می دهد که بار از وسط این فاصله، شارش کند و ورقه الکتروسکوپ را باردار کند.

تخلیه الکتریکی الکتروسکوپ

می توانید با یونیزه کردن هوای اطراف الکتروسکوپ نیز، آن را  تخلیه الکتریکی کنید.

h) الکتروسکوپ را از منبع جدا کنید و روی زمین قرار دهید. صفحه گردی در بالای الکتروسکوپ قرار دهید و با استفاده از سیم رابط بین قطب مثبت منبع تغذیه (و از طریق مقاومت ضامن) آن را باردار کنید.

i) کبریتی را بالای صفحه گرد روشن کنید. این کار باعث یونیزه کردن هوا شده و باعث می شود الکتروسکوپ تخلیه الکتریکی شود.

j) دوباره الکتروسکوپ را باردار کنید و کبریتی را در کنار صفحه گرد روشن کنید. برای تخلیه الکتریکی الکتروسکوپ باید به آرامی روی شعله بدمید تا یون ها از بالای صفحه گرد عبور کنند.

هنگامی که هوای بالای صفحه گرد یونیزه می شود، الکتروسکوپ باید به سرعت تخلیه الکتریکی شود. اگر تخلیه الکتریکی بسیار کند صورت می گیرد، یک صفحه فلزی که به زمین اتصال دارد، نزدیک صفحه گرد بالای الکتروسکوپ کنید.

نکات تدریس:

1.  بایستی هنگام شروع آزمایش از دانش آموزان بپرسید راجع به یون ها و اتم ها اطلاعات خود را به اشتراک بگذارند. دمای شعله باعث حرکت سریع ذرات هوا می شود، به طوری که در برخوردها الکترون ها از آن ها جدا می شوند.

2.  راجع به یونیزه شدن هوا بحث کنید. اتم های هوا با از دست دادن الکترون هایشان به یون های مثبت تبدیل می شوند. سپس الکترون ها به سمت صفحه با بار مثبت می روند و یون ها به سمت صفحه با بار منفی. آزمایش شناسایی یون ها در شعله را نیز ببینید.

3.  این آزمایش، راهی برای اندازه گیری تابش های یونشی است؛ مانند مداری که اجازه شارش جریان کوچکی را در هنگام حضور یون ها بین صفحات فلزی می دهد. جریان آن قدر کوچک است که به سختی می توان آن را با آمپرمتر معمولی اندازه گیری کرد (البته آمپرمترهای گران تر می توانند این کار را انجام دهند). بهترین راه برای اندازه گیری جریان، استفاده از الکتروسکوپ است. می توانید آزمایش تابش حامل جریان و تولید یون را هم ببینید.

4.  با دانش آموزان برجسته کلاس راجع به ظرفیت الکتریکی مدار بحث کنید (ترکیب موازی صفحات فلزی موازی و الکتروسکوپ). وقتی اولین بار، منبع را روشن می کنید، بار القا شده روی صفحات، جدا می شود (صفحه فلزی مثبت، بار منفی روی سطح صفحه مقابل القا می کند). یعنی مقداری بار منفی از الکتروسکوپ بیرون می کشد. در نتیجه، الکتروسکوپ باری را اندازه می گیرد که توسط جریان بسیار کوچک و دارای عمر کوتاه مدار ظرفیتی جابجا شده است.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه و تنظیم: خدیجه آلچالانلو