2016年1月15日金曜日

<静電気実験> 失敗しない「ライデン瓶(ライデンボトル)」

静電気と言えば、「ライデン瓶」を想像される方もたくさんおられると思います。
プラスチックコップにアルミ箔を巻いたものを持って、
数人が輪になって、手をつなぐと「ビリっ!!」とくるあれです。

でも作ってみたものの、うまく帯電出来ない。
という話もよく耳にします。

うまく帯電しない理由は以下のような数点のことが考えられます。

①負に帯電させた塩ビ棒は、
アルミ箔の旗に接近させるの?接触させるの?
かなり接近させるのがいいと思います
下の絵のように一瞬接触はOKです。

(A)  かなり接近させたときは、
放電により塩ビ棒の負電荷はアルミ箔へ移動するのでOKです。
少し離れた状態の接近では静電誘導が起きるだけで電荷の移動はありません。

(B)接近させると、アルミ箔の旗がピコンと塩ビ棒に接触し、
すぐに離れるようなことが起こります。
この場合は、負電荷は移動しているのでOKです。

(C)ところが、塩ビ棒からアルミ箔が離れず、
引き離した場合は要注意です。
この場合は、アルミ箔に負電荷が移動するどころか、
塩ビ棒に負電荷を受け渡してしまう可能性があります。


②ライデンコップは絶縁体の上?導電体の上?
どこに置いて帯電させたらいいの?
導電体の上ですが、紙、木材、石の上でもOKです。

下の絵のように、内側のアルミ箔に負電荷が増えていくと、
外側のアルミ箔の負電荷は行き場がなくなるため、
接地しておく必要があります。
発泡スチロールやプラスチック系の絶縁体の上ではなく
導電体の上に置いて帯電させます。
ただ、絶縁体の中でも、紙、木材、石などは静電気を通すので、
木の机の上でやっても大丈夫です。



③ 大きなコップを使用している。
またはアルミ箔を二重、三重と巻いている。
同じだけ電荷を移動させた場合、
アルミ箔を少な目に使用したものと、多めに使用したものとでは、
少な目のアルミ箔の方が、「ビリッ」と大きな衝撃を感じます。

この下の写真の左は幅約4cmのアルミ箔、右は幅約8cmのアルミ箔を巻いたものです。
それぞれに同程度の電荷をためた場合、
左の方が右より大きな衝撃を感じます。

V=Q/C なので
同じ電荷量だと、静電容量の小さい方が電圧が高くなるためだと思います。
静電気の電圧は高いですが、コンデンサに電荷をためていくときの
コンデンサの充電電圧は電荷が増えるとともに上がっていきます。
静電容量が大きいと、なかなか電圧が上昇しません。

但し、アルミ箔を少な目に使用したものに、たくさん電荷を貯めていくと、
途中で絶縁破壊を起こし「バチッ」と音がして、放電してしまうので要注意です。

うまくいかない場合は一度、アルミ箔の量を少なめに作ってみると
意外とうまくたまっているかも知れません。
(短くする場合は、外側のコップに接地用のアルミ箔の帯を貼ってね。)




④帯電中にアルミ箔の旗が
外側のコップに巻いたアルミ箔に触れてしまう。
この場合は放電してしまうので、やり直しです。
こうならないように、内側のコップに貼った旗は立てておけばいいですね。
(上のイラスト、下向きですみません。)


⑤アルミ箔をしわくちゃに巻いている。
この場合は静電誘導が起こりにくいので
出来るだけ、綺麗に巻いた方がいいかと思います。
(シワシワでも帯電しないことはありません。)


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今回考案した装置は、
ペットボトルを使うので巻くときにしわくちゃになりにくいです。
また電荷を移動させるときに、放電ではなく静電誘導を利用します。
「片側接地方式」、「正電荷・負電荷ともに利用方式」の2種類やってみました。

今回一連の静電気実験

これらは全て正電荷・負電荷ともに利用して実験しています。


<片側接地方式>
①ペットボトルに幅3~6cm程度のアルミ箔を巻いて、
1cm×7cm程度の帯を貼り付けます。(給電用)

②その上に(①の幅+2cm以上)に切ったポリ袋を巻き、セロテープで貼り付けます。
(ポリ袋を切って1枚にして貼ります)

③さらにその上に、もう1枚 ①と同じ幅のアルミ箔を巻いて、テープでとめて
1cm×12cm程度の帯を貼り付けます。(接地用)



こんなイメージです。




④30cm×17cmのカラーボード(発泡スチロール板でもOK)の上に
1cm×20cm程度のアルミ箔の帯、その上に15cm×15cm程度のアルミ箔を置いて
セロテープで貼り付けます。
1cm×20cm程度のアルミ箔は切れやすいので
片面にセロテープを貼っておくといいかも知れません。
(但し、両端1cmずつは貼らないでおきましょう。)

⑤先の方にストローを貼ります。

<やり方>
①ペットボトルはカードケースの左におき、
給電用の帯はカードケースの上、接地用の帯は机に接触させておきます。
(給電用の帯は絶対に机に接触しないように)

②アルミ箔の上に17cm×25cmの塩ビ板(硬質カードケースをカットしたもの)を置き、
少し押さえるような感じで数回こすります。



③塩ビ板を素早く真上にアルミ箔から引き離し、帯に触れます。
(わずかに衝撃があります。)

④塩ビ板をアルミ箔に戻してから、給電用の帯に接触させると
負電荷が内側のアルミ箔に移動します。
それと同時に外側のアルミ箔には正電荷が誘導されるため、
接地用の帯もピクッと動きます。
2~3秒接触させて帯を離し、塩ビ板を持ち上げます。
(必ず、帯を離してから塩ビ板を持ち上げます。)


その後はこすらずに、③~④を5~10回程度繰り返します。
(②~⑤までを 1サイクルとします。)

1サイクルが済んだら、再度②に戻り、アルミ箔の上に塩ビ板を置いてこすり
その後③~④の繰り返しです。
(わかりにくい場合は下のビデオをご覧ください。)

2~3サイクル程度行います。
ペットボトルのアルミ箔部分を左手で持ち上げ、右手で給電用の帯にタッチすると
大きな衝撃が走ります。

<注意する点>
①ペットボトルの給電用の帯は絶対に机に接触させない。

②接地用の帯は必ず机に接触させておく。

③塩ビ板をはがすタイミングは、必ず帯を離してから。

④塩ビ板をはがすときは真上に素早くはがす。(すべらすようにはがさない)

どうしてもうまくいかない場合は、ペットボトルに巻くアルミ箔を幅2~3cmにして
やり直してみて下さい。
video
ビデオが表示できない場合はYoutubeでご覧ください。

「放電火花実験」の方は、
給電用の帯にストローを貼り付けておきます。

5サイクル程度帯電させると効果的です。
ストローを持って、外側のアルミ箔に近付けると
パチン☆ミ と放電します。



video



<正電荷・負電荷ともに利用方式>
①ペットボトルに幅4cm程度のアルミ箔を巻いて、
幅1cm程度の帯を貼り付けます。
下の方はペットボトルに貼って1~2cmほど折っておきます。
(内と書いておくと、後でわかりやすいです。)

②その上に(①の幅+2cm以上)に切ったポリ袋を巻き、セロテープで貼り付けます。
(ポリ袋を切って1枚にして貼ります)

③さらにその上に、もう1枚 ①と同じ幅のアルミ箔を巻いて、テープでとめて
1cm幅程度の帯を貼り付けます。
①と同様にして外と書いておきます。


こんなイメージです。


④45cm×30cm程度のカラーボード(発泡スチロール板でもOK)の左右に
アルミ箔を貼ります。
幅1cm程度の帯を置き、
その上に25cm×15cmを4枚重ねにしたものを置いて
外周をテープで貼り付けます。
帯の先端はテープは貼らないようにします。

<やり方>
ペットボトルはカラーボードの上に置きます。
電極は写真のように縦方向(アルミ箔から遠ざけるよう)に置きます。
別のカラーボードでペットボトル置き場を作ってもいいかも?
置かずに蓋のあたりを持った状態でもOKです。
いずれにしても、帯電途中は机の上に置かないように注意します。


30cm×17cmの塩ビ板(硬質カードケースをカットしたもの)を
右側のアルミ箔の上で少しこすります。
かなりこすりにくいですが・・・


塩ビ板を素早く真上に引き離して、左のアルミ箔の上に置きます。
(アルミ箔をすっぽり覆うように)


ペットボトルのふたの部分(アルミ箔には触らない)を持って、
帯同士を接触させます。(帯がピクピク動きます)
塩ビ板を置いた方に(内)、離した方に(外)を接触させると、
内側のアルミ箔に負電荷が、外側のアルミ箔に正電荷がたまっていきます。


1~2秒待って、ペットボトルを離します。
(離したときはふたの部分を手で持ったままで構いません
置く場合は必ずカードケースの上に置きます。)


塩ビ板を素早く真上に引き離して、右のアルミ箔の上に置きます。
(剥離帯電は素早く引き離すほど効果が大きいため)


ペットボトルを反対向きにして、帯同士を接触させます。
必ず、塩ビ板を置いた方に(内)、離した方に(外)を接触させるようにします。

②~⑥を繰り返し10回程度行います。

ペットボトルのアルミ箔部分を左手で持ち上げ、
右手で(内)と書いたアルミ箔の帯にタッチすると
大きな衝撃が走ります。


<注意する点>
①帯電中はペットボトルを机の上に置かない。

②塩ビ板をはがす前にペットボトルは電極から離しておく。

③塩ビ板を置いた方に(内)、離した方に(外)を接触させるようにする。

④塩ビ板を置くときはアルミ箔をすっぽり覆うように置く。

④塩ビ板をはがすときは真上に素早く離す。(すべらすように 離さない)
(すべらすように離すと剥離帯電が起きにくいため。)


どうしてもうまくいかない場合は、ペットボトルに巻くアルミ箔を幅2~3cmにして
やり直してみて下さい。

video
ビデオが表示できない場合はYoutubeでご覧ください。

放電火花実験をするときは、
(内)と書いたアルミ箔の帯にもう1本帯を貼り付け
先の方にストローを貼っておき、
帯電後に帯の先端を外側に巻いたアルミ箔に接近させます。

下の写真は上の繰り返しを25回行ってからやりました。

video


(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)


「失敗しないライデンボトル」 は上橋智恵のアイデア作品です。


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