שבשבת שמסתובבת בתוך כוס אטומה

בניסוי הזה נבנה סוג של שבשבת מסתובבת, אבל לא בכוח הרוח אלא בכוח המשיכה החשמלי, ולכן היא יכולה להסתובב גם בתוך כוס אטומה.

ציוד

• בלון
• נייר אלומיניום
• פלסטלינה
• כוס
• קיסם
• סרגל
• עט או טוש סימון
• שיער או אפודת צמר (כדי לשפשף בהם את הבלון)

מהלך הניסוי
את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

טיפּ לניסוי מוצלח: עשו את ההדגמה במזג אוויר יבש או באוויר היבש של חדר ממוזג. כשהאוויר לח, החשמל הסטטי נוטה להתפרק במהירות מעצמו והניסוי יצליח פחות.

הסבר
החומרים שאנו פוגשים מדי יום בעולמנו מורכבים ממולקולות ומאטומים. כל אטום מורכב מאלקטרונים טעונים במטען חשמלי שלילי שמקיפים פרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי. בדרך כלל החומרים שאנחנו נוגעים בהם די מאוזנים מבחינה חשמלית, כלומר המטענים החיוביים והשליליים שלהם משתווים זה לזה ולחומר אין מטען חשמלי כולל.

חשמל סטטי נוצר כשמשפשפים שני חומרים (כמו שיער ובלון גומי) או מצמידים אותם ואז מפרידים. המגע ביניהם גורם לאלקטרונים להיתלש מחומר אחד ולעבור לחומר השני וכך נוצר בשני החומרים מטען חשמלי – חומר אחד, שאליו נוספו אלקטרונים, מקבל מטען שלילי, והשני, שממנו נגרעו אלקטרונים, נטען במטען חיובי.

מטענים חשמליים מנוגדים (מינוס ופלוס) מושכים זה את זה, ומטענים חשמליים זהים (מינוס ומינוס או פלוס ופלוס) דוחים זה את זה. העובדה הזאת מסבירה למשל מדוע השערות שלנו נמשכות לבלון אחרי השפשוף – הבלון תולש אלקטרונים מהשיער (גומי נוטה לקבל מטען שלילי), ולכן נטען שלילית ומושך אליו את השיער, שמקבל מטען חיובי.

אבל מדוע שבשבת האלומיניום נמשכת לבלון? הרי היא עצמה לא טעונה חשמלית?

התשובה היא שזה קורה בגלל תופעת הקיטוב החשמלי: כשחומר שטעון במטען חשמלי (כמו הבלון) מתקרב לחומר אחר, החומר האחר עובר קיטוב חשמלי (פולריזציה). התהליך הזה דומה למה שמתרחש באטומים ובמולקולות ב"השראה אלקטרומגנטית": המטענים בחומר השני מסתדרים בהתאם לכוח החשמלי שמשרה עליהם החומר הטעון.

ספציפית, אם לבלון יש מטען שלילי, האלקטרונים או המטענים החשמליים בכל חומר שהבלון יתקרב אליו יידחו מעט לכיוון ההפוך. כתוצאה מכך החומר יתקטב, כלומר יהיה בו עודף מסוים באלקטרונים בצד הרחוק מהבלון ומחסור יחסי באלקטרונים קרוב לבלון, כך שהאזור הזה ייטען במטען חיובי. דוגמה תוכלו לראות באנימציה הבאה, שלקוחה מתוך הניסוי שלנו 'מירוץ הפחיות המכושפות'. היא ממחישה את תהליך ההימשכות של פחית מתכת אל בלון טעון בעקבות השראה חשמלית וקיטוב.

בניסוי שלנו, כוח משיכה חשמלי נוצר בין הבלון לשבשבת המתכתית, שמסתובבת יחד עם הבלון כאילו הם קשורים זה לזה. כוח המשיכה החשמלי בין הבלון והשבשבת תלוי במרחק, ולכן המשיכה בין המטענים השליליים שבבלון למטענים החיוביים שבשבשבת גוברת על הדחייה שמפעילים המטענים השליליים בחלקים הרחוקים יותר של השבשבת.

מעניין לציין
בניסוי רואים תופעה מעניינת – שדה הכוח האלקטרומגנטי "עובר" גם דרך חפצים אחרים – הוא מדלג מעבר לדופן הכוס ומשפיע על השבשבת שבתוכה. אבל אם הכוס הייתה עשויה מתכת,  שמוליכה חשמל בעצמה, היה נוצר לנו כלוב פארדאיי, שהיה מצליח למסך את השדה האלקטרומגנטי והשבשבת לא הייתה מסתובבת.

לצערנו - לא כל הכוחות ניתן למסך – למשל את שדה כוח המשיכה. לכן אי אפשר לבנות בכדור הארץ כלוב שבו לא יורגש כוח המשיכה (תחשבו על זה – חדר כזה היה יכול להיות כיף!).

ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.