Elektriõpetuse kaks olulisemat teemat
Elektriõpetus on füüsika õpetamisel kõige suurema mahuga füüsika alaosa. On lootusetu ühes õpiobjektis käsitleda terviklikult ja süsteemselt mingit traditsioonilist elektriõpetuse osa, nagu näiteks alalisvool või vahelduvvool. Sellepärast on siin valitud kaks suhteliselt vähem käsitletud ja ka vähem õigesti mõistetud ning suhteliselt iseseisvat teemat:
Staatiline elekter
Mõned näited igapäevaelust. Pärast niisket sügist järgneb koolis pikk keskküttega kütmise periood, kui eriti talvel on klassiruumides õhk muutunud väga kuivaks. Õpilane läheb tahvli juurde ja kriiti võttes riivab sõrmenukiga tahvlit ning tunneb teravat torget selles sõrmenukis. Sai "särtsu". Võimlas sai korvpallilt "särtsu". Kodus sünteetilisest materjalist kampsunit üle pea ära võttes kuuleb kerget särinat ja pimeda ruumi puhul näeb ka väikseid sädemeid. Analoogilisi näiteid võib leida hulgem. Püüame jõuda nende nähtuste põhjuse jälile. Väga lihtne on jõuda ja sageli jõutaksegi ekslikule järeldusele. Eriti sel juhul, kui on meelde jäänud õpetaja tehtud katse, et eboniitpulga hõõrumisel villase riidega või klaaspulga hõõrumisel amalgaamitud nahaga näitab elektroskoop nendel pulkadel tekkinud laengut. Ja veel on meelde jäänud, et õpetaja hõõrus väga tugevalt ning nimetas tekkinud laenguid hõõrdeelektriks. Siis on veel meelde jäänud soojusõpetusest, et kahe keha tugeval vastastikusel hõõrumisel muundub hõõrumise mehaanilise töö energia soojusenergiaks. Ajaloo tunnist meenub veel, kuidas ürginimene sai hõõrumise teel tuld.
Kõige selle põhjal on nii loomulik järeldada, et elektrilaengud tekivad kõnealusel juhul hõõrumise töö arvel. Ja ometi see nii ei ole. Kahe erinevast materjalist keha kokkupuutel on alati nii, et ühe keha pind, täpsemalt selle pinna aatomid ja molekulid annavad teise keha pinnale elektrone, mille tulemusena tekib esimeses kehas elektronide puudujääk ja teises kehas elektronide ülejääk. Või teisi sõnu, esimene keha osutub positiivselt laetuks ja teine keha negatiivselt laetuks. Röhutame veelkord, et see toimub ainult kokkupuutel, ilma hõõrdumiseta. Juba Michael Faraday (1791-1867) määras katsetega kindlaks erinevast materjalist kehade pingerea (näiteks klaas, siidriie, väävel, karusnahk jne), kui hästi või halvasti annavad erinevast materjalist kehad laenguid teistele kehadele ilma hõõrdumiseta, ainult kokkupuutel. Michael Faraday ei teadnud elektronidest midagi, sest elektronid avastati 1897.aastal. Sellepärast oli jutt lihtsalt laengutest.
Aga milleks siis ikkagi üldse hõõruda laengute saamiseks? Põhjus on väga lihtne. Ükski pind ei ole täiesti sile, vaid rohkem või vähem konarlik. Asetame kahe käe sõrmenukid kokkupuutesse. Näeme, et ühes asendis on nende kokkupuutepind väga väike, teises asendis aga väga suur. Hõõrumine suurendab kokkupuutepinda, seega ka rohkemat laengute üleminekut ühelt kehalt teisele. Juuresolevas videos võib näha ja igaüks ise proovida, kuidas võimalikult õhuke kilekott jääb seina või tahvli külge üsna vähese hõõrumisega.
Elektriõpetus on füüsika õpetamisel kõige suurema mahuga füüsika alaosa. On lootusetu ühes õpiobjektis käsitleda terviklikult ja süsteemselt mingit traditsioonilist elektriõpetuse osa, nagu näiteks alalisvool või vahelduvvool. Sellepärast on siin valitud kaks suhteliselt vähem käsitletud ja ka vähem õigesti mõistetud ning suhteliselt iseseisvat teemat:
- Staatiline elekter ehk staatilised laengud või kõnekeeles ka hõõrdeelekter,
- Elektrivälja varjestamine ja "Faraday puur".
Staatiline elekter
Mõned näited igapäevaelust. Pärast niisket sügist järgneb koolis pikk keskküttega kütmise periood, kui eriti talvel on klassiruumides õhk muutunud väga kuivaks. Õpilane läheb tahvli juurde ja kriiti võttes riivab sõrmenukiga tahvlit ning tunneb teravat torget selles sõrmenukis. Sai "särtsu". Võimlas sai korvpallilt "särtsu". Kodus sünteetilisest materjalist kampsunit üle pea ära võttes kuuleb kerget särinat ja pimeda ruumi puhul näeb ka väikseid sädemeid. Analoogilisi näiteid võib leida hulgem. Püüame jõuda nende nähtuste põhjuse jälile. Väga lihtne on jõuda ja sageli jõutaksegi ekslikule järeldusele. Eriti sel juhul, kui on meelde jäänud õpetaja tehtud katse, et eboniitpulga hõõrumisel villase riidega või klaaspulga hõõrumisel amalgaamitud nahaga näitab elektroskoop nendel pulkadel tekkinud laengut. Ja veel on meelde jäänud, et õpetaja hõõrus väga tugevalt ning nimetas tekkinud laenguid hõõrdeelektriks. Siis on veel meelde jäänud soojusõpetusest, et kahe keha tugeval vastastikusel hõõrumisel muundub hõõrumise mehaanilise töö energia soojusenergiaks. Ajaloo tunnist meenub veel, kuidas ürginimene sai hõõrumise teel tuld.
Kõige selle põhjal on nii loomulik järeldada, et elektrilaengud tekivad kõnealusel juhul hõõrumise töö arvel. Ja ometi see nii ei ole. Kahe erinevast materjalist keha kokkupuutel on alati nii, et ühe keha pind, täpsemalt selle pinna aatomid ja molekulid annavad teise keha pinnale elektrone, mille tulemusena tekib esimeses kehas elektronide puudujääk ja teises kehas elektronide ülejääk. Või teisi sõnu, esimene keha osutub positiivselt laetuks ja teine keha negatiivselt laetuks. Röhutame veelkord, et see toimub ainult kokkupuutel, ilma hõõrdumiseta. Juba Michael Faraday (1791-1867) määras katsetega kindlaks erinevast materjalist kehade pingerea (näiteks klaas, siidriie, väävel, karusnahk jne), kui hästi või halvasti annavad erinevast materjalist kehad laenguid teistele kehadele ilma hõõrdumiseta, ainult kokkupuutel. Michael Faraday ei teadnud elektronidest midagi, sest elektronid avastati 1897.aastal. Sellepärast oli jutt lihtsalt laengutest.
Aga milleks siis ikkagi üldse hõõruda laengute saamiseks? Põhjus on väga lihtne. Ükski pind ei ole täiesti sile, vaid rohkem või vähem konarlik. Asetame kahe käe sõrmenukid kokkupuutesse. Näeme, et ühes asendis on nende kokkupuutepind väga väike, teises asendis aga väga suur. Hõõrumine suurendab kokkupuutepinda, seega ka rohkemat laengute üleminekut ühelt kehalt teisele. Juuresolevas videos võib näha ja igaüks ise proovida, kuidas võimalikult õhuke kilekott jääb seina või tahvli külge üsna vähese hõõrumisega.
Aivo Saar - Kilekott from Tallinna Ülikool on Vimeo.
Mõnikord, kui ruum on väga kuiv, kilekott hästi õhuke ning veel parem, kui kilekott on olnud kuskil kotis kägaras koos, siis võib jääda isegi hõõrumiseta, ainult kokkupuutega, seina külge. Staatilised laengud võivad väga tülikad olla, näiteks tekstiilitööstuses, kus lõngad või niidid jooksevad suure kiirusega rullikutelt rullikutele ning tekkivad laengud võivad põhjustada nende sassiminekut. Või tuleohtlikke vedelikke vedavatel tsisternautodel peab lohisema järel ketijupp, mis mõne lüliga kogu aeg on kokkupuutes maapinnaga, et juhtida tekkivad laengud maha. Kokku puutuvad kaks erinevat materjali - tsistern ja tuleohtlik vedelik. Kui seda ketijuppi ei oleks, siis tekkivad laengud kogunevad plahvatuse saabumiseni. Kes seda lohiseva keti põhjust ei tea, see arvab autojuhi väga lohaka olevat. Selle teema õppija ülesandeks võiks olla mõne täiendava näite leidmine igapäevaelust või Internetist. Selle teema sõnum on aga, et (bold) staatiline elekter ehk staatilised laengud ei teki hõõrumise töö arvel, vaid füüsikalisest nähtusest, et erinevast materjalist kehade kokkupuutel annab üks keha elektrone teisele kehale, muutudes ise positiivselt laetuks ja muutes teise keha negatiivselt laetuks ning et hõõrdumine on vajalik vaid kehade kokkupuutepinna suurendamiseks.
Elektrivälja varjestamine ja "Faraday puur"
Selle teema mõistmise eelduseks on aru saada, mis toimub elektrit juhtivast materjalist kehaga (metallitükiga), kui asetada see elektrivälja. Juuresoleval joonisel näeme metallitükki homogeenses (ühtlases) elektriväljas. Metallis on rikkalikult niinimetatud vabu elektrone, mis väga kergelt saavad liikuda metallis välise elektrivälja mõjul, kuid metallist välja ei saa. Edasist nähtust peame vaatlema "aegluubis", sest tegelikkuses toimub see kõik hetkega. Vabad elektronid metallitükis hakkavad välise elektrivälja mõjul liikuma plussplaadi poole ning kogunevad metallitüki plussplaadi poolsele küljele, sest välja nad metallitükist ei saa. See metallitüki pool laadub negatiivselt. Vastaskülg miinusplaadi pool laadub aga positiivselt, sest sealt lähevad elektronid ära. Niisiis tekib metallitüki sees lisaks välisele elektriväljale ka sisemine elektriväli, mille suund on vastupidine välisele elektriväljale. Väline elektriväli ei muutu, aga sisemine elektriväli kasvab. Metallitüki sees kahe vastassuunalise välja summaarne väli kogu aeg nõrgeneb, seega ka elektronide voolamine plussplaadi poole nõrgeneb. Protsess kestab seni, kuni kasvav sisemine väli saab võrdseks vastassuunalise välise väljaga ning summaarne väli metallitüki sees on 0 ehk elektriväli metallitüki sees puudub.
Teemat edasi arendades selgub huvitav asjaolu, et mitte ainult metallitüki sees puudub elektriväli, vaid ka metalliga ümbritsetud ruumis, näiteks plekk-karbis, puudub elektriväli. Väline elektriväli ei jõua plekk-karbi sisse. Selle kohta öeldakse, et väline elektriväli varjestatakse. Asi läheb veelgi huvitavamaks, kui selgub, et varjestamiseks ei pea olema plekk kui pidev materjal, vaid piisab metallvõrgust. Metallvõrguga ümbritsetud ruumi hakati Michael Faraday nime järgi nimetama "Faraday puuriks". Allpool olevas videos on näha, kuidas metallvõrgust valmistatud karbis oleva mobiiltelefoniga ei ole võimalik teise mobiiltelefoniga ühendust saada, sest välisest mobiiltelefonist lähtuvad elektromagnetlained ei saa metallvõrgust tehtud karbi sisse.Metallvõrgus olev mobiiltelefon on metallvõrguga varjestatud välise elektromagnetvälja eest. Mobiiltelefon asub "Faraday puuris". Üheks heaks varjestamise näiteks on teatud kaablid, mille ümber on tihe peenike metallvõrk (kõnekeeles "sukk").
Elektrivälja varjestamine ja "Faraday puur"
Selle teema mõistmise eelduseks on aru saada, mis toimub elektrit juhtivast materjalist kehaga (metallitükiga), kui asetada see elektrivälja. Juuresoleval joonisel näeme metallitükki homogeenses (ühtlases) elektriväljas. Metallis on rikkalikult niinimetatud vabu elektrone, mis väga kergelt saavad liikuda metallis välise elektrivälja mõjul, kuid metallist välja ei saa. Edasist nähtust peame vaatlema "aegluubis", sest tegelikkuses toimub see kõik hetkega. Vabad elektronid metallitükis hakkavad välise elektrivälja mõjul liikuma plussplaadi poole ning kogunevad metallitüki plussplaadi poolsele küljele, sest välja nad metallitükist ei saa. See metallitüki pool laadub negatiivselt. Vastaskülg miinusplaadi pool laadub aga positiivselt, sest sealt lähevad elektronid ära. Niisiis tekib metallitüki sees lisaks välisele elektriväljale ka sisemine elektriväli, mille suund on vastupidine välisele elektriväljale. Väline elektriväli ei muutu, aga sisemine elektriväli kasvab. Metallitüki sees kahe vastassuunalise välja summaarne väli kogu aeg nõrgeneb, seega ka elektronide voolamine plussplaadi poole nõrgeneb. Protsess kestab seni, kuni kasvav sisemine väli saab võrdseks vastassuunalise välise väljaga ning summaarne väli metallitüki sees on 0 ehk elektriväli metallitüki sees puudub.
Teemat edasi arendades selgub huvitav asjaolu, et mitte ainult metallitüki sees puudub elektriväli, vaid ka metalliga ümbritsetud ruumis, näiteks plekk-karbis, puudub elektriväli. Väline elektriväli ei jõua plekk-karbi sisse. Selle kohta öeldakse, et väline elektriväli varjestatakse. Asi läheb veelgi huvitavamaks, kui selgub, et varjestamiseks ei pea olema plekk kui pidev materjal, vaid piisab metallvõrgust. Metallvõrguga ümbritsetud ruumi hakati Michael Faraday nime järgi nimetama "Faraday puuriks". Allpool olevas videos on näha, kuidas metallvõrgust valmistatud karbis oleva mobiiltelefoniga ei ole võimalik teise mobiiltelefoniga ühendust saada, sest välisest mobiiltelefonist lähtuvad elektromagnetlained ei saa metallvõrgust tehtud karbi sisse.Metallvõrgus olev mobiiltelefon on metallvõrguga varjestatud välise elektromagnetvälja eest. Mobiiltelefon asub "Faraday puuris". Üheks heaks varjestamise näiteks on teatud kaablid, mille ümber on tihe peenike metallvõrk (kõnekeeles "sukk").
Aivo Saar - Mobiil from Tallinna Ülikool on Vimeo.