TEORIJA in RAZLAGA

Naša naloga je bila razložiti, zakaj nehomogeno električno polje odbija, namesto privlači, tanek kos jekla (britev v tem primeru) plavajočega na vodni gladini.

Pojav je zanimiv, saj bi naivno pričakovali influenco, tj. pojav, kjer se zaradi zunanjega električnega polja, naboj v snovi prerazporedi v smeri električnega polja. Če je električno polje nehomogeno (kot v našem primeru, ko predmetu približamo nabito palico), bo na prerazporejene naboje delovala različna sila (na naboje bližje palici večja in nasprotno), kar ima za posledico neto silo, ki predmet vleče k izvoru električnega polja. Ta pojav smo opazili pri vseh snoveh, ki smo jih preizkusili, ko so visele na vrvici v zraku (glej poskusi).

Ko pa predmete postavimo, tako da plavajo na vodni površini, pa lahko pri nekaterih snoveh opazimo odboj. Razlog tiči v tem, da se na vodni gladini pojavi še sila zaradi površinske napetosti.

Naš prvi eksperiment, ki smo ga izvedli, je bilo merjenje dviga vodne površine v nehomogenem električnem polju. Nekoliko presenetljivo smo (kvalitativno) potrdili dvig vode (glej poskus 3).

Slika 1:

Ko se z nabito palico približamo vodni gladini, se le-ta dvigne, kar se dobro vidi po ukrivljenosti odbitega laserskega žarka na desni strani slike.

Pojav lahko razložimo z dejstvom, da je voda sestavljena iz majhnih molekul, ki imajo dipolni moment. Ko vodo postavimo v nehomogeno električno polje, na vsakega izmed dipolov deluje privlačna sila. Makroskopsko pa se te privlačne sile opazijo kot majhen dvig vodne površine.

Na robu predmetov, ki so v stiku z kapljevino, se kapljevina vedno postavi pod nekim kotom (t.i. kot omočitve), ki je karakterističen za kombinacijo kapljevine in trdne snovi. Ta pojav je posledica sile površinske napetosti.

Slika 2:

Slika prikazuje mejni kot δ med britvico in vodno gladino.

Ko nabito palico približamo vodni površini, se le-ta dvigne. S tem se za trenutek spremeni mejni kot med vodno površino in britvico. Ker je za vodno gladino energijsko ugodno le stanje, pri katerem se gladina dotika britvice pod kotom omočitve, bo vodna gladina v primeru britvice (jeklo ima z vodo kot omočitve večji od 90°) odrinila britvico (to je le neto posledica sil površinske napetosti), tako da bo mejni kot spet enak kotu omočitve.

Slika 2:

Britvica ima kot omočitve večji od 90°. Ker se gladina pod nabito palico nekoliko dvigne, se vodna linija skuša izravnati, da bo mejni kot spet enak kotu omočitve. Zato navidezno pride do odbojne sile med britvico in nabito palico.

Po tej razlagi bo med odbojem in privlakom zaradi površinske napetosti odločal kot omočitve, oz. še bolj natančno – snovi, ki imajo kot omočitve δ večji od 90°, bodo čutile odboj (npr. britvica); snovi, ki pa imajo kot omočitve δ manjši od 90°, bodo čutile privlak. Taka razlaga se zelo dobro ujema z rezultati poskusov (glej poskusi).

Slika 3:

Stiropor ima kot omočitve manjši od 90°. Ko se vodna gladina dvigne, se spremeni mejni kot. Da bi se vspostavilo normalno stanje s kotom omočitve, se vodna linija skuša izravnati, kar ima za posledico navidezni privlak stiroporja.

Slika 4:

Dvig vodne gladine povzroči povečanje mejnega kota nad kot omočitve.

Iz povedanega lahko sklepamo torej, da na nepolarni tekočini (npr. glicerin) – kjer do opaznega dviga gladine ne pride - do odboja ali privlaka ne bo prišlo in bomo opazili le normalen privlak zaradi pojava influence. To smo tudi naredili in dobili pričakovan rezultat (glej poskusi).

Sklepamo, da na predmet v nehomogenem električnem polju, delujeta poleg sile teže in vzgona, še sila zaradi influence, ki predmet privlači, in sila zaradi dviga vodne gladine (opisana zgoraj), ki odvisno od kota omočitve, posredno privlači oz. odbija predmet.

Kapljevina	Površinska napetost (N/m)	Dielektrična konstanta
Voda pri 20°C	0.0729	80.4
Etanol	0.0223	24.3
Benzen	0.0289	2.3
Glicerin	0.0634	~50

Tabela 1:

Površinske napetosti in dielektrične konstante nekaterih kapljevin.

Snov	Dielektrična konstanta
Steklo	~5
Stiropor	2.4

Tabela 2:

Dielektrične konstante nekaterih snovi.