"Edisonov pokus"

Priredio: Hrvoje Mesić

---

Premda je tzv. 'Edisonov pokus' opisan u nekoliko udžbenika i priručnika, neki se nastavnici žale da im taj pokus "ne uspijeva". Provjerom se pokazalo da je pojava zaista upitna, ili je bolje reći zanimljiva. Stoga smo izveli pokus i raspravili njegovu fizikalnu pozadinu. Postavlja se nekoliko pitanja 1. ima li ovakav pokus uopće smisla? 2. je li onima koji ga opisuju ikada uspio ovaj pokus?

CITATI

      SADRŽAJ:

• "Edisonov pokus" - Uvod
• HNOS - Nastavne teme iz fizike za 8. razred osnovne škole
• Opis pokusa u jednom od udžbenika
• Usporedba najnovijeg i najstarijeg opisa 1956 - 2006
• Što je to što "ne uspijeva" u izvedbi pokusa?
• Rješavanje prve poteškoće
• Zašto je Edison ugradio pločicu u žarulju?
• Vakuumska dioda od žarulje
• Možda je staklo toliko vruće da postaje vodljivo?
• Možda staklo vodi uslijed visokog napona?
• Možda dolazi do ioniziranja zraka?
• Ioniziranje zraka?
• O čemu se onda zapravo radi?

"Edisonov pokus" u nastavnim temama za 8. razred osnovne škole

Hrvatski nacionalni obrazovni standard (HNOS) sadrži popis nastavnih tema za svaki predmet osnovne škole.
Uz nastavnu temu iz fizike, o elektronima i struji, za 8. razred, kao dodatna ilustracija predlaže se izvođenje tzv. "Edisonovog pokusa". U popisu tema se naravno ne opisuju pojedinosti pokusa jer se pretpostavlja da to spada u standardne pokuse koji se izvode u školi i da svaki nastavnik fizike zna na što se misli kada se kaže "Edisonov pokus".

Cijeli popis nastavnih tema u pdf formatu može se učitati s web stranice ministarstva:
Nastavne teme 2006./2007.   Fizika 8. razred (pdf, 408.2KB)

---

Izvadak iz dokumenta: "Nastavne teme iz fizike za 8. razred osnovne škole" dostupnog na web-stranicama MZŠO

  Na vrh

Edisonov pokus u našim knjigama: Pokus na koji se misli pod nazivom "Edisonov pokus" dobro je opisan u jednom od ranijih udžbenika za osnovnu školu.
	Dr. Gustav Šindler, Branimira Valić Materija: Gibanje, električna energija i svjetlost,  Udžbenik fizike za VIII. Razred, Školska knjiga, Zagreb, 1987. [5]
[CITAT:....] Na žarulju stavimo kapicu od aluminijske folije, a nju spojimo s negativno elektriziranim elektroskopom.* Uključimo li žarulju u strujni krug, žarna nit svijetli, a elektroskop ostaje elektriziran.
Ali, ako kapicu i elektroskop pozitivno naelektriziramo pa zatvorimo strujni krug sa žaruljom, elektroskop se izbije. Kako to objasniti?
To je moguće ako pretpostavimo da užarena nit izbacuje negativne naboje sa svoje površine. Ti negativni naboji u balonu žarulje privučeni su pozitivnim nabojem kapice na žarulji. Stoga se raznoimeni naboji približe, pa se električki neutraliziraju. To pokazuje spuštena kazaljka elektroskopa. [.... KRAJ CITATA]

  Na vrh

POKUS JE DAVNO UVEDEN U KNJIGE I ZADRŽAO SE DO DANAS

Usporedni tekst iz dvije knjige izdane u razmaku od  50 godina.

1956. Dragutin Mayer  FIZIKA za VII. razred gimnazije,  Školska knjiga, Zagreb 1956. [CITAT:....] Na gornji dio staklenog balona jedne žarulje prilijepirno kapicu od stainiola (promjer oko 5 cm). Kapicu spojimo žicom s elektroskopom, a žarulju priključimo preko uklopca na gradsku električnu mrežu. Radi bolje izolacije mora se stakleni balon žarulje premazati rasotopinom šelaka u alkoholu. Napomena. Edison je taj efekt otkrio pomoću žarulje, koja je imala namjesto kapice metalnu pločicu ugrađenu u balonu žarulje, a umjesto elektroskopa uzeo je osjetljiv galvanometar. citirano iz [1] >>	2006. Branka Mikuličić,  Ivica Buljan  OTKRIVAMO FIZIKU,  Školska knjiga, Zagreb 2006. [CITAT:....] Na gornji dio staklenog balona žarulje prilijepimo kapicu od alufolije, promjera oko 5 cm. Kapicu žicom spojimo s osjetljivim elektroskopom, a žarulju preko sklopke spojimo na gradsku mrežu. Radi bolje izolacije dobro je stakleni balon žarulje premazati otopinom šelaka u alkoholu. Edison je taj efekt otkrio pomoću žarulje koja je umjesto kapice imala kovnu pločicu ugrađenu u balonu žarulje, a umjesto elektroskopa uzeo je osjetljiv galvanometar. citirano iz [11] >>
Dragutin Mayer  FIZIKAza III. razred gimnazije, ŠK, Zagreb 1974. [CITAT:....] Naš je pokus samo imitacija Edisonova pokusa jer elektroni ne mogu kroz staklo (izolator) prodrijeti do pozitivne kapice, ali se nagomilavaju na staklu ispod kapice i odbijaju slobodne elektrone iz kapice prema elektroskopu koji se zbog toga neutralizira. Prema tomu se i ovim pokusom može demonstrirati da iz užarene kovine zaista izlaze elektroni. citirano iz [2] >>	[CITAT:....] Naš je pokus samo imitacija Edisonova pokusa jer elektroni ne mogu kroz staklo (izolator) prodrijeti do pozitivne kapice. Oni se nagomilavaju na staklu ispod kapice i odbijaju slobodne elektrone iz kapice prema elektroskopu koji se zbog toga neutralizira. Prema tome, i ovim se pokusom može demonstrirati da iz užarene kovine zaista izlaze elektroni. citirano iz [11] >>
	[CITAT:....] Imajmo na umu da je ovaj pokus vrlo zahtjevan i najčešće ne uspijeva. Teškoća je u današnjim žaruljama koje su punjene plinom. Pokus je uspješniji ako se izvodi za suha vremena i s vrlo osjetljivim elektroskopom na koji je spojena kapica. Nemamo li tih uvjeta, ipak ne ćemo odustati od pokusa nego ćemo ga opisati i tražiti objašnjenje kao da smo ga izveli. citirano iz [11] >>

  Na vrh                                                                        Vidi citate iz drugih izvora

---

Što "ne uspijeva" u izvedbi pokusa?

  Na vrh

Rješavanje prve poteškoće. Kako uopće nabiti elektroskop povezan s kapicom na ugašenoj žarulji? Elektroskop koji se uobičajeno koristi u našim školama najčešće je tzv. Braunov elektroskop (ispravnije je reći elektrometar). U "kućici" tog elektroskopa s kazaljkom obično se nalazi skala koja pri otklonu kazaljke pokazuje potencijal (u odnosu na zemlju), odnosno napon na kojem se nalazi njegov nabijeni izvod. Ti naponi stvoreni nanošenjem naboja s natrljanog staklenog ili plastičnog štapa mogu dosezati i više od 15 kV. Ako se žarulja s kapicom od alu-folije i s njom povezan elektroskop ne daju nabiti očito je da naboj "bježi" u uvjetima tako visokog napona. Naime, staklena "kruška" žarulje odvodi naboje preko grla do neutralnog vodiča ("nul-vodič") kojim je u novije vrijeme čitava instalacija uzemljena takozvanim "nulovanjem".Postavlja se pitanje zašto bi staklo bilo vodljivo kad je poznato da se ono upravo korist za visokonaponske izolatore npr. na dalekovodima.

Staklo je zaista odličan izolator no u proizvodnji žarulja izvrgnuto je grijanju plinskim plamenicima što na površini stakla ostavlja nevidljivi sloj čađe (ugljika) koji odvodi naboje i spriječava nas u pokušaju nabijanja elektroskopa. To je ujedno i razlog zgog kojeg se u knjigama preporučuje premazivanje žarulje "otopinom šelaka u alkoholu", premda danas malo koji nastavnik, a kamoli učenik zna što je i čemu služi "šelak", i gdje bi se mogao nabaviti. Isto vrijedi za "staniol" koji se spominje u [9]. Rješenje ove poteškoće je slijedeće: Žarulju treba dobro oprati trljajući je nekim sredstvom za pranje (npr. "Vim", "Arf", "Jon" i sl.). Ta sredstva su pomalo abrazivna i skinut će sa stakla vodljivi sloj. Žarulju zatim posušimo papirnatom maramicom i ostavimo je upaljenu minutu, dvije da se do kraja posuši od vlastite topline. Nakon ovakve "obrade" uspjet će nanošenje naboja na elektroskop, ako pazimo da je žica koja spaja kapicu i elektroskop dovoljno odmaknuta od bilo čega što bi u uvjetima visokog napona moglo odvesti naboj, a osobito treba paziti da vodič (iako izoliran) ne dodiruje kućište elektroskopa kao na slici iz [11], nego treba upotrijebiti krutu žicu ili metalni lančić kao na slici.   Na vrh

Zašto je Edison ugradio pločicu?

Danas se zna da iz užarene niti izlaze elektroni. No, može li se emisija elektrona dokazivati stavljanjem vodljive "kapice" s vanjske strane stakla žarulje?
Mayer u svojoj knjizi [1] doduše priznaje da se radi tek o imitaciji onoga što je načinio Edison, tj. da je Edison upotrijebio žarulju koja je umjesto kapice imala kovnu pločicu ugrađenu u balonu žarulje.
Pogledajmo stoga što je uopće Edisona navelo na zamisao da ugrađuje nekakvu pločicu u "balon" žarulje u doba dok o elektronu nije bilo govora (1875).

Edison drži žarulju s ugrađenom pločicom	Učilo za "Edisonov pokus" kakvo se koristi u Njemačkim školama.

Citirat ćemo dijelove članka "Contribution of Thomas A. Edison to Thermionics" iz časopisa "American Journal of Physics" (Svezak 28, Br. 9, prosinac, 1960, stranice 763-773 (cijeli članak na engleskom), u kojem autor J. B. Johnson, piše:

"...Godina je bila 1880. Thomas A. Edison bio je zaokupljen radom u svom laboratoriju u Menlo Parku razvijajući žarulju s ugljenom niti. Žarulja još nije bila u prodaji, ali se činila vrlo obečavajućom. U to doba žarna nit je načinjena od potkovasto izrezanog komada kartona koji je zatim pougljenjen i učvršćen na stakleni stupić. Sve je zatim zataljeno u staklenu "krušku" iz koje je pomoću živine sisaljke isisan zrak."
"Sa žaruljama je postojala jedna poteškoća, u tome što se ugljik iz žarne niti taložio na unutrašnju stjenku staklene "kruške" i to zacrnjenje smanjivalo je učinak i vijek trajanja žarulje. Kako je dolazilo do tog zacrnjenja, i kako se to moglo spriječiti? O tome su mnogo spekulirali i ispitivali. A onda je netko primijetio da pozitivan kraj žarne niti baca sjenu na staklo, kao da ugljik dolazi pravocrtno s negativnog kraja niti, a pozitivan kraj mu presijeca put. Kako je godinu dana ranije Crookes pokazao da su katodne zrake negativno nabijene čestice koje pri izboju u plinu idu od negativne prema pozitivnoj elektrodi, to je navelo Edisona i njegove ljude na pomisao da se iz žarne niti u žarulji izbacuju negativno nabijeni atomi ugljika i samo oni s negativnog kraja mogu stići do stakla. Sjenu je ostavljao pozitivan kraj. (U to doba nije bilo izmjenične struje, Edison je uvijek bio "DC man".) Projekcija ugljika nazivala se "električno nošenje," s pretpostavkom da ugljik nosi struju ili, možda, obrnuto. To su pripisivali Crookesovom učinku, ipak uz izvjesnu sumnju. To ih je odvelo na dugačak, pogrešan trag, međutim sa zanimljivim eksperimentalnim rezultatima."
"No, ako su čestice ugljika nabijene trebale bi se moći odvesti na posebnu elektrodu, dalje od stakla. Nadalje, trebala bi se moći izmjeriti struja prema toj elektrodi. 13. veljače, 1880. Edison je zapisao u svoju bilježnicu prvi iz dugog niza pokusa o spriječavanju "nošenja". Na skici se vidi žarulja s potkovastom niti, i uvedena dodatna elektroda, komadić tankog lima od platine....."

 

Edisonov pokus kao dioda na 12 V

Elektroničar Burkhard Kainka iz Njemačke opisao je na svojoj web-stranici pokus koji lako možemo izvesti jednostavnim priborom. Iz tog pokusa možemo otkriti mnoge pojave koje se odnose na ponašanje elektrona u električnom polju. Ovdje je poveznica na hrvatski prijevod njegove web-stranice.

POZOR! U radu s naponom od 220 V pridržavajte se mjera sigurnosti

Spojimo stakleni štapić u strujni krug žarulje. Staklo na sobnoj temperaturi ima toliko veliki otpor da ne propušta struju i žarulja ne svijetli iako je krug pod naponom od 220 V. Tek kad štapić ugrijemo plinskim plamenom gotovo do temperature taljenja (približno 900°C) staklo postane vodljivo i nit u žarulji počinje se žariti.

Inačicu ovog pokusa, praktičnu za izvođenje u školi, osmislio je Dale Stille sa sveučilišta u državi Iowa. Prilagođeni opis preuzet s njegove web-stranice možete vidjeti ovdje.

Možemo zaključiti da se upaljena žarulja nikada ne zagrije do temperature kakvu smo postigli plamenom.

Možemo pokus proširiti slijedećim dodatkom.

Zagrijemo li stakleni štap A-B pomoću plinskog plamena do temperature 300 – 400 ^°C, tada njegov električni otpor padne na nekoliko desetaka oma, i nit žarulje se užari. Ako nakon toga plamenik uklonimo, a žarulju istodobno kratko spojimo sklopkom S_K, tada će se smanjiti ukupni otpor strujnog kruga, a struja će se povećati. Stakleni štap će se sam zagrijavati električnom strujom i usijat će se do blistavog sjaja, a kao posljedica njegov će se otpor još više smanjiti, a struja povećati. Na kraju će se staklo štapa rastopiti i prekinuti strujni krug.

Možda postoji neka vodljivost uslijed visokog napona?

 Možemo posumnjati da nakon paljenja žarulje dolazi do stvaranja nosioca naboja u staklu koji omogućuju neutraliziranje elektroskopa.

Razapnemo običnu uzicu od kudelje ("špagu") između elektroskopa i metalne kugle na izoliranom stalku, tako da duljina uzice bude oko 3 do 5 m. Naravno uzica cijelom svojom duljinom mora visjeti u zraku ne dodirujući okolne predmete. Sad na kuglu na stalku nanesemo naboj sa štapa natrljanog vunom. Pričekamo neko vrijeme (oko 10 sekundi) i elektroskop na drugom kraju uzice počet će se nabijati. Zatim izbijemo elektroskop i zamolimo pomoćnika da uhvati rukom sredinu uzice. Ponovno nabijanje kugle sada neće elektrizirati elektroskop.

Zaključujemo da tvar koju nismo ubrajali u vodiče postaje vodljiva ako je napon dovoljno visok.

  Na vrh

  Na vrh

O čemu se onda zapravo radi?  Izvedimo slijedeći pokus kojim ćemo konačno završiti nagađanja o razlozima izbijanja elektroskopa pri uključenju žarulje..	Staklo nije kristal nego „kruta tekućina“, koja ima izuzetno visoku viskoznost. Ono je također i elektrolit, u kojem postoje pozitivni ioni natrija Na+. Kada pri zagrijavanju, staklo omekša i njegova viskoznost se jako smanji u odnosu prema hladnom staklu, ioni u njemu postaju znatno pokretljiviji. Oni i jesu nosioci struje u staklu. Kao dokaz toga može nam poslužiti sljedeći demonstracioni pokus. U vatrostalnu zdjelu koju zagrijavamo plinskim plamenom stavi se rastopljena čilska salitra NaNO3, u koju se uroni oko trećina staklene kruške vakuumirane žarulje (ispunjena plinom nije pogodna). Nit žarulje se zatim žari istosmjernom strujom. Ugljena elektroda a spoji se s pozitivnim krajem niti žarulje i zatim uroni u rastaljenu salitru. Elektroda služi kao anoda, u odnosu na koju sve točke niti žarulje imaju niži potencijal. Rastopljena salitra djelomično disocira na ione Na+ i NO3-. Pod djelovanjem razlike potencijala između ugljenog štapa kao anode i niti žarulje ioni Na+ se gibaju u salitri u smjeru od anode a prema staklu žarulje. Oni zatim kroz staklenu stjenku prodiru u unutrašnjost žarulje. Na tim stjenkama oni se neutraliziraju elektronima koje emitira užarena nit, i pretvaraju se u neutralne atome Na. Isparavajući, neutralni atomi natrija se talože na hladnijim dijelovima unutrašnje površine stakla žarulje, gdje se poput zrcala stvara dobro vidljiv sloj natrija. Tekst i slika preuzeti iz knjige: Сивухин Д. В., Общий курс физики - том 3. Электричество, Наука, Москва, 1977. Prijevod s ruskog: Dario Mičić
Zaključujemo da staklo koje smo ubrajali u izolatore ipak postaje vodljivo ako je napon dovoljno visok, a u slučaju opisanog pokusa to je više od 15kV, stoga je dovoljna temperatura od grijanja žarne niti da se uspostavi vođenje kroz staklo i naboj s kapice odvede bez obzira je li pozitivan ili negativan. Pokus eventualno može uspjeti ako žarulju ne uključujemo na njezin nazivni napon nego preko regulacionog transformatora tako da se nit jedva zamjetno počne žariti.
Na vrh

web: hmesic@phy.hr