Elektromos nedvesítés

Ez a kísérlet is szerepelt az IYPT 2007. Dél-Korea feladati között. A feladat szövege: Helyezzünk óvatosan borotvapengét vízfelületre! Ha elektromosan töltött testet közelítünk a pengéhez, a penge attól távolodik. Írd le a penge mozgását, amikor a töltött test helyett egy valamilyen módon szabályozható külső elektromos teret alkalmazunk!

Akik már tanultak egy keveset a felületi feszültségről, azok számára talán már nem meglepő, hogy egy borotvapenge a víznél nagyobb sűrűsége ellenére sem süllyed el! Úgy fekszik a kissé benyomódott vízfelszínen, mintha egy kifeszített rugalmas hártyán pihenne.
A jelenség magyarázata az 1. ábrán látható.

k1603

  1. ábra

A penge egy kicsit besüllyed a vízbe, így a víz felülültének síkja megváltozik a penge mentén. A  felületi erők Ff , mint tudjuk, midig a folyadék felszínének az irányába mutatnak. Ha az 1. ábrán látható Ff erőt vízszintes és függőleges összetevőire bontjuk, akkor már egy részleges magyarázatot kapunk arra, hogy miért nem süllyed el a penge, hisz az Fy irányú komponens ellentétes a pengére ható gravitációs erővel. Ha pontosabban utánaszámolunk, még egy másik erőt is figyelembe kell vennünk. Mivel a penge besüllyed a vízbe, így hat rá a felette lévő h magasságú vízréteg hidrosztatikai nyomásából számítható erő is. Hogyan hozhatjuk mozgásba a pengét? Egyik lehetőség, hogy a víz felületi feszültségét aszimmetrikus módon megváltoztatjuk, pl. egy csepp felületaktív anyag (sampon) hozzáadásával. A penge ennek hatására látványosan elindul abba az irányba, ahol a víz még nem keveredett össze a felületaktív anyaggal. A jelenség magyarázata, hogy a felületaktív anyaggal lecsökkentett kisebb felületi feszültség miatt, a cseppentés oldalán az Ff erő lecsökken, így Fx irányú komponense is kisebb lesz, mint az ellentétes oldalon. Ennek következtében megbomlik az x irányú erők egyensúlya, és a penge elindul a cseppentéssel ellentétes irányba.

k1602

2. ábra

A következő kérdés, hogy az elektromos tér képes-e befolyásolni (csökkenteni) a víz felületi feszültségét? Úgy tűnik igen. Valószínűleg ezt oly módon teszi, hogy a vízmolekulákat dipólus momentumaik mentén sorba rendezi, mind a folyadék belsejében, mind a folyadék felszínén. Így csökken a különbség a felszínen lévő molekulákra ható erők és a folyadék belsejében lévő molekulákra ható erők között, ami a felületi feszültség molekuláris magyarázata. Emiatt a befolyásolt térrészen a felületi feszültség csökken! Ha ez nem így lenne, akkor a 2. ábrán látható kísérletben vízen úszó borotvapenge az elektromos megosztás miatt az elektromosan feltöltött ebonit rúd irányába mozdulna el. Ezt egy másik kísérlettel is bizonyíthatjuk. Kör alakú drótkeret két átellenes pontja közé cérnaszálat kötünk úgy, hogy a cérna laza maradjon. Ha a keretet szappanoldatba mártjuk, akkor a kereten sík folyadékhártya jön létre, és a cérnaszál ebbe a hártyába beágyazódik. Ha a keretet forgatjuk, akkor a cérnaszál a hártyában ide oda úszik, láthatóan bármilyen helyzetben egyensúlyban van. Ha a hártyát a cérnaszál egyik oldalán egy tűvel kiszúrjuk, a maradó hártyarész a felületi feszültség következtében összehúzódik. Hasonló jelenség játszódik le, ha a szappanhártyát tű helyett egy elektromosan feltöltött ebonitrúddal közelítjük meg (3. ábra).

k1604

3. ábra

A fenti kísérlet alapján már érthetővé válik, hogy a cérnaszálhoz hasonlóan miért menekül a víz felszínén úszó penge a feltöltött ebonitrúd elől. Ez a jelenség azt is bizonyítja, hogy ebben az esetben a felületi erő nagyobb, mint az elektromos megosztás következtében fellépő vonzóerő. A penge elektrosztatikus kilövését úgy oldottuk meg, hogy NYÁK lemezekből előállítottunk egy síkkondenzátort. Erre a kondenzátorra nagyfeszültséget kapcsolva a lemezek között a víznek lecsökken a felületi feszültsége, így a penge kirepül a lemezek közül, mintha sampont öntöttünk volna a vízre.

k1601