魔法の杖?いや、ちょうど古き良き時代の物理学


これをチェックしてください。 物事を浮かべる魔法の杖のように見えますが、それは単なる物理学です。それがこれらの種類のおもちゃをとてもクールにするものだと思います。彼らは私たちの日々の経験に反することをします。通常、ものはこのように空中にぶら下がっていません。

しかし、それはどのように機能しますか?その答えは、本質的に基本的な相互作用、クーロン力(静電気力とも呼ばれる)です。クーロン力は、任意の2つの電荷間の相互作用です。あなたはまだ電荷を定義する必要があるので、それは一種の循環的な定義です。 2つの最も一般的な電荷はどこにでもある、つまり電子(負の電荷)とプロトン(正の電荷)です。中性子と一緒に、これら3つの粒子はあなたが日常生活で見るほとんどすべてを構成します。

クーロン力の場合、2つの電荷の符号が反対(負と正)であれば、それらの間に引力があります。 2つの電荷が同じ符号を持っている場合、力は斥力です(それが押しのけて、それが総ではないことを意味します)。クーロン力のもう一つの重要な部分があります。電荷が遠くなるにつれて、それらの間の力は減少します。つまり、スーパークローズチャージには非常に大きな力(魅力的または反発的)があります。

クーロン力がそれほど強くなることができるならば、なぜ我々はそれを常に物の間の相互作用として見ないのでしょうか?ほぼすべてが電子と陽子の両方でできているので、物体はこれらの2つの電荷のほぼ同じ数を持つ傾向があります。たくさんの電荷を持つ2つのオブジェクト間の全体的な相互作用は、約0ニュートンになる傾向があります。

しかし、あなたがクーロンの相互作用を実際に理解しているのでなければ、クーロンの相互作用を理解することはできません。それでは、魔法の杖に戻る前にそうしましょう。この実験では、一緒にこするには2つの異なる材料が必要になります。小さいPVCパイプとプラスチックカップの一部を使います。これらの材料を擦ると、電荷がある材料から別の材料に移動します。その結果、それらの一方に余分な電子があり、もう一方には電子が不足しています。余分な電子を持つ材料は正味の負電荷を持ち、他の物体は正に帯電します。

プラスチックを紐から吊るすと、2つの物体間の相互作用がわかります。

レット・アラン

彼らが反対の料金を持っているのでそれらが引き付けることに注意してください。また、クーロン力が十分に強くなるように、2つのオブジェクトが接近するまではあまり相互作用がないことにも注意してください。どのオブジェクトがポジティブでどれがネガティブであるかを判断するのはそれほど簡単ではないことを指摘しておく必要があります。方法はありますが、今のところ、PVCはプラス、プラスチックはマイナスです。

今度は私はプラスチックコップの別の部分を取り、同じPVCパイプでそれをこすることができます。 2つのプラスチック片を合わせるとどうなりますか?

レット・アラン

彼らは反発します。私たちは進歩しています。もう1つ実験しましょう。弦から中立的な物を吊り下げて、プラスに帯電したPVCパイプを持ってくるとどうなりますか?この場合、私はアルミホイルを少しだけ使っています。これがあなたが得るものです。

レット・アラン

2つのことが起こります。まず、アルミニウム(正味電荷なし)がプラスのPVCパイプに引き付けられます。金属がPVCと接触した後、それははじかれます。かなりクール。しかし、なぜ?なぜ中性のアルミニウム片がPVCを引きつけてはじくのですか?これに答えるには、2つのオブジェクトの料金を表す図を作成する必要があります。私は明らかにすべての請求を引き出すつもりはない(それは多すぎるだろう)。余分な料金を引き出すつもりです。これが私の中性金属とプラスのPVCパイプです。

レット・アラン

金属はまだ中性であることに注意してください。しかし、金属内では、電子の一部は自由に動き回ることができます。もちろん、電子は何も望んでいません – それらは単なる電子です。これらの移動する電子は、PVC上の正電荷から引力を受け、したがって金属の右側に移動します(図に示すように)。金属は中性なので、電子が右に移動すると、対になっていない正電荷が左に残ります。

この電荷分離は重要です。金属がまだ中性であっても、電荷の配置は金属がプラスのPVCパイプに引き付けられることを意味します。負電荷はPVCに引き寄せられ、正電荷は反発します。同数の正電荷と負電荷があっても、負電荷はPVCに近いです。それらが接近しているので、引力は正電荷からの反発力よりも大きい – クーロン力は距離と共に減少することを覚えておいてください。それで、全体的に中性の金属は正のPVCに引き付けられます。

次に起こることはあなたを驚かせるでしょう。実際には、そうではありません – 私はちょうどそれを言いたかったのです。とにかく、金属はPVCに引き寄せられるのでそれは結局接触します。金属がPVCに触れると、金属上の電子の一部がPVCに移動することがあります。今金属に負電荷があるより多くの正電荷があります。何だと思う?残りの負電荷からの引力は、すべての正電荷からの反発力を克服するのに十分ではありません。今度は金属は肯定的なポリ塩化ビニールの管から離れて動く。

今魔法の杖の話に戻ります。ワンドが全体的に正電荷を帯びていれば、軽量見掛け倒しは金属アルミホイルと同じことができます。唯一の違いは、見掛け倒しの質量が非常に小さいため、電気反発力が下向きに引く重力よりも大きく、見掛け倒しが浮いているように見えることです。

しかし、「魔法」の杖はどのようにしてポジティブになりますか(またはネガティブです。どちらの方法でも可能です)。基本的に、それは小さなVan de Graaffジェネレータです。装置は内部回転ベルトを有する。このベルトは電圧源の近くを通過するため、わずかな過剰な正電荷を拾います。次にベルトは中空の金属球の内部に移動し、その時点で過剰な電荷がベルトから出て球を「チャージアップ」することがあります。ここでの重要な考え方は、余分な電荷は常に他の電荷のように近くなることを望んでいるため、金属の表面に達することです。覚えておいて、電荷が反発するように。

レット・アラン

全体として、課金オブジェクトを作成するのは非常に独創的な方法です。しかし、これを自問してみてください。魔法の杖がポジティブであれば、余分な電子がどこへ行って全体をポジティブにするのでしょうか。答えはあなたです。余分な電子は、ワンドとの物理的な接触を通してあなたの体に入ります。あなたがこれらのおもちゃのうちの1つを持っているならば、あなたは以下の実験を試みるべきです。ゴム手袋をしたままワンドを使ってみてください。ゴムは絶縁体であるため、電荷は容易に通過できません。それは、電子がプラス線とともにワンドに付着することを意味します。それは魔法の杖をそれほど魔法ではないようにするでしょう。


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