מירוץ הפחיות המכושפות שמתגלגלות בלי מגע

בניסוי הזה נגרום לפחיות משקה רגילות לחלוטין להתגלגל בלי שניגע בהן בשום צורה – על ידי שימוש בכוח המשיכה החשמלי.

ציוד

• פחיות משקה ריקות
• בלון
• שיער או אפודת צמר (כדי לשפשף בהם את הבלון)

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הסבר

החומרים שאנו פוגשים מדי יום בעולמנו מורכבים ממולקולות ומאטומים. כל אטום מורכב מאלקטרונים טעונים במטען חשמלי שלילי, שמקיפים פרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי. בדרך כלל חומרים שאנו נוגעים בהם מאוזנים בסך הכול מבחינה חשמלית, כלומר המטענים החיוביים והשליליים שלהם מאזנים זה את זה ולחומר אין מטען חשמלי כולל.

חשמל סטטי נוצר עקב שפשוף, או הצמדה והפרדה, של שני חומרים (כמו שיער ופלסטיק). המגע ביניהם גורם לאלקטרונים "להיתלש" מחומר אחד ולעבור לחומר השני. כך נוצר מטען חשמלי בשני החומרים – חומר אחד, שאליו נוספו אלקטרונים, מקבל מטען שלילי; החומר השני, שממנו נגרעו אלקטרונים, נטען במטען חיובי.

מטענים חשמליים מנוגדים (מינוס ופלוס) מושכים זה את זה, ומטענים חשמליים זהים (מינוס ומינוס או פלוס ופלוס) דוחים זה את זה. העובדה הזו מסבירה מדוע שיער נמשך לבלון אחרי השפשוף – הבלון מצליח לתלוש אלקטרונים מהשיער (גומי נוטה לקבל מטען שלילי), נטען שלילית ומושך אליו את השיער שנטען חיובית.

אבל מדוע הפחית נמשכת לבלון – הרי היא לא טעונה חשמלית?

התשובה היא שזה קורה בגלל תופעת הקיטוב החשמלי: כשמקרבים בלון גומי הטעון בחשמל סטטי לחומר אחר – החומר האחר עובר קיטוב חשמלי (פולריזציה), בדומה למה שמתרחש באטומים ובמולקולות, באמצעות השראה – האלקטרונים שבו מסתדרים לפי הכוח החשמלי שמשרה עליו הבלון הטעון. וספציפית, אם לבלון יש מטען שלילי, האלקטרונים בכל חומר שהבלון יתקרב אליו יידחו מעט לכיוון ההפוך, וזה יגרום לחומר להתקטב – כלומר יהיה בו עודף מסוים באלקטרונים בצד הרחוק מהבלון, וחוסר יחסי באלקטרונים קרוב לבלון, ולכן האזור הזה ייטען במטען חיובי. דוגמה לכך אפשר לראות באנימציה הבאה:

התוצאה היא שכוח משיכה חשמלי נוצר בין הבלון לבין החומר אליו הבלון מתקרב (בין המטען של הבלון לבין הקוטב החשמלי המנוגד למטענו – שנמצא קרוב אליו בתוך החומר). לכן הפחית נמשכת אל הבלון. כוח המשיכה החשמלי תלוי במרחק, ולכן המשיכה בין המינוסים שבבלון לפלוסים שבפחית גוברים על הדחייה שמפעילים המינוסים במקומות הרחוקים יותר של הפחית.

כשהפחית מתגלגלת, וכיוון שהיא עשויה מתכת ובעלת אלקטרונים חופשיים שיכולים לנוע, האלקטרונים (בעלי המטען השלילי) נדחפים כל הזמן לצד הרחוק מהבלון והפחית ממשיכה להתגלגל.

מעניין לציין

משום מה הרבה אנשים, ואפילו כאלה שלמדו חשמל, חושבים בטעות שחשמל סטטי משפיע רק על חומרים שאינם מוליכים חשמל. הניסוי עם הפחיות מוכיח שגם חומר מוליך, כמו האלומיניום שממנו עשויה הפחית, נמשך אל גוף טעון אחר.

למעשה, בתוך מוליכים תופעת הקיטוב החשמלי הפנימי שגורמת למשיכה, מתרחשת בקלות רבה יותר מאשר בחומרים לא מוליכים, כך שהם דווקא נמשכים לחשמל סטטי בקלות יתרה. מומלץ לפני תחילת הניסוי לשאול אנשים מה הם מצפים שיקרה ורק אז לבצע את הניסוי מול עיניהם.

מובן שגם חומרים לא מוליכים נמשכים למטען חשמלי, כפי שהדגמנו בניסוי על יצירת בלון שנדבק לתקרה מעצמו. החיסרון בשימוש בחומרים מוליכים, ובפרט במתכות, הוא שכאשר הבלון הטעון נוגע בהם המטען עובר ממנו לכל חלקיהם (בגלל ההולכה החשמלית הפנימית בתוכם), והם אינם יכולים להימשך אליו יותר: הבלון נפרק חלקית, המתכת נטענת חלקית באותו מטען והכוח החשמלי נחלש באופן משמעותי ואפילו משנה את כיוונו והופך להיות כוח דוחה.