בניסוי הזה נצליח לעשות מה שנראה בלתי אפשרי – להפריד תוך שניות מעטות בין מלח ופלפל מעורבבים ביחד.

ציוד

  • מלח
  • פלפל
  • צלחת
  • בלון (או חפץ אחר מפלסטיק בעל משטח גדול יחסית)
  • שיער ;-) (או סוודר עשוי צמר טבעי)

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הסבר

החומרים שאנו פוגשים בחיי היומיום מורכבים ממולקולות ומאטומים, כאשר כל אטום בפני עצמו בנוי מאלקטרונים בעלי מטען חשמלי שלילי שמקיפים פרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי הנמצאים במרכז האטום. בדרך כלל חומרים שאנו נוגעים בהם מאוזנים מבחינה חשמלית, כלומר המטענים החיוביים והשליליים שבהם מאזנים זה את זה, ואין לחומר עצמו מטען חשמלי.

חשמל סטטי נוצר משפשוף של שני חומרים, כמו שיער ופלסטיק, או הצמדה והפרדה שלהם, שגורמים לאלקטרונים "להיתלש" מחומר אחד ולעבור לחומר השני. כך נוצר מטען חשמלי בשני החומרים – חומר אחד שהתווספו לו אלקטרונים שליליים מקבל מטען שלילי, והחומר השני, שאלקטרונים נגרעו ממנו – נטען במטען חיובי.

מטענים חשמליים מנוגדים (מינוס ופלוס) מושכים זה את זה, ומטענים חשמליים זהים (מינוס ומינוס או פלוס ופלוס) דוחים זה את זה. עובדה זו מסבירה מדוע השיער נמשך לבלון אחרי השפשוף – הבלון מצליח לתלוש אלקטרונים מהשיער (גומי נטען בדרך כלל במטען שלילי), נטען במטען שלילי ומושך אליו את השיער, שנטען במטען חיובי.

אבל מדוע חפצים קטנים כמו פלפל ומלח נמשכים לבלון? הרי הם לא טעונים חשמלית.

ובכן, זה נובע מתופעת הקיטוב החשמלי: כשמקרבים בלון גומי טעון בחשמל סטטי אל חומר אחר, החומר האחר עובר "קיטוב" חשמלי (פולריזציה) בדומה למה שמתרחש באטומים ובמולקולות, באמצעות השראה – האלקטרונים שבו מסתדרים לפי הכוח החשמלי שמשרה עליו הבלון הטעון. אם הבלון טעון במטען שלילי, האלקטרונים בכל חומר שהבלון יתקרב אליו יידחו מעט לכיוון ההפוך. בעקבות זאת החומר יתקטב, כך שחלק ממנו, שיש בו עודף יחסי באלקטרונים, יהיה רחוק מהבלון, והחלק שיש בו חוסר יחסי של אלקטרונים יהיה קרוב לבלון ומטענו יהיה חיובי בגלל המחסור באלקטרונים. אפשר לראות זאת היטב באנימציה הבאה (גודל הגרגר מצויר בהגדלה):

התוצאה היא שכוח משיכה חשמלי יופעל בין הבלון לבין החומר שהבלון התקרב אליו (כלומר בין המטען של הבלון לבין הקוטב החשמלי המנוגד למטענו – שנמצא קרוב אליו בתוך החומר). לכן הגרגרים של המלח והפלפל נמשכים לבלון. כוח המשיכה החשמלי תלוי במרחק ומתחזק ככל שהמרחק קטן יותר, ולכן המשיכה בין המינוסים שבבלון לפלוסים שבגרגרים גוברת על הדחייה שמפעילים המינוסים הרחוקים בגרגירים.

אבל יש עוד כוח שמעורב בסיפור – כוח הכבידה (גרביטציה), והכוח הזה מושך את הגרגירים כלפי מטה. כיוון שהמסה של גרגרי הפלפל קטנה יותר מהמסה של גרגירי המלח, כוח המשיכה המופעל עליהם קטן יותר, והם קלים יותר, ולכן הם יימשכו ראשונים כלפי מעלה לעבר הבלון. אם נקרב את הבלון עוד יותר לתערובת, כוח המשיכה החשמלי יתחזק – כי כאמור הוא תלוי במרחק – ואז גם המלח יימשך לבלון. זאת אומרת שאם אנחנו רוצים הפרדה טובה בין המלח לפלפל, נצטרך למצוא את המרחק המדויק שבו רק הפלפל יעלה למעלה ויידבק לבלון, בעוד המלח יישאר בצלחת.

מעניין לציין

יש עוד הרבה ניסויים נחמדים שאפשר לעשות עם בלונים וחשמל סטטי, כמו לבנות בלון שנדבק לתקרה כאילו היה מלא הליום, לגרום לפחיות להתגלגל, ואפילו להסיט הצדה זרם של מים.

15 תגובות

  • אנונימי

    קולללל

  • שקד

    השפעה של מידת הקיטוב של המולקולה

    נראה לי שהקיטוב של מולקולת המלח אמור להיות יותר חזק משל הפלפל, מכיוון שמדובר ביונים. למה זה לא גורם להעדפה של המלח על פני הפלפל להימשך לבלון?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    התקטבות וקיטוב

    היי שקד
    אני כלל לא בטוח שהגורם המכריע במשיכה לחשמל סטטי הוא קיטוב המולקולה, גורם חשוב נוסף הוא יכולת ההיתקטבות (הפולריזביליות) של המולקולה. כלומר גם חומרים שאינם קוטביים כלל - אבל שאפשר לקטב אותם בקלות (אלקטרונים יחסית חופשיים) נמשכים לחשמל סטטי מצויין. מתכות למשל נמשכות מעולה לחשמל סטטי -כי האלקטרונים שבהם חופשיים, ראי את ניסוי 'מירוץ הפחיות המכושפות':
    https://davidson.weizmann.ac.il/online/scienceathome/physics/%D7%9E%D7%9...
    דבר שני, אפילו אם נניח קיטוב המלח חזק יותר מיכולת הקיטוב של הפילפל - עדיין גרגירי המלח גדולים בהרבה הרבה, כך שפשוט המשקל / כוח הכובד מנצח את כוח המשיכה החשמלי במקרה הזה. אפשר לעשות ניסוי (ממליץ) בו טוחנים את המלח לפני הניסוי לאבקה דקה, דקה, דקה - ורק אז מערבבים בפילפל. ולבדוק האם במצב כזה אפשר להפריד בין השניים....

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • יונתן סירני

    שאלה בנושא הניסוי

    אני יונתן ואני מתכנן להציג את הניסוי ביריד מדהים אצלנו בבית הספר.
    אשמח לדעת האם יש עוד שימושים נוספים להפרדה באמצעות חשמל סתתי בתחום המדע?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    שימושים תעשייתיים להפרדה באמצעות חשמל סטטי

    היי יונתן,

    דבר ראשון – בהצלחה ביריד.
    בקשר לשימושים בתחום המדע והטכנולוגיה להפרדה באמצעות חשמל סטטי – יש, בעיקר בתחום מחזור הפלסטיק. כאשר ממחזרים פלסטיק, הרבה פעמים מתקבלת תערובת של פלסטיקים מסוגים שונים (למשל פלסטיק של בקבוק שתייה ששונה מפלסטיק של קופסת קוטג', למשל). כדי להפריד אותם משתמשים במפריד אלקטרוסטטי – שממש משתמש בעקרונות דומים שמוצגים בניסוי כאן: טוחנים את כל הפלסטיק לאבקה, טוענים אותה בחשמל סטטי – וההפרדה נעשית בעזרת העובדה שכל סוג פלסטיק נטען אחרת: במטען אחר, ולפעמים במטען חשמלי מנוגד. להרחבה, ראה כאן (באנגלית):
    http://www.actioninternationalinc.com/Material%20Separation.htm

    http://nett21.gec.jp/jsim_data/waste/waste_2/html/doc_374.html

    בנוסף - חשמל סטטי הוא האמצעי באמצעות כל מדפסות הלייזר ומכונות הצילום מדביקות את ה'טונר' (דיו בצורת אבקה) בתבנית הרצוייה למה שרוצים להדפיס / לצלם.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אסף

    כדאיות

    מדוע "שווה" לבלון הניטרלי למשוך אליו מטען שלילי, הרי פרוטוניו אמורים לדחותו

    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    יצירת חשמל סטטי

    אני מניח שאתה מתכוון בשאלתך לתהליך יצירת החשמל הסטטי עצמו, כשמשפשים את הבלון בשיער.

    דבר ראשון – תיקון, פרוטונים הם בעלי מטען חיובי, ולכן הם צריכים למשוך אליהם מטען שלילי (כי + מושך -).

    דבר שני – מולקולות אמנם נייטרליות (גם אלו המרכיבות את הבלון וגם אלו המרכיבות את השיער), אולם בתוך המולקולות עצמם יש קיטוב חשמלי (ראה הסבר בקישור, וגם ראה את הניסוי 'איך להזיז זרם מים באמצעות חשמל סטטי'). ויש איזורים בעלי מטען חשמלי חיובי חלקי ושלילי חלקי. מה שגורם לכך שבמגע בין מולקולות שונות לעיתים אלקטרונים מאיזור מסויים (מאוד מקוטב שלילית) במולקולה אחת, יעברו לאיזור מסויים במולקולה אחרת (מאוד מקוטב חיובית, למשל), ויהיה רווח אנרגטי במעבר המטען הכולל.

    בברכה,

    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • מעין

    דרך נוספת להפרדה

    אין אפשרות להוסיף מים, כך שהמלח יתמוסס בהם והפלפל לא, לסנן אותם ואחר כך לאדות את המים? הדגש הוא על הפרדת תערובות או על חשמל סטטי?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    נכון - גם זו דרך

    נכון, גם הדרך שהצעת, אפשרית.
    הדגש בניסוי - הוא גם וגם. גם הפרדת תערובות, וגם שימוש בתכונה מבדילה שהיא חשמל סטטי (=תכונה שמבדילה בין החומרים בתערובת, כמו בניסוי הנוכחי, שמידת המשיכה שלהם לבלון טעון בחשמל סטטי - שונה).

  • עטרה

    שתי שאלות

    1) אחרי שהמטען החשמלי נפרק מהבלון, הגרגרים ניתקים ממנו ונופלים, ואז מתבטל הקיטוב, ובכל אחד מהגרגרים, האלקטרונים מתפזרים באופן אחיד. האם המהירות שבה מתרחש הקיטוב בגרגרים שווה למהירות שבה הוא מתבטל?
    2) האם המהירות שבה מתרחש הקיטוב תלויה רק בגודל הגרגר ובמוליכות החומר שממנו עשוי הגרגר ובגודל המטען החשמלי שיוצר את ההשראה?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובות

    1. אינני יודע - ולא מצאתי שמישהו מדד זאת בעבר (זו מדידה קשה מאוד לביצוע, קיטוב של גרגירים). סביר להניח שכן, אבל כאמור אני לא עונה בוודאות. אם מסתכלים על פעולת אלקטרוסקופ - שמודד מטען חשמלי באמצעות קיטוב מושרה, נראה כי זה אכן באותו הקצב, ראי כאן:
    אלקטרוסקופ 1
    וגם כאן: אלקטרוסקופ 2
    כאשר מרחיקים את המוט הטעון חשמלית מהאלקטרוסקופ, נראה שההשראה מתבטלת מיד, ועלה המתכת שהתרחק מהמוט המרכזי נופל חזרה מייד.
    2. כן, בכל מה שכתבת, אבל ההשראה תלוייה בעיקר במוליכות החומר שממנו עשוי החומר המושרה, בדיוק כמו באטומים ומולקולות. גורם נוסף הוא המרחק למטען החשמלי המשרה - ככל שהמרחק קטן יותר, השדה החשמלי גדול יותר והקיטוב יהיה חזק יותר (וסביר שיתרחש מהר יותר).

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • עטרה

    תודה על התשובות ועל הקישורים

    3) האם בזמן שהגרגרים עוברים מהצלחת אל הבלון, הם מתהפכים בדרך בגלל החיכוך עם האוויר, ואחרי כל היפוך כזה, הקיטוב החשמלי משתנה בהתאם?
    4) הקיטוב גורם לאלקטרונים לעבור לצד התחתון של הגרגרים. האם יש גם מעט אלקטרונים שעוברים מהגרגרים אל הצלחת?
    5) האם אחרי שגרגרי הפלפל נצמדים אל הבלון, יש מעט אלקטרונים שעוברים מהבלון אל הגרגרים?
    6) האם גם לפני שגרגרי הפלפל נצמדים אל הבלון, יש מעט אלקטרונים, שעוברים מהבלון אל האוויר ומהאוויר אל הגרגרים?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובות נוספות

    שלום עטרה, תשובות לשאלותיך הנוספות:

    3. לא סביר – כי סביר שהקיטוב החשמלי של הגרגירים ימנע מהם להתהפך. אם בכל זאת גרגיר יתהפך בגלל חיכוך האוויר – אז אכן הקיטוב החשמלי שבו יתהפך.

    4. אם עוברים – אז מעט מאוד, האוויר והצלחת עצמה אינם חומרים מוליכי חשמל טוב (הם לא מתכות) ולכן מטען חשמלי לא עובר בהם בקלות כלל וכלל.

    5. כן, אבל כאמור – מעט מאוד (מאותה סיבה כמו בסעיף 4 – האוויר והבלון והגרגירים עצמם לא מוליכים חשמל טוב). אבל זה כן מתרחש לעיתים, ואפשר לראות זאת בעיניים: אם תבצעי את הניסויי ותסתכלי טוב – תראי שיש גרגירים שפוגעים בבלון – ומיד עפים וניטזים חזרה מהבלון. גרגירים אלו קיבלו מטען מהבלון, ואז כיוון שגם לגרגיר וגם לבלון נהייה עודף מטען, הם דוחים זה את זה והגרגיר עף מהבלון.

    6. אם כן – אז מעט מאוד מאוד. כאמור – האוויר מוליך חשמל רע. באוויר לח – מוליכות האוויר גדלה, ואז באמת אלקטרונים עוברים מחומרים טעונים אל האוויר, והחומרים הטעונים 'נפרקים' ממטענים במהירות. ולכן די קשה לעשות 'חשמל סטטי' באוויר לח, ואילו באוויר יבש (באיזור אילת, או בזמן שרב) כמעט כל חיכוך או מגע של חומרים אלו באלו יוצר חשמל סטטי שנשאר.

    בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • עטרה

    תודה רבה

    אם נכניס את הבלון לקערת מים, האם המטען שבו יתפרק אל המים?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג