Elektrische veldlijnen

Elektrische veldlijnen zichtbaar maken

Datum: April-Mei 2008

Principe:

Door polarisatie van griesmeelpoeder elektrische veldlijnen zichtbaar maken.

Materiaal:

Hoogspanningsvoeding (25 kV)
plastic bakje
kabels
klemmen
paperclips
wonderolie
griesmeelpoeder (Albert Heijn)
soldeerbout
soldeertin
metalen plaatjes, ringen, etc.
borsteltje
zwart papier

Uitvoering:

Gebruik de soldeerbout, soldeertin, paperclips en metalen objecten om allerlei vormen te maken waarvan men de veldlijnen wil onderzoeken. Giet wat wonderolie in het bakje. Voeg griesmeelpoeder toe. Verdeel deze goed door het bakje. Leg zwart papier onder het bakje. Plaats de elektrodes in het bakje. Verbind de kabels. Zet de spanning aan (2.5 kV, maximale schaal). Observeer. Herhaal het experiment met verschillende vormen.
DIT IS EEN HOOGSPANNINGS EXPERIMENT. WEES DUS VOORZICHTIG!!

Resultaat:

Hiernaast kan men het resultaat van mijn eerste experiment zien. Ik gebruikte daar nootmuskaat ipv griesmeelpoeder. De veldlijnen zijn echter duidelijk waarneembaar.
Voor alle onderstaande foto's geldt: + rechts, - links.
condensator platen	condensator platen
2 naaldvormen tegenover plaat	2 maal 2 naaldvormen
twee naaldvormen	naaldvorm tegenover holle cirkel
naaldvorm tegenover U vorm	puntvorm in holle vorm
puntvorm tegenover V vorm	puntvorm tegenover cirkel
	ringvormen tegenover elkaar

Discussie & Conclusie:

Elektrische velden worden gecreëerd met behulp van een elektrisch spanningsverschil (hoogspanning) dat tussen verschillende geleidende vormen aangelegd wordt. De visualisatie van de elektrische veldlijnen gebeurt door middel van griesmeelkorrels in het oliebad. De griesmeelkorrels worden gepolariseerd en gaan zich oplijnen volgens de elektrische veldlijnen. Door de verschillende vormen in de olie te plaatsen kunnen we een aantal waarnemingen doen:

Het veld van een puntvormige, positief geladen geleider is radiaal en van de geleider afgericht.
Het veld van een negatieve puntlading is radiaal naar de lading toegericht.
Het veld van een elektrische dipool is dicht bij de ladingen radiaal en verder bij de ladingen lopen de veldlijnen van de positieve naar de negatieve lading.
Het veld van twee gelijknamige geleiders is dicht bij de ladingen radiaal en verder van de ladingen lijken de veldlijnen elkaar af te stoten.
Het veld van een holle geleider, waarbinnen zich geen lading bevindt, is buiten de geleider radiaal en binnen deze geleider is geen veld (Kooi van Faraday).
Het veld van een puntvormige geleider is nabij de punt erg sterk. De veldlijnen staan loodrecht op de geleider.
Als men om een holle geleider, waarbinnen zich geen lading bevindt, een tweede geleider plaatst, dan is er alleen maar een veld tussen de twee geleiders.

Literatuur:

'Elektrische velden'; Archimedes; 1970 1 7; p. 11-13.
J.T. van Konijnenburg; 'Natuurkunde zien en doen'; Elsevier; 1973; ISBN 9010104354; p. 101-114.
J.A. Tijmensen; 'Natuurkunde voor het MLO 2'; 2de druk; Scheltema & Holkema; 1986; ISBN 9031307645; p.88-92.
R. Kroning et al; 'Leerboek der Natuurkunde'; 4de druk; Scheltema & Holkema; 1954; p. 220-248.
Richard T. weidner, Robert L. Sells; 'Elementary Classical Physics - Volume 2'; 2nd Ed.; Allyn and Bacon; 1973 (1965); ISBN 0205035981; p. 467-477.

Relevante websites:

Opmerkingen:

Voor elke nieuwe configuratie moet het griesmeelmengsel met behulp van een borsteltje gemengd worden.
De hoogspanning kan ook verkregen worden met behulp van een Van de Graaff generator (elektriseermachine). Vergeet dan niet de hoogspanning te ontladen alvorens van configuratie te veranderen.
Ik heb vormen gemaakt van allerlei materiaal dat ik in mijn omgeving kon vinden. In modelbouwzaken kan men platen zacht koper kopen. Daaruit kan men de gewenste vormen snijden en vervolgens pootjes aan solderen.
Het laagje olie mag niet te dik zijn.
De hoogspanningsvoeding heb ik een tijdje geleden op marktplaats op de kop getikt.
Het bakje waar de paperclips in zitten kan men ook voor deze experimenten gebruiken.
Graszaadjes zijn een alternatief voor griesmeelpoeder. Fijne vislijn in kleine stukjes snijden (~1 mm) schijnt ook te werken.

Achtergrondinformatie:

Als we in een ruimte een lading Q brengen, dan zal deze lading Q op iedere ander lading q in die ruimte een kracht uitoefenen. Rondom de lading Q is een elektrisch veld aanwezig. Een elektrisch veld wordt dan ook wel gedefinieerd als de ruimte waarin een elektrische kracht op een lading kan werken. Wanneer nu een proeflading q in een punt P van het veld een kracht F ondervindt, dan is volgens bovenstaande definitie de veldsterkte gelijk aan E. In formule:

E = F_elektrisch / q

Met : E = elektrische veldsterkte (N.C^-1,een vector - bevat grootte en richting)
F_elektrisch = de elektrische veldkracht (N, een vector)
q = de grootte van de lading in het veld waarop F werkt (C)

Een elektrische veldlijn geeft aan in welke richting de veldsterkte gericht is. Als we veel veldlijnen hebben dan correspondeert met een sterk veld (hoge dichtheid). Binnen een geladen geleider is geen veld aanwezig; een veld kan niet in een geleidend omhulsel binnendringen.

Met behulp van de wet van Coulomb en bovenstaande formule kunnen we de veldsterkte ronde een geladen bol (Q) uitrekenen. Hiertoe bekijken we de kracht die een positieve proeflading q in het veld van een positief geladen bol op een afstand r van de bol ondervindt:

De veldsterkte maal het oppervlak waar deze velsterkte heerst wordt de elektrische flux (y) genoemd. In formule:

y = E.O

Voor een radiaal veld rond een puntvormige lading kan men nu de elektrische flux berekenen:

We kunnen nu ook een definitie voor potentiaal geven. Ieder punt in een veld heeft een skalar: De electrische potentiaal in dat punt, gegeven door:

V = U_elektrisch/ q

Hierin: V = potentiaal in Volt; 1 V = 1 J/C
U_elektrisch is de elektrische energie (in joule) van de proeflading
q = de lading

In een homogeen veld is het potentiaalverschil tussen twee punten van een veldlijn gegeven door:

ΔV = E×Δx

Hierin: Δ = verschil (delta)
x = afstand tussen punten op de veldlijn.

16/01/2017