7.8. Kísérletek Faraday-kalitkával és Faraday-pohárral

a) Faraday-kalitka 

A kísérlet célja

Annak bemutatása, hogy sztatikus körülmények között a töltés a vezető felületén helyezkedik el és a vezetőben lévő üregben a térerősség nulla, ha az üregben nincsen „töltésforrás”.

Szükséges anyagok, eszközök

• Van de Graaff generátor földelő/kisütőgömbbel, tápegységgel
• Állvány hosszú szigetelő szárral, tetején réztányérral
• Faraday-kalitka
• vezeték krokodilcsipesszel
• Fémtalpas papír elektroszkóp (papírhajú „babák”)

Leírás

Helyezzük az egyik elektroszkópot a réztányéros állványra, borítsuk rá a Faraday-kalitkát (ami egy sűrű fémhátóból álló dobozka), tegyük erre rá a másik babát. Kössük össze a Van de Graaff generátor szivarját az állvány réztányérjával. A vezeték viszonylag rövid legyen, és ne érjen semmi máshoz (pl. asztalhoz). Indítsuk el a Van de Graaff generátort. Kapcsoljuk ki a generátort, amikor a külső baba haja felállt.

Száraz időben nem is szükséges beindítani a generátort, elég csak kétszer-háromszor kézzel meghúzni a generátor szalagját.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• A Van de Graaff generátorral való feltöltés után miért áll fel a kinti baba haja, és miért nem áll fel a benti baba haja? Készítsünk magyarázó ábrát!
• Milyen gyakorlati előfordulásai, alkalmazásai vannak a jelenségnek?
• Mik a lényeges különbségek a szigetelés és az árnyékolás között?

Módszertani kiegészítések

• A háló belsejében a térerőség 0. A hétköznapokban a diákok gyakran emlegetik a térerősséget, hiszen a mobiltelefonjuk adatátvitele ettől függ. Felmerül a kérdés: Ha a mobiltelefonunkat Faraday-kalitkába rakjuk, akkor nem lehet hívni? Logikus feltételezés, hiszen ott nincs térerősség. A válasz az, hogy lehet, hiszen az a térerősség, amit a diákok gyakran emlegetnek egy gyorsan változó elektromágneses tér „térerőssége” és nem elektrosztatikus. Fontos Faraday-kalitka esetében kihangsúlyozni, hogy megállapításaink sztatikus elektromos tér esetén igazak.  
• Van de Graaff generátor mellett még Tesla-tekerccsel szoktak nagy feszültségeket előállítani demonstrációs célból. A következő videókon Faraday-kalitkába bújt embereket lehet látni, ahogy a Tesla-tekercsekkel zenélnek.

b) Faraday-pohár 

A kísérlet célja

Annak bemutatása, hogy a töltés a vezető felületén helyezkedik el és a vezetőben lévő üregben a térerősség nulla, ha az üregben nincsen „töltésforrás”.

Szükséges anyagok, eszközök

• Van de Graaff generátor földelő/kisütőgömbbel, tápegységgel
• Faraday-pohár
• 2 db elektroszkóp (a képen szögletes házban, fémgolyó nélkül)
• szigetelő nyelű fémgömb

Leírás

Helyezzük a Faraday-poharat az elektroszkópra. Húzzuk meg egyszer-kétszer a Van de Graaff generátor szalagját, majd érintsük a szigetelőpálcára erősített fémgolyót a szivarhoz.

Végezzük el az alábbi kísérleteket:

1) Dugjuk a szigetelőpálcára rögzített feltöltött fémgolyót a pohár belsejébe, anélkül, hogy a golyó a pohárhoz érne, majd vegyük el a fémgolyót. Mi történik?

2) Érintsük a szigetelőpálcára rögzített feltöltött fémgolyót a pohár belső falához. Marad-e ezután töltés a fémgolyón? Ellenőrizzük a másik elektroszkóppal!

3) (Ha van még töltés a Faraday-poháron, akkor először süssük ki – pl. érjünk hozzá.) Töltsük fel újra a fémgolyót, és most érintsük a pohár külső falához. Marad-e ezután töltés a fémgolyón? Ellenőrizzük a másik elektroszkóppal!

4) Most töltsük fel a Faraday-poharat (pl. megdörzsölt ebonitrúddal), és vegyük le a töltést a fémgolyóról. Érintsük a szigetelőpálcára rögzített fémgolyót a pohár belső falához. Sikerült-e töltést levenni a pohár belső faláról? Ellenőrizzük a másik elektroszkóppal!

5) A feltöltött Faraday-pohár külső falához érintve a semleges fémgolyót sikerül-e töltést levenni a pohárról? Ellenőrizzük a másik elektroszkóppal!