Τι είναι ο ηλεκτροφόρος;

Ο ηλεκτροφόρος είναι μια μορφή πρωτόγονης μπαταρίας στατικού ηλεκτρικού φορτίου ή γεννήτριας που αρχικά εφευρέθηκε το 1762 από έναν Σουηδό φυσικό, τον Johan Wilcke, αλλά η λειτουργία της συσκευής είναι αρκετά βασική ώστε να μπορεί να κατασκευαστεί από μια ποικιλία κοινών υλικών. Η διάσημη πολιτική φιγούρα και εφευρέτης στην αποικιακή Αμερική, ο Μπέντζαμιν Φράνκλιν, έκανε δημοφιλή την ιδέα φτιάχνοντας ένα από ξύλο, θείο, κερί και μέταλλο κασσίτερου. Ένας συμβατικός ηλεκτροφόρος αποτελείται από μια μονωτική πλάκα, συνήθως κατασκευασμένη από ρητίνη ή πλαστικό κάποιου τύπου, πάνω στην οποία τοποθετείται μια μεταλλική αγώγιμη πλάκα. Στο κέντρο της μεταλλικής πλάκας είναι στερεωμένο ένα άλλο μονωτικό μέσο όπως ένα πλαστικό κύπελλο που χρησιμοποιείται ως λαβή για την πρόληψη της πρόωρης εκκένωσης του ηλεκτροφόρου. Τα στατικά ηλεκτρικά φορτία μπορούν να αφαιρεθούν από τη συσκευή με φυσικό άγγιγμα στη μεταλλική πλάκα, είτε στιγμιαία φόρτιση λαμπτήρων είτε για εκτέλεση άλλων πειραμάτων.

Η βασική αρχή πίσω από τη λειτουργία ενός ηλεκτροφόρου είναι αυτή του τριβοηλεκτρικού φαινομένου, αλλιώς γνωστό ως αποθηκευμένος στατικός ηλεκτρισμός. Η μονωτική πλάκα φορτίζεται πρώτα με ένα στατικό ηλεκτρικό φορτίο προτού συναρμολογηθεί ένας ηλεκτροφόρος τρίβοντάς τον με άλλα υλικά όπως το μαλλί που θα προκαλέσει ηλεκτρικό φορτίο στη μονωτική πλάκα μέσω της διαδικασίας ηλεκτροστατικής επαγωγής. Μόλις η μονωτική πλάκα και η αγώγιμη πλάκα τοποθετηθούν μαζί, το στατικό φορτίο στον μονωτή διαχωρίζει τα θετικά και αρνητικά φορτία στον μεταλλικό αγωγό. Τα θετικά φορτία στο μέταλλο έλκονται προς τα κάτω προς τη μονωτική πλάκα και τα αρνητικά φορτία απωθούνται προς τα πάνω.

Το επαγόμενο αρνητικό φορτίο στην άνω επιφάνεια της μεταλλικής πλάκας μπορεί στη συνέχεια να εκφορτιστεί κάνοντας φυσική επαφή με το μέταλλο, ολοκληρώνοντας ένα κύκλωμα μέσω του ανθρώπινου σώματος στο έδαφος. Η φόρτιση είναι συχνά αρκετά ισχυρή ώστε ένας αβλαβής σπινθήρας θα πηδήξει από το μέταλλο στο δάχτυλο πριν από την επαφή, ή τα καλώδια μιας μικρής λάμπας μπορούν να τοποθετηθούν μεταξύ των δύο επιφανειών για να την ανάψουν προσωρινά καθώς το φορτίο διαχέεται. Μεγάλες εκδόσεις ηλεκτροφόρου θα ανάψουν επίσης στιγμιαία έναν λαμπτήρα φθορισμού σε σχήμα σωλήνα, εάν το ένα άκρο κρατιέται σε ένα χέρι και το άλλο κρατιέται κοντά στη φορτισμένη μεταλλική πλάκα.

Μία από τις μοναδικές πτυχές ενός ηλεκτροφόρου που το καθιστά δημοφιλή επίδειξη ηλεκτρικών αρχών είναι ότι η μονωτική πλάκα δρα παρόμοια με πιο εξελιγμένους πυκνωτές ή ηλεκτρικές μονάδες αποθήκευσης σε κοινά ηλεκτρονικά κυκλώματα. Σε αντίθεση με τους τυπικούς πυκνωτές, ωστόσο, η μονωτική πλάκα διατηρεί ένα φορτίο που δεν εξαντλείται από τη διαδικασία στατικής εκφόρτισης στη μεταλλική πλάκα. Αφού συμβεί η πολωμένη εκφόρτιση ενέργειας της μεταλλικής πλάκας, εάν η μεταλλική πλάκα αφαιρεθεί από την περιοχή της μονωτικής πλάκας και στη συνέχεια τοποθετηθεί ξανά πάνω της, ο διαχωρισμός φορτίου στο μέταλλο θα επαναληφθεί καθώς ο μονωτήρας εξακολουθεί να διατηρεί το φορτίο του.

Αυτή η διαδικασία φαίνεται να καταδεικνύει την ιδέα της ελεύθερης ενέργειας που προέρχεται από το πουθενά, καθώς το στατικό φορτίο συνεχώς ανανεώνεται και εκφορτίζεται όσες φορές κι αν αφαιρεθεί η μεταλλική πλάκα και στη συνέχεια τοποθετηθεί ξανά στην κορυφή της μονωτικής πλάκας. Στην πραγματικότητα, η ενέργεια διατηρείται επειδή το έργο της φυσικής απομάκρυνσης της μεταλλικής πλάκας και στη συνέχεια αντικατάστασής της εισάγει δυναμική ενέργεια στο σύστημα ηλεκτροφόρου, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια όταν λάβει χώρα μια εκκένωση ή σπινθήρα. Οι μεγάλες εκδόσεις ηλεκτροφόρου είναι γνωστές ως γεννήτριες Van de Graaf, οι οποίες είναι ικανές να παράγουν ηλεκτροστατικές τάσεις στην περιοχή έως και 2,000,000 βολτ, όπως αυτή που δημιούργησε ο ίδιος ο Αμερικανός φυσικός Dr. Robert Van de Graaf στις αρχές της δεκαετίας του 1930.