ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ
Чи стикалися ви з явищем, що продемонстровано на рисунку?
На мою думку, кожен хоча б раз відчував дію статичної електрики, наприклад, отримував легкий удар струмом під час торкання дверної ручки або іншого металевого предмета.
У яку пору року воно частіше відбувається?
Це явище найчастіше спостерігається взимку, особливо в морозні дні, коли повітря в приміщеннях стає дуже сухим через роботу опалення.
Що спричиняє появу цього явища?
Появу цього явища спричиняє електризація тіла та одягу через тертя різних матеріалів між собою, внаслідок чого на поверхні накопичується електричний заряд. Коли ми торкаємося провідника (наприклад, металевої ручки), відбувається швидке перетікання електронів, що супроводжується характерним тріском або навіть іскрою.
Чи існують запобіжні заходи?
Так, для запобігання накопиченню статичного заряду можна зволожувати повітря в приміщенні, використовувати антистатики для одягу або надавати перевагу речам із натуральних тканин.
А ЯК НАСПРАВДІ?
А як насправді працює в цьому випадку електростатичний метод?
На мою думку, цей метод працює завдяки заземленню автомобіля або явищу електростатичної індукції, через яке на поверхні кузова виникає заряд протилежного знака, що притягує краплі фарби.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
Що і чому відбувається під час щільного контакту двох тіл, виготовлених із різних матеріалів?
Під час щільного контакту частина електронів переходить з одного тіла на інше, через що обидва тіла стають зарядженими: те, що віддало електрони, набуває позитивного заряду, а те, що отримало — негативного. Це стається тому, що різні матеріали мають різну здатність утримувати електрони у своїх атомах.
У чому полягає відмінність провідників і діелектриків?
Головна відмінність полягає в наявності вільних заряджених частинок: у провідниках їх багато і вони легко переміщуються по всьому об’єму тіла, а в діелектриках вільні заряджені частинки майже відсутні.
Що називають заземленням?
Заземленням називають технічний прийом, який дозволяє розрядити будь-яке заряджене тіло шляхом його з’єднання провідником із поверхнею Землі.
Як за допомогою негативно зарядженого тіла зарядити інше тіло позитивно?
На мою думку, найкращим способом є електризація через вплив: потрібно наблизити негативно заряджене тіло до металевого провідника, на мить торкнутися провідника рукою для відведення вільних електронів у землю, а потім прибрати руку і після цього віднести заряджене тіло. У результаті провідник залишиться з позитивним зарядом.
Які види електризації вам відомі? Наведіть приклади.
Мені відомі такі види електризації: тертям, дотиком та через вплив (електростатична індукція). Прикладом електризації тертям є взаємодія ебонітової палички з вовняною тканиною, а приклад електризації через вплив — відхилення паперових смужок електроскопа при наближенні до нього зарядженого тіла без безпосереднього контакту.
Для чого застосовують електроскоп? Як він сконструйований?
Електроскоп застосовують для виявлення наявності в тіла електричного заряду.
Електроскоп складається з металевого кондуктора у формі кульки, металевого стрижня та індикатора у вигляді двох легких паперових смужок. Стрижень ізольований від корпусу спеціальною вставкою, щоб заряд не стікав на корпус приладу.
Чим електрометр відрізняється від електроскопа?
Електрометр відрізняється тим, що має металеву стрілку замість паперових смужок та спеціальну шкалу, яка дозволяє не лише виявити заряд, а й оцінити його величину. Також електрометр обов’язково має металевий корпус, який виконує роль екрана.
ВПРАВА № 29
1. Заряд якого знака матиме кулька, якщо під час досліду частина електронів «стекли» з її поверхні?
Оскільки електрони мають негативний заряд, то після втрати їхньої частини на кульці виникне надлишок позитивного заряду, отже, кулька зарядиться позитивно.
2. Чи може статися так, що після дотику до кондуктора зарядженого електроскопа якимось тілом електроскоп виявиться незарядженим?
Так, така ситуація можлива, якщо доторкнутися до нього тілом, що має такий самий за модулем, але протилежний за знаком електричний заряд.
Поясніть свою відповідь (вправа 29, завдання 2).
Я думаю, що в першому випадку спрацьовує явище заземлення, оскільки тіло людини є провідником, і надлишковий заряд через нього просто “стікає” в землю. У другому випадку відбувається нейтралізація зарядів, бо однакова кількість позитивних і негативних зарядів у сумі дають нуль.
3. У кожному з випадків А–Г на рис. 1 визначте знак заряду: електроскопа; кондуктора; паперових смужок.
У випадку А всі частини (електроскоп, кондуктор, смужки) мають позитивний заряд (+).
У випадку Б всі частини мають негативний заряд (–).
У випадку В електроскоп — нейтральний, кондуктор — негативний заряд, смужки — позитивний.
У випадку Г електроскоп — нейтральний, кондуктор — позитивний, смужки — негативний.
4. Поясніть спостережуване явище (рис. 2).
Струмінь води викривляється в бік палички через явище поляризації. Оскільки молекули води є диполями (це два точкових заряди, рівних за величиною і протилежних за знаком), під дією електричного поля вони повертаються до палички своїм протилежно зарядженим боком. Це створює силу притягання, яка змінює напрямок руху води.
Запропонуйте предмети, якими можна замінити паличку в цьому досліді.
На мою думку, замість спеціальної палички можна використати звичайний пластмасовий гребінець, пластикову лінійку або надуту повітряну кульку, якщо попередньо потерти їх об волосся чи вовняний одяг.
5. Електроскопу передали позитивний заряд (рис. 3, а). Потім до нього піднесли, не торкаючись, іншу заряджену паличку (рис. 3, б). Визначте знак заряду палички.
На мою думку, паличка має позитивний заряд. Я так вважаю, тому що на рисунку 3, б кут розходження смужок електроскопа збільшився порівняно з рисунком 3, а. Це свідчить про те, що паличка відштовхнула ще більше позитивних зарядів із кондуктора вниз на смужки, що можливо лише тоді, коли паличка сама заряджена позитивно.
6. До незарядженої гільзи, що виготовлена з металевої фольги, піднесли, не торкаючись, скляну паличку, яка має позитивний заряд (рис. 4). Які з наведених тверджень є правильними?
Твердження Б (Правильне): Гільза залишилася незарядженою (електрично нейтральною) в цілому, оскільки вона не торкалася палички й обміну зарядами не відбулося. Відбувся лише перерозподіл зарядів усередині неї.
Твердження В (Правильне): Оскільки скляна паличка має позитивний заряд, вона притягує до себе негативно заряджені частинки. У металах такими частинками є вільні електрони. Паличка знаходиться знизу, тому електрони під дією електричного поля переміщуються по гільзі вниз (до палички).
Твердження А (Неправильне): Частина гільзи, найближча до зарядженого тіла, завжди набуває протилежного заряду. Оскільки паличка позитивна, ближча частина гільзи стає негативною (надлишок електронів), а не позитивною.
7. Дві однакові провідні заряджені кульки торкнулись одна одної і відразу розійшлися. Обчисліть заряд кожної кульки після дотику, якщо перед дотиком заряд першої кульки дорівнював –3 ⋅ 10⁻⁹ Кл, а заряд другої кульки становив 9 ⋅ 10⁻⁹ Кл.
Дано:
- $q_1 = -3 \cdot 10^{-9} \text{ Кл}$
- $q_2 = 9 \cdot 10^{-9} \text{ Кл}$
Знайти:
- $q’_1 – ?$
- $q’_2 – ?$
Розв’язання:
Згідно із законом збереження електричного заряду, алгебраїчна сума зарядів системи замкнених тіл залишається незмінною. Оскільки кульки однакові за розміром і формою, то після дотику загальний заряд розподілиться між ними порівну:
$q’_1 = q’_2 = \dfrac{q_1 + q_2}{2}$
Підставимо числові значення у формулу:
$q’_1 = q’_2 = \dfrac{-3 \cdot 10^{-9} + 9 \cdot 10^{-9}}{2}$
Виконаємо обчислення в чисельнику:
$-3 \cdot 10^{-9} + 9 \cdot 10^{-9} = 6 \cdot 10^{-9} \text{ Кл}$
Розділимо отриманий сумарний заряд навпіл:
$q’_1 = q’_2 = \dfrac{6 \cdot 10^{-9}}{2} = 3 \cdot 10^{-9} \text{ Кл}$
Відповідь: $3 \cdot 10^{-9}$ Кл (або $3$ нКл).
8. Як за допомогою негативно зарядженої металевої кульки 1, не зменшуючи її заряду, позитивно зарядити незаряджену металеву кульку 2, а потім негативно зарядити незаряджену металеву кульку 3?
Заземлити незаряджену кульку 2 та піднести до неї, не торкаючись, негативно заряджену кульку 1 — кулька 2 набуде позитивного заряду. Не пересуваючи кульку 1, прибрати заземлення від кульки 2 і вже після цього прибрати кульку 1 (аби заряд кульки 2 залишився позитивним). Тепер заземлити незаряджену кульку 3 і піднести до неї, не торкаючись, позитивно заряджену кульку 2 — кулька 3 набуде негативного заряду.
9. Скориставшись додатковими джерелами інформації, підготуйте стисле повідомлення про Вільяма Гільберта (1544–1603).
Вільям Гільберт — це видатний англійський фізик і придворний лікар королеви Єлизавети I, якого вважають засновником науки про електрику та магнетизм. У 1600 році він опублікував свою головну працю «Про магніт», у якій описав результати понад 600 власних експериментів. Гільберт першим науково довів, що Земля — це гігантський магніт, і саме тому стрілка компаса завжди вказує на північ. Він також встановив, що магніт завжди має два полюси (північний і південний), і їх неможливо відокремити один від одного: при розрізанні магніту утворюються нові магніти з обома полюсами. Крім того, вчений увів у науку термін «електрика» та винайшов перший прилад для вимірювання електричного заряду — електроскоп.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
Як стрижень електроскопа можна використати металеву спицю для плетіння, а замість смужок паперу — вузькі смужки фольги? Випробуйте виготовлений вами електроскоп.
Металева спиця є гарним провідником, тому вона може ефективно передавати електричний заряд від верхнього кінця до індикатора. Смужки фольги значно легші за паперові, тому вони чутливіше реагують на дію електричного поля і краще розходяться під впливом навіть невеликого однойменного заряду. Під час випробування саморобного пристрою я помітив, що при наближенні наелектризованої палички до спиці смужки фольги миттєво відхиляються одна від одної.
Виготовте з легкого паперу маленькі човники та пустіть їх на воду. За допомогою наелектризованого гребінця змусьте вашу «флотилію» рухатися.
На мою думку, цей дослід наочно демонструє взаємодію зарядженого тіла з незарядженими об’єктами через електричне поле. Коли наелектризований гребінець наближається до паперових човників, у папері відбувається перерозподіл електричних зарядів, і легкі човники починають притягуватися до гребінця. Це дозволяє легко змінювати напрямок руху всієї «флотилії», просто переміщуючи гребінець над поверхнею води.