Электрические явления. Видеоурок. Физика 8 Класс
Что такое утюг? Самое точное определение – это то, чем мы гладим одежду. То есть мы почти всегда определяем объект через его свойства. Похожая ситуация у нас уже возникала: мы не могли точно сформулировать, что такое энергия, но описывали ее через свойство: энергия – это то, что сохраняется в замкнутой системе.
Такие понятия, как «тело», «координата», «время», мы считаем базовыми, то есть не требующими точного определения (как точка или прямая в математике). Сложно строго сформулировать, что они значат, мы считаем их общеизвестными, общепонятными и через них определяем все остальные. Если каждое понятие определять через предыдущие, то рано или поздно придется остановиться и признать, что «предыдущих» не осталось.Сегодня мы познакомимся с еще одним таким базовым физическим понятием, которое называется «заряд». Мы опишем свойства заряда и заряженных тел, которые и будем использовать в практических целях.
До сих пор мы изучали в основном силы, которые возникают при контакте тел (трение, упругость, реакция опоры). Без непосредственного контакта мы говорили только о силах гравитации (два тела, обладающих массой, притягиваются друг другу). Но некоторые тела (например, потертые друг о друга волосы и пластиковая расческа, янтарь и шерсть и т. д.) взаимодействуют на расстоянии, причем это взаимодействие нельзя назвать гравитационным.
1) Сила гравитационного притяжения зависит только от массы и расстояния между телами, поэтому объяснить наличием этой силы притяжения волос к расческе нельзя (иначе мы бы наблюдали это притяжение и до расчесывания). Плюс возникающее притяжение сильнее гравитационного.
2) Между телами, обладающими массой, есть только силы гравитационного притяжения. Мы же, в ряде случаев, можем наблюдать отталкивание тел друг от друга. Значит, в приведенных примерах у тел есть нечто, благодаря чему они взаимодействуют. Такое взаимодействие назвали электрическим, а это «нечто» – электрическим зарядом.
Тела, обладающие зарядом, взаимодействуют между собой. Между ними пробегает искра, и они теряют заряд. Похожее явление можно наблюдать и в больших масштабах: молния – аналог искры между заряженными облаками и поверхностью Земли. Потертая о волосы расческа притягивает даже, казалось бы, незаряженные кусочки бумаги, пыль и т. д. Круг явлений широкий, и в этом нужно разобраться.
Заряд изучается по проявлениям, а проявляется заряд во взаимодействии тел. Возьмем воздушный шарик и потрем его о волосы. Волосы начнут притягиваться к шарику – волосы и шарик обладают зарядом. Если взять два таких заряженных шарика, между собой они будут отталкиваться. Установили два типа взаимодействия: притяжение и отталкивание. Причем, если взять два тела, которые одинаково себя ведут с третьим телом (оба к нему притягиваются или оба отталкиваются), друг от друга они отталкиваются. Есть два типа зарядов, и заряды одного типа (одноименные) отталкиваются, а разных типов (разноименные) – притягиваются.
Как обозначить эти типы зарядов? Оказалось, удобно обозначить их знаками плюс и минус: положительный и отрицательный заряд (см. рис. 1).
Рис. 1. Обозначение зарядов
Теперь можем сказать, что шарики обладают одноименными зарядами – они отталкиваются. А вот заряды шарика и волос разноименные – между собой они притягиваются.
Заряды или заряженные тела
Говоря о взаимодействии заряженных тел, часто само слово «тело» опускают. И просто говорят, что взаимодействуют заряды. То есть вы можете услышать фразу: «Одноименные заряды отталкиваются, разноименные заряды притягиваются». Нужно понимать, что под словом «заряды» тут имеются в виду не свойства тел, а сами заряженные тела.
Если взять два одинаковых шарика, но потереть о волосы разное время, то можно заметить: шарик, который терли дольше, будет притягивать больше волос и с большей силой. То есть заряда может быть много или мало. Но это слишком неточная оценка, нужно каким-то образом измерять заряд. Для этого вводят понятие величины заряда, которую, опять же, можно определить по наблюдаемому свойству – по силе взаимодействия.
Величину заряда (или часто говорят просто – «заряд») договорились измерять в кулонах (по фамилии ученого Шарля Кулона, изучавшего электричество), сокращенное обозначение – Кл. Обозначают заряд обычно буквой q. Теперь у нас есть инструмент, чтобы выразить заряд количественно и обозначить его тип: положительный или отрицательный. Например, 
.
1 Кл – это много или мало?
Чтобы измерить физическую величину, нужно сравнить ее с неким фиксированным эталоном, который мы называем единицей измерения. Можно измерять заряд в электронах – он как раз обладает элементарным зарядом. Но раз мы говорим о притяжении и отталкивании, то можно измерять с использованием силы. Здесь придется забежать вперед: мы будем оперировать понятием электрического тока, движения заряженных частиц. Скорость переноса заряда назвали силой тока – какой заряд переносится за одну секунду, единицу измерения назвали ампер (в честь ученого Андре-Мари Ампера, который ввел понятие тока). Как мы изучим позже, между проводниками, по которым течет электрический ток, проявляется еще один вид взаимодействия, который назвали магнитным. Так вот, за единицу силы тока, 1 А, приняли такую силу тока, при которой проводники на расстоянии 1 м взаимодействуют с силой 
О силе тока и о магнитном взаимодействии мы поговорим на следующих уроках, а пока просто будем пользоваться единицей измерения заряда – 1 Кл.
Чтобы вы понимали, что это за величина, приведем такой пример.
Если взять два тела, каждое из которых имеет заряд 1 Кл, и расположить их на расстоянии 1 м, то они будут отталкиваться с такой силой, с помощью которой можно удержать груз массой почти 1 млн тонн. Это достаточно большой заряд, и мы чаще будем сталкиваться с намного меньшими зарядами.
Кроме величины заряда, на взаимодействие влияет еще и расстояние между телами. Когда шарик близко к волосам, он притягивает их. Но чем дальше мы будем отдалять его, тем слабее будет проявляться их притяжение.
Если вы хотите узнать о том, как рассчитать силу взаимодействия между заряженными телами, посмотрите ответвление.
Закон Кулона
При помощи эксперимента мы определили, что сила взаимодействия зарядов зависит от их величины и от расстояния между ними. Если исследовать эту зависимость, то окажется, что сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между заряженными телами. В итоге можем записать формулу для модуля силы взаимодействия 
двух зарядов, которая называется законом Кулона:
где 
– это величины взаимодействующих зарядов, 
– расстояние между зарядами, 
– коэффициент пропорциональности, приблизительно равный 
В формуле заряды стоят под знаком модуля. Это значит, что мы в этой формуле опускаем знаки зарядов, а они отвечают за направления сил: притяжение или отталкивание. То есть эта формула позволяет вычислить абсолютное значение силы, а куда она направлена – это мы определяем отдельно по знакам зарядов: одноименные они или разноименные.
Для применения данной формулы есть ограничения. Во-первых, она описывает силу взаимодействия неподвижных зарядов, которые находятся в вакууме или воздухе. Во-вторых, размеры этих заряженных тел должны быть гораздо меньше, чем расстояние между ними.
Рассчитать силу взаимодействия зарядов в остальных случаях сложнее. Кто-то, возможно, познакомится с решением таких задач в старших классах или в университете, но нам сейчас важно отметить, что общие закономерности выполняются всегда: электрическое взаимодействие пропорционально зарядам тел и обратно пропорционально расстоянию между ними.
Заряд относится к так называемым аддитивным величинам, т. е. тем, которые можно складывать. Возьмем два тела с зарядами в +1 Кл и расположим их рядом друг с другом. На некотором расстоянии от них поместим для примера отрицательно заряженное тело. Каждый из зарядов по +1 Кл будет притягивать его с силой F. Или мы можем сложить действия сил, они направлены вдоль одной прямой, получим 2F. Можем рассматривать это как притяжение к телу с вдвое большим зарядом, в +2 Кл. То есть два близко расположенных заряда
Рис. 2. Аддитивность заряда
Пусть один из двух рассматриваемых в предыдущем примере зарядов равен –1 Кл. Как теперь эти два заряда будут действовать на третий? Каким бы он ни был по знаку, один заряд его будет отталкивать с силой F, а второй будет притягивать с той же по модулю силой. Сложив эти силы, мы получим 0. То есть наша система из двух зарядов не оказывает действия на третий.
Полученное тело (из двух зарядов +q и –q) оказывается незаряженным, или, как его еще называют, электронейтральным. Хоть там и есть два разноименных заряда, можно считать заряд тела равным 0, потому что оно не взаимодействует с другим заряженным телом.
Ограничения модели сложения зарядов
Мы рассматривали действие двух зарядов на третий, когда первые два заряда расположены достаточно близко друг к другу и на некотором отдалении от третьего. Что значит «достаточно близко» и «на отдалении»?
Мы расположили заряды так, чтобы можно было считать, что силы, которые оказывают два заряда на третий, направлены приблизительно вдоль одной прямой и что они приблизительно равны по модулю (а это возможно, если расстояния от каждого из двух зарядов до третьего приблизительно равны).
Если заряды будут расположены по-другому, то наши условия выполняться не будут и заменить систему из двух зарядовq1 и q2 на заряд (q1+q2) уже будет нельзя – результаты взаимодействия с третьим зарядом в этих двух случаях будут разными.
Тело, состоящее из двух тел с зарядами по +1 Кл, имеет заряд +2 Кл. Но верно и обратное: если у нас есть одно тело с зарядом +2 Кл, мы можем разделить его на 2 тела с зарядами +1 Кл и +1 Кл. Или может оказаться, что в теле, заряд которого равен нулю, могут быть заряды разных знаков, и его можно разделить на 2 тела с зарядами +1 Кл и –1 Кл. То есть зарядом тела мы будем считать сумму зарядов составляющих его частей.
Все тела состоят из атомов. Атомы состоят из более мелких частиц: протонов и нейтронов, которые находятся в ядре, и электронов, находящихся вокруг ядра. Протоны, нейтроны и электроны называют элементарными частицами, поскольку это наименьшие частицы, на которые удается разделить вещество. Протон – это положительно заряженная частица, электрон – отрицательно заряженная. Нейтрон не имеет заряда. Модуль зарядов электрона и протона называют элементарным зарядом, который равен 
. То есть протон имеет заряд 
, а электрон 
.
Любое тело мы можем разделить на огромное количество нейтронов, протонов и электронов. Значит, заряд любого тела – это сумма зарядов всех его протонов и электронов. Если их поровну, то заряд тела равен 0. Если электронов на 1 больше, то заряд тела будет 
. Если наоборот, больше протонов, то заряд тела положительный: 
. И так далее.
Получается, заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду. Или, еще говорят так: заряд – дискретная величина (см. рис. 3).
Рис. 3. Дискретность заряда
То есть такая, которая может принимать не абсолютно любые значения, а только некоторые определенные. Но если мы рассматриваем тело с достаточно большим зарядом, то эту дискретность мы замечать не будем.
Почему мы не замечаем дискретность величин
Если мы смотрим на какое-либо тело, то мы воспринимаем его как единое целое. Хотя, как мы уже знаем, все тела состоят из частиц – атомов и молекул. Но эти частицы настолько малы, что мы не различаем их по отдельности. Картинку на экране своего монитора вы тоже воспринимаете как цельную и неразрывную, хотя, на самом деле, она состоит из множества отдельных точек – пикселей.
Эти составляющие: атомы, пиксели – очень малы, поэтому в больших масштабах мы их не различаем. Аналогично и с зарядом: все заряды кратны элементарному. Но если взять большое их количество, то эта дискретность не будет заметна. А вот если заряды будут порядка 
, то тут следует помнить об этой дискретности. Ведь не может встретиться частицы с зарядом, например, 
или 
. То есть общее правило следующее: заряд тела может выражаться только такой величиной 
, для которой: 
– некоторое целое число.
Итак, заряд тела связан с количеством протонов и электронов в этом теле. Если выделить замкнутую систему, заряд в ней будет сохраняться. Элементарные частицы, а значит, и заряд, не могут появиться из ниоткуда и не могут исчезнуть бесследно внутри замкнутой системы. Значит, не может измениться их общее количество, то есть и заряд.
Аннигиляция
На самом деле утверждение, что частицы не могут исчезнуть, не совсем верно. Существует такой процесс, как аннигиляция. Он происходит при столкновении элементарной частицы с ее античастицей. Античастицы обладают той же массой, но все другие характеристики, в том числе заряд, имеют противоположный знак. Например, античастица, соответствующая электрону, – позитрон, она положительно заряжена. При аннигиляции частица и античастица исчезают и выделяется некоторое количество энергии.
Хотя частицы и исчезают, но общий заряд системы, содержащей эти частицы, все равно сохраняется. До аннигиляции сумма зарядов частицы и античастицы равна нулю. А после частицы исчезли – суммарный заряд опять же равен нулю.
В лабораторных условиях если и получают античастицы, время их жизни мало: позитрон аннигилирует с первым попавшимся электроном, а, т. к. атомы всех веществ содержат электроны, надолго изолировать позитрон от контакта с электроном очень сложно.
Не путайте протон и античастицу электрона – позитрон. Протон и электрон не античастицы, и они не аннигилируют. Как так, ведь они имеют противоположные знаки и должны притягиваться, что их останавливает? Объяснение этого факта довольно сложное и выходит за рамки школьного курса, такими вопросами занимается специальный раздел физики – квантовая физика. Нам же пока придется поверить на слово, что мир устроен именно так.
Обычно закон сохранения заряда формулируют так:
«В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов сохраняется». То есть если взять несколько тел, которые обмениваются зарядами только между собой (это и есть замкнутая система), то сумма зарядов всех тел данной системы не будет изменяться.
Обратите внимание, что для описания электрического взаимодействия мы ввели такую величину, которая сохраняется. Такая же ситуация была и с энергией.
Итак, мы ввели понятие заряда и определили его через его свойства, а именно:
- Заряд – это свойство тел, которое проявляется в электрических взаимодействиях.
- Носителями заряда являются электроны и протоны, заряд тела определяется количеством носителей заряда.
- Заряд тела кратен элементарному заряду (заряду электрона).
- Общий заряд замкнутой системы тел сохраняется.
Заряды перемещаются вместе со своими носителями. Нельзя зарядить электрон или протон, но можно зарядить расческу, передав ей некоторое количество электронов (например, потерев о волосы). То есть, у электрического взаимодействия есть носители, неотделимые от самого заряда, но которые вместе с зарядом могут передаваться от тела к телу.
Это для нас что-то новое: у гравитационного поля нет таких носителей, расческу нельзя «зарядить» массой, но ее достаточно потереть о волосы – и она приобретет заряд, а вместе с ним и новое свойство.
Попробуем на основе известных нам свойств заряда объяснить рассмотренный в начале пример: почему шарик и волосы приобрели заряд?
Теперь нам понятно, что при трении как-то должны перераспределиться заряженные частицы, но какие? Если вспомнить строение твердых тел, то становится понятно, что вряд ли это были протоны. Они находятся в массивном атомном ядре, и изменения внутри него – это ядерная реакция (то есть превращение одного вещества в другое). А вот электроны легкие, они вращаются вокруг ядра, и часть из них может покидать атом и свободно передвигаться в веществе. Такие электроны называют свободными. Остальные электроны называют связанными, поскольку они находятся вблизи ядра атома и им тяжелее его покинуть.
Поэтому можно сделать вывод, что именно перераспределение электронов отвечает за то, что тела приобретают заряд. И, если тело приобрело положительный заряд, это не значит, что в теле появилось какое-то количество дополнительных протонов – это значит, что оно потеряло какое-то количество электронов. С математической точки зрения разницы нет: отнять отрицательный заряд – это то же самое, что прибавить положительный: 
, но если нас интересует именно распределение частиц – оно вот такое.
Химические процессы
Химия, в числе прочего, изучает превращения веществ без преобразования атомов одних элементов в атомы других элементов. Такие процессы называются химическими реакциями. Так вот, химические реакции, как и возникновение химических связей между атомами, тоже связаны с переходами электронов от одного атома к другому, с их перераспределением, в то время как протоны остаются связанными в атомном ядре. Количество протонов в ядре определяет строение атома и его свойства.
Итак, при трении шарика о волосы часть электронов с волос перешла на шарик. На шарике стало электронов больше – он зарядился отрицательно; на волосах их стало меньше – они зарядились положительно. Получили два тела с разноименными зарядами, они будут притягиваться.
Процесс, в результате которого тела приобретают заряды, называют электризацией. Можно выделить два основных способа электризации. Первый – это электризация прикосновением (трением). Суть ее заключается в том, что мы приводим в контакт два тела (для улучшения контакта лучше тела друг о друга потереть) и часть электронов переходит с одного тела на д
Объяснение электрических явлений (Гребенюк Ю.В.). Видеоурок. Физика 8 Класс
На прошлых уроках мы рассмотрели наличие электрического поля у заряженных тел и поговорили о делимости электрического заряда. Сегодня мы обобщим изученные ранее факты и понятия, а также рассмотрим различные электрические явления.
Считается, что первым систематическое изучение электромагнитных явлений начал английский ученый Гильберт (рис. 1).
Рис. 1. Уильям Гильберт (1544–1603)
Однако объяснить эти явления ученые смогли только спустя несколько веков. После открытия электрона физики выяснили, что часть электронов может сравнительно легко отрываться от атома, превращая его в положительно или отрицательно заряженный ион (рис. 2). Каким же способом могут электризоваться тела? Рассмотрим эти способы.
Рис. 2. Положительно и отрицательно заряженный ион
С электризацией трением мы встречались, когда электризовали эбонитовую палочку кусочком шерсти. Возьмем эбонитовую палочку и потрем ее шерстяной тканью – в этом случае палочка приобретет отрицательный заряд. Выясним, что вызвало возникновение этого заряда. Оказывается, что в случае тесного контакта двух тел, изготовленных из разных материалов, часть электронов переходит из одного тела на другое (рис. 3).
Рис. 3. Переход части электронов с одного тела на другое
Расстояние, на которое при этом перемещаются электроны, не превышает межатомных расстояний. Если тела после контакта разъединить, то они окажутся заряженными: тело, отдавшее часть своих электронов, будет заряжено положительно (шерсть), а тело, получившее их, – отрицательно (эбонитовая палочка). Шерсть удерживает электроны слабее, чем эбонит, поэтому при контакте электроны в основном переходят с шерстяной ткани на эбонитовую палочку, а не наоборот.
Аналогичного результата можно добиться, если расчесывать сухие волосы расческой. Отметим, что общепринятое название «электризация трением» не совсем корректная, правильно говорить «электризация прикосновением», ведь трение необходимо только для того, чтобы увеличить количество участков тесного контакта при соприкосновении тел.
Если до начала опыта шерстяная ткань и эбонитовая палочка не были заряженными, то после проведения опыта они приобретут некоторый заряд, причем их заряд будет равен по модулю, но противоположен по знаку. Это означает, что до и после проведения опыта суммарный заряд палочки и ткани будет равен 0 (рис. 4).
Рис. 4. Суммарный заряд палочки и ткани до и после проведения опыта равен нулю
В результате проведения многих опытов физики установили, что при электризации происходит не создание новых зарядов, а их перераспределение. Таким образом, выполняется закон сохранения заряда.
Закон сохранения электрического заряда: полный заряд замкнутой системы тел или частиц остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе (рис. 5):
,
где 
– заряды тел или частиц, образующих замкнутую систему (n – количество таких тел или частиц).
Рис. 5. Закон сохранения электрического заряда
Под замкнутой системой подразумевают такую систему тел или частиц, которые взаимодействуют только друг с другом, то есть не взаимодействуют с другими телами и частицами.
Решение различных задач
Рассмотрим примеры решения нескольких важных задач, связанных с различными электрическими явлениями.
Задача 1. Два одинаковых проводящих заряженных шарика соприкоснулись и сразу же разошлись. Вычислите заряд каждого шарика после соприкосновения, если до него заряд первого шарика был равен 
, а второго 
.
Решение
Решение данной задачи основывается на законе сохранения электрического заряда: сумма зарядов шариков до и после соприкосновения не может измениться (так как в данном случае они образуют замкнутую систему). Кроме того, поскольку шарики одинаковые, то перетекание заряда с одного шарика на другой будет происходить до тех пор, пока их заряды не уравняются (в качестве аналогии можно рассмотреть тепловой баланс в системе из двух одинаковых тел с разными температурами, который установится только тогда, когда уравняются температуры тел). Значит, после соприкосновения заряд каждого из шариков станет равным 
(рис. 6). Пользуясь законом сохранения заряда, мы получаем: 
. Из этого несложно получить, что после соприкосновения заряд каждого из шариков будет равен: 
.
Рис. 6. Заряды после соприкосновения шариков
Задача 2. Два заряженных шарика подвешены на шелковых нитях. К ним подносят положительно заряженный лист оргстекла, и угол между нитями увеличивается. Каков знак зарядов шариков? Ответ обоснуйте.
Решение
До поднесения оргстекла силы, действующие на каждый из шариков, уравновешены (сила тяжести, сила натяжения нити и сила электрического взаимодействия шариков) (рис. 7). Мы видим, что при поднесении положительно заряженного оргстекла шарики «поднимаются» относительно первоначального положения. Значит, возникла сила, которая направлена вверх. Это, конечно же, сила электрического взаимодействия шарика и пластинки. Значит, шарик и пластинка отталкиваются (в противном случае сила их взаимодействия «тянула» бы шарик вниз). Из этого можно сделать вывод, что шарики заряжены так же по знаку, как и пластинка, то есть положительно (рис. 8).
Рис. 7. Силы, действующие на шарики до поднесения оргстекла
Рис. 8. Движение шариков вверх
Задача 3. Как передать электроскопу заряд, который в несколько раз больше, чем заряд наэлектризованной стеклянной палочки? У вас, кроме заряженной палочки и электроскопа, есть небольшой металлический шарик на изолирующей ручке.
Решение
Будем использовать электризацию через влияние. Поднесем шарик к палочке (не касаясь) и, дотронувшись до шарика пальцем, зарядим его. После этого поднесем шарик к шару электроскопа и коснемся его с внутренней стороны. Заряд распределится по поверхности шара электроскопа. Повторяя операцию много раз, мы можем сообщить электроскопу достаточно большой заряд.
В этом можно убедиться с помощью наглядной демонстрации (рис. 9).
Рис. 9. Сообщение электроскопу большого заряда многократной передачей
Заземление. Проводники и диэлектрики
Если взять металлический стержень и, удерживая его в руке, попробовать наэлектризовать, окажется, что это невозможно. Дело в том, что металлы – это вещества, имеющие множество так называемых свободных электронов (рис. 10), которые легко перемещаются по всему объему металла.
Рис. 10. Металлы – это вещества, имеющие множество свободных электронов
Подобные вещества принято называть проводниками. Попытка наэлектризовать металлический стержень, удерживая его в руке, приведет к тому, что избыточные электроны очень быстро убегут со стержня, и он останется незаряженным. «Дорогой для бегства» электронов служит сам исследователь, поскольку тело человека – это проводник. Именно поэтому опыты с электричеством могут быть опасными для их участников!
Рис. 11. «Дорога для бегства» электронов
Обычно «конечный пункт» для электронов – земля, которая тоже является проводником. Ее размеры огромны, поэтому любое заряженное тело, если его соединить проводником с землей, спустя некоторое время станет практически электронейтральным (незаряженным): тела, заряженные положительно, получат от земли некоторое количество электронов, а с тел, заряженных отрицательно, избыточное количество электронов уйдет в землю (см. рис. 12).
Рис. 12. Земля – «конечный пункт» для электронов
Технический прием, позволяющий разрядить любое заряженное тело путем соединения этого тела проводником с землей, называют заземлением.
Рис. 13. Обозначение заземления на схеме
В некоторых случаях, например чтобы зарядить проводник или сохранить на нем заряд, заземления следует избегать. Для этого используют тела, изготовленные из диэлектриков. В диэлектриках (их еще называют изоляторами) свободные электроны практически отсутствуют. Поэтому если между землей и заряженным телом поставить барьер в виде изолятора, то свободные электроны не смогут покинуть проводник (или попасть на него) и проводник останется заряженным (рис. 14). Стекло, оргстекло, эбонит, янтарь, резина, бумага – диэлектрики, поэтому в опытах по электростатике их легко наэлектризовать – заряд с них не стекает.
Рис. 14. Если между землей и заряженным телом поставить барьер в виде изолятора, то свободные электроны не смогут покинуть проводник (или попасть на него)
Проведем следующий опыт: возьмем эбонитовую палочку и зарядим ее с помощью электризации трением. Поднесем палочку к шару электрометра, коснемся на некоторое время шара электрометра пальцем и уберем палочку, мы видим, что стрелка электрометра отклонилась (рис. 15).
Рис. 15. Показание электрометра
Таким образом, шар приобрел электрический заряд, хотя мы его не касались эбонитовой палочкой. Почему же это произошло? Знак шара является противоположным знаку заряду палочки.
Так как контакта между заряженным и незаряженным телами не было, описанный процесс называется электризацией через влияние (или электростатической индукцией). Под действием электрического поля отрицательно заряженной палочки свободные электроны перераспределяются по поверхности металлической сферы (рис. 16).
Рис. 16. Перераспределение электронов
Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются от отрицательно заряженной эбонитовой палочки. В результате количество электронов станет избыточным на удаленной от палочки части сферы и недостаточным на ближней. Если коснуться сферы пальцем, то некоторое количество свободных электронов перейдет из сферы на тело исследователя (рис. 17).
Рис. 17. Переход части электронов на тело исследователя
В итоге на сфере возникнет недостаток электронов и она станет положительно заряженной. Выяснив механизм электризации через влияние, вам не составит труда объяснить, почему незаряженные металлические тела притягиваются к заряженным телам.
Сложнее объяснить, почему к наэлектризованной палочке притягиваются кусочки бумаги, ведь бумага – диэлектрик, а значит, практически не содержит свободных электронов. Дело в том, что электрическое поле заряженной палочки действует на связанные электроны атомов, из которых состоит бумага, вследствие чего изменяется форма электронного облака – оно становится вытянутым. В результате на ближних к палочке кусочках бумаги образуется заряд, противоположный по знаку заряду палочки (рис. 18), и поэтому бумага начинает притягиваться к палочке – это явление называется поляризацией диэлектрика.
Рис. 18. Поляризация диэлектрика
Польза и вред электризации
Применение электризации и наэлектризованных тел.
1. Изготовление наждачной бумаги
Принцип покрытия наждачным порошком бумаги и получения искусственных ворсистых материалов можно пояснить на следующем опыте (рис. 19). Диски от раздвижного конденсатора соединяют с кондукторами электрофорной машины. На нижний диск насыпают песок или узкие полоски цветной бумаги. Поверхность верхнего диска смазывают клеем. Приведя в действие электрофорную машину, заряжают диски. При этом кусочки бумаги или песок, находящиеся на нижнем диске, получив одноименный с ним заряд, под действием сил электрического поля притягиваются к верхнему диску и оседают на нем.
Рис. 19. Изготовление наждачной бумаги
2. Метод электростатической покраски металлических изделий
Метод окраски поверхностей в электрическом поле – электроокраска – впервые разработал русский ученый А.Л. Чижевский. Суть его такова: жидкий краситель любого цвета помещают в пульверизатор – сосуд с тонко оттянутым концом (соплом) – и подводят к нему отрицательный потенциал. К металлическому трафарету подводят положительный потенциал, а перед трафаретом размещается окрашиваемая поверхность (ткань, бумага, металл и т. д.) (рис. 20).
Рис. 20. Постановка метода электростатической покраски металлических изделий
Благодаря электростатическому полю между соплом с краской и трафаретом частицы краски летят строго по направлению к металлическому трафарету (рис. 21), на окрашиваемой поверхности воспроизводится точный рисунок трафарета, при этом ни одна капля краски не падает. Регулируя расстояние между соплом и объектом окраски, можно менять скорость нанесения и толщину покровного слоя, т. е. регулировать скорость окраски.
Данный метод дает экономию красителей до 70 % по сравнению с обычным методом окраски и ускоряет примерно в три раза процесс покрытия изделия.
Рис. 21. Частицы краски летят строго по направлению к металлическому трафарету
3. Очистка воздуха от пыли и легких частиц
Так как частицы пыли способны электризоваться, то для их удаления часто применяют фильтр, внутри которого находится электрически заряженный элемент, притягивающий к себе микрочастицы. Для того чтобы сделать пылеудаление более эффективным, воздух в помещении ионизируют. Такие электрофильтры устанавливают в цехах размола цемента и фосфоритов, на химических заводах.
Рис. 22. Электростатический очиститель воздуха со снятой пылесборной пластиной
Рис. 23. Электроды внутри промышленного электростатического очистителя воздуха
Отрицательное влияние электризации трением на производстве и в быту
На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстродвижущейся бумажной ленты. Были приглашены ученые. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении ее о валки.
Рис. 24. Бумагоделательная машина
При трении о воздух электризуется самолет. Поэтому после посадки к самолету нельзя сразу приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолет разряжают: опускают на землю металлический трос, соединенный с обшивкой самолета, и разряд происходит между землей и концом троса (рис. 25).
Рис. 25. Удаление заряда с самолета
Бывали случаи, что быстро поднимающийся в воздухе воздушный шар загорался. Воздушные шары часто наполняют водородом, который легко воспламеняется. Причиной воспламенения может быть электризация трением прорезиненной оболочки о воздух при быстром подъеме.
Рис. 26. Воздушные шары (аэростаты)
В любом процессе, где участвуют движущиеся части вещества, движется зерно или жидкость, происходит разделение зарядов. Одна из опасностей при транспортировке зерна в элеватор связана с тем, что в результате разделения зарядов в атмосфере, заполненной горячей пылью, может проскочить искра и произойти возгорание.
Рис. 27. Транспортировка зерна
В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60–70 % (рис. 28).
Рис. 28. Гигрометр
На этом уроке мы обсудили некоторые электрические явления: в частности, поговорили об электризации двумя способами – трением и влиянием.
Список литературы
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
- А.В. Перышкин. Физика 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2013. – 237 с.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал «physbook.ru» (Источник)
- Интернет-портал «youtube.com» (Источник)
Домашнее задание
- Почему иногда, поглаживая кошку рукой, можно увидеть небольшие искры, которые возникают между шерстью и рукой?
- Есть рыбы, которые можно назвать «живыми электростанциями». Что это за рыбы?
- Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.
Электрические явления (стр. 1 из 7)
Министерство образования и высшей школы Республики Коми
Управление образования администрации МО «Городской округ Усинск»
Муниципальная средняя общеобразовательная школа 5
Реферат
по физике
на тему: «Электрические явления»
2008 г.
Оглавление
Введение
Основная часть
Заключение
Список использованной литератуы
Введение
Электричество – совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически зараженных тел или частиц, Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля ( в случае неподвижных электрических зарядов – электростатические поля). Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т.е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие(учение о магнетизме, т.о., является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.
Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий ( электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существовавших в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположенных знаков, взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой – являются дальнодействующими в отличии от сильных взаимодействий, Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (хим. Силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.
Цель Реферата в том, чтобы показать , что человечество не мыслит своё существование на Земле без электричества.
Историческая справка. Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь( от греческого электрон, отсюда термин электричества), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различия между электрическими и магнитными явлениями, Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар – гигантский магнит.
В 17 – 1-й пол. 18 вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации тернием, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (англ. Ученый С. Грей). С изобретением первого конденсатора – лейденские банки (1745) – появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод.
Во 2-й пол. 18 в. Началось количественное изучение электрических и магнитных явлений, Появились первые измерительные приборы – электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов ( работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основой закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерение электрических зарядов по силам взаимодействия между ними, Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.
Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в кон. 18 в. Л. Гальвани «животного электричества» и работами А. Вольты, который правильно истолковал опыты Гальвани присутствием в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрел первый источник электрического тока – гальванический элемент(вольтов столб 1800), создающий непрерывный(постоянный) ток в течение длительного времени, В 1802 В.В. Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применения её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы – натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорциональна квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. Х. Ленца (закон Джоуля – Ленца). Г.Ом установил (1826) количество зависимости электрического тока от напряжения в цепи. К. Ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (теорема Гаусса).
Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку – явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А. М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов(закон Ампера) Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи(молекулярные токи). Т. О., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учений об электричестве
Со 2-й четв. 19 в. Началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30 — 40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг. – электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применения электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное влияние на учение об электричестве.
В 30 – 40-х гг. 19 в. В развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.
Фарадей- творец общего учения об электромагнитных явлениях, в в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея»обыкновенное» (полученное при электризации трением), атмосферное, «гальваническое», магнитное, термоэлектрическое, «животное» и др. виды электричества]. В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную – возбуждения электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.
Фарадей впервые ввёл представление об электрических и магнитных полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстояние действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействия между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрические или магнитные поля, с помощью которых взаимодействие передается от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрических и магнитных полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал, как механические образования в гипотетической среде – эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.
Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание, Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана Ф Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимодукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон ( лорд Кельвин) развил (1853) теории электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность.
Большое значения для развития учения об электричестве имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений,, созданная Гауссом и В. Вебером (система единиц гаусса). В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядочного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющею собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющею размерность скорости. При экспериментальном определении ( Вебер и Ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определенным указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.
В 1861 – 73 учение об электричестве получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений ,и введя гипотезу о порождение магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире. Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений,- существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886-89, когда Г. Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники.
Электрические явления в природе
Испокон веков человечество пыталось логично объяснить различные электрические явления, примеры которых они наблюдали в природе. Так, в древности молнии считались верным признаком гнева богов, средневековые мореплаватели блаженно трепетали перед огнями святого Эльма, а наши современники чрезвычайно боятся встречи с шаровыми молниями.
Всё это — электрические явления. В природе всё, даже мы с вами, несёт в себе электрический заряд. Если объекты с большими зарядами разной полярности сближаются, то возникает физическое взаимодействие, видимым результатом которого становится окрашенный, как правило, в жёлтый или фиолетовый цвет поток холодной плазмы между ними. Её течение прекращается, как только заряды в обоих телах уравновешиваются.
Самые распространённые электрические явления в природе — молнии. Ежесекундно в поверхность Земли их ударяет несколько сотен. Молнии выбирают своей целью, как правило, отдельностоящие высокие объекты, поскольку, согласно физическим законам, для передачи сильного заряда требуется кратчайшее расстояние между грозовым облаком и поверхностью Земли. Чтобы обезопасить здания от попадания в них молний, их хозяева устанавливают на крышах громоотводы, которые представляют собой высокие металлические конструкции с заземлением, что при попадании молний позволяет отводить весь разряд в почву.
Огни святого Эльма — ещё одно электрическое явление, природа которого очень долгое время оставалась неясной. Имели с ним дело в основном моряки. Проявляли огни себя следующим образом: при попадании корабля в грозу вершины его мачт начинали полыхать ярким пламенем. Объяснение явлению оказалось очень простым — основополагающую роль играло высокое напряжение электромагнитного поля, что всякий раз наблюдается перед началом грозы. Но не только моряки могут иметь дело с огнями. Пилоты крупных авиалайнеров также сталкивались с этим явлением, когда пролетали сквозь облака пепла, подброшенного в небо извержениями вулканов. Огни возникают от трения частиц пепла об обшивку.
И молнии, и огни святого Эльма — это электрические явления, которые видели многие, а вот с шаровыми молниями столкнуться удавалось далеко не каждому. Их природа так и не изучена до конца. Обычно очевидцы описывают шаровую молнию как яркое светящееся образование шарообразной формы, хаотично перемещающееся в пространстве. Три года назад была выдвинута теория, которая поставила под сомнение реальность их существования. Если ранее считалось, что разнообразные шаровые молнии — это электрические явления, то теория предположила, что они являются не чем иным, как галлюцинациями.
Есть ещё одно явление, имеющее электромагнитную природу — северное сияние. Оно возникает вследствие воздействия солнечного ветра на верхние слои атмосферы. Северное сияние похоже на всполохи самых разных цветов и фиксируется, как правило, в довольно высоких широтах. Есть, конечно, и исключения – если солнечная активность достаточно высока, то сияние могут видеть в небе и жители умеренных широт.
Электрические явления являются довольно интересным объектом исследования для физиков по всей планете, так как большинство из них требует подробного обоснования и серьёзного изучения.
Объяснение электрических явлений (Ерюткин Е.С.). Видеоурок. Физика 8 Класс
Данный урок являются заключительным и обобщающим перед переходом к следующему подразделу темы, в котором будет изучаться постоянный электрический ток в проводниках. На уроке будут повторены основные понятия, с которыми мы сталкивались при изучении предыдущих уроков: заряд, электрическое поле, электроскоп, электризация, электрон и т. п. В конце урока будет приведено несколько экспериментов, которые будут объясняться, исходя из изученных ранее понятий.
Начнем с того, что вспомним, что было открыто советским ученым А. Ф. Иоффе (рис. 1) и американским ученым Р. Э. Милликеном (рис. 2) независимо друг от друга. Проведя ряд экспериментов, каждому из них удалось установить массу и заряд электрона, которые соответственно равны:
Рис. 1. А. Ф. Иоффе (1880-1960)
Рис. 2. Р. Э. Милликен (1868-1953) (Источник)
Модуль заряда электрона был назван элементарным зарядом, и было установлено, что такой заряд является неделимым, т. е. меньшего заряда в природе нет. Поскольку любой заряд, как из кирпичиков, состоит из элементарных зарядов, то значение любого заряда можно разделить на величину элементарного заряда без остатка.
Стоит упомянуть, что величина заряда тела характеризует его взаимодействие с другим заряженным телом и что заряды разделены на два типа: положительные и отрицательные. При этом одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Обозначение заряда: 
;
Единица измерения заряда: Кл (кулон).
Замечание. Единица измерения заряда названа в честь французского физика Шарля Кулона (рис. 3), который внес большой вклад в изучение электричества.
Рис. 3. Ш. Кулон (1736-1806) (Источник)
Заряд тела имеет важное свойство: он может делиться, причем, достаточно много раз пока не дойдет до значения элементарного заряда, который неделим (на практике такая ситуация практически невозможна). Деление заряда происходит путем передачи части заряда от одного тела к другому.
Для понимания процессов возникновения зарядов у тел необходимо знать устройство атома. Открытие современной модели атома принадлежит английскому ученому Э. Резерфорду (рис. 4). Согласно этой модели, которая носит название «планетарная» (рис. 5), атом состоит из массивного положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов. Поскольку количество протонов в ядре атома, находящегося в основном состоянии, равно количеству электронов, вращающихся по орбитам, то атом в целом электронейтрален.
Замечание. Заряд протона по модулю равен заряду электрона, но противоположного знака (положительный), стандартное обозначение: 
.
Рис. 4. Э. Резерфорд (1871-1937) (Источник)
Рис. 5. Планетарная модель атома Резерфорда (Источник)
После установления факта нейтральности атома в его основном состоянии возникает вопрос: возможно ли другое состояние атома, при котором он имеет заряд. Такое состояние возможно и возникает оно в случае отделения электронов от атома либо при присоединении избыточных электронов, в таком случае атом становится заряженным, и его называют ионом. Если атом приобрел избыточные электроны, то его заряд становится отрицательным, и его называют анионом, а если он потерял электроны, то его заряд становится положительным, и его называют катионом.
Все упомянутые нами факты и понятия используются при объяснении электрических явлений, несколько примеров которых мы ниже приведем.
Отметим то, что во множестве опытов нас не интересуют знаки зарядов, которые присутствуют у тел, а более важной характеристикой является процесс движения заряда и значение модуля заряда, т. е. его численная величина.
Начнем объяснение различных электрических явлений с процесса электризации тел, с которым мы уже сталкивались ранее. Электризация – это процесс разделения электрических зарядов в результате соприкосновения тел.
Если взять стеклянную палочку и потереть ею о поверхность бумаги, то произойдет разделение зарядом между бумагой и палочкой, и они приобретут заряды. В результате трения часть электронов переходит от стеклянной палочки к бумаге, и палочка приобретает положительный заряд (из-за недостатка электронов), а бумага – отрицательный (из-за избытка электронов).
Этот факт можно проверить на примере взаимодействия заряженной стеклянной палочки с бумажным султаном. Если поднести наэлектризованную палочку к султану, но не прикасаться ею, то будет заметно явление притяжения полосок бумаги к палочке, что объясняет взаимодействием электронов, которые находятся в бумажных полосках, с зарядом палочки. Это явление демонстрирует притяжение разноименных зарядов (вспомним, что притяжение незаряженных тел к заряженным объясняется не так просто, и с более подробным объяснением можно познакомиться в конспекте к первому уроку в данной теме или далее в конспекте). Если же прикоснуться заряженной палочкой к металлическому стержню, на котором закреплен султан, то часть заряда палочки передастся стержню, который наэлектризует бумажные полоски, и они начнут отталкиваться друг от друга. Это явление демонстрирует отталкивание одноименных зарядов.
Следует вспомнить, что с точки зрения строения атомов, среди веществ можно выделить два принципиальных типа: проводники и диэлектрики. Вещества, атомы которых сильно взаимодействуют с электронами, практически не подвержены возможности терять электроны из орбит атомов, и называются диэлектриками (непроводниками электричества). Вещества, атомы которых наоборот несильно сдерживают электроны, могут их свободно передавать другим атомам, и называются проводниками (например, металлы).
Для следующего опыта возьмем гильзу, изготовленную из фольги, и стеклянную палочку. После натирания палочки листом бумаги и поднесения ее к гильзе можно заметить, что гильза сначала притянется к поверхности палочки, а затем оттолкнется от нее. Если после этого еще раз поднести заряженную палочку к гильзе, то она уже будет только отталкиваться от нее. Объясняется такое явление аналогично с явлением взаимодействия палочки с бумажным султаном, о котором говорилось ранее. Кроме того, опыт с гильзой мы уже проводили в первом уроке темы. Приведем еще раз объяснение этого явления.
Поскольку гильза является проводником, то, оказавшись во внешнем электрическом поле, в ней наблюдается явление разделения заряда. Оно проявляется в том, что свободные электроны в материале гильзы перемещаются в сторону, которая наиболее близка к положительно заряженной палочке. В результате гильза становится разделенной на две условные области (рис. 6): одна заряжена отрицательно (там, где избыток электронов), другая – положительно (там, где недостаток электронов). Поскольку отрицательная область гильзы расположена ближе к положительно заряженной палочке, чем ее положительно заряженная часть, то будет преобладать притяжение между разноименными зарядами, и гильза притянется к палочке. После этого оба тела приобретут одноименный заряд и оттолкнутся.
Рис. 6.
Такое явление возможно благодаря свойству электронов перемещаться при воздействии на них электрического поля. Поскольку электроны изначально находятся на орбитах атомов, то основой любых электрических процессов является перераспределение зарядов в атомах.
В природе существует огромное разнообразие электрических явлений, наиболее эффектными из которых являются, пожалуй, молнии. Интересен тот факт, что, несмотря на быстрое развитие современной науки, некоторые из этих явлений оказываются еще недостаточно изученными и объясненными, например, это относится к феномену шаровой молнии. Но наука не стоит на месте, и мы упорно движемся к всеобъемлющему познанию мира, если таковое вообще возможно…
На следующем уроке мы изучим новое для нас электрическое явление – электрический ток.
Список литературы
- Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
- Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.
Домашнее задание
- Стр. 72: вопросы № 1–5; Стр. 73: упражнение № 12. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Для того чтобы наэлектризовать латунный стержень, его необходимо держать в резиновых перчатках. Почему?
- Легкий пенопластовый шарик притягивается к заряженной положительно стеклянной палочке. Обязательно ли шарик заряжен отрицательно? Ответ поясните.
- Подготовьте доклад о ключевых исторических открытиях в области электростатики.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал Physbook.ru (Источник).
- Уроки (Источник).
- YouTube (Источник).
Электрические явления в природе и технике
Конспект по физике для 8 класса «Электрические явления в природе и технике». Как образуется молния. Как устроен громоотвод.
Конспекты по физике Учебник физики Тесты по физике
Электрические явления
в природе и технике
Вокруг нас происходит множество электрических явлений. Рассмотрим некоторые из них.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИРОДА МОЛНИИ
Наиболее яркое электрическое атмосферное явление — молния. Происхождение молнии объясняют следующим образом. Облака под действием ветра с большой скоростью проносятся над землёй и электризуются. При этом верхние и нижние слои облаков приобретают разноимённые заряды. Вокруг этих облаков возникает сильное электрическое поле. На ближайших к ним телах образуется электрический заряд противоположного знака. Такими телами могут являться другие облака, а также поверхность земли с находящимися на ней высокими телами.
Иногда два наэлектризованных облака приближаются друг к другу на достаточно близкое расстояние. Если при этом положительно заряженный слой облака приближается к отрицательно заряженному слою другого облака, то между ними происходит разряд — молния а, которая сопровождается громом.
Когда грозовая туча имеет отрицательный электрический заряд и проходит близко к поверхности земли, то создаваемое этим электрическим зарядом поле приводит к появлению в предметах на земле положительного электрического заряда. Между тучей и заряженными предметами может произойти разряд б.
Молния и гром происходят одновременно, но свет распространяется со скоростью 300 000 км/с, а скорость звука в воздухе 340 м/с. Поэтому мы сначала видим разряд — молнию, а звук разряда — гром — слышим спустя некоторое время. Зная время запаздывания грома, можно оценить, как далеко от наблюдателя произошёл разряд.
На земном шаре одновременно происходит до 1800 гроз. В умеренных широтах грозы в среднем бывают 10—15 раз в год, у экватора на суше от 80 до 160 грозовых дней в году, над океаном грозы случаются реже, а в Арктике — одна в несколько лет.
Электрическая природа молнии была впервые раскрыта в 1752 г. американским учёным Бенджамином Франклином. Во время грозы он запустил в облака воздушного змея. Как только верёвка, на которой был привязан змей, намокла от дождя, её растрепавшиеся волокна внезапно встали дыбом, указывая на то, что змей и нить зарядились. Находясь под навесом и придерживая нить, на которой был подвешен змей, Франклин осуществил опыт, который мог оказаться для учёного смертельным. Он приблизил палец к металлическому ключу, привязанному на мокром шнуре. Но ещё до того, как он коснулся пальцем ключа, из ключа в палец проскочили искры, произведя при этом треск.
Подобные опыты чрезвычайно опасны. Некоторые исследователи погибли во время таких экспериментов.
ГРОМООТВОД
Во время своих опытов Франклин обнаружил, что металлическое остриё, соединенное с землёй, снимает электрические разряды с заряженных тел. Сконструированный им молниеотвод, или громоотвод, как его сейчас называют, был первым научно обоснованным устройством для защиты от молний.
Простейший громоотвод представляет собой заострённый металлический стержень, прикреплённый к зданию и поднятый над крышей. Он соединяется со всеми металлическими частями здания и с массивной металлической плитой, зарытой в землю, чем обеспечивается заземление громоотвода.
При разряде заряд по громоотводу уходит в землю и не приносит никакого вреда. Кроме того, наведённый тучей на здание электрический заряд уходит с громоотвода в землю, тем самым не только предохраняя здание от удара молнии, но и уменьшая вероятность её удара в данное здание.
В течение сотен лет моряки замечали, что во время гроз на верхушках корабельных мачт появляются странные огни, которые получили название огней святого Эльма. Моряки думали, что этими огнями их покровитель святой Эльм показывает, что они находятся под его опекой. Огни святого Эльма можно также наблюдать во время грозы на верхушках высоких зданий, на кончиках лопастей пропеллеров самолётов и т. п. Это явление наблюдается, когда в остроконечных частях предметов появляется большой электрический заряд.
Молния чаще всего ударяет в возвышающиеся над уровнем земли объекты — колокольни, флагштоки, небоскрёбы, а также в одиночные деревья в полях и вершины холмов. Если молния попадает в металл, она его плавит. Попадая в песок, молния плавит и его. Попав в дерево, молния расщепляет его, обугливает, а может и поджечь. Поэтому во время грозы нельзя прятаться от дождя под высокими деревьями. Попав в строения, молния также может разрушить их и поджечь.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В БЫТУ И ТЕХНИКЕ
Электризация часто наблюдается и в быту. Разряды электричества возникают при ходьбе человека по полимерным покрытиям, синтетическим коврам, при снятии синтетической одежды, при расчёсывании волос пластмассовой расчёской и т. д.
В домашних условиях устранить заряды статического электричества можно, увлажняя воздух или используя антистатические препараты. На производстве человек также сталкивается с проблемой самопроизвольной электризации.
При трении о воздух электризуется самолёт, поэтому после посадки к нему нельзя сразу приставлять металлический трап: возникнет электрический разряд, который может вызвать пожар.
После посадки самолёт сначала «разряжают»: опускают на землю соединённый с обшивкой самолёта металлический трос, по которому заряд уходит в землю.
Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Электрические явления в природе и технике».
Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).
Электрические явления в природе и технике
5 (100%) 2 vote[s]Просмотров: 1 294
Сообщение на тему: Электрические явления
Сообщение на тему: Электрические явления
Электрическое поле Земли
У поверхности Земли существует электрическое поле. Наша планета обладает некоторым электрическим зарядом. Исследования этого поля показало, что Земля обладает отрицательным зарядом q=-450000 Кл, который вблизи поверхности создает вертикальное электрическое поле напряженностью E=130 В/м. На высоте 50 км над поверхностью Земли поле практически исчезает.
Мы живем в постоянном электрическом поле значительной напряженности. Если сравнить потенциалы на высоте макушки и пяток человека, получим разность потенциалов 200 В. Почему же по телу не проходит электрический ток? Потому что наше тело является проводником. И реальный наш потенциал становится равным потенциалу Земли.
Где же начинаются силовые линии поля, заканчивающиеся на Земле. Исследования атмосферы показали, что на высоте нескольких десятков километров над поверхностью Земли существует слой положительно заряженных (ионизованных) молекул, называемый ионосферой. Различные атмосферные явления приводят к обмену зарядами между ионосферой и Землей.
Электрические явления
Молния — природное явление, которое приводит к обмену зарядами между ионосферой и Землей. Ток в разряде молнии достигает 10—100 тысяч ампер, напряжение — миллионов вольт (иногда достигает 50 млн. вольт), тем не менее, погибает после удара молнией лишь 47,3 % людей.
На земном шаре ежегодно происходит до 16-и миллионов гроз, то есть около 44 тысяч за день. Прямой удар молнии очень опасен для здоровья людей, нередки случаи смертельного исхода. Для зданий и сооружений угрозами, вследствие непосредственного контакта канала молнии с поражаемыми объектами, являются возможность возгорания либо разрушения. Для электронных устройств представляет опасность также и электромагнитный импульс, создаваемый молнией.
Грозовые тучи постоянно обмениваются разрядами. При этом сила тока в 1 млн раз слабее силы тока в молнии.
В верхней атмосфере обнаружены другие виды молний — эльфы, джеты, спрайты.
Шаровая молния — светящийся плавающий в воздухе шар, уникально редкое природное явление. Существование шаровой молнии не подтверждено официальной наукой, до сих пор она не была зарегистрирована научной аппаратурой (магнитометрами, тепловизорами или качественной видеоаппаратурой). Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени также не представлено. Существуют около 400 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде.
Молниеотвод
Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды и у поверхности Земли возникает сильное электрическое поле. Напряжённость поля особенно велика возле острых проводников, и поэтому на конце молниеотвода зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния всё же возникает (такие случаи очень редки), она ударяет в молниеотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя разрушений.
Молнии Кататумбо
Это природное явление, возникающее над местом впадения реки Кататумбо в озеро Маракайбо (Южная Америка). Феномен выражается в возникновении свечения на высоте около пяти километров без сопровождающих акустических эффектов. Молнии появляются ночью (140—160 раз в год) и разряды длятся около 10 часов. В сумме получается около 1,2 миллиона разрядов в год.
Молнии видно с расстояния до 400 километров. Их даже использовали для навигации, из-за чего явление также известно под названием «Маяк Маракайбо».
