Електромагнетизъм
Дейности
Електричество чрез триене. Електрофорът
Древните гърци вече са знаели, че кехлибарът, натрит с вълна, придобива свойството да привлича леки тела.
Всички сме запознати с въздействието на статичното електричество, дори някои хора са по-податливи на неговото влияние от други. Някои потребители на автомобила усещат ефектите му при заключване с ключ (заострен метален предмет) или чрез докосване на автомобилния лист.
Ние създаваме статично електричество, когато разтриваме химикалка върху дрехите си. След това проверяваме дали писалката привлича малки парченца хартия. Същото може да се каже, когато търкаме стъкло с коприна или кехлибар с вълна.
За да обясним как възниква статичното електричество, трябва да помислим, че материята е изградена от атоми и атоми на заредени частици, ядро, заобиколено от облак от електрони. Обикновено материята е неутрална, има еднакъв брой положителни и отрицателни заряди.
Някои атоми по-лесно губят електроните си, отколкото други. Ако даден материал има тенденция да губи част от своите електрони, когато влезе в контакт с друг, се казва, че е по-положителен в трибоелектричната серия. Ако даден материал има тенденция да улавя електрони, когато влезе в контакт с друг материал, този материал е по-отрицателен в трибоелектричните серии.
Ето няколко примера за материали, подредени от най-положителни до най-отрицателни:
Заешка козина, стъкло, човешка коса, найлон, вълна, коприна, хартия, памук, дърво, кехлибар, полиестер, полиуретан, винил (PVC), тефлон.
Стърканото с коприна стъкло причинява разделяне на зарядите, тъй като и двата материала заемат различни позиции в трибоелектричната серия, същото може да се каже и за кехлибар и стъкло. Когато два непроводящи материала влязат в контакт, един от материалите може да улови електрони от другия материал. Размерът на заряда зависи от естеството на материалите (от тяхното разделяне в трибоелектричните серии) и от площта на повърхността, която влиза в контакт. Друг включен фактор е състоянието на повърхностите, независимо дали са гладки или грапави (контактната повърхност е малка). Влагата или примесите на повърхностите осигуряват път за рекомбинация на зарядите. Наличието на примеси във въздуха има същия ефект като влажността.
Ще забележим, че триенето на писалката с дрехите привлича парченца хартия. При преживяванията в класната стая се търкат различни материали, стъкло с коприна, кожа и др. Електрифицирани топчета от бъз се използват за показване на двата класа заряди и техните взаимодействия.
От тези експерименти се заключава, че:
- Материята съдържа два вида електрически заряди, наречени положителни и отрицателни. Незаредените обекти имат равни количества от всеки вид заряд. Когато тялото трие, зарядът се прехвърля от едното тяло в другото, едното от тях придобива излишък от положителен заряд, а другото - излишък от отрицателен заряд. При всеки процес, който се случва в изолирана система, общото или нетното натоварване не се променя.
- Предмети, натоварени с такси от същия знак, отблъскват.
- Обектите, заредени с такси от различни знаци, привличат.
Електрофорът
Йоханес Уилке е изобретил електрофора, който по-късно е усъвършенстван от Алесандро Волта. Това устройство беше широко разпространено в лаборатории, провеждащи електростатични експерименти, тъй като беше лесен за използване източник на заряд.
- Зарядът се генерира чрез триене на изолираща повърхност, например, направена от тефлон, която се представя много добре, тъй като е отличен изолатор и е лесна за почистване и поддръжка. Знакът на заряда зависи от естеството на изолационната повърхност и материала, използван за разтриването му. Предполагаме, че отрицателен заряд се разпределя върху повърхността на изолационния материал.
- Зарядът в проводника се генерира чрез индукция, положителните заряди се привличат в частта на проводника, която е най-близо до изолационната повърхност, а отрицателните се отблъскват. Дори ако проводникът влезе в контакт с изолационната повърхност, към проводника не се прехвърля отрицателен заряд. По принцип проводникът може да се зареди неограничен брой пъти, като се повтарят стъпките, показани на чертежа.
- Горната част на проводника се довежда до контакт със земята, чрез докосване с пръст или чрез директно свързване към земята с жица. Отрицателните заряди се неутрализират, докато положителните заряди остават в долната част на проводника.
- Проводникът се отдалечава от изолационната повърхност, положителният заряд се преразпределя върху повърхността на проводника, докато се достигне равновесие.
- И накрая, проводникът влиза в контакт с електроскопа, който показва заряда на проводника.
Преди да повторите тези стъпки, е необходимо да разредите проводника и електроскопа, като ги поставите в контакт със земята. Процедурата може да се повтори, без да е необходимо повторно триене на изолационната повърхност. Причината е, че триещият се заряд е свързан с изолационната повърхност, не може да бъде преразпределен в изолатора, нито може да бъде прехвърлен към проводника. Комбинацията от неподвижния заряд в изолатора, свободното движение на зарядите в проводника и прехвърлянето на заряди, когато той влезе в контакт със земята, е това, което прави електрофора непрекъснато зареждащо устройство.
Наблюдаваме работата на електрофора в анимацията по-долу.
Натиснете бутона със заглавие Започнете за да стартирате анимацията
Натиснете бутона със заглавие Следващия, да наблюдавате етапите, за да накарате електрофора да се зареди. В последния етап зарядът на електрофора се измерва с помощта на електроскоп, чиято работа е описана по-долу.
Измерване на електрически товар
Вземаме тяло с произволен заряд Въпрос: и на разстояние д поставяме товар Какво. Измерваме силата F упражнява на Какво. След това поставяме товар Какво ? на същото разстояние д на Въпрос:, и измерваме силата F ? упражнява на Какво ?.
Ако произволно присвоим единична стойност на товара Какво ?, разполагаме със средство за получаване на товари Какво.
В Международната система от измервателни единици основната величина е интензивността, чиято единица е ампирът или ампера, A, като зарядът е производно количество, чиято единица е кулон или кулон C.
Законът на Кулон
Използвайки торсионна везна, Кулон установява, че силата на привличане или отблъскване между два точкови заряда (заредени тела, чиито размери са незначителни в сравнение с разстоянието r който ги разделя) е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието, което ги разделя.
Стойността на константата на пропорционалност зависи от мерните единици, в които тя се изразява F, Какво, Какво ? Y. r. В Международната система от измервателни единици си струва 9 · 10 9 Nm 2/C 2 .
Обърнете внимание, че Законът на Кулон има същата функционална форма като Закона за всеобщата гравитация
Електроскопът
| Електроскопът се състои от два тънки листа злато или алуминий A, които са фиксирани в края на метален прът B, който преминава през опора C от ебонит, кехлибар или сяра. Когато топката на електроскопа се докосне със заредено тяло, листовете придобиват заряд от същия знак и се отблъскват, като разминаването им е мярка за размера на заряда, който са получили. Електростатичната отблъскваща сила се балансира от теглото на остриетата. |
Ако се приложи потенциална разлика между топката С и топката, листовете също се отделят. Електроскопът може да се калибрира чрез изчертаване на кривата, която ни дава потенциалната разлика като функция на ъгъла на дивергенция.
Опростен модел на електроскоп се състои от две малки сфери на масата м заредени с еднакви такси Какво и на същия знак, който виси две струни на дължина д, както е показано на фигурата. От мярката на ъгъла q, който една топка образува с вертикалата, се изчислява нейното натоварване Какво.
На равновесие
тсен q = F
тcos q = mg
- Известен ъгъл θ определят натоварването Какво
Разделяйки първото уравнение на второто, ние премахваме стреса т и получаваме
F=mg·такаθ
Измерване на ъгъла θ получаваме силата на отблъскването F между двете заредени сфери
Според закона на Кулон
Изчисляваме стойността на товара Какво, ако дължината е известна д на нишката, която държи заредените сфери.
- Известен товар Какво определете ъгъла θ
Премахнато т В уравненията на равновесието получаваме уравнението
Заредете Какво е в m C и масата м на топката в g.
Изразявайки косинуса като функция от синуса, стигаме до следното кубично уравнение
Интерактивната програма изчислява корените на кубичното уравнение
На фигурата е показано поведението на електроскопа за всеки товар Какво в μC имаме ъгъл на отклонение θ в градуси, на жицата спрямо вертикалата. Ако се измерва ъгълът θ по вертикалната ос получаваме товара Какво по хоризонталната ос.
Дейности
Интерактивната програма генерира на случаен принцип товар Какво измерено в m C, всеки път, когато бутонът е озаглавен Ново.
От мярката на ъгъла на отклонение q, върху градуираната ъглова скала, трябва да се изчисли натоварването Какво на топката чрез решаване на двете уравнения за равновесие.
- Стойността на масата м в грамове на топката, действаща върху лентата за превъртане, озаглавена Маса.
- Дължината на конеца е фиксирана д= 50 см.
Пример:
Оставете масата м= 50g = 0,05 kg, дължината на конеца д= 50 cm = 0,5 m. Измерен е ъгълът, направен от резбите с вертикална q = 22є, определете натоварването Какво от топките.
Разделението между зарядите е х= 2 0,5 греха (22є) = 0,375 m
Силата F на отблъскване между зарядите си струва
От уравненията на равновесието
тsen22є= F
тcos22є=0,05 9,8
елиминираме т и изчистете товара Какво, получавате 1,76 · 10 -6 C и 1,76 m C.
Натискане на бутона със заглавие Графика Можем да видим, че ъгъл от 22 de върху вертикалната ос съответства на товар от приблизително 1,8 m C върху хоризонталната ос.
Проверка на закона на Кулон
В предишния раздел за определяне на таксата е използван законът на Кулон Какво на малка сфера. В този раздел се предлага експеримент за проверка на закона на Кулон.
Бъда r1 равновесното разделяне между две малки равни сфери, заредени със същия заряд Какво. Силата F1 на отблъскване ок, според закона на Кулон.
От условията за равновесие, изследвани в раздела, който описва електроскопа,
връзката между тежестта на сферата mg и силата на отблъскването, F1 = mg·такаθ1
Ако разредим една от двете сфери и след това ги поставим в контакт със заредената сфера Какво. Всяка от малките сфери ще е придобила заряд q /2. Сферите се отблъскват, в равновесие разделянето им ще бъде по-малко r2.
От условията на равновесие трябва, F2 = mg·такаθ2
Разделяйки първия израз на втория, стигаме до следната връзка
Измерване на ъгли θ1 Y. θ2 и пропуските между таксите r1 Y. r2 можем да проверим закона на Кулон.
Ъгли θ са трудни за измерване, така че ако дължината нишки д държани от малките сфери са дълги, така че ъглите на отклонение са малки, можем да направим следното приближение
Връзката между ъглите и пролуките се трансформира в много по-проста.
По този начин, измерване само на пропуските r1 Y. r2 между зарядите, в двете ситуации, показани на фигурата, можем да проверим дали законът на Кулон е изпълнен.