На морських узбережжях Греції, Прибалтики інших країнах люди досить часто знаходили прозорі камінці, які містили в собі рештки різних комах. Як згодом з’ясувалося, це була скам’яніла смола хвойних порід дерев, що росли там багато тисяч років тому. Сьогодні ми називаємо цю смолу – бурштином (рос. янтарь). Ці камінці чудово горіли і піддавалися обробці нескладним інструментом. Інколи море настільки багато виносило їх на берег, що їх використовували як паливо. Давньогрецький філософ Фалес Мілетьськийсвідчить, що в Греції з бурштину виготовляли інструменти для ткацьких верстатів. Працюючи з вовною, ткалі помічали, що при тривалій роботі до бурштинових деталей налипає дуже багато ворсинок із вовни та інструмент доводиться досить часто очищати. Грецькою мовою бурштин – ήλεκτρον «електрон».
Рис.1 - Бурштин
Бурштинові властивості згодом були відкриті у багатьох речовин і відповідно до назви, вони отримали назву електричних властивостей. Придворний лікар королеви Єлізавєти Уїльям Гілберт спостерігав існування цих властивостей в алмазу, опалу, карборунду та інших дорогоцінних каменів і назвав їх «електричними мінералами». Такі властивості сьогодні ми щоденно бачимо у предметів які входять до нашого вжитку – гребінця, кулькової ручки, одягу; інколи навіть наші хатні улюбленці коти та собаки демонструють прояви цих властивостей у предметів з якими вони контактують. Набуття таких властивостей предметами називають електризацією. Поява цих властивостей за рахунок тертя називається трибоелектризацією (трибо-«розтираю»). У процесі трибоелектризації обов’язково приймають участь два предмети.
Перегляньте приклад взаємодії наелектризованої соломинки для коктейлю зі шматочками паперу та фольги на відео 1 в додатках.
Спробуйте самотужки відтворити експеримент із соломинкою, гумовою кулькою, гребінцем або кульковою ручкою натертою об тканину, хутро чи волосся. В ході експерименту ви помітите цікаві особливості!
По-перше - здатність притягати залежить від того на скільки тривало та ретельно ви натирали предмет. Цю властивість використав німецький фізик Отто фон Геріке для створення першої електричної машини.
Рис.2 -Електрична машина Отто фон Геріке
Вона представляла собою кулю, виплавлену із сірки, яку натирали руками. При тривалому натиранні вона могла породжувати невеликі іскри і навіть злегка вражати експериментатора. По-друге - деякі клаптики паперу, а особливо фольги, притягнувшись до предмета, відскакують від нього і при наближенні наступного разу відштовхуються! Проте, при наближенні тканини чи хутра, яким натирали предмет, притягуються до нього! Ця особливість наштовхнула французького фізика Шарля Дюфе у XVIII ст. на думку про існування двох видів електрики. Він назвав їх «скляною» та «смоляною». Сьогодні ми кажемо про існування носіїв «позитивної» та «негативної» електрики.
Носії позитивної електрики нагромаджуються на склі, потертому об шовк, а негативної – на ебоніті потертому об хутро.
Набуття тілами носіїв електричного заряду того чи іншого знаку встановлюється експериментально. При електризації тертям, було встановлено, що одне і те ж саме тіло може заряджатися по різному в залежності від тіла, з яким воно взаємодіє. На основі дослідів, складено так званий, трибоелектричний ряд речовин.
Збільшення позитивного заряду
Повітря Руки людини Скло Плексиглас Волосся людини Нейлон Шерсть Шерсть кота Алюміній Папір Сталь Гума Мідь Срібло Шовк Целюлоза Бавовна Бурштин Поліуритан Поліетилен Полістирол Полівініл Кремній Тефлон Епоксидна смола Натуральний каучук
Збільшення негативного заряду
За цим рядом досить просто визначити знак носіїв набутого тілом електричного заряду, в залежності від того, з яким тілом воно приведене у контакт.
Скористайтесь інтерактивною моделлю для дослідження електризації гумової кульки.
Чим далі відстоять речовини тіл у цьому ряду, тим яскравіше будуть проявлятися електричні властивості після натирання. Водночас одна і та ж речовина, будучи приведена у контакт з речовинами, що знаходяться вище або нижче може нагромадити носії позитивного або негативний заряду.
Головною властивістю заряджених тіл є їх взаємне притягання або відштовхування. Однойменно заряджені тіла (++, --) відштовхуються, різнойменно заряджені (+-) притягаються.
Перегляньте відео 2 в додатках.
Рис.3 Зависання фольгової сітки над наелектризованою поличкою.
Знак носіїв заряду, які отримало тіло, можна встановити лише по його взаємодії з тілом, яке має еталонні носії заряду (для прикладу, ебоніт, потертий об хутро, чи скло, потерте об шовк).
На основі взаємного притягання чи відштовхування влаштовано велика кількість цікавих демонстрацій та приладів. (відео 3,
1. Від якого слова походить назва «електрика»? 2. Яким чином відбувається трибоелектризація? 3. Чому синтетичний одяг важко стягується з тіла? 4. Якого заряду набуде гума, якщо її один раз натерти об нейлон, а другий раз об поліетилен? 5. Чи можна наелектризувати тертям один об одного два шматки поліетилену? 6. Чому важко позбутися шматочків пакувального пінопласту з поверхні рук? 7. Чому сітка з фольги зависає над наелектризованою паличкою? 8. На відео показано, як кулька, підвішена на нитці барабанить у порожні бляшанки, до одної з яких піднесли наелектризовану паличку а до другої – руку. Що примушує кульку рухатись?
Частина 2.
На початку XVIII ст. англійський фізик Стівен Грей, проводячи експерименти по поширенню електрики на відстань, з’ясовує, що речовини можна розділити на категорії, які ми сьогодні називаємо провідники та ізолятори (діелектрики). На поверхні ізоляторів при електризації нагромаджуються носії електричного заряду але вони залишаються нерухомими. В провідниках носії електричного заряду нагромаджуються і переміщуються. Одразу доведеться обмовитися, що чіткого поділу речовин та тіл на провідники та ізолятори бути не може, оскільки за певних умов (наприклад нагріванні) ізолятор може перетворитися на провідник і навпаки. Характерними провідниками носіїв електричного заряду є метали та розчини солей, кислот, лугів. Людське тіло, яке містить розчини також можна віднести до провідників.
Проведіть наступне спостереження – наелектризуйте предмет та проведіть по його поверхні рукою. Чи буде він після цього притягувати до себе легкі предмети? Дослід показує, що ні! Отже людське тіло розподілило по собі носії заряду, вилучивши його в зарядженого тіла.
Використання провідників та ізоляторів дозволяє створити пристосування для дослідження властивостей наелектризованих тіл, чим ми зараз і займемося!
Найпростіший прилад носить назву електроскоп («той що бачить електрику»).
Рис.4 Форма дроту в моделі електроскопа.
Рис.5 Модель електроскопа.
Для створення приладу, який дозволить провести низку експериментів необхідно мати пластикову пляшку з корком або скляну посудину, що закривається, канцелярський ніж або ножиці, шматок дроту (мідного чи алюмінієвого, може використовуватися канцелярська скріпка достатнього розміру), фольгу або тонкий папір і найголовніше бажання! Пластикова пляшка акуратно обрізується ножем або ножицями на відстані приблизно 10-15 см біля горловини. У корку робимо отвір ножем або ножицями, достатній для того, щоб просунути і закріпити дріт. Дріт або скріпка вміщується у отвір та один її кінець згинається у формі, зображеній на рисунку 4. Другому кінцю дроту над корком найкраще надати при можливості форми спіралі. З фольги вирізаємо дві пелюстки та закріплюємо в утворених на кінцях дроту петлях. Якщо використовується папір для пелюсток, необхідно передбачити його кріплення таким чином, щоб він тримався на дротяній петлі. Вміщуємо корок з дротом і пелюстками у пляшку – прилад готовий до випробувань! Варіантів його виконання може бути декілька і політ вашої творчої фантазії у цьому випадку абсолютно необмежений. Один з варіантів, зображено на малюнку.
Ще один варіант виготовлення електроскопа перегляньте на
Тепер наелектризуємо будь-який предмет із ізоляторів, та проведемо ним по дротяній спіралі над корком електроскопа. Як бачите – його пелюстки розходяться та залишаються у такому положенні! Спробуємо проаналізувати результати експерименту. Наелектризований предмет має фіксовані носії електричного заряду на своїй поверхні. При торканні металевої петлі вони частково розподіляються по петлі та передаються пелюсткам. Отримавши однойменний заряд, пелюстки намагаються відштовхнутися, але оскільки приєднані до петель – розходяться не деякий кут. При проведенні тілом по петлі більша кількість носіїв заряду буде передана дроту та пелюсткам, а тому вони розійдуться сильніше. Таким чином, цей прилад дозволяє визначити – наелектризований предмет чи ні, та приблизно оцінити величину нагромадженого тілом заряду. Сьогодні створено електричні машини, які можуть генерувати на накопичувати на свої поверхні надзвичайно великі заряди. Один з таких приладів – генератор Ван де Граафа.
Рис.6 Торкання Кулі генератора Ван де Граафа.
На малюнку зображено ситуацію, коли дівчина доторкнулася до металевої кулі з великим електричним зарядом. Враховуючи, що людське тіло є провідним, легко зрозуміти, чому її волосся поводить себе саме таким чином.
Електризуючи різні предмети, за допомогою електроскопа можна порівняти величину нагромадженого ними електричного заряду по куту відхиляння пелюсток. Для кількісного опису такої здатності слугує фізична величина електричний заряд.
Електричний заряд– це фізична величина, за допомогою якої кількісно характеризують інтенсивність електричної взаємодії тіл.
Ця величина позначається – q. Має знак + або -, та одиницю вимірювання – 1 Кулон.
Одиниця вимірювання названа на честь французького дослідника Шарля Огюстена Кулона, з роботами якого ми ознайомимося надалі. Електричний заряд в 1 Кулон є дуже великим, а тому крім основної одиниці вимірювання існують також похідні одиниці – мілікулони - мКл (10-3 Кл), мікрокулони – мкКл (10-6 Кл), нанокулони – нКл (10-9 Кл). Такого порядку заряди нагромаджуються на тілах, з якими ми маємо справу у побуті. Чи існує еталон величини набутого електричного заряду спробуємо з’ясувати на експерименті з електроскопом. Наелектризуємо предмет та передамо електроскопу деякий заряд. Поспостерігаємо поведінку пелюсток на протязі деякого проміжку часу. Як бачите кут їх розходження з часом зменшується, тому робимо висновок, що вони втрачають свій електричний заряд. Як було зазначено раніше, речовини лише умовно поділяються на провідники та ізолятори. Повітря (особливо вологе) частково дає носіям заряду можливість переміщуватися, або як кажуть фізики – «стікати». З даної причини, створити тіло, яке мало би еталонний заряд і зберігало його тривалий час незмінним, практично неможливо. Тому одиниця електричного заряду визначається у іншому еталоні, який створено для рухомого електричного заряду в провіднику. Його будова буде розглянута у відповідному розділі. Контролюючий блок №2.
1. Чим відрізняються один від одного провідники та ізолятори? 2. Чому тримаючи у руках мідний стержень, наелектризувати його тертям не вдається? 3. Як відхиляються пелюстки електроскопа при піднесенні наелектризованого тіла – при доторку чи ще при наближенні? 4. Чи працював би електроскоп, якби одна пелюстка була фольговою, а інша паперовою? 5. Яким має бути повітря, для успішного проведення дослідів з електризації? 6. Чи можна нагромадити необмежено великий електричний заряд на поверхні конкретного тіла? 7. Виразіть у основних одиницях величини електричних зарядів 25 мКл, 0,5 мкКл, 24000 нКл. 8. Чому неможливо створити еталон для нерухомого електричного заряду?
Частина 3.
«Стікання» електричного заряду детально вивчалося ще на світанку вивчення електрики. Відомий дослідник та громадський діяч американець Бенджамін Франклін в ході експериментів з’ясував, що найкраще зберігає електричний заряд тіло, яке має форму кулі, а найкраще розсіює його тіло, що має гострі виступи. Пересвідчившись у тому, що блискавка має електричну природу, він винайшов блискавковідвід, який розсіював електричний заряд, що нагромаджувався в ґрунті під час наближення грозового фронту. Дерев’яні міста тогочасної Америки потерпали від пожеж, які спалахували від влучання блискавок, а тому його винахід був надзвичайно важливим. Ставлення суспільства до цього винаходу було неоднозначним, проте блискавковідводи з ланцюжками навіть почали облаштовувати на наймодніших жіночих капелюшках!
Рис.7 Блискавковідвід та ланцюжок на жіночому капелюшку. Електризація тіл здійснюється не тільки шляхом тертя. Носії електричного заряду на тілі спостерігаються і тоді коли інше наелектризоване тіло перебуває поблизу. Цей шлях називають електризацією наведенням або електростатичною індукцією. Цей тип електризації використовується в сучасних електростатичних машинах. Принцип цієї електризації ми розглянемо пізніше. Існує також електризація шляхом опромінення.
Сучасна людина навчилася як використовувати електризацію для практики, так і боротися з нею. У багатьох випадках електризація заважає людині. В побуті, наприклад ми потерпаємо від електричного заряду, який нагромаджується на нашому одязі. Особливо це стосується речей, виготовлених з синтетичних волокон. Прилипання до тіла, електричний розряд, який неприємно вражає при зніманні одягу або при торканні металевих предметів після того як його зняли, спонукали до винайдення речовин, які знищують електризацію – антистатиків. Це аерозолі, що утворюють на поверхні одягу тоненьку плівку, яка притягує вологу, роблячи процес електризації ускладненим. Електризація може спричинити і випадкове займання легкозаймистих речовин.
Рис.8 Антистатик Перегляньте відео 8 в додатках.
Ви бачите, як електричний розряд привів до спалахування бензину при заправці автомобіля. Особливо це небезпечно для транспорту що транспортує такі речовини. На таких рухомих об’єктах встановлюють ланцюжки, що з’єднують їх корпус з землею. До корисного застосування електризації відносять технології фарбування та очищення. Фарбування корпусів автомобілів за допомогою розпиленої наелектризованої фарби зменшує її витрату майже вдвічі в порівнянні з традиційними методами фарбування зануренням у ванну з фарбою. Використання електризації опроміненням дозволило створити метод формування зображення в сучасних засобах друку та копіювання (ксерокси, лазерні принтери).
Рис.9 Картридж лазерного принтера.
В основі цих приладів знаходиться циліндр з покриттям із селену. Ця речовина гарно електризується при дії світла. Сформувавши на його поверхні променем лазеру приховане зображення, циліндр приводять у контакт з дрібними гранулами фарби (тонера), які налипають на наелектризовані ділянки а потім переносяться на папір. Надалі гранули припікаються до паперу шляхом нагрівання (зверніть увагу, що аркуші які виходять з принтера або ксерокса теплі!) Електризація успішно використовується для очищення продуктів горіння від твердих включень. Електрофільтри, встановлені в димових трубах збирають велику кількість сажі та інших шлаків, припиняючи їх потрапляння у повітря. Таким чином ми живемо в світі наповненому електричними зарядами. Дослідженню подільності електричного заряду та вивченню його носіїв присвячено наступний розділ.
Завдання.
1. Використовуючи пошук в мережі знайдіть інформацію про причини виникнення блискавки та її перебіг. На основі знайденої інформації, спробуйте пояснити дію блискавковідвода. Яким має бути його висота в порівнянні з будинком – більшою чи меншою? 2. Розглядаючи роботу електростатичних двигунів на відео 3, спробуйте пояснити, що закладено в основу їх роботи. Що потрібно для того аби вони працювали неперервно? 3. Чому перед демонстрацією експериментів по електризації намагаються провітрити приміщення та показувати досліди у першій половині заняття?
Автор Повного уроку — Чернецький Ігор Станіславович, глава Асоціації вчителів фізики "Шлях освіти-ХХІ"
Над уроком працювали
Чернецький Ігор Станіславович
Поставить вопрос о современном образовании, выразить идею или решить назревшую проблему Вы можете на Образовательном форуме, где на международном уровне собирается образовательный совет свежей мысли и действия. Создав блог, Вы не только повысите свой статус, как компетентного преподавателя, но и сделаете весомый вклад в развитие школы будущего. Гильдия Лидеров Образования открывает двери для специалистов высшего ранга и приглашает к сотрудничеству в направлении создания лучших в мире школ.
