Електромагнетизм
Діяльність
Електрика шляхом розтирання. Електрофор
Стародавні греки вже знали, що бурштин, натираний вовною, набуває властивість притягувати легкі тіла.
Ми всі знайомі з ефектом статичної електрики, навіть деякі люди більш сприйнятливі до її впливу, ніж інші. Деякі користувачі автомобілів відчувають його наслідки, замикаючи ключ (загострений металевий предмет) або торкаючись аркуша автомобіля.
Ми створюємо статичну електрику, коли натираємо ручку на одязі. Далі перевіряємо, чи перо притягує невеликі шматочки паперу. Те саме можна сказати, коли ми натираємо скло шовком або бурштин вовною.
Щоб пояснити, як виникає статична електрика, ми повинні врахувати, що речовина складається з атомів та атомів заряджених частинок, ядра, оточеного хмарою електронів. Зазвичай матерія нейтральна, вона має однакову кількість позитивних і негативних зарядів.
Деякі атоми легше втрачають свої електрони, ніж інші. Якщо матеріал має тенденцію втрачати частину своїх електронів при контакті з іншим, він називається більш позитивним у трибоелектричному ряді. Якщо матеріал має тенденцію захоплювати електрони при контакті з іншим матеріалом, цей матеріал є більш негативним у трибоелектричному ряді.
Ось кілька прикладів матеріалів, упорядкованих від найбільш позитивних до найбільш негативних:
Хутро кролика, скло, людське волосся, нейлон, шерсть, шовк, папір, бавовна, дерево, бурштин, поліестер, поліуретан, вініл (ПВХ), тефлон.
Шовкове затерте скло викликає поділ зарядів, оскільки обидва матеріали займають різні позиції в трибоелектричному ряді, те саме можна сказати про бурштин і скло. Коли два непровідні матеріали контактують, один з матеріалів може захоплювати електрони з іншого матеріалу. Величина заряду залежить від природи матеріалів (від їх поділу в трибоелектричному ряду) і від площі поверхні, яка контактує. Іншим фактором, що бере участь, є стан поверхонь, незалежно від того, гладкі вони або шорсткі (поверхня контакту мала). Волога або домішки на поверхнях забезпечують шлях для рекомбінації зарядів. Наявність домішок у повітрі має такий же ефект, як і вологість.
Ми помітили, що натирання ручки одягом приваблює шматочки паперу. На уроках в класі натирають різні матеріали, скло шовком, шкірою тощо. Електрифіковані кульки бузини використовують для показу двох видів зарядів та їх взаємодії.
З цих експериментів робиться висновок, що:
- Матерія містить два типи електричних зарядів, які називаються позитивними та негативними. Незаряджені предмети мають однакову кількість кожного типу заряду. Коли тіло треться, заряд передається від одного тіла до іншого, одне з тіл отримує надлишок позитивного заряду, а інше - надлишок негативного заряду. У будь-якому процесі, який відбувається в ізольованій системі, загальне чи чисте навантаження не змінюється.
- Предмети, заряджені звинуваченнями одного знака, відштовхують один одного.
- Предмети, заряджені звинуваченнями різного знаку, притягують.
Електрофор
Йоганнес Вільке винайшов електрофор, який згодом вдосконалив Алессандро Вольта. Цей пристрій був широко поширений у лабораторіях, що проводили електростатичні експерименти, оскільки він був простим у використанні джерелом заряду.
- Заряд генерується натиранням ізолюючої поверхні, наприклад, виготовленої з тефлону, який працює дуже добре, оскільки він є чудовим ізолятором і простий в очищенні та обслуговуванні. Ознака заряду залежить від характеру ізолюючої поверхні та матеріалу, який використовується для її натирання. Ми припускаємо, що негативний заряд розподіляється на поверхні ізоляційного матеріалу.
- Заряд у провіднику генерується індукцією, позитивні заряди притягуються в тій частині провідника, яка знаходиться найближче до ізолюючої поверхні, а негативні відштовхуються. Навіть якщо провідник контактує з ізолюючою поверхнею, на провідник не передається негативний заряд. В принципі, провідник може бути завантажений будь-яку кількість разів, повторюючи кроки, показані на кресленні.
- Верхня частина провідника контактує із землею, торкаючись пальцем або прямим з'єднанням із землею дротом. Негативні заряди нейтралізуються, тоді як позитивні заряди залишаються внизу провідника.
- Провідник віддаляється від ізолюючої поверхні, позитивний заряд перерозподіляється на поверхні провідника до досягнення рівноваги.
- Нарешті, провідник контактує з електроскопом, який вказує на заряд провідника.
Перед повторенням цих кроків необхідно розрядити провідник і електроскоп, поставивши їх у контакт із землею. Процедуру можна повторити без необхідності повторного натирання ізолюючої поверхні. Причина полягає в тому, що заряд тертя прив’язаний до ізолюючої поверхні, не може бути перерозподілений в ізоляторі, а також не може бути переданий провіднику. Поєднання нерухомого заряду в ізоляторі, вільного руху зарядів у провіднику та перенесення зарядів при контакті з землею робить електрофор постійним зарядним пристроєм.
Ми спостерігаємо роботу електрофору в анімації, нижче.
Натисніть кнопку з назвою Почніть щоб розпочати анімацію
Натисніть кнопку з назвою Далі, спостерігати за етапами, щоб зарядити електрофор. На останньому етапі заряд електрофору вимірюється за допомогою електроскопа, робота якого описана нижче.
Вимірювання електричного навантаження
Беремо тіло з довільним зарядом Питання і на відстані d розміщуємо вантаж що. Міряємо сили F чиниться на що. Потім розміщуємо вантаж що ? на однаковій відстані d з Питання, і ми вимірюємо силу F ? чиниться на що ?.
Якщо ми довільно призначаємо одиничне значення навантаженню що ?, ми маємо засіб отримання вантажу що.
У Міжнародній системі вимірювальних одиниць основною величиною є інтенсивність, одиницею якої є ампер або ампер, А, заряд - похідна величина, одиницею якої є кулон або кулон С.
Закон Кулона
За допомогою торсіонного балансу Кулон виявив, що сила притягання або відштовхування між двома точковими зарядами (заряджені тіла, розміри яких незначні порівняно з відстанню р що їх розділяє) обернено пропорційна квадрату відстані, яка їх розділяє.
Значення константи пропорційності залежить від одиниць, у яких вона виражена F, що, що ? Y р. У міжнародній системі вимірювальних одиниць вона становить 9 · 10 9 Нм 2/С 2 .
Зазначимо, що Закон Кулона має таку ж функціональну форму, що і Закон Всесвітнього тяжіння
Електроскоп
| Електроскоп складається з двох тонких аркушів золота або алюмінію, які закріплені на кінці металевого стрижня B, який проходить через опору C з ебоніту, бурштину або сірки. Коли куля електроскопа торкається зарядженого тіла, лопаті набувають заряду того самого знака і відштовхують одне одного, їх розбіжність є мірою величини заряду, який він отримав. Електростатична сила відштовхування врівноважується вагою лопатей. |
Якщо застосовується різниця потенціалів між кулею С та кульковою коробкою, аркуші також відокремлюються. Електроскоп можна відкалібрувати, намалювавши криву, яка дає нам різницю потенціалів як функцію кута розбіжності.
Спрощена модель електроскопа складається з двох невеликих сфер маси м заряджається рівними зарядами що і того самого знака, що висить довжиною дві струни d, як показано на малюнку. За мірою кута q, який куля утворює з вертикаллю, розраховується його навантаження що.
На рахунку
Тсен q = F
Тcos q = мг
- Відомий кут θ визначити навантаження що
Поділивши перше рівняння на друге, ми усуваємо напруження Т і ми отримуємо
F=мг·томуθ
Вимірювання кута θ ми отримуємо силу відштовхування F між двома зарядженими сферами
Відповідно до закону Кулона
Розраховуємо значення навантаження що, якщо довжина відома d нитки, яка утримує заряджені кулі.
- Відомо навантаження що визначити кут θ
Вилучено Т В рівняннях рівноваги отримуємо рівняння
Навантаження що знаходиться в м С і маса м кулі в г.
Виражаючи косинус як функцію синуса, ми приходимо до наступного кубічного рівняння
Інтерактивна програма обчислює корені кубічного рівняння
На малюнку показано поведінку електроскопа для кожного навантаження що в мкС маємо кут відхилення θ в градусах, дроту по відношенню до вертикалі. Якщо вимірюється кут θ на вертикальній осі отримуємо навантаження що на горизонтальній осі.
Діяльність
Інтерактивна програма випадково генерує навантаження що вимірюється в м С, кожен раз, коли кнопка має назву Новий.
За мірою кута відхилення q на градуйованій кутовій шкалі слід розрахувати навантаження що кулі, вирішивши два рівняння рівноваги.
- Значення маси м в грамах кульки, що діє на смужку прокрутки з назвою Маса.
- Довжина нитки фіксована d= 50 см.
Приклад:
Нехай маса м= 50г = 0,05кг, довжина нитки d= 50 см = 0,5 м. Виміряний кут, зроблений нитками з вертикаллю q = 22є, визначають навантаження що кульок.
Поділ між зарядами є х= 2 0,5 гріха (22є) = 0,375 м
Сила F відштовхування між зарядами варто
З рівнянь рівноваги
Тsen22є= F
Тcos22є=0,05 9,8
ми усуваємо Т і очистити навантаження що, ви отримуєте 1,76 · 10 -6 С і 1,76 м С.
Натискання кнопки з назвою Графік Ми бачимо, що кут 22 де на вертикальній осі відповідає навантаженню приблизно 1,8 м С на горизонтальній осі.
Перевірка закону Кулона
У попередньому розділі для визначення заряду був використаний закон Кулона що маленької сфери. У цьому розділі пропонується експеримент для перевірки закону Кулона.
Будьте r1 розділення рівноваги між двома невеликими рівними сферами, зарядженими однаковим зарядом що. Сила F1 відштовхування нормально, згідно із законом Кулона.
З умов рівноваги, вивчених у розділі, що описує електроскоп,
встановлюється залежність між вагою кулі мг і сила відштовхування, F1 = мг·томуθ1
Якщо ми розрядимо одну з двох сфер, а потім зв’яжемо їх із зарядженою сферою що. Кожна з малих сфер отримала заряд q /2. Сфери відштовхуються одна від одної, в рівновазі їх поділ буде меншим r2.
З умов рівноваги ми маємо, F2 = мг·томуθ2
Розділивши перший вираз на другий, ми приходимо до наступного співвідношення
Вимірювання кутів θ1 Y θ2 і розриви між зарядами r1 Y r2 ми можемо перевірити закон Кулона.
Кути θ важко виміряти, тому якщо довжина ниток d утримувані малими сферами довгі, так що кути відхилення малі, ми можемо зробити наступне наближення
Зв'язок між кутами та зазорами перетворюється на значно простіший.
Таким чином, вимірюючи лише зазори r1 Y r2 між зарядами, у двох ситуаціях, показаних на малюнку, ми можемо перевірити, що закон Кулона виконується.