19. Досліджуємо електричне поле - Засєкіна

• Назад до змісту

1. Переконайся, що навколо заряджених тіл існує електричне поле. Роздивись світлини (мал. 19.1). Не виключно, що й з тобою відбувалися подібні явища. Як думаєш, чому волосся стирчить саме так?

Це явище пояснюється взаємодією електричних зарядів. Коли дитина торкається зарядженої кулі (генератора Ван де Граафа), її тіло та волосся отримують електричний заряд одного знака (наприклад, позитивний).

Оскільки однойменно заряджені тіла відштовхуються, кожна волосина намагається відштовхнутися від сусідньої та від голови. Сила електричного відштовхування переважає силу тяжіння для легкого волосся, тому воно піднімається і “стирчить”, вишиковуючись уздовж силових ліній електричного поля.

2. У шкільному кабінеті фізики є «султанчики», або прилад для демон страції електричних полів, за допомогою якого можна «побачити» електричне поле (мал. 19.2). Переконайся в цьому самостійно.

«Султанчики» — це прилад, що складається з легких паперових смужок, закріплених на стержні.

Принцип дії та демонстрація поля:

1. Якщо до металевого стержня султанчика доторкнутися зарядженим тілом (наприклад, скляною паличкою, потертою об шовк), заряд передасться смужкам паперу.
2. Усі смужки отримають заряд одного знака.
3. Внаслідок електричного відштовхування однойменних зарядів смужки розійдуться в різні боки.
4. Напрямок смужок візуалізує розташування силових ліній електричного поля навколо заряду. Чим сильніше розходяться смужки, тим більший заряд і сильніше поле.

Які висновки зробиш з досліду (мал. 19.3)? На штативі висить позитивно заряджена кулька, якщо наближати негативно заряджену пластину, кулька відхиляється в бік пластини.

З цього досліду можна зробити такі висновки:

1. Навколо заряджених тіл (у даному випадку — зарядженої пластини) існує електричне поле.
2. Електричне поле діє з певною силою на інше заряджене тіло, що перебуває в цьому полі (позитивно заряджену кульку). Ця сила називається електричною силою або силою Кулона.
3. Оскільки кулька (позитивний заряд) відхиляється в бік пластини (негативний заряд), це підтверджує, що різнойменно заряджені тіла притягуються.
4. Взаємодія відбувається на відстані, без безпосереднього контакту тіл, через електричне поле.

Думай

1. Яким чином можна довести реальність існування електричного поля?

Реальність існування електричного поля можна довести на підставі його силової дії на будь-яке заряджене тіло, що міститься в цьому полі. Хоча органи чуття людини не сприймають електричне поле безпосередньо, ми можемо спостерігати, як воно притягує або відштовхує внесені в нього електричні заряди (наприклад, відхилення стрілки електрометра, рух гільзи, підвішеної на нитці, або підняття волосся).

2. Як змінюється дія електричного поля в разі віддалення від електричного заряду, який його створює?

Дія електричного поля слабшає зі збільшенням відстані від джерела поля (електричного заряду). Тобто, на заряджені тіла, що перебувають поблизу джерела, поле діє з більшою силою, ніж на тіла, що знаходяться на більшій відстані.

3. Установи відповідність між зображенням електричного поля (А–Г) та зарядами тіл, що його утворюють (1–5).

А — 4 (Позитивний заряд):

На малюнку зображено один заряд. Стрілки на силових лініях спрямовані від заряду назовні. Це вказує на те, що заряд позитивний (+).

Б — 1 (Негативний заряд):

На малюнку один заряд, але стрілки спрямовані до центру заряду. Це ознака негативного заряду (-).

В — 2 (Позитивний і негативний заряди):

Ми бачимо два заряди, між якими силові лінії з’єднуються (картина притягання). З лівого заряду стрілки виходять (отже, він +). У правий заряд стрілки входять (отже, він ). Це система з двох різнойменних зарядів.

Г — 5 (Два позитивні заряди):

Лінії між зарядами викривляються і не перетинаються, що свідчить про відштовхування. На обох зарядах стрілки спрямовані від центрів назовні. Це означає, що обидва заряди є позитивними (+ і +).

4. Яким зарядом заряджено електроскоп? Пунктиром показано початкове положення смужок. (На малюнку до електроскопа підносять заряджену паличку з позначками «xxx», і смужки відхиляються ще сильніше від початкового положення).

Електроскоп (його листочки) заряджений позитивно.

Пояснення:

1. Зовнішнє тіло: До кулі електроскопа піднесена паличка з позитивним зарядом (на ній зображені знаки +).
2. Початковий стан: Пунктирні лінії розташовані вертикально (смужки опущені). Це означає, що спочатку електроскоп був нейтральним (незарядженим).
3. Явище: Коли до нейтрального електроскопа підносять заряджене тіло (не торкаючись його), відбувається електростатична індукція (розподіл зарядів ).
   • Позитивна паличка притягує до себе вільні електрони (негативний заряд) з усього електроскопа.
   • Електрони збираються нагорі — на кулі (ближче до палички).
   • Внизу, на смужках (листочках), виникає нестача електронів. Отже, смужки набувають позитивного заряду (+).
4. Результат: Оскільки однойменні заряди відштовхуються, позитивно заряджені смужки розходяться в боки (суцільні лінії).

Висновок: Хоча загальний заряд електроскопа залишається рівним нулю (він нейтральний), його смужки наразі мають позитивний заряд.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

Поясни, у який спосіб можна зменшити вплив електричного поля на організм людини (людина постійно перебуває в електростатичному полі Землі). З додаткових джерел дізнайся більше про аеройонізатори.

Вплив електростатичних полів (зокрема, накопичення статичної електрики на тілі та одязі) можна зменшити такими способами:

1. Підвищення вологості повітря: Сухе повітря є гарним діелектриком, що сприяє накопиченню зарядів. Використання зволожувачів або вологе прибирання робить повітря більш провідним, дозволяючи зарядам «стікати» з тіла.
2. Використання антистатиків та натуральних тканин: Синтетичний одяг сильно електризується при терті. Одяг з натуральних волокон (бавовна, льон) зменшує цей ефект. Також поверхні можна обробляти спеціальними аерозолями-антистатиками.
3. Заземлення: Використання спеціальних заземлюючих браслетів (на виробництві) або періодичний дотик до заземлених металевих предметів дозволяє зняти накопичений заряд.

Аеройонізатори — це прилади, які штучно насичують повітря легкими аеройонами (зазвичай негативно зарядженими). Принцип дії: У приміщеннях, де працює багато техніки, накопичуються позитивні йони та позитивно заряджений пил, що негативно впливає на самопочуття (викликає втому, головний біль). Аеройонізатор створює потік негативних йонів, які нейтралізують позитивні заряди в повітрі та на предметах, а також змушують пил осідати, очищуючи повітря. Це наближає склад повітря до природного (як у лісі або після грози).

2. Дізнайся, як виміряли елементарний електричний заряд електрона.

Елементарний електричний заряд був виміряний американським фізиком Робертом Міллікеном у серії класичних дослідів, проведених у 1909–1913 роках. Цей експеримент відомий як «дослід Міллікена» або «дослід з олійними краплями».

Суть досліду полягала в наступному:

1. Між двома горизонтальними металевими пластинами розпилювали дрібні краплі олії.
2. Під час розпилення або за допомогою рентгенівського випромінювання краплі набували електричного заряду (іонізувалися).
3. Між пластинами створювали однорідне електричне поле. На заряджену краплю діяли дві основні сили: сила тяжіння, спрямована вниз, і електрична сила, яка могла бути спрямована вгору (залежно від полярності пластин).
4. Регулюючи напругу на пластинах, Міллікен домагався того, щоб електрична сила зрівноважувала силу тяжіння, і крапля зависала нерухомо. У стані рівноваги виконувалася умова: $m \cdot g = q \cdot E$
5. Вимірюючи швидкість падіння краплі без поля (для визначення маси з урахуванням опору повітря) та напруженість поля, він обчислював заряд краплі q

Провівши тисячі вимірювань, Міллікен виявив, що заряд будь-якої краплі завжди є цілим кратним деякого найменшого значення e:

Це найменше значення і є елементарним зарядом (зарядом електрона). Його сучасне значення: