Электроника/Проверка знаний/Основы электричества/Статическое электричество

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Мякишев Е.А.

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Статическое электричество

Вопрос 1

Что значит для объекта иметь электрический заряд? Приведите пример объекта, который получил электрический заряд, и опишите, как этот заряженный объект может себя вести.

Ответ:

Для того, чтобы объект имел электрический заряд, у него должен быть избыток или дефицит электронов среди его атомов. Распространенным примером зарядки объектов является трение латексных шариков об шерстяную одежду или расчесывание волос пластиковой расчёской. Последствия электрической зарядки очень легко заметить!

Примечание

Этот вопрос естественным образом приводит к обсуждению атомной теории. Поощряйте своих студентов обсуждать и изучать простые модели атома, и как они объясняют электричество в терминах размещения и движения электронов.

Вопрос 2

Сколько электронов содержится в одном кулоне?

Ответ:

В одном кулоне содержится 6,25 × 10¹⁸ электронов. Как бы это выглядело без использования научной нотации? Запишите эту же цифру, используя наиболее подходящую метрическую приставку.

Примечание

Небольшой математический обзор: использование научной нотации для обозначения очень больших (или очень маленьких) чисел.

Вопрос 3

Что происходит, когда два предмета трутся друг о друга и возникает статическое электричество?

Ответ:

Когда определенные комбинации материалов трутся друг о друга, в результате трения электроны переходят от атомов одного материала к атомам другого. В результате дисбаланса электронов первый материал приобретает положительный заряд, а второй - отрицательный.

Примечание

Термины "положительный" и "отрицательный" кажутся отсталыми по отношению к современной концепции электронов как носителей заряда. Обязательно обсудите исторический аспект этой терминологии (предположение Бенджамина Франклина) и последующее обозначение индивидуального заряда электрона как "отрицательного".

Вопрос 4

Сколько электронов содержится в заряде 2 × 10^-5 кулонов? Определите ответ без использования калькулятора и выразите его в научной системе счисления!

Ответ:

В этом количестве заряда содержится примерно 1,25 × 10¹⁴ электронов.

Примечание

Одним из преимуществ использования научной нотации является то, что она позволяет нам легко выполнять умножение и деление с использованием очень больших и очень маленьких чисел.

Вопрос 5

Если положительный заряд принудительно перемещается ближе к другому положительному заряду, должна быть совершена механическая работа. Это аналогично сжатию пружины: необходимо совершить работу, чтобы вызвать движение против естественного отталкивания системы:

Эта механическая работа "хранится" в электрическом поле между зарядами и является формой потенциальной энергии. Это, опять же, похоже на механическую пружину, где работа, затраченная на сжатие пружины, "хранится" как потенциальная энергия в сжатом состоянии.

Определите напряжение с точки зрения изменения потенциальной энергии в результате этого силового движения заряда, как это сделал бы физик.

Ответ:

V_ab = (U_b - U_a)/q

Где,

• V_ab = Напряжение между точками A и B.
• U_b - U_a = Разница в потенциальной энергии между точками A и B.
• q = Количество заряда (перемещенного), в Кулонах.

Последующий вопрос: объясните, почему, если из той же точки A в ту же точку B переместить заряд вдвое большей величины (2q), то будет совершена вдвое большая работа и сохранено вдвое больше потенциальной энергии, но напряжение (потенциал) будет точно таким же, как у меньшего заряда (q).

Примечание

Если позволяет время, для учащихся будет весьма познавательно узнать, что напряжение может быть определено в простых механических терминах отталкивания и работы. Конечно, базовое знакомство с работой в научном понимании этого термина является необходимым условием для понимания этого сценария.

Вопрос 6

Однажды мой коллега по работе устанавливал листовую пенополистирольную изоляцию в стенах своего нового гаража. Листы изоляции были упакованы в пачки для удобства транспортировки и хранения.

Одна сторона каждого листа была покрыта алюминиевой фольгой. Это служило отражающей поверхностью для инфракрасного (теплового) излучения и повышало эффективность изоляционной панели. Она также оказалась проводником электричества, к большому огорчению моего друга.

Мой друг обнаружил, что листы были физически приклеены друг к другу силой статических электрических зарядов, когда их доставили к нему домой. Попытавшись оторвать два из них друг от друга, он получил удивительно сильный удар током от прикосновения к поверхностям алюминиевой фольги соответствующих панелей! Объясните, как физическая работа, которую он проделал, отделяя панели друг от друга, проявилась в виде напряжения, основываясь на ваших знаниях о напряжении, работе и электрических зарядах.

Ответ:

Напряжение определяется как работа на единицу заряда, что говорит нам о том, что физическая работа этого парня по разделению притягивающихся зарядов была преобразована в электрическое напряжение, которое ударило его током, когда величина стала достаточно большой.

Примечание

Кстати, это абсолютно правдивая история! Этот сценарий может быть легко воспроизведен в сухой (с низкой влажностью) день, с двумя большими листами пенополистирольной изоляции и смелым человеком, разнимающим их!

Вопрос 7

Молния - это впечатляющий пример статического электричества, генерируемого естественным путем. Объясните, как огромные статические электрические заряды, вызывающие молнию, образуются в результате природных процессов, и как эти процессы связаны с работой устройства, называемого генератором Ван де Граафа.

Ответ:

Статические электрические заряды, вызывающие молнию, образуются в результате действия ветра и дождя, переносящих электроны между облаками и землей или между облаками. Частицы пыли также могут переносить электроны таким же образом, что объясняет эффектные разряды молнии, часто наблюдаемые во время мощных подъемов пыли, например, во время извержения вулканов.

Аналогичным образом генератор Ван де Граафа перемещает электроны из одной точки в другую по движущейся петле ткани: своего рода конвейерная лента для электронов.

Примечание

Освещение представляет собой универсальный пример статического электричества в грандиозных масштабах. Трепетное зрелище молнии само по себе привлекает внимание, что делает его еще более подходящим для обсуждения в классе. Когда коллективное внимание и воображение учеников захватывает увлекательный предмет, обучение идет в гору!

Само собой разумеется, что наличие в лаборатории генератора Ван де Граафа является прекрасным дополнением к этой теме.

Вопрос 8

Специальный вид электрической лампы, известный как неоновая лампа, является отличным инструментом для демонстрации наличия статического электричества, и его легко приобрести в большинстве магазинов электроники:

Когда между двумя проводами неоновой лампочки прикладывается достаточно большой статический электрический заряд, неоновый газ внутри нее "ионизируется" и производит цветную вспышку света. Поэкспериментируйте с генерированием собственного статического электричества, а затем заставьте лампочку вспыхнуть. Подсказка: возможно, будет легче увидеть вспышку лампочки, если в комнате темно.

При каких условиях вспышка лампочки будет наиболее яркой? Какие материалы и методы лучше всего подходят для создания сильных статических электрических зарядов?

Ответ:

Это определенно вопрос, на который лучше всего ответить прямым экспериментом!

Примечание

Если в вашем регионе трудно достать неоновые лампы, возможно, будет хорошей идеей предоставить ученикам несколько лампочек для экспериментов, когда вы дадите им этот рабочий лист. Это довольно недорогие и долговечные маленькие устройства.

Вопрос 9

Если использовать неоновую лампочку в качестве визуального индикатора статического электричества, то можно заметить, что при разряде светится только один из двух металлических электродов внутри стеклянной оболочки. Почему так происходит? Почему не светятся оба электрода?

Ответ:

Помните, что статическое электричество - это дисбаланс электрического заряда между двумя объектами. Этот дисбаланс имеет определенную полярность: один объект является положительным, а другой - отрицательным. Это означает, что электроны устремляются в одном направлении, когда два объекта разряжаются через путь, созданный неоновым газом внутри лампы. Этот однонаправленный поток электронов заставляет светиться только один из электродов.

Примечание

Конечно, ученики захотят узнать: какой тип заряда заставляет электрод светиться, положительный или отрицательный? Не просто дайте им ответ, а предложите им придумать эксперимент, в котором они могли бы точно сказать, какой полюс заряда создает свечение. Возможно, ответ на этот вопрос придется подождать, пока они не узнают об источниках постоянного напряжения, таких как батареи, где полярность напряжения известна. Однако, даже если они еще не знают об источниках постоянного напряжения, хорошим упражнением будет предложить им представить, как можно проверить полярность неоновой лампочки (возможно, предположив источник статического заряда, полярность которого уже известна).

См.также

• Статическое электричество