Физика (стр. 4 )

2.3. Электричество и магнетизм

Опыт № 1. Возникновение разноименных зарядов при электризации трением.

Оборудование: диэлектрический диск на ручке – 2 шт., электроскоп – 2 шт.

При электризации трением на одном из тел возникает положительное, на другом – отрицательное электричество в том же количестве. Для демонстрации этого явления берут два диска диаметром 40–50 мм, укрепленных на эбонитовых ручках. Один диск эбонитовый, другой сделан из любого диэлектрика и оклеен сукном или мехом. Берут два электроскопа и на каждом из них укрепляют цилиндр Фарадея. Потерев диски друг о друга, вносят их в цилиндры, при этом листочки электроскопов расходятся на одинаковый угол, что демонстрирует равенство количеств электричества на обоих дисках. Приведя в соприкосновение оба электроскопа, нейтрализуют заряды, что демонстрирует их разноименность и равенство количеств электричества.

Опыт № 2. Электрическое поле. Силовые линии.

Оборудование: «султан» – 2 шт., электростатическая машина.

Демонстрация силовых линий электрического поля основана на том, что диэлектрики с диэлектрической проницаемостью, большей, чем диэлектрическая проницаемость окружающей среды, или обладающие малой проводимостью, взятые в виде небольших частиц или легких полосок располагаются в электрическом поле вдоль силовых линий.

Простейший опыт осуществляется при помощи двух «султанов». «Султаны» состоят из нескольких десятков тонких полосок цветной папиросной бумаги, укрепленных на металлическом стержне, вставленном в изолирующий штатив. Сначала берут один «султан» и присоединяют его проволокой к одному из полюсов электростатической машины: бумажные полоски «султана» расположатся радиально, демонстрируя картину поля одиночного заряда. Затем к полюсу машины подсоединяют два «султана», демонстрируя поле двух одноименных зарядов. Подсоединив, наконец, проволокой первый «султан» к одному полюсу электростатической машины, а второй к другому, наблюдают, как бумажные полоски разных «султанов», притягиваясь друг к другу, в то же время остаются на некотором расстоянии от соседних полосок. Сначала «султаны» устанавливают достаточно далеко друг от друга, не ближе 1 м. При этом полоски каждого «султана» располагаются приблизительно радиально. Постепенно сближая «султаны», наблюдают искривление полосок и возникновение притяжения между ними.

Опыт № 3. Электроемкость тел.

Оборудование: цилиндр Фарадея, лейденская банка, металлические шары – 2 шт., «султан» – 2 шт.

Для демонстрации различия емкости двух шаров разных диаметров берут цилиндр Фарадея достаточно больших размеров, соединенный с электроскопом. В качестве такого цилиндра можно взять металлическое неэмалированное ведро. Далее заряжают от электростатической машины лейденскую банку, а от нее – одновременно два металлических шара разных диаметров, например, 5 и 25 см. Прикоснувшись сначала одним, а затем другим шаром к внутренней поверхности цилиндра Фарадея стрелки электроскопа, получают различные отклонения, что указывает на различную электроемкость шаров.

При демонстрации этого опыта можно вместо цилиндра применить «султан». Большой и малый шары заряжают одновременно от лейденской банки, прикасаются меньшим шаром к «султану»: его полоски расходятся немного. Разрядив «султан» рукой, прикасаются к нему большим шаром: полоски расходятся значительно сильнее.

Опыт № 4. Температурная зависимость сопротивления.

Для металлических проводников температурную зависимость сопротивления можно продемонстрировать следующим образом. Берут железную проволоку диаметром 0.3–0.5 мм длиной около 0.5 м, свернутую в спираль и укрепленную на специальном держателе (рис. 1).

Включив проволоку в цепь, подбирают такую силу тока, чтобы стрелка амперметра отклонялась на половину шкалы. Подбор силы тока осуществляют изменением числа аккумуляторов, питающих цепь, и длины самой проволоки. Вводить в цепь реостаты не следует, т. к. при нагревании должна изменяться как можно большая часть сопротивления цепи, т. е. сопротивление проволоки должно составлять примерно 90% всего сопротивления цепи.

Рис. 1

Далее нагревают спираль в пламени спиртовки: сопротивление железа увеличивается и отклонение стрелки амперметра уменьшается. Затем спираль погружают в дьюаровский сосуд с жидким азотом: сопротивление металла уменьшается и стрелка амперметра отклоняется значительно больше. (При отсутствии жидкого азота можно обойтись льдом.)

Опыт № 5. Изменение сопротивления полупроводников при нагревании и охлаждении.

Оборудование: термосопротивление любое (например, ММТ-4), гальванометр демонстрационный, батарея аккумуляторов, выключатель демонстрационный, спиртовка, провода соединительные, стакан с тающим снегом или льдом.

Закрепить термосопротивление 1 (рис. 2) на подставке 2 и включить в электрическую цепь последовательно с демонстрационным гальванометром 4, батареей аккумуляторов 3 (напряжением около 4 В) и демонстрационным выключателем 5.

Рис. 2

При замыкании цепи гальванометр отмечает небольшой ток: стрелка гальванометра отклоняется примерно на два деления шкалы «0–10». Величина этого тока зависит (по закону Ома) от напряжения источника тока и начального, так называемого холодного сопротивления термистора, т. е. его сопротивления при комнатной температуре.

После этого термосопротивление медленно нагревают над пламенем спиртовки 6 (пламя не должно касаться прибора) и наблюдают постепенное увеличение тока. Когда стрелка будет подходить к последним делениям шкалы, нагревание необходимо прекратить.

Далее показывают обратный процесс – охлаждение термосопротивления: снимают термосопротивление с подставки и погружают в стакан с тающим снегом или льдом. Стрелка гальванометра быстро перемещается в обратную сторону и через некоторое время останавливается почти у нуля шкалы.

Опыт № 6. Термоэлектричество.

Простейшая демонстрация заключается в том, что одна пара концов двух проволок, например железной и медной, или медной и константановой, или железной и константановой, диаметром около 1 мм скручивается (лучше – сваривается), а другая пара концов подсоединяется к клеммам демонстрационного гальванометра. Когда контакт двух проволок подогревают на спичке, стрелка гальванометра отклоняется. При охлаждении контакта льдом стрелка отклоняется в другую сторону.

Опыт № 7. Отклонение током магнитной стрелки.

Оборудование: источник тока, проволока, магнитная стрелка, выключатель.

Полюсы источника тока (достаточно одного элемента) соединяют длинной проволокой и замыкают цепь. Часть этой проволоки подносят к установившейся магнитной стрелке, держа проволоку параллельно стрелке (рис. 3).

Рис. 3

Далее замечают, в какую сторону отклоняется северный полюс; размыкают цепь; изменяют направление тока, повернув проволоку в горизонтальной плоскости на 180º; замыкают цепь; замечают новое отклонение северного полюса; размыкают цепь. Подобным же образом показывают отклонение северного полюса, когда часть проволоки расположена наклонно или вертикально перед одним из концов стрелки, а также отсутствие отклонения, когда проволока расположена над или около середины стрелки, перпендикулярно к ней.

Опыт № 8. Магнитное поле соленоида.

Оборудование: спирально изогнутый проводник, источник тока, соединительная проволока, железные опилки, магнитная стрелка.

Для исследования формы силовых линий магнитного поля соленоида изготавливают следующий прибор. Из листа тонкой фанеры выпиливают прямоугольник (рис. 4) длиной 15–20 см и шириной 6–7 см; с одной стороны обклеивают его белой бумагой, с другой стороны по углам приделывают ножки высотой 3–4 см.

Рис. 4

Затем вытачивают деревянный цилиндр и распиливают его на два равных полуцилиндра; размеры цилиндра должны быть таковы, чтобы один полуцилиндр свободно помещался с одной стороны пластинки, другой – с другой. Положив один полуцилиндр посередине стороны, обклеенной бумагой, очерчивают карандашом по двум образующим и, сняв полуцилиндр, проделывают по полученным линиям ряд отверстий на расстоянии 0.5–0.7 см друг от друга такого диаметра, чтобы через них могла проходить медная проволока в лаковой изоляции. Наложив теперь оба полуцилиндра с обеих сторон пластинки, начинают обматывать цилиндр проволокой, пропуская ее в проделанные отверстия.

Наматывать проволоку следует туго, но не настолько, чтобы она врезалась в поверхность цилиндра. Концы проволоки подводят по низу прибора к короткой стороне его; вновь выводят на другую сторону и подсоединяют к клеммам. Далее выдвигают из-под обмотки оба полуцилиндра.

Приготовленный таким образом спиралевидный проводник включают в цепь одного-двух аккумуляторов, посыпают сверху железными опилками и пропускают ток, слегка постукивая пальцем по деревянной пластинке соленоида. Железные опилки располагаются главным образом внутри соленоида вдоль силовых линий, обнаруживая там форму магнитного поля. Для определения направления силовых линий необходимо воспользоваться магнитной стрелкой и при ее помощи определить полярность концов соленоида.

Опыт № 9. Действие магнитного поля на ток.

На небольшом штативе на подвесах из гибкой проволоки длиной 25–30 см горизонтально подвешен проводник длиной 10–12 см и диаметром 3–5 мм, окрашенный в яркий цвет (рис. 5). Этот проводник помещен между полюсами подковообразного постоянного магнита.

Рис. 5

При пропускании тока по проводнику он либо втягивается в пространство между полюсами магнита, либо выталкивается из него. Силу тока в проводнике необходимо подобрать такой, чтобы угол отклонения подвесов составлял 25–30º. Подвесы следует снабдить наклейками из цветной бумаги, иначе их движение мало заметно для аудитории.