Электростатика. Основные опыты (стр. 3 )

Кроме этого, чем больше будет электрическая ёмкость конденсатора, тем лучше будут проявляться эффекты электризации. Ёмкость, указанная на корпусе конденсатора 0,05 мкФ мала. Желательно иметь конденсаторы ёмкостью в несколько микроФарад.

Рис. 7

Внутри конденсаторы имеют две обкладки из фольгированного алюминия (станиоли), между которыми уложен изолятор из пропитанной парафином бумаги. Фольга и бумага вместе сложены дважды и плотно свёрнуты в рулон. От каждой из обкладок имеется металлический вывод наружу из конденсатора. Для электрической прочности внутри конденсатора залито специальное масло, а его корпус герметично запаян. Внутреннее устройство такого конденсатора показано на Рис.8.

Рис. 8

Для целей наших опытов будет необходимо иметь схематическое представление об устройстве конденсатора, которое показано на Рис.9. В корпусе конденсатора расположены две обкладки. Несмотря на то, что на самом деле обкладки масляного  конденсатора выполнены длиннее и из очень тонкой фольги, сами заряды ещё меньше, поэтому процессы в конденсаторе протекают так, как показано ниже.

Рис. 9

Поднесём к одному из выводов конденсатора положительно заряженную палочку, не касаясь его. При этом заряды в соответствующей обкладке разделятся, в результате чего обкладка конденсатора станет вертикально поляризованной, как это показано на Рис.10. Другая обкладка по принципу комплементарности станет поляризованной, но инверсно.

  Рис. 10

Если теперь коснуться заряженной стеклянной палочкой клеммы конденсатора, то результат будет зависит от относительной ёмкости палочки и конденсатора. Для удобства будем считать, что С1 гораздо больше С2. Если обозначить электрическую ёмкость палочки через С1, а ёмкость обкладки конденсатора через С2, то можно записать: С1С2. Это означает, что изменения будут больше заметны там, где будет меньше ёмкость физического тела.

Так как ёмкость палочки больше, а ёмкость обкладок конденсатора меньше, то с левой обкладки конденсатора на стеклянную палочку переместятся отрицательные заряды, компенсируя часть положительных зарядов стеклянной палочки, пока не наступит равновесие. Поэтому электрический заряд палочки несколько снизится, но останется положительным, как это показано на Рис.11,б.

Когда мы удалим от конденсатора наэлектризованную палочку, заряд левой обкладки конденсатора останется тем же, а правая обкладка останется нейтрально заряженной, как это показано на Рис.11,в.

Снимать видеоматериал по теме заряда обкладок конденсатора я не стал, а дальнейшие опыты здесь приведены для завершения изложения теоретического материала. В предыдущих видеофрагментах показаны основные приёмы электризации тел, поэтому каждый желающий сможет провести их самостоятельно, что принесёт немалую пользу в формировании личного мировоззрения исследователя.

Опыт №5. Зарядка конденсатора касанием заряженной палочки.

Рис. 11,а 

 

  Рис. 11,б  Рис. 11,в

На Рис.11(а, б,в) наглядно показаны этапы зарядки. Интересно, что в конечном итоге, хотя левая обкладка оказалась положительно заряженной, но правая обкладка конденсатора осталась нейтральной, хотя и поляризованной в поперечном направлении.

Обратите внимание, что мы, хоть и пользуемся условным изображением зарядов, тем не менее, смогли правильно и наглядно показать процессы, происходящие при электризации тел, их поляризации и передаче заряда.

Теперь пора сделать два важных вывода, на которые обычно не обращают внимания. При электризации конденсатора методом индукции мы получили два вида поляризации обкладок конденсатора – продольную поляризацию обкладок и поперечную. На первый взгляд это ничего не значащая деталь, но это позволит нам в будущем правильно понимать и моделировать процессы, происходящие процессы в телах при электризации. Отметим отдельно для себя два вида поляризации.

Опыт №6. Продольная поляризация.

Продольная поляризация возникла в левой обкладке конденсатора при поднесении к её выводу наэлектризованной палочки, что показано на Рис.13. В ответ на правой обкладке заряды распределились по принципу комплементарности.

Рис. 12

Опыт №7. Поперечная поляризация.

Явление поперечной электризации показано на Рис.15 в левой обкладке конденсатора.

Рис. 13

Опыт №8. Замыкание выводов конденсатора, у которого заряжены две обкладки.

   

Рис.14,а  Рис.14,б

Опыт №9. Поведение конденсатора при касании его заземлённым проводником. 

Теперь посмотрим, что будет, если за исходную позицию мы возьмём ситуацию на Рис.12, но теперь заземлим левый вывод конденсатора.

   

Рис. 15,а  Рис. 15,б

Покажем, что в заземление перетечёт условно четыре положительных заряда, пока не установится равновесие зарядов в правой обкладке (так как мы не знаем реальное соотношение ёмкостей тел – обкладки конденсатора и заряженной палочки). В правой обкладке заряды так же немного перераспределятся по принципу комплементарности, но общее их число останется неизменным. Уберём наэлектризованную палочку и на Рис.16 посмотрим результат.

Рис.16

На Рис.16 видно, что на левой обкладке общее число зарядов не изменилось, а на правой обкладке оно уменьшилось на 4 положительных заряда. Правило таково, что если на обкладке число положительных зарядов равно числу отрицательных зарядов, то можно считать, что обкладка конденсатора нейтральна и все скомпенсированные (парные) заряды можно не показывать, а показать только некомпенсированные (непарные) заряды, то есть те, которые остались после касания вывода заземлением. Но хотя правая обкладка конденсатора осталась нейтральной, всё равно я показал на ней заряды только для того, чтобы показать явление поперечной поляризации на этой обкладке, которое реально существует.

– Это, кажется невозможным, но левая обкладка конденсатора в целом осталась нейтральной, хотя она и оказалось продольно поляризованной. Почему? – Потому, что обкладка может быть поляризованной поперёк длины, что позволяет перераспределиться зарядам и образовать комплементарные пары в двух обкладках конденсатора. Значит, в нашем случае мы должны обнаружить у конденсатора избыточный заряд! – Да, это так. Если корпус конденсатора металлический, то теперь он должен быть поперечно поляризован по отношению к его внутренней заряженной обкладке, а если же корпус сделан из пластмассы, то мы будем иметь дело с обычным электретом (на рисунке это не показано).

Рис.17

Вот так, учитывая особенности заряженных тел, соблюдая простые правила, можно разбирать любые явления, связанные с электростатическими зарядами и поляризацией физических тел.

Опыт №10. Полная зарядка конденсатора.

Исходная позиция для зарядки конденсатора – позиция, показанная на Рис.18. После касания одного вывода конденсатора заряженной стеклянной палочкой, откладываем её в сторону и касаемся заземлённым проводником к правому выводу конденсатора. После этого на каждом из  выводов конденсатора будут сосредоточены разноимённые заряды, как это показано на Рис.18,в.

 

  Рис.18,а  Рис.18,б  Рис.18,в

Опыт №11. Передача заряда от одного тела к другому.

Осталось рассмотреть несколько важных вариантов электризации и передачи зарядов, которые всегда надо знать и учитывать в своей практической деятельности.

Первый вариант касается передачи заряда от одного тела к другому. Обычно, когда мы желаем сообщить незаряженному телу пробный заряд, результат этого всегда будет зависеть от соотношения электрических ёмкостей этих тел. Но в любом случае, какова бы ни была разница в ёмкости пробного заряда и физического тела, нам никогда не удастся полностью передать весь заряд от одного физического тела к другому.

Так, если мы сообщим небольшому шару заряд и поднесём его к нейтральному большому шару, не касаясь его.

Рис.19,а  Рис.19,б  Рис.19,в

Рис. 19,г Результат взаимодействия

На Рис.19,б видно, что заряд между малым и большим шаром распределится пропорционально их уединённой ёмкости, но в любом случае останутся заряженными оба тела.

Опыт №12. Полная передача заряда от одного тела к другому.

Рассмотрим ситуацию, когда всё же возможно передать стакану весь заряд. На Рис. 20 изображена обычная ситуация – нейтральный металлический стакан. Но когда мы внесём внутрь его металлический положительно заряженный шарик, укреплённый на изоляционной ручке, имеющий условный заряд 16, то в стенках стакана происходит поляризация электрических зарядов как это показано на Рис.20,б, но в целом стакан останется нейтральным, пока мы не коснёмся шариком внутри стакана.

 

Рис.20,а  Рис.20,б  Рис.20,в

Но после того, как мы коснёмся заряженным шариком изнутри стенки стакана (Рис.20,в), шарик мгновенно становится электрически нейтральным, а сам стакан станет заряженным на 16, а шарик станет нейтральным. При этом заряд равномерно растечётся по внешней поверхности стакана, в внутри его электростатического заряда не будет в любом случае. На подобном явлении основано устройство «клетки Фарадея». Только этим способом мы сможем полностью передавать весь заряд от заряженного тела к незаряженному.

При построении различного рода устройств, работающих на статическом электричестве это необходимо знать и использовать в целях эффективной работы устройств.

На этом разговор о важных эффектах электростатики можно закончить. Здесь мы не касались таких понятий как электрический потенциал, силовые взаимодействия зарядов, диэлектрические свойства физических тел, физического вакуума, так как, не имея представлений об их физической сути бессмысленно считать законченной теорию электричества. В следующих работах мы поговорим уже об эффектах электродинамики.

Важно отметить что электростатика (статика на греческом языке уфбфьт означает неподвижный). Электростатика изучает:

1) взаимодействие неподвижных в пространстве физических тел, имеющих постоянные не скомпенсированные электрические заряды;

2) взаимодействие неподвижных в пространстве физических тел, имеющих не скомпенсированные электрические заряды, величина которых или знак изменяются крайне медленно, не порождая сложных переходных эффектов;

3) и многое другое.

В отличие от этого электродинамика (динамика на греческом языке дэнбмйт означает сила, мощь) имеет дело с процессами, вызванными быстрым изменением величины или знака заряда. Иногда изучаются процессы, связанные с быстрым изменением электрической ёмкости физических тел при постоянной величине заряда, например, при изучении процессов параметрического резонанса. Электродинамика изучает:

1) взаимодействие неподвижных физических тел, у которых не скомпенсированные заряды изменяется по величине и по знаку;

2) взаимодействие движущихся физических тел, у которых не скомпенсированные заряды изменяется по величине или по знаку;

3) взаимодействие неподвижных в пространстве физических тел, электрическая ёмкость меняется во времени, но которые имеют постоянный электрический заряд;

4) взаимодействие движущихся физических тел, электрическая ёмкость меняется во времени, но которые имеют переменный во времени электрический заряд;

5) и многое другое.

Тем, кто занят построением БТГ, должны стремиться изучать электродинамику.

В этом ролике за «бортом» осталось много ещё много интересных опытов. Нашей задачей было научиться разбирать и моделировать процессы, происходящие при электризации тел. Может быть, в будущем я ещё вернусь к этой теме, если будет что сказать интересного. Применяя предложенные здесь приёмы, каждый может самостоятельно смоделировать любой нужный ему процесс и затем реализовать его в «железе».

17.09.2017 г.