Работа ученицы 11 класса "Электронный электроскоп и опыты с ним"

"ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭЛЕКТРОСКОП

И ОПЫТЫ С НИМ"

	Работу выполнила ученица 11 Б класса МОУ "Лицей № 3" г. Саров
	Мурзина Александра Андреевна
	Руководитель работ: Маначинская Людмила Александровна учитель физики высшей категории МОУ "Лицей № 3"
	Консультант: Яшкин Виктор Васильевич начальник научно-исследовательского сектора

г. Саров

2007г.

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Проработка и изготовление электронного электроскопа.

1. Проведение традиционных и нестандартных опытов с электронным электроскопом.

ПЛАН РАБОТЫ

I	Назначение и устройство электронного электроскопа
II	Проведение известных и нетрадиционных опытов с электронным электроскопом
	ОПЫТ 1. Оценка чувствительности приборов
	ОПЫТ 2. Определение знака заряда различных тел, наэлектризованных трением
	ОПЫТ 3. Электризация тел при их освещении
	ОПЫТ 4. Электростатическое влияние в проводниках
	ОПЫТ 5. Электростатическое экранирование
	ОПЫТ 6. Электризация человеческого тела
	ОПЫТ 7. Исследование электрического поля бесконечной заряженной металлической плоскости
	ОПЫТ 8. Электронный ветер
	ОПЫТ 9. Исследование поля плоского конденсатора
	ОПЫТ 10. Оценка диэлектрической проницаемости диэлектриков
	ОПЫТ 11. Несколько классических доказательств
	ОПЫТ 12. Опыт с неоновой трубкой
III	Опыты с заряженными мыльными пузырями
	ОПЫТ 1. Мыльный пузырь в электрическом поле
	ОПЫТ 2. Заряженный мыльный пузырь
	ГРАДУИРОВКА ШКАЛЫ ЭЛЕКТРОСКОПА В КУЛОНАХ
	ОЦЕНКА ЗАРЯДА НАЭЛЕКТРИЗОВАННЫХ ТЕЛ
IV	Выводы по работе

I. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО ЭЛЕКТРОСКОПА

При проведении демонстраций в школьном курсе электростатики используется типовой электроскоп, который позволяет во время проведения опыта обнаруживать электрические поля, характеризующиеся величиной и знаком заряда.

Эффективность демонстрационных опытов по электростатике во многом зависит от интенсивности создаваемого электрического поля. По отклонению лепестков электроскопа судят об электрическом поле. При экспериментировании с незначительными электрическими зарядами чувствительности указанного прибора недостаточно, он также не позволяет мгновенно определить знак заряда, создающего электрическое поле.

Моя учительница физики, Маначинская Людмила Александровна, рассказала об электронном электроскопе, который позволяет избавиться от упомянутых недостатков школьного электроскопа, а также расширяет экспериментальные возможности.

На первом этапе работы была рассмотрена схема (см. рисунок 1) и изготовлен электронный электроскоп со световой индикацией, который безошибочно определяет знак заряда и позволяет расширить возможности эксперимента.

Рисунок 1 – Схема электронного электроскопа со световой индикацией

В получившемся приборе определение наличия и знака заряда осуществлялось разноцветными светодиодами.

Однако, после проведения ряда опытов стало ясно, что информативность данного прибора недостаточна. Электронный электроскоп со световой индикацией позволял определить только наличие и знак заряда: "положительный" или "отрицательный". Чувствительность прибора была низкой.

Было принято решение увеличить чувствительность прибора и заменить светодиоды стрелочным индикатором. Был изготовлен прибор по схеме, приведенной на рисунке 2:

Рисунок 2 – Схема электронного электроскопа со стрелочным индикатором

Основная идея приборов одинакова: в качестве чувствительного элемента (см. рисунок 3) к постоянному электрическому полю использован полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом, включенный в мост постоянного тока.

Рисунок 3 – Чувствительный элемент электронного электроскопа

Особенностью транзистора является то, что сопротивление канала зависит от действия электрических полей на затвор.

Если поднести такой чувствительный элемент к заряженному телу, то произойдет разбалансировка моста, плечами которого являются канал транзистора КП305Б и резисторы R1, R2, R3. Переменный резистор R1 служит для балансировки моста.

При изготовлении прибора была использована более современная элементная база (вместо транзисторов МП37 и МП41 (k_{усиления}=10…50) была применена микросхема AD822N (k_{усиления}=1млн), в схему включен переменный резистор (150к), позволяющий регулировать чувствительность прибора, вместо двух источников напряжения, использован один, но при этом, в схему включен конденсатор 4,7мкф, который убирает помехи и обеспечивает устойчивую работу моста постоянного тока).

Прибор из порогового превратился в аналоговый. Схемы порогового и аналогового сигналов приведены на рисунках 4, 5.

В аналоговом приборе ликвидирована зона нечувствительности (-₁… +₂), появилась возможность наблюдать уровень сигналов.

Таким образом, мы получили более информативный электронный электроскоп. Внешний вид прибора приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Внешний вид электронного электроскопа

Электронный электроскоп очень легок в обращении. Ниже приведен порядок работы с прибором.

Порядок работы

1. Повернуть регулятор чувствительности против часовой стрелки почти до упора. (Выставляем минимальную чувствительность).

2. Подключить электроскоп к источнику питания.

3. Выставить "0" на стрелочном индикаторе регуляторами точной и, при необходимости, грубой настройки.

Чувствительность прибора очень высока, поэтому установка "0" производится при закрытом фольгой чувствительном элементе прибора (экранирование) (см. рисунок 7).

Рисунок 7 – Установка "0"

4. Провести измерения.

5. По окончании проведения измерений, отключить электронный электроскоп от источника питания.

II. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗВЕСТНЫХ И НЕТРАДИЦИОННЫХ ОПЫТОВ С ЭЛЕКТРОСКОПОМ

ОПЫТ 1. ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИБОРОВ

Приборы, чувствительные к электрическому заряду, реагируют на поднесенную к ним заряженную пластинку из оргстекла на разном расстоянии.

Были проведены сравнительные опыты с использованием типовых школьных электроскопа и электрометра и экспериментального электронного электроскопа. Зарегистрировано, что при использовании одной и той же заряженной пластинки из оргстекла:

- листочки школьного электроскопа начинают расходиться при поднесении к его стержню пластинки на расстоянии 8 – 10 см (см. рисунок 1.1);

- стрелка электрометра начинает отклоняться при поднесении к его шару пластинки на расстоянии 20 см (см. рисунок 1.2);

- стрелка на индикаторе электронного электроскопа реагирует на пластинку при минимальной чувствительности на расстоянии 1,5 м, при максимальной – 2,5 м (см. рисунок 1.3).

Чувствительность электроскопа со шкалой, выставленной на максимум, в 6 раз больше чувствительности прибора со шкалой, выставленной на минимум.

Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Название прибора	Школьный электроскоп	Школьный электрометр	Электронный электроскоп
			Min чувствительность	Max чувствительность
Расстояние	8-10 см	20 см	1,5 м	2,5 м

Результаты показывают, что чувствительность электронного электроскопа на порядок выше типовых школьных приборов.

ОПЫТ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАКА ЗАРЯДА РАЗЛИЧНЫХ ТЕЛ, НАЭЛЕКТРИЗОВАННЫХ ТРЕНИЕМ

Электризацию трением можно объяснить тем, что в различных веществах ядра удерживают электроны с различной силой. Когда пластмассовая линейка, которую натирают бумажной салфеткой, приобретает отрицательный заряд, это означает, что электроны в бумажной салфетке удерживаются слабее, чем в пластмассе, и часть их переходит с салфетки на линейку. Положительный заряд салфетки равен по величине отрицательному заряду, приобретенному линейкой.

Обычно предметы, наэлектризованные трением, лишь некоторое время удерживают заряд и, в конце концов, возвращаются в электрически нейтральное состояние. Заряд "стекает" на содержащиеся в воздухе молекулы воды. Дело в том, что молекулы воды полярны: хотя в целом они электрически нейтральны, заряд в них распределен неоднородно. Поэтому лишние электроны с наэлектризованной линейки будут "стекать" в воздух, притягиваясь к положительно заряженной области молекулы воды. С другой стороны, положительный заряд предмета будет нейтрализоваться электронами, которые слабо удерживаются молекулами воды в воздухе. В сухую погоду влияние статического электричества гораздо заметнее: в воздухе содержится меньше молекул воды, и заряд "стекает" не так быстро. В сырую дождливую погоду предмет не в состоянии надолго удержать свой заряд.

Электронный электроскоп очень быстро и точно показывает знаки зарядов тел, наэлектризованных трением. Нами был проведен ряд экспериментов с различными телами и материалами, результаты которых приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Тело	Знак заряда тела	Материал, используемый для электризации	Знак заряда материала
1. Пластик, лист	+	Шелк, шерсть, искусственный мех	-
	-	Поролон	+
	+	Металлическая фольга	-
2. Оргстекло, пластина	+	Шелк, бумага, искусственный мех	-
3. Эбонит, стержень	-	Шерсть	+

Видно, что при трении электризуются оба тела зарядами противоположных знаков. При этом тела должны быть из различных материалов.

Кроме того, обнаружено, что практически все предметы, находящиеся в помещении, являются в той или иной степени наэлектризованными и в большинстве случаев зарядами, имеющими знак "+". В большей степени наэлектризованы мебель и пол, в меньшей степени – стены. Одежда чаще электризуется отрицательными зарядами. Так же стоит отметить, что в сухом теплом воздухе степень электризации больше.

ОПЫТ 3. ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТЕЛ ПРИ ИХ ОСВЕЩЕНИИ

Фотоэффект – явление выбивания электронов ультрафиолетовым светом из цинковой пластины – можно легко продемонстрировать с помощью типового школьного оборудования. Цинковая пластина при этом теряет отрицательный заряд (см. рисунок 3.1).

Выбивание электронов светом из незаряженной пластины затруднено из-за притяжения электронов положительно заряженными ионами металла.

Положительный заряд, который приобретает при этом пластина, не обнаруживается обычными школьными приборами.

Электронный электроскоп обнаруживает небольшой положительный заряд, скоро достигающий своего предела. Заряжение пластинки под действием света приостановилось. После того как некоторое число электронов покинет пластинку, и она зарядится положительно, дальнейшее удаление электронов в окружающее пространство сделается невозможным.

Кроме того, можно заметить, что при освещении отрицательно заряженной пластинки ультрафиолетовым светом в течение 1 – 2 минут показания электронного электроскопа меняются: в начале опыта он обнаруживает на пластине заряд "-", а в конце опыта "+". Электроны, выбитые из цинка и находящиеся в воздухе, можно "отогнать" от электроскопа потоком воздуха.

ОПЫТ 4. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ В ПРОВОДНИКАХ

Поднесем к металлическому цилиндру положительно заряженную пластину из оргстекла. Под влиянием электрического поля пластины в цилиндре появляются наведенные заряды: "-" в правой части цилиндра и "+" в левой. Это, в свою очередь, приводит к наведению заряда "–" в верхней части стрелки и заряда "+" в нижней части и на стрелке (см. рисунок 4.1). С помощью электронного электроскопа можно точно и наглядно определить знаки наведенных зарядов, помещая чувствительный элемент вблизи разных частей установки. Использование других индикаторов (например, листочков фольги на нити) не дает наглядных результатов.

Здесь мы наглядно наблюдаем явление электрической индукции – заряжения через влияние. Наведенные заряды возникают только на концах тела, а середина остается нейтральной. На удаленном конце проводника возникает заряд того же знака, что и на пластине, а на близлежащей части возникают заряды другого знака. С точки зрения электронной теории это явление легко объясняется существованием в проводнике свободных электронов. При поднесении к проводнику положительного заряда электроны к нему притягиваются и накапливаются на ближайшем конце проводника. На нем оказывается известное количество "избыточных" электронов, и эта часть проводника заряжается отрицательно. На удаленном конце образуется недостаток электронов и, следовательно, избыток положительных ионов: здесь появляется положительный заряд.

Удалив заряженную пластину, мы увидим, что стрелка электрометра опустится – заряды противоположных знаков нейтрализуются.

Явление протекает аналогичным образом, если повторить опыт, с отрицательно заряженной эбонитовой палочкой. При поднесении к проводнику отрицательно заряженного тела электроны накапливаются на удаленном конце, а на ближнем конце получается избыток положительных ионов.

Если использовать электрометр с шаром, то наведенный заряд в нижней части стержня и в стрелке будет меньше. Очевидно, в этом случае заряды распределяются так, как показано на рисунке 4.2. Часть заряда "+" останется на левой поверхности шара.

Наглядно представить распределение наведенных зарядов можно с помощью электронного электроскопа, перемещая его от одних частей установки к другим.

Наведенные заряды можно "закрепить" в соответствующих частях тела, если в присутствии заряженного тела разделить проводник на части. Этим способом можно зарядить электрометр.

Поднесем к стержню электрометра положительно заряженную пластину из оргстекла. На стержне получим отрицательный заряд, а на стрелке – положительный. Не убирая пластинку, прикасаемся пальцем к шару электрометра и отводим тем самым часть отрицательного заряда через свое тело в землю (тело, соединенное с землей, играет роль второй половины проводника). Стрелка электрометра опустится. Убрав палец, а затем и пластину, мы оставляем на электрометре только положительный заряд, который распределяется между стержнем и стрелкой. В этом легко убедиться с помощью электронного электроскопа.

ОПЫТ 5. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ЭКРАНИРОВАНИЕ

ОПЫТ 5.1

Поднесем к незаряженному шару электрометра наэлектризованную эбонитовую палочку. Электрометр обнаружит наведенный заряд.

Поместим между палочкой и электрометром металлический лист. Стрелка электрометра не отклонится.

Отсутствие электрического поля между металлическим листом и электрометром можно обнаружить с помощью электронного электроскопа (см. рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 – Электростатическое экранирование

ОПЫТ 5.2

Отсутствие электрического поля можно также обнаружить в области, ограниченной замкнутой заряженной металлической сеткой, если она достаточно густа. Такая металлическая сетка является полым проводником: ее поверхность эквипотенциальная и поле внутри полости равно нулю, как бы сильно не был заряжен проводник.

С внутренней и с внешней стороны сетки расположены лепестки. При пропускании через сетку электрического тока наружные лепестки отклоняются. Это показывает, что электрическое поле существует только в пространстве между сеткой и окружающими ее предметами, то есть снаружи сетки, внутри же поле отсутствует. В этом мы убедились и при помощи электронного электроскопа (см. рисунок 5.2).

При заряжении любого проводника заряды распределяются в нем так, что электрическое поле внутри его исчезает, и разность потенциалов между любыми точками обращается в нуль. В состоянии равновесия заряды распределяются только на внешней поверхности проводника.

ОПЫТ 6. ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ТЕЛА

Наличие заряда на руке человека фиксируется после нескольких демонстраций с эбонитовой и стеклянной палочками. Заряд "смывается" водопроводной водой.

ОПЫТ 7. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ БЕСКОНЕЧНОЙ ЗАРЯЖЕННОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛОСКОСТИ

Электрическое поле бесконечно заряженной металлической пластины однородно, т.е. Ē=const на любом расстоянии от пластины.

Ē= σ/ 2ξ₀

Использовалась пластина размерами 0,4 м × 0,3 м, заряженная от эбонитовой палочки. Показания электроскопа уменьшались, начиная с расстояния 3 – 4 см от пластин. Поле было более однородным, когда перемещали датчик от центра пластин.

Опыт очень хорошо получается, если в качестве бесконечной заряженной плоскости использовать металлическую классную доску, соединенную с полюсом источника напряжения длинным проводом и исследовать поле доски, перемещая датчик вдали от этого провода.

Напряженность поля Ē=const на расстоянии ≈ до 0,5 м от доски.

Мы увидели, что неоднородность поля вызвана конечными размерами пластин. При использовании наэлектризованной диэлектрической пластины показания электроскопа постоянно менялись при его перемещении – поле неоднородно, т.к. поверхностная плотность заряда различна.

ОПЫТ 8. ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЕТЕР

Подключим "колесо", установленное на металлической вертикальной оси и состоящее из двух перпендикулярно расположенных стержней с заостренными концами к положительному кондуктору источника тока (см. рисунок 8.1). "Колесо" начнет вращаться, постепенно набирая скорость.

Такое явление объясняется электрическими свойствами острия. Так как заряды одного знака отталкиваются, они, стекая с кондуктора источника тока, стремятся отойти от него как можно дальше и в большом количестве скапливаются на конце острия. Эти заряды притягивают заряды противоположного знака из воздуха, которые "сидят" на различных частичках, взвешенных в воздухе. Прикоснувшись к острию, частички тут же перезаряжаются и, обретя заряд того же знака, что и на кондукторе, улетают прочь от острия. Потоки этих частиц и приводят "колесо" во вращение в соответствии с законом сохранения импульса.

С помощью электронного электроскопа можно "прощупать" электрическое поле вблизи "колеса": вблизи острия поле сильнее – в наших опытах примерно в 10 – 20 раз.

ОПЫТ 9. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ ПЛОСКОГО КОНДЕНСАТОРА

Пластины демонстрационного плоского конденсатора были установлены на расстоянии 10 см друг от друга в вертикальном положении.

Пластины зарядили от электрофорной машины. Конденсатор зарядился.

Внесем чувствительный элемент электронного электроскопа в пространство между пластинами конденсатора. Стрелка индикатора прибора отклоняется в зависимости от того, к какой из пластин датчик находится ближе. На середине расстояния между пластинами обнаруживается поверхность нулевого потенциала (стрелка почти на нуле).

Следовательно, электронный электрометр можно использовать для нахождения результирующего потенциала, создаваемого несколькими источниками, в том числе и точечными зарядами, а также для исследования эквипотенциальных поверхностей.

ОПЫТ 10. ОЦЕНКА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ

ДИЭЛЕКТРИКОВ

Показания электронного электроскопа уменьшаются в ξ раз, если чувствительный элемент обернуть диэлектриком.

Результаты опытов:

1) полиэтиленовая пленка – ξ = 5 (табличное значение 6);

2) стекло – ξ = 6 (табличное значение 7).

ОПЫТ 11. НЕСКОЛЬКО КЛАССИЧЕСКИХ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ

1) Доказательство того, что в проводниках может существовать электрический ток.

В разрыв проводника включим неоновую лампочку. Один конец проводника соединим с шаром электрометра, а ко второму прикоснемся заряженным телом. Вначале электрометр имеет положительный заряд, палочка – отрицательный. Цепь незамкнута. Электронный электроскоп обнаруживает эти заряды.

После прикосновения - неоновая лампочка вспыхнет, значит, от заряженного тела по проводнику прошел заряд, который вызвал свечение лампочки. Направленное движение зарядов и есть электрический ток.

После прохождения тока через лампочку электроскоп не обнаруживает прежних зарядов "+" или "–". Заряды будут одного знака – в зависимости от того, какой знак по модулю был больше в начале: "+" или "–".

Опыт доказывает, что для наличия электрического тока необходима разность потенциалов между концами проводника.

Опыт лучше получается, если использовать металлическую палочку на изолирующей ручке, заряженную от эбонитовой палочки.

2) Разновидность предыдущего опыта: доказательство того, что для существования постоянного электрического тока необходима работа сторонних сил.

Соберем цепь, показанную на рисунке. Приведем во вращение диски электрофорной машины и затем прекратим вращение так, чтобы на кондукторах машины остались заряды противоположных знаков. Показания электронного электроскопа вблизи шариков электрофорной машины различны и почти не меняются при вращении дисков машины. К кондукторам машины проводниками соединим неоновую лампу. При этом произойдет вспышка света, свидетельствующая, что через лампу прошел кратковременный ток – заряд с одного кондуктора перешел на другой, нейтрализовав его.

3) Доказательство того, что между электродами, выполненными из различных металлов и погруженными в электролит, возникает разность потенциалов.

В сосуде приготовим электролит и опустим в него два электрода, приготовленные из разных металлов – вольтметр показывает наличие разности потенциалов между электродами, то есть на них появляются заряды противоположных знаков. Электронный электроскоп обнаруживает эти заряды.

4) Доказательство того, что в газах может существовать электрический ток.

Имеются две металлические пластины, соединенные с электрометром. Если электрометр зарядить, например, эбонитовой палочкой, то он будет сохранять заряд достаточно долго, следовательно, окружающий воздух не проводит электрический ток. Если в пространство между пластинами внести пламя, то электрометр быстро разрядится, значит, воздух между пластинами перешел в проводящее состояние и через него прошел ток.

Это можно объяснить только тем, что в воздухе появились свободные носители заряда. В классическом опыте по демонстрации условий возникновения несамостоятельного разряда в газе, по мере нагревания воздуха между пластинами стрелка школьного электроскопа возвращается к нулю, а электронный электроскоп обнаруживает "исчезновение" зарядов на пластинах.

5) Доказательство существования явления термоэлектронной эмиссии.

Направим поток воздуха от вентилятора на раскаленную спираль. Электроны, испускаемые спиралью, относятся потоком воздуха, и электронный электроскоп обнаруживает положительный заряд спирали.

Раскаленная спираль испускает электроны (термоэлектронная эмиссия). Воздух вблизи спирали "насыщен" электронами, а сама спираль приобретает положительный заряд. Поэтому электроскоп регистрирует отрицательный заряд на расстоянии 5 – 10 см. Если электроны "отогнать" от спирали, подув на нее, то электронный электроскоп отметит положительный заряд спирали.

ОПЫТ 12. ОПЫТ С НЕОНОВОЙ ТРУБКОЙ

Падение потенциала вблизи катода газоразрядной трубки с тлеющим разрядом можно наблюдать, медленно перемещая чувствительный элемент электронного электроскопа вдоль трубки от катода к аноду. Опыт был проделан с тлеющим разрядом в воздухе, в парах ртути, в неоне. Так, длина трубки с неоном ≈ 13см. Катодное увеличение потенциала наблюдалось на расстоянии ≈ 3см; далее потенциал немного уменьшался и при дальнейшем перемещении чувствительного элемента к аноду не изменялся.

III. ОПЫТЫ С ЗАРЯЖЕННЫМИ МЫЛЬНЫМИ ПУЗЫРЯМИ

Толщина стенки мыльного пузыря в 5000 раз тоньше волоса. Требуется увеличение в 200 раз, чтобы разрез стенки усматривался в виде тонкой линии. Форма мыльного пузыря всегда стремится к шарообразной; в этом случае поверхность минимальна по отношению к объему воздуха, заключенного внутри. Пленка пузыря упруга и подобна куску растянутой резиновой пленки. Пузыри эластичны, могут деформироваться, принимая форму трубы или змеи. Пленка пузыря трехслойная: внешний и внутренний слои состоят из молекул мыла, расположенных тесно друг к другу, а средний слой – из молекул воды, смешанных с несколькими молекулами мыла. Пузырь наделен замечательным свойством: он приспосабливает свое натяжение к нагрузке из-за неоднородности вещества на поверхности пленки и внутри нее. А пленка ведет себя так же, как поверхность шарика: когда его надувают, молекулы мыла из среднего слоя соединяются с такими же молекулами из других слоев и увеличивается площадь. Пузырь лопается, если наталкивается на сухую поверхность или до него дотрагиваются рукой.

Важную роль при работе с мыльными пузырями играет состав мыльного раствора. Из моего личного опыта самым надежным оказался раствор следующего состава: 4 столовые ложки глицерина, 4 столовые ложки жидкого мыла (лучше "AOS" или "Fairy"), 250 мл воды (лучше дистиллированной). Смесь нагреть, периодически помешивая, потом остудить.

ОПЫТ 1. МЫЛЬНЫЙ ПУЗЫРЬ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Поднесем заряженную пластинку из оргстекла к мыльному пузырю. Пузырь начинает вытягиваться по направлению к пластинке – на ближней к пластинке части мыльной пленки скапливаются заряды противоположного знака, и пленка притягивается к пластинке (см. рисунки 1.А, 1.Б).

Если мыльный пузырь посадить на сухую шерстяную ткань, он не лопнет. Посадим на шерстяную ткань несколько мыльных пузырей и поднесем к ним заряженную пластинку из оргстекла. Пузыри сначала вытягиваются, а затем отрываются от ткани и начинают летать как воздушные шарики.

ОПЫТ 2. ЗАРЯЖЕННЫЙ МЫЛЬНЫЙ ПУЗЫРЬ

Выдуем мыльный пузырь из трубочки, к концу которой подведен положительный или отрицательный потенциал от источника высокого напряжения (см. рисунок 2.А). Пузырь приобретает заряд. Опытным путем можно подобрать размеры пузыря так, что он не будет сжиматься или растягиваться: силы поверхностного натяжения уравновешиваются силами электростатического отталкивания. Если пузырь не заряжен, то под воздействием сил поверхностного натяжения пузырь быстро сожмется.

Опытным путем, зарядив открытый пузырь, увидели, что он устойчив. Давление в пузыре Р_пуз равно атмосферному давлению Р_атм, несмотря на наличие дополнительного давления Лапласа р, так как пузырь открыт в атмосферу. Он устойчив (из опыта), следовательно, силы поверхностного натяжения F_пн, стремящиеся сжать пузырь, уравновешены силами электростатического отталкивания F_эл-ст:

F_пн = F_эл-ст

Найдем эти силы.

1) Измерение коэффициента поверхностного натяжения раствора методом отрыва скобы.

F – сила, действующая на скобу со стороны динамометра в момент отрыва скобы от раствора.

Условие равновесия:

F = F_пн + mg;

F = 2φl + mg;

φ = (F- mg) / 2l,

где F = 16мН (измерено);

φ – коэффициент поверхностного натяжения;

m = 0,5·10^-3кг – масса скобы;

l = 0,15м – длина скобы.

Получаем:

φ=0,037Н/м

2) Найдем F_пн. "Вырежем" на поверхности мыльного пузыря маленький квадратик со стороной а и рассмотрим его равновесие под действием сил поверхностного натяжения и сил давления (см. рисунок). На каждую сторону квадратика по касательной к поверхности действует сила

F = aφ.

Равнодействующая двух таких сил, приложенных к противоположным сторонам квадратика, как видно на рисунке, равна 2aφsinα. Так как мыльная пленка имеет две поверхности, таких пар будет четыре. Сила, обусловленная дополнительным давлением р внутри пузыря, равна ра². Условие равновесия рассматриваемого элемента поверхности пузыря запишем в виде:

ра² = 4·2 aφsinα,

откуда

р = 8 (φ/a) sinα.

Ввиду того, что для малых углов sinα ≈ α, имеем

р = 8φα / 2Rα = 4φ/R,

где R – радиус пузыря.

При этом, а = Rα.

Отсюда, F_пн = 4а²φ/ R. Но так как мы рассчитываем силу, действующую на единицу поверхности, то F_пн = 4φ/ R.

3) Найдем F_эл-ст.

Р_эл-ст = F_эл-ст / 2S = qE / 2S = ½ σE,

где S – площадь сферы;

E – напряженность электрического поля;

σ - поверхностная плотность зарядов;

q – заряд пузыря.

½ σE = ξ₀Е² / 2, так как Е = σ / ξ₀  σ = Е ξ₀,

где ξ₀ – электрическая постоянная.

½ σE = ξ₀Е² / 2 = σ² / 2 ξ₀

Известно, что σ = q / S. В нашем случае S = 4R² – площадь сферы.

Отсюда получаем

Р_эл-ст = q² / (32 ξ₀²R⁴),

F_эл-ст = q² a²/ (32 ξ₀²R⁴). Но так как мы рассчитываем силу, действующую на единицу поверхности, то F_эл-ст = q² / (32 ξ₀²R⁴).

Из равенства сил получаем:

4φ / R = q² / (32 ξ₀²R⁴)

Отсюда заряд пузыря равен: q = (4φ·32 ξ₀²R³)^1/2

Имеем: R = 0,04м – измеренный при опыте радиус пузыря;

φ = 0,037Н/м;

ξ₀ = 8,85·10^-12Кл²/Нм².

Вычисляем:

q = (4·0,037·32·8,85·10^-12·3,14²·0,000064)^1/2Кл ≈ 0,16мкКл.

Определив заряд пузыря, мы можем произвести градуировку шкалы электронного электроскопа (при минимальной чувствительности прибора) и оценить заряды наэлектризованных тел.

ГРАДУИРОВКА ШКАЛЫ ЭЛЕКТРОСКОПА В КУЛОНАХ

1) Оценка заряда пузыря с помощью электронного электроскопа.

q = 5у.е. (по расчетам q = 0,16мкКл)

2) Цена деления прибора.

k = 0,16/5 = 0,032мкКл/дел

ОЦЕНКА ЗАРЯДА НАЭЛЕКТРИЗОВАННЫХ ТЕЛ

1. Эбонитовая палочка.

q = 0,032мкКл/дел·35дел = 1,2мкКл

2) Султан из фольги, заряженный от эбонитовой палочки.

q = 0,032мкКл/дел·6дел = 0,21мкКл

3) Струя воды.

q = 0,032мкКл/дел·15дел = 0,525мкКл

Численные результаты эксперимента примерно соответствуют действительным. Этот вывод можно сделать, сравнивая величины измеренных зарядов с численными значениями зарядов, приведенными в условиях школьных задач.

IV. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Создан мобильный электронный электроскоп, обладающий повышенной чувствительностью и информативностью по сравнению со школьными электроскопом и электрометром. В качестве чувствительного элемента применен полевой транзистор, включенный в мост постоянного тока. Чувствительность данного прибора превышает чувствительность типовых школьных приборов на порядок.

2. С помощью прибора проведены традиционные опыты по электростатике. Продемонстрирован ряд нестандартных опытов, проведение которых со школьными приборами было бы затруднительным.

3. Данная работа является комплексной, позволяет экспериментально проверить теоретические положения основ электростатики и является значительной в деле усвоения учащимися физических процессов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бойс Ч. Мыльные пузыри

2. Лядер Ю. Электронный электроскоп // Радио. – 1984. - №9.

3. Жакин С.П. Демонстрационный электрометр на полевом транзисторе // Физика в школе. – 1991. - №6.

4. Телеснин Р.В. Лекционные демонстрации по физике. Вып.б / Под ред. проф. А.Б. Млодзеевского. М.: Гостехтеориздат, 1952.

5. Лекционные демонстрации по физике / Под ред. В.И. Ивероновой. М.: Наука, 1972.

6. Учебное оборудование по физике в средней школе. Пособие для учителей / Под ред. А.А. Покровского. – М.: Просвещение, 1973.

7. Канаев П. Простые опыты с мыльными пленками и пузырями // Квант. – 1978. - №11.

8. Ефашкин Г., Козловский В. Электризация капель жидкости – от истории до практического использования // Квант. – 1996. - №5.

9. Сербина Т. Его Величество Мыльный пузырь // Чудеса и приключения. – 2004. - №10.

21