Elektromágnesesség
Tevékenységek
Villamos energia dörzsöléssel. Az elektrópart
Az ókori görögök már tudták, hogy a gyapjúval dörzsölt borostyán megszerezte a fénytestek vonzásának tulajdonságát.
Mindannyian ismerjük a statikus elektromosság hatásait, még egyes emberek is érzékenyebbek a hatására, mint mások. Bizonyos autóhasználók érzik annak hatásait, amikor reteszelik a kulccsal (hegyes fémtárgy), vagy megérintik az autó lapját.
Statikus elektromosságot hozunk létre, amikor tollat dörzsölünk a ruhánkra. Ezután ellenőrizzük, hogy a toll vonzza-e a kis papírdarabokat. Ugyanez mondható el, amikor selyemmel vagy borostyánnal gyapjúval dörzsöljük az üveget.
A statikus elektromosság keletkezésének elmagyarázatához figyelembe kell vennünk, hogy az anyag töltött részecskék atomjaiból és atomjaiból áll, amely sejtmagot elektronfelhő veszi körül. Normális esetben az anyag semleges, ugyanannyi pozitív és negatív töltéssel rendelkezik.
Egyes atomok könnyebben veszíthetik elektronjaikat, mint mások. Ha egy anyag hajlamos elveszíteni elektronjainak egy részét, amikor érintkezésbe kerül egy másikkal, akkor azt mondják, hogy pozitívabb a triboelektromos sorozatban. Ha egy anyag hajlamos elektronokat elkapni, amikor érintkezésbe kerül egy másik anyaggal, akkor ez az anyag negatívabb a triboelektromos sorozatban.
Íme néhány példa a legpozitívabbtól a negatívabbig rendezett anyagokra:
Nyúlszőr, üveg, emberi haj, nejlon, gyapjú, selyem, papír, pamut, fa, borostyán, poliészter, poliuretán, vinil (PVC), teflon.
A selyemmel dörzsölt üveg a töltések szétválasztását okozza, mert mindkét anyag különböző pozíciókat foglal el a triboelektromos sorozatban, ugyanez mondható el a borostyánról és az üvegről. Amikor két nem vezető anyag érintkezik, az egyik anyag elektronokat képes megfogni a másik anyagból. A töltés nagysága az anyagok jellegétől (a triboelektromos sorozatban való elválasztásuktól) és az érintkezésbe kerülő felület területétől függ. Egy másik tényező a felületek állapota, legyenek azok simaak vagy érdesek (az érintkező felület kicsi). A felületeken található nedvesség vagy szennyeződések utat engednek a töltések rekombinációjához. A levegőben lévő szennyeződések ugyanolyan hatást gyakorolnak, mint a páratartalom.
Megfigyeltük, hogy a toll ruhával való dörzsölése papírdarabokat vonz. A tantermi tapasztalatok során különféle anyagokat dörzsölnek, üveg selyemmel, bőrrel stb. Elektromosabb gömbökkel mutatják be a kétféle töltést és kölcsönhatásukat.
Ezen kísérletek alapján arra a következtetésre jutottak, hogy:
- Az anyag kétféle elektromos töltést tartalmaz, amelyeket pozitívnak és negatívnak neveznek. A töltés nélküli objektumok azonos mennyiségűek az egyes típusú töltésekkel. Amikor egy test megdörzsöli, a töltés az egyik testből a másikba kerül, az egyik test többlet pozitív töltetet, a másik pedig negatív töltést kap. Bármely folyamatban, amely elszigetelt rendszerben történik, a teljes vagy a nettó terhelés nem változik.
- Az azonos előjelű díjakkal vádolt tárgyak taszítják.
- A különböző előjelű díjakkal terhelt tárgyak vonzanak.
Az elektrópart
Johannes Wilcke feltalálta az elektrofort, amelyet később Alessandro Volta tökéletesített. Ez az eszköz elterjedt az elektrosztatikus kísérleteket végző laboratóriumokban, mert könnyen használható töltésforrás volt.
- A töltés egy teflonból készült szigetelő felület dörzsölésével jön létre, amely nagyon jól teljesít, mivel kiváló szigetelő és könnyen tisztítható és karbantartható. A töltés jele függ a szigetelő felület jellegétől és a dörzsöléshez használt anyagtól. Feltételezzük, hogy negatív töltés oszlik meg a szigetelőanyag felületén.
- A vezetőben lévő töltést indukció generálja, a pozitív töltések a vezető szigetelőfelülethez legközelebb eső részében vonzódnak, a negatívakat pedig taszítják. Bár a vezető érintkezik a szigetelő felülettel, negatív töltés nem kerül át a vezetőre. Elvileg a vezető tetszőleges számú alkalommal terhelhető a rajzon bemutatott lépések megismétlésével.
- A vezető felső részét földdel érintkezésbe hozzák, ujjal megérintve vagy vezetékkel közvetlenül a földdel összekötve. A negatív töltéseket semlegesítik, míg a pozitív töltések a vezető alján maradnak.
- A vezető elmozdul a szigetelő felülettől, a pozitív töltés újraeloszlik a vezető felületén, amíg az egyensúly el nem ér.
- Végül a vezető érintkezésbe kerül az elektroszkóppal, amely jelzi a vezető töltését.
Ezen lépések megismétlése előtt ki kell üríteni a vezetőt és az elektroszkópot úgy, hogy érintkezésbe kerülnek a talajjal. Az eljárás megismételhető anélkül, hogy a szigetelő felületet újra meg kellene dörzsölni. Ennek oka az, hogy a súrlódási töltés a szigetelő felülethez van kötve, nem osztható fel újra a szigetelőben, és nem vihető át a vezetőre. A szigetelőben lévő álló töltés, a vezetőben levő töltések szabad mozgása és a töltések átadása, amikor érintkezik a talajjal, kombinációja az elektrofelöt egy iker töltőeszközzé teszi.
Az elektrofor működését az alábbi animációban figyeljük meg.
Nyomja meg a címet Rajt hogy elindítsuk az animációt
Nyomja meg a címet Következő, hogy megfigyelje az elektrofor töltésének szakaszait. Az utolsó szakaszban az elektrofor töltését elektroszkóp segítségével mérik, amelynek működését az alábbiakban ismertetjük.
Az elektromos terhelés mérése
Önkényesen töltünk egy testet Q és távolról d terhelünk mit. Megmérjük az erőt F gyakorolták tovább mit. Ezután rakunk egy rakományt mit ? azonos távolságra d nak,-nek Q, és megmérjük az erőt F ? gyakorolták tovább mit ?.
Ha önkényesen hozzárendelünk egy egységértéket a terheléshez mit ?, van eszközünk a rakomány megszerzésére mit.
A Nemzetközi Mértékegység-Rendszerben az alapvető nagyság az az intenzitás, amelynek egysége az ampér vagy az amper, A, a töltés egy származtatott mennyiség, amelynek egysége a C coulomb vagy a coulomb.
Coulomb törvénye
A torziós mérleg segítségével Coulomb megállapította, hogy a vonzás vagy taszítás ereje két pont töltés (töltött testek, amelyek méretei elhanyagolhatók a távolsághoz képest) között r amely elválasztja őket) fordítottan arányos az őket elválasztó távolság négyzetével.
Az arányosság állandójának értéke attól függ, hogy mely egységekben fejezzük ki F, mit, mit ? Y r. A mérési egységek nemzetközi rendszerében 9 · 10 9 Nm 2/C 2 értéket ér el .
Ne feledje, hogy Coulomb törvényének ugyanaz a funkcionális formája, mint az univerzális gravitáció törvényének
Az elektroszkóp
| Az elektroszkóp két vékony arany- vagy alumínium-A lemezből áll, amelyek egy fém B rúd végén vannak rögzítve, amely áthalad az ebonit, borostyán vagy kén C támaszán. Amikor az elektroszkóp gömbjét egy töltött testtel érintik meg, a lapok ugyanazon előjel töltését kapják, és taszítják egymást, eltérésük a kapott töltés mértékének mértéke. Az elektrosztatikus taszítóerőt a pengék súlya egyensúlyozza ki. |
Ha potenciálkülönbséget alkalmazunk a C golyó és a gömb doboz között, akkor a lapok is elválnak. Az elektroszkópot úgy lehet kalibrálni, hogy megrajzoljuk azt a görbét, amely megadja a potenciálkülönbséget a divergencia szögének függvényében.
Az elektroszkóp egyszerűsített modellje két kis tömeggömbből áll m egyenlő díjakkal terhelve mit és ugyanabból a jelből, amely két húrot függeszt d, ahogy az ábra mutatja. A gömb által a függőlegessel képzett q szög mértékéből kiszámítják annak terhelését mit.
Összevetve
Tsen q = F
Tkötözősaláta q = mg
- Ismert szög θ határozza meg a terhelést mit
Ha az első egyenletet elosztjuk a másodikkal, megszüntetjük a stresszt T és megkapjuk
F=mg·ígyθ
A szög mérése θ megkapjuk az taszítás erejét F a két töltött gömb között
Coulomb törvénye szerint
Kiszámoljuk a terhelés értékét mit, ha a hossza ismert d a szálakat, amelyek a töltött gömböket megtartják.
- Ismert terhelés mit határozza meg a szöget θ
Eltávolítva T Az egyensúlyi egyenletekben megkapjuk az egyenletet
Betöltés mit m m-ben van és a tömeg m a labda g-ben.
A koszinust a szinusz függvényében kifejezve a következő köbös egyenlethez jutunk
Az interaktív program kiszámítja a köbös egyenlet gyökereit
Az ábrán az elektroszkóp viselkedése látható, minden egyes terhelésre mit μC-ban van eltérési szögünk θ fokban a huzalt a függőlegeshez képest. Ha a szöget megmérik θ a függőleges tengelyen megkapjuk a terhelést mit a vízszintes tengelyen.
Tevékenységek
Az interaktív program véletlenszerűen generál terhelést mit m C-ben mérve, minden alkalommal, amikor a gomb megnevezésre került Új.
Q eltérési szögének mértékéből, a beosztott szögskálán ki kell számítani a terhelést mit a gömböt a két egyensúlyi egyenlet megoldásával.
- A tömeg értéke m golyó grammban, a görgetősávra hatva Tömeg.
- A menet hossza rögzített d= 50 cm.
Példa:
Hagyja a misét m= 50g = 0,05kg, a menet hossza d= 50 cm = 0,5 m. Megmértük a menetek által a függőleges q = 22є függőleges szöget, határozzuk meg a terhelést mit a golyókat.
A töltések közötti különbség az x= 2 0,5 sin (22є) = 0,375 m
Az erő F a vádak közötti taszítás értéke
Az egyensúlyi egyenletekből
Tsen22є= F
Tcos22є=0,05 9,8
megszüntetjük T és ürítse ki a rakományt mit, 1,76 10 -6 C-ot és 1,76 m C-ot kap.
A gomb megnyomásával Grafikon Láthatjuk, hogy a függőleges tengelyen egy 22 de szög megfelel a vízszintes tengely körülbelül 1,8 m C-os terhelésének.
Coulomb törvényének ellenőrzése
Az előző szakaszban Coulomb törvényét használták a vád meghatározásához mit egy kis gömb. Ebben a szakaszban kísérletet javasolnak Coulomb törvényének igazolására.
Lenni r1 az azonos töltéssel töltött két kicsi egyenlő gömb egyensúlyi elválasztása mit. Az erő F1 a taszítás rendben van, Coulomb törvénye szerint.
Az elektroszkópot leíró szakaszban vizsgált egyensúlyi viszonyokból,
a gömb súlya közötti kapcsolat mg és az taszító erő, F1 = mg·ígyθ1
Ha a két gömb egyikét kisütjük, majd érintkezésbe hozzuk a töltött gömbbel mit. A kis gömbök mindegyike feltöltődött q /2. A gömbök taszítják egymást, egyensúlyukban kisebb lesz az elválasztásuk r2.
Az egyensúlyi viszonyokból nekünk kell, F2 = mg·ígyθ2
Az első kifejezést elosztva a másodikkal a következő összefüggésre jutunk
Szögek mérése θ1 Y θ2 és a töltések közötti rések r1 Y r2 ellenőrizhetjük Coulomb törvényét.
Szögek θ nehéz megmérni, tehát ha a szálak hossza d a kis gömbök által tartott hosszúak, így az elhajlási szög kicsi, a következő közelítést végezhetjük el
A szögek és hézagok kapcsolata sokkal egyszerűbbé alakul.
Így csak a réseket mérve r1 Y r2 a vádak között az ábrán látható két helyzetben ellenőrizhetjük Coulomb törvényének teljesülését.