Проектная работа "Электризация тел"

МОУ «Советская средняя общеобразовательная школа №2»

 

Проектная работа

Электризация тел

 

Выполнил:

ученик 9 класса

Илларионов Георгий

Руководитель: Ештыганова Э.И.

 

Советский, 2020

Введение

Физика является неотъемлемой частью нашей жизни. Наш дом – настоящая физическая лаборатория, в которой человек может быть активным наблюдателем, способным объяснить наблюдаемые им физические явления. Слова «электричество» и «электрический ток» знакомы сейчас каждому человеку. Электрический ток используется на транспорте, в наших домах, на заводах, фабриках, в сельском хозяйстве и т.д. Недавно мы начали изучать электрические явления. На уроке учитель показала несколько опытов с эбонитовой и стеклянной палочками, гильзами, электрическими султанами. Я и сама часто замечала, как электризуются пластмассовая расчёска, ручка, пластиковая бутылка, появляются треск и искры, когда я снимаю одежду. Мне это всегда было интересно наблюдать, и я решил изучить данные явления и провести опыты по электрическим явлениям в домашних условиях.

Данная тема показалась мне довольно интересной и новаторской. Дом является замечательным местом для наблюдения физических явлений и проведения самостоятельных экспериментов. Главной особенностью выбранной темы является доступность оборудования и исследуемых материалов.

Гипотеза: большинство процессов, происходящих в быту, являются доказательством физических явлений и законов.

Цель работы: исследовать электрические явления, происходящие в быту и выявить их взаимосвязь с физическими явлениями и законами.

Задачи:

Изучить и проанализировать теоретический материал по данной теме.

На базе домашней лаборатории провести экспериментальные исследования, доказывающие взаимосвязь электрических явлений, происходящих в быту с физическими явлениями и законами.

Составить рекомендации по проведению опытов в домашней лаборатории.

Объект исследования: предметы, принадлежности, находящиеся в моём доме.

Предмет исследования: электрические явления, происходящие в быту,

Методы исследования: наблюдения, теоретические и экспериментальные исследования.

Актуальность и практическая значимость:

Интерес к экспериментальной физике.

Применение полученных знаний на практике, в жизни.

Создание дидактического материала к урокам физики (компьютерные слайды, видеофрагменты, таблицы и др.).

Практическая значимость работы заключается в том, что изготовленный мной дидактический материал можно применять на уроках физики, на занятиях по внеурочной деятельности, а также для создания учебных проектов.

Новизна работы состоит в том, что создана работа, в которой разработаны рекомендации по осуществлению домашнего эксперимента по изучению электрических явлений, встречающиеся в быту, с помощью доступного оборудования и материалов.

 

 

История развития электричества.

 

Древнегреческий ученый Фалес (VII—VI вв. до н. э.) заметил, что натертый шерстью янтарь начинает притягивать к себе легкие кусочки других материалов: соломинки, шерстинки и т. п. Янтарь представляет собой затвердевшую смолу хвойных деревьев, которые росли на Земле около 50 миллионов лет назад. Через две тысячи лет английский физик У. Гильберт (1544—1603) обнаружил, что аналогичной способностью обладает не только натертый янтарь, но и алмаз, сапфир, стекло и некоторые другие материалы. Все эти вещества он назвал электрическими, т.е. подобными янтарю ( греческое слово «электрон» означает «янтарь»). Существует несколько способов электризации.
 

Одним из этапов развития учения об электричестве были опыты немецкого ученого Отто фон Герике (1602—1686). Он построил первую электростатическую машину, основанную на трении. Это был шар из плавленой серы, который приводился во вращение специальным приводом. Вращая шар и натирая его ладонями, Герике тем самым электризовал его. Наэлектризованный шар притягивал листочки золота, серебра, бумаги. С помощью этого прибора Герике обнаружил, что, кроме притяжения, существует электрическое отталкивание. В 1733 г французский ученый Шарль Франсуа Дюфе, живший в 1698—1739 гг., обнаружил, что существуют два рода электричества: "стеклянное" (положительное) и "смоляное" (отрицательное). Представление о положительном и отрицательном зарядах, было введено в 1747 году Франклином. Эбонитовая палочка от электризации о шерсть и мех заряжается отрицательно, потому что отрицательным назвал заряд, образующийся на каучуковой палочке В.Франклин. А эбонит это каучук с большой примесью серы. Заряд, который образуется на стеклянной палочке, потертой о шелк, Франклин назвал положительным. Но во времена Франклина существовал только натуральный шелк и натуральный мех. Сегодня порой трудно бывает отличить натуральный шелк и мех от искусственного. Даже разные сорта бумаги электризуют эбонит по-разному. Эбонит приобретает отрицательный заряд от соприкосновения с шерстью (мехом) и капроном, но положительный от соприкосновения с полиэтиленом. Условились обозначать положительный заряд “+”, а отрицательный “-”. В последствии было установлено, что все вещества можно расположить в так называемый ряд, в котором предыдущее тело электризуется при трении о последующее положительно, а последнее отрицательно.

 

Лимонная батарейка.

Электризация трением и электризация через влияние не являются единственными способами заряжения тел. Познакомимся с получением зарядов с помощью гальванического элемента. Об электричестве люди знали уже давно, но добывать его в гигантских масштабах научились только 100 лет назад. Его добывали из тепла, силы воды, внутренней энергии атома, силы ветра.

Первый химический источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани, который исследовал реакцию подопытных животных на разные внешние воздействия. Явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки.

Опыты Гальвани стали основой исследований другого итальянского ученого – Алессандро Вольта. 200 лет назад он сформулировал главную идею изобретения. Причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Вольта создал нехитрое устройство из двух пластин металла (цинк и медь) и кожаной прокладки между ними, пропитанной лимонным соком. Алессандро Вольта выявил, что между пластинами возникает напряжение. Именем этого ученого назвали единицу измерения напряжения, а его фруктовый источник энергии стал прародителем всех нынешних батареек, которые в честь ЛуиджиГальвани называют теперь гальваническими элементами.

 

Как работает «лимонная» батарейка?

Когда оцинкованный гвоздь контактирует с лимонной кислотой, начинаются две химические реакции.

Одна реакция – окисление: кислота начинает забирать атомы цинка с поверхности гвоздя. Два электрона уходят с каждого атома цинка, придавая атому положительный заряд.

Ионы цинка, остаются в лимоне.

Другая реакция – восстановление, в ней задействованы положительно заряженные атомы водорода – ионы водорода в лимонной кислоте около гвоздя. Ионы принимают электроны, высвобождаемые в ходе окислительной реакции с образованием водорода, который можно увидеть в виде пузырьков около гвоздя. Ионы водорода называют окислителями, потому что они отнимают электроны цинка.

Медная пластина – тоже окислитель. В действительности, она даже больший окислитель, чем ионы водорода в лимонной кислоте. То есть медь может притягивать многие свободные электроны, испускаемые цинком. Когда между электродами устанавливается электрическая связь (провод), то медь притягивает электроны из гвоздя и возвращает их через цепь.

Движение электронов по цепи – электрический ток. Цинк (источник электронов) – отрицательный полюс в лимонной батарейке, а медь – положительный. Напряжение лимонной батарейки вызывается разницей между способностью цинка и меди отдавать электроны. Электрический ток, выдаваемый батарейкой, среди всего прочего, зависит от количества электронов, испускаемых химической реакцией. И так, в основе принципа работы электробатарейки лежит взаимодействие кислоты с металлом. Также кислота содержится в достаточном количестве в картофеле, в апельсинах, в соленых огурцах, в лимоне и других овощах и фруктах.

 

Положительные и отрицательные заряды.

В природе существую два разных рода электрических зарядов: положительный и отрицательный. Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как стекло, наэлектризованное трением о шёлк. Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют так же, как сургуч, наэлектризованный трением о шерсть. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются.

Что происходит при электризации?

Электризация сводится к тому, что положительные и отрицательные заряды каким-то образом разделяются так, что на одном веществе (сукно) оказывается избыток положительных зарядов, а на другом (эбонит) – такой же избыток отрицательных зарядов. Поэтому хотя каждое из веществ заряжено, но общая сумма положительных и отрицательных зарядов по-прежнему равняется нулю.

Отрицательное электричество существует в природе в виде мельчайших частичек – электронов. В состав любого атома входит определённое количество электронов. Такой атом в естественном состоянии не кажется нам заряженным, так как внутри него имеется ещё и положительно заряженная часть – атомное ядро, представляющее основу всякого атома. При этом сумма отрицательных зарядов всех электронов по величине в точности равна положительному заряду ядра. Если тем или иным способом мы удалим из атома один или несколько электронов, то у атома окажется избыток положительного заряда; он будет заряжен положительно. Атом в таком состоянии называется положительным ионом. Точно так же, если в атом попадут избыточные электроны, мы получим отрицательно заряженный атом, или отрицательный ион.

 

Процесс электризации – это, либо отделение, либо перенесение на тело электронов или ионов. Процесс возникновения и накопления электрических зарядов в веществах называется электризацией. Статическое электричество возникает в результате сложных процессов, связанных с перераспределением электронов и ионов при соприкосновении двух поверхностей неоднородных жидких или твердых веществ. На поверхности соприкосновения образуется двойной электрический слой, представляющий собой расположенные определенным образом электрические заряды с противоположными знаками. В зависимости от природы образования двойного электрического слоя различают электрическую, адсорбционную, контактную, пьезоэлектрическую и индуктивную электризацию. В реальных условиях формирование двойного слоя нередко обусловлено одновременным действием нескольких факторов.

 

Способы защиты от статического электричества в быту.

1. Увлажнение воздуха в доме до 70%. Это мероприятие способно избавить нас от накопления заряженных частиц. Влажный воздух — больший проводник, а значит, обмен заряженными частичками будет происходить незаметно для нашего организма.

2. Ионизировать воздух с помощью ионизаторов.

3. Использовать специальные материалы для помещения.

4. Защитное заземление оборудования.

5. Стирать белье, используя кондиционер с антистатиком.

6. Использовать спрей-антистатик для одежды.

7. Носить одежду из натурального материала (особенно зимой).

8. Посадить пару горшочков цветов. Растения смогут немного увлажнить воздух, а значит, наш организм не сможет накапливать заряды в таком количестве, как во время сухого воздуха.

9. Чтобы сохранить укладку волос, зимой нужно пользоваться спреем-антистатиком для волос или делать укладку, используя фены с потоком воздуха негативно заряженных частиц.

10. Протирать электризующие поверхности раствором глицерина.

11. Самым простым и эффективным способом борьбы со статическим электричеством является влажная уборка помещения. Она позволит удалить наэлектризованные частички пыли.

Эти действия помогут нам в разы увеличить защиту нашего дома от статического разряда.

А бесперебойную работу оборудования нам сможет гарантировать только периодическое их обслуживание специальными службами.

Воздействие статического электричества на организм человека

Статическое электричество — это совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках.

Иными словами, электризация диэлектриков происходит в результате трения двух различных по строению веществ. При этом одна сторона накапливает заряд со знаком минус, вторая с плюсом. Например, при ходьбе по шерстяному ковру, лежащему на полу, голыми ногами шерстяной ковер будет накапливать минусовой заряд, а тело человека плюсовой. При этом напряжение заряда будет составлять несколько тысяч вольт, а ток будет ничтожно мал. Именно из-за малого тока мы либо не ощутим разряд совсем, либо почувствуем его только слегка. Когда мы снимаем с себя синтетическую одежду, то можем услышать легкий треск, напоминающий разряды. Целый день одежда терлась о наше тело – электризовалась, при этом электризовалось и наше тело. Тело получило заряд одного знака, одежда – другого. При разъединении мы слышим характерный треск и ощущаем некоторое покалывание. В темноте можно даже увидеть крошечные молнии. Если мы носим синтетическую шубу, то, прикасаясь к металлическим предметам, ощущаем достаточно сильный электрический разряд. В одежде из хлопка и натуральных волокон этого не происходит. Ученые определили, что для клеток живого организма вредно находиться в заряженном состоянии. Отсюда вывод: несмотря на удобство и относительную дешевизну синтетической одежды, не стоит ею увлекаться.

Статическое электричество оказывает вредное воздействие на организм человека не только при непосредственном контакте с зарядом, но и за счет действия электрического поля, возникающего вокруг заряженных поверхностей. Систематическое воздействие электрических зарядов на человека вызывает головную боль, раздражительность, боли в области сердца. Установлено также, что отрицательно заряженные частицы пыли глубже проникают в дыхательные пути человека, чем незаряженные или заряженные положительно. Поэтому при длительном пребывании людей в сфере действия электрического поля при значительной запыленности воздуха наблюдается резкое увеличение заболеваний дыхательных путей.

 

Электризация через влияние.

Проводник заряжается не только при контакте с заряженным телом, но даже и в том случае, когда оно находится на некотором расстоянии. Явление получило название «электризация через влияние», или «электрическая индукция» (от лат. «индукцио» – наведение, возникновение). Заряды, полученные посредством электрической индукции, называют наведёнными, или индуцированными.

При поднесении к проводнику положительного заряда электроны к нему притягиваются и накапливаются на ближайшем конце проводника. На нём оказывается некоторое количество «избыточных» электронов, и эта часть проводника заряжается отрицательно. На удалённом конце образуется недостаток электронов и, следовательно, избыток положительных ионов: здесь появляется положительный заряд .

При поднесении к проводнику отрицательно заряженного тела электроны накапливаются на удалённом конце, а на ближнем конце получается избыток положительных ионов. После удаления заряда, вызывающего перемещение электронов, они вновь распределяются по проводнику, так что все участки его оказываются по-прежнему не заряженными. Перемещение зарядов по проводнику и их накопление на концах его будет продолжаться до тех пор, пока взаимное притяжение избыточных зарядов на концах проводника не уравновесит те исходящие их тела электрические силы, под влиянием которых происходит перераспределение электронов.

Индуцированные заряды можно закрепить в соответствующих частях тела, «уловить», если в присутствии заряженного тела разделить проводник на части . Итак, электризация индукцией объясняется перераспределением электронов между телами (или частями тела), в результате чего тела (или части тела) заряжаются разноимённо.

Электризация тел в быту.

Электричество может быть нашим хорошим помощником. Но для этого следует досконально знать его особенности и умело использовать их в нужном направлении. В технике применяют различные способы, которые основываются на следующих особенностях. Когда маленькие твёрдые либо жидкие частицы веществ попадают под воздействие электрического поля, то они притягивают ионы и электроны. Происходит накапливание заряда. Их движение продолжается уже под воздействием электрического поля. В зависимости от того, какое использовать оборудование, можно при помощи этого поля осуществлять различное управление движением данных частиц. Всё зависит от процесса. Такая технология стала часто применяться в народном хозяйстве.

 

Электрическое взаимодействие.

Тела, которые действуют на окружающие предметы электрическими силами, мы называем наэлектризованными, или заряженными, и говорим, что в этих телах находятся электрические заряды. Процесс сообщения телу электрического заряда называют электризацией. Физическую величину, называемую электрическим зарядом, обозначают буквой q: q — электрический заряд.

Единица электрического заряда в СИ называется кулоном (1 Кл) в честь французского физика Ш. Кулона (1736—1806). Тело, у которого q ≠ 0, называют заряженным, а тело, у которого q = 0,— нейтральным (незаряженным).

На явлении электрического отталкивания заряженных тел основано устройство электроскопа – прибора для обнаружения электрических зарядов. Когда к электроскопу подносят заряженное тело, заряд по стержню передается лепесткам. Лепестки оказываются заряженными одним зарядом, поэтому они отталкиваются друг от друга. Электрические силы, обуславливающие отклонение лепестков электроскопа, могут быть и больше и меньше, а, следовательно, и заряд на нем может быть больше или меньше. Заряд – это некоторая количественная мера, характеризующая электрические природные явления.

Проводники и диэлектрики.

Электрические заряды могут не только переходить с одного тела на другое, но и перемещаться по телу. Так, например, когда мы заряжаем электроскоп, мы касаемся стеклянной палочкой верхней части металлического стержня. Тем не мене, и нижний конец стержня, и листочек, прикреплённый к этой части стержня, оказываются заряженными; а это значит, что заряды перемещаются вдоль всего стержня. Однако перемещения зарядов по различным телам происходит различно. Вещества, по которым электрические заряды легко перемещаются, мы называем проводниками. Вещества, не обладающие этим свойством, называются изоляторами, или диэлектриками. Хорошими проводниками являются металлы, водные растворы солей и кислот, почва, уголь и многие др. вещества. Хорошей проводимостью обладают также раскалённые газы. Проводником, хотя и не очень хорошим, является также человеческое тело. Если прикоснуться к заряженному электроскопу рукой, он разряжается. Заряд электроскопа через наше тело «уходит в землю». Примерами хороших диэлектриков являются янтарь, фарфор, стекло, эбонит, резина, шёлк и газы при комнатных температурах. Многие твёрдые изоляторы, например, стекло, хорошо изолируют только в сухом воздухе и делаются плохими изоляторами, если влажность воздуха велика. Это объясняется тем, что во влажном воздухе на поверхности изоляторов может образоваться проводящая плёнка воды. Осторожным нагреванием эту плёнку можно удалить, после чего изолирующая способность снова восстанавливается. Когда в каком-либо теле происходит перемещение зарядов, мы говорим, что в теле имеется электрический ток.

Разделение веществ на проводники и диэлектрики условно.Тщательные наблюдения показали, что через диэлектрики (например, стекло) могут проходить электрические заряды. Однако, при одних и тех же условиях через диэлектрики проходит за тот же срок несравненно меньший электрический заряд, чем через проводник тех же размеров и формы. Изолирующие свойства вещества зависят от его состояния и могут сильно изменяться.

 

Электронная теория.

Теория, объясняющая различные электрические свойства тел присутствием в них электронов и их движением, носит название электронной теории. Согласно этой теории, в проводниках имеются свободные электроны, которые могут свободно перемещаться. Поэтому, они хорошие проводники электричества. Внутри изоляторов перемещение электрических частиц от одного места к другому весьма затруднено. В хорошо проводящих растворах, например растворах поваренной соли, легко перемещаются как положительные, так и отрицательные ионы. Явление зарядки и разрядки тел сводится к перераспределению электронов без изменения общего числа их. При соединении заряженного проводника с незаряженным заряд распределяется между обоими телами. Если первое тело заряжено отрицательно, то электроны под действием взаимного отталкивания переходят на второе тело. Если же тело заряжено положительно, то оно притягивает к себе электроны второго тела. В обоих случаях заряд будет уменьшаться на первом теле и увеличиваться на втором до тех пор, пока вновь не наступит равновесие.
 

Соединяя два проводника, в одном из которых не хватает стольких же электронов, сколько их содержится в избытке в другом, мы получим нормальное число электронов в каждом из проводников, т.е. каждый из проводников окажется незаряженным.

 

Электризация трением.
 

Основной причиной явления, которое мы называем «электризацией трением» ,является тот факт, что при тесном соприкосновении двух различных тел часть электронов переходит с одного тела на другое .
 

В результате этого на поверхности первого тела оказывается положительный заряд, а на поверхности второго – отрицательный. Смещение электронов при этом очень мало. Поэтому возникший на границе тел двойной электрический слой ничем не проявляет себя во внешнем пространстве. Но если мы тела раздвинем, то на каждом из них окажется заряд того или иного знака .

 

Говоря о «тесном соприкосновении» двух тел, мы имели в виду такое сближение их, при котором расстояние между частицами разных тел становится примерно таким же, как расстояние между атомами и молекулами одного и того же тела. Только при этих условиях возможен «захват одним телом электронов другого тела и возникновения двойного электрического слоя. Но тела, с которыми мы имеем дело, никогда не бывают идеально гладкими. Поэтому, даже тогда, когда мы прижимаем два тела вплотную друг к другу, действительно тесное соприкосновение их в указанном смысле слова имеет место не на всей поверхности тел, а только в отдельных небольших участках. Когда мы трём тела друг о друга, мы увеличиваем число таких участков тесного соприкосновения, в которых происходит электризация, и тем самым увеличиваем общий заряд, который окажется на каждом из тел, когда мы их раздвинем. Только в этом и заключается роль трения, обычные же силы трения никакого участия в процессе «электризации трением» не играют. «Электризация трением» - это название, имеющее только историческое происхождение. Разделение зарядов и возникновение двойного электрического слоя имеет место при соприкосновении всяких двух различных тел: изоляторов и проводников, твёрдых тел, жидкостей или газов.