Электростатическая индукция. Электрофор

Оборудование:

1. электрометры с шариковыми кондукторами – 2 шт.,

2. палочки: эбонитовая, стеклянная и металлическая на изолирующей ручке,

3. куски меха, кожи и кусковой резины,

4. конденсатор разборный (электрофор),

5. разрядник на изолирующей ручке,

6. пружина от ведерка Архимеда,

7. штатив универсальный.

Задача данного опыта состоит в том, чтобы напомнить учащимся явление электростатической индукции, т.е. показать способ разделения электрических зарядов в проводнике путем внесения его в электрическое поле, и научить школьников применять это явление для определения знака неизвестного заряда. Такое определение часто требуется в других опытах.

Сначала показывают, как поднесение наэлектризованной палочки к незаряженному электрометру вызывает постепенное отклонение стрелки; при этом, чем ближе наэлектризованное тело, тем больше показания электрометра. Удаляют влияющий заряд и наблюдают нейтрализацию зарядов на электрометре.

После этого заряжают электрометр прикосновением, например, от палочки из органического стекла так, чтоб угол отклонения стрелки был небольшим. Затем электризуют эту палочку и палочку эбонитовую и снова поочередно приближают их к электрометру, не касаясь его. При этом наблюдают, что от стеклянной палочки угол отклонения стрелки электрометра увеличивается, а от эбонитовой уменьшается. Опыт повторяют, поменяв знак заряда электрометра. Таким образом, раскрывают способ определения знака заряда.

Весьма важно показать, что при небольшой величине заряда на электрометре и хорошо заряженном противоположным знаком влияющем теле стрелка электрометра ведет себя иначе: сначала полностью опадает, а затем снова отклоняется. Это обстоятельство необходимо учитывать при определении знака неизвестного заряда. Чтобы избежать ошибки надо испытуемое тело подносить к электрометру медленно и издалека, следя за поведением стрелки электрометра в первый момент.

Применяя описанный способ определения знака заряда, можно показать одновременную электризацию обоих тел при трении. Для этого берут металлическую трубку за изолирующую ручку и 2-3 раза ударяют ею по куску резины. Затем прикасаются трубкой к одному электрометру, а резиной – к другому. Полученные таким образом заряды на электрометрах исследуют, как было описано выше, и убеждаются, что они противоположны по знаку.

Подобные испытания дали следующие результаты:

Чтобы продемонстрировать явление электростатической индукции, устанавливают на столе два незаряженных электрометра и соединяют их проводником. Затем к одному из них подносят хорошо наэлектризованную палочку. Стрелки электрометров отклоняются на одинаковый угол. За изолирующую ручку снимают проводник, после чего удаляют палочку. Оба электрометра оказываются заряженными.

При исследовании знаков их зарядов получается, что электрометр, расположенный ближе к влияющей палочке, зарядился противоположно ей по знаку, а электрометр удаленный – одинаково с зарядом палочки. Если теперь соединить электрометры проводником, то происходит полная нейтрализация зарядов.

Опыт можно провести с одним электрометром. Для этого к шару незаряженного электрометра подносят заряженную палочку. Стрелка электрометра отклоняется. Прикасаются к шару пальцем. Стрелка опадает. Отнимают от этого шара палец и после этого удаляют палочку. Стрелка электрометра отклоняется, показывая присутствие заряда.

Явление электростатической индукции можно использовать для многократного разделения зарядов при помощи электрофора. Прибор собирают из двух пластин: одна из диэлектрика (эбонит или органическое стекло), другая – в виде металлического диска с изолирующей ручкой.

Положив пластину на демонстрационный стол, тщательно электризуют ее куском меха или бумаги. Затем кладут на пластину диск, на поверхности которого, обращенной к пластине, по индукции наводится противоположный заряд.

Не снимая диска, касаются рукой его верхней поверхности и тем самым нейтрализуют одноименный заряд. Убрав руку, снимают за изолирующую ручку диск, который оказывается заряженным через влияние.

Заряд на диске можно обнаружить по искре, которая со слабым треском проскакивает при поднесении к диску пальца. Искра достаточно заметна в хорошо затемненном классе. Можно воспользоваться и неоновой лампой или небольшой газоразрядной трубкой, которая довольно ярко вспыхивает, если один из выводов держать в руке, а другим коснуться диска.

Действие электрофора можно усилить, если под пластину диэлектрика на стол положить металлический лист.

При объяснении действия электрофора необходимо показать наличие взаимодействия зарядов и сохранение величины первичного заряда.

С этой целью подвешивают на пружине от ведерка Архимеда диск электрофора над изолирующей пластиной на расстоянии приблизительно 4-5 см. Электризуют изолирующую пластину и опускают на нее диск. Обращают внимание учащихся, что диск под действием пружины поднимается обратно. После этого снова опускают диск на пластину и прикосновением руки снимают одноименные заряды: диск остается притянутым к пластине.

Объясняют, что диск удерживает электрическая сила взаимного притяжения между разноименными зарядами пластины и диска. Чтобы снять диск, необходимо совершить работу, за счет которой происходит разделение электрических зарядов.

Постоянство первичного заряда показывают при помощи электрометра, на котором устанавливают один из дисков разборного конденсатора. Сверху на диск кладут три небольших кусочка стекла или другого изолятора. Заряжают диск и замечают угол отклонения стрелки электрометра. Затем на изоляторы помещают второй металлический диск. Прикосновением руки снимают одноименный заряд с верхнего диска: стрелка электрометра при этом устанавливается на нуль. Поднимают диск с электрометра, стрелка возвращается к прежнему делению шкалы. Заряд с диска передают другому электрометру.

Опыт повторяют еще несколько раз и убеждаются, что величина первичного влияющего заряда контролируемого стрелкой электрометра, остается постоянной, а заряд на втором электрометре увеличивается.