Електростатичний ефект вістря

Схема досліду

За допомогою цього досліду учні мають з'ясувати, як під час грози виникає блискавка і чому підвищення на місцевості, як-от висотні будинки, наражаються на більший ризик удару блискавки.

У досліді вони моделюють електричне поле між грозовою хмарою і земною поверхнею двома паралельними стрижневими електродами, причому один з електродів має вістря. Це вістря змінює однорідне електричне поле так само, як це робив би висотний будинок у полі між грозовою хмарою і земною поверхнею.

Попередні знання

Принцип

Перед виконанням досліду учні мають бути обізнані з еквіпотенціальними лініями та картиною силових ліній. Їм має бути відомо, що електрична напруга відповідає різниці потенціалів між двома точками електричного поля і що таке поле виникає при подаванні напруги між двома електродами. Крім того, має бути зрозуміло, що електричне поле в кожній точці діє силою Fна заряджені частинки, яка за другим законом Ньютона (F = m · a) спричиняє прискорення aчастинки (маса m).

Подавання електричної напруги на два електроди (анод, катод) створює електричне поле, яке діє електричною силою на заряджені пробні тіла. Це поле виявляється у вигляді різних потенціальних рівнів, які можна зробити видимими.

Навчальна мета

На основі досліду учні мають зрозуміти, що поверхня провідника впливає на напруженість електричного поля.

Завдання

1. Виміряй розподіл потенціалу електричного поля і визнач хід силових ліній.
2. Поспостерігай, як змінюється електричне поле поблизу вістря, і зроби з цього висновки щодо ситуації під час грози.

Електричне поле - це фізичне поле, яке діє на електричні заряди кулонівською силою. Як векторне поле воно через просторовий розподіл напруженості електричного поля описує значення й напрям цієї сили для кожної точки простору.

Електричні поля створюються електричними зарядами і змінами магнітних полів у часі. Властивості електричного поля разом із властивостями магнітного поля описують рівняння Максвелла.

Щоб уявити собі схему досліду, розглянь рис. 1.

Для підготовки цього досліду дій так:

• Постав обидва універсальні тримачі на перфоровану плиту так, щоб полікарбонатна пластина якраз уміщалася між ними (рис. 2).

Рис. 1

Рис. 2

• Повністю викрути гвинти з обох тримачів, а потім прикрути ними тримач електродів до тримачів (рис. 3-4).
• Відріж шматок копіювального паперу розміром 130 мм x 100 мм і поклади його на полікарбонатну пластину (рис. 5-6).

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

• Поклади обидва стрижневі електроди паралельно один до одного під зовнішні гвинти з накаткою. Паз на одному з двох електродів має бути спрямований усередину. Всунь загострений електрод у паз (рис. 7-8).
• Рівномірно притисни і стрижневий електрод, і загострений електрод, закрутивши всі три гвинти з накаткою (рис. 8).

Рис. 7

Рис. 8

• Потім обведи контури електродів на копіювальному папері, трохи відпусти гвинти з накаткою і ще раз витягни копіювальний папір (рис. 9).
• Ретельно зафарбуй позначені ділянки м'яким олівцем (рис. 10). Завдяки графіту олівця між електродами й копіювальним папером створюється кращий контакт, тож при подаванні напруги на електроди у провідному копіювальному папері поширюється вимірне електричне поле.

Рис. 9

Рис. 10

• Посунь копіювальний папір назад у початкове положення, знову постав електроди на зафарбовані тепер ділянки і притисни їх гвинтами з накаткою до копіювального паперу (рис. 8).
• З'єднай стрижневі електроди з виходами блока живлення (рис. 12). Електрод із вістрям при цьому має бути під потенціалом 0 В.

Рис. 11

• З'єднай цифровий мультиметр і з виходом (0 В) блока живлення, і зі спицею (рис. 11-12).
• Щойно на копіювальному папері є електричне поле і спиця торкається паперу, прилад вимірює напругу між точкою дотику і під'єднаним виходом блока живлення. Якщо на цьому виході 0 В, то виміряна напруга дорівнює потенціалу в точці дотику.
• Нагадування: електрична напруга дорівнює різниці потенціалів між двома точками.

Рис. 12

• Увімкни блок живлення і встанови постійну напругу 10 В. Приклади вістря спиці до обох електродів і перевір, чи їхні значення потенціалу становлять 0 В і 10 В відповідно (рис. 13-14).
• Якщо буде потрібно, зміни встановлену постійну напругу на блоці живлення.

Рис. 13

Рис. 14

• Для різних значень потенціалу знайди на копіювальному папері по вісім точок, які мають це значення потенціалу. Для цього обмацуй копіювальний папір вістрям спиці й познач точки олівцем (рис. 15). Почни зі значення потенціалу 1 В і далі рухайся кроками по 1 В.
• Після завершення вимірювання відпусти гвинти й витягни копіювальний папір.

Рис. 15