электричество, вопросы Опции

[Atos]

Давал тут нам физик на протяжении лекций вопросы, которые онбудет задавать как дополнительные на экзамене(который будет в понедельник 16-го). Каверзные такие.
Вот некоторые из них.

1. Почему при трении тела приобретают статический заряд? (А действительно, почему? )
2. Известно, что внутри заряженной полой сферы поле нулевое. Поэтому человек может безопасно находиться внутри большой металлической сферы с очень большим зарядом. А можно ли дотронуться изнутри до сферы? (Никак не пойму, в чём здесь подвох? имхо, с какой стороны не дотрагивайся, всё рано дёрнет током.)

3. Вот тут я не очень хорошо понял формулировку... Короче, можно ли снаружи (не приближаясь к телу) определить, что перед нами - заряженный шар или заряженная сфера? И, аналогично для гравитационного поля - шар с равномерно распределённой массой или сфера?

4.Почему при последовательном соединении конденсаторов (плюс предыдущего с минусов следующего) противоположные заряды не уничтожают друг друга?

5. Можно ли с помощью трансформатора понизить напряжение батарейки?

Буду признателен за идеи, как на эти вопросы отвечать...

[xds]

1. Почему при трении тела приобретают статический заряд? (А действительно, почему? )

Электризация трением известна весьма давно, но ее механизм стал более или менее понятен только в середине ХХ века. В учебниках по физике он не рассматривается, а жаль – материал простой (теперь, когда разобрались) и красивый. Механизм электризации трением таков. Положительные и отрицательные заряды в теле не уравновешены полностью, каких-то всегда больше, и тело имеет свой собственный заряд. Мы этот заряд не наблюдаем, ибо его компенсируют ионы, которые садятся из воздуха на поверхность тела. Если тело потереть, ионная "шкурка" сдирается, компенсация заряда нарушается, и мы можем его обнаружить.

Т. е., само трение играет вспомогательную роль - более важна разница между собственными зарядами тел.

2. Известно, что внутри заряженной полой сферы поле нулевое. Поэтому человек может безопасно находиться внутри большой металлической сферы с очень большим зарядом. А можно ли дотронуться изнутри до сферы? (Никак не пойму, в чём здесь подвох? имхо, с какой стороны не дотрагивайся, всё рано дёрнет током.)

Заряд распределяется по внешней поверхности сферы, стремясь достигнуть наименьшей плотности. Внутренная поверхность металлической сферы будет иметь заряд, близкий к нейтральному. Поэтому не возникнет существенной разности потенциалов между телом человека (также, относительно нейтрально заряженным) и внутренней поверхностью. Поэтому, изнутри дотронуться можно практически всегда. Кроме того, если заряд на сфере статический или меняется сравнительно медленно, то, постепенно "зарядив" себя через проводник с "достаточным" сопротивлением, можно спокойно прикасаться и снаружи (сопротивление проводника выбирается исходся из начальной раности потенциалов между сферой и телом человека - ток при выравнивании зарядов не должен превышать безопасных для здоровья значений - 10-12 мА).

5. Можно ли с помощью трансформатора понизить напряжение батарейки?

Одним лишь транформатором нельзя, т. к. трансорматор работает по своему прямому назначению (см. далее) только в цепи переменного тока (явление электромагнитной индукции во вторичной обмотке может происходить только при изменяющемся магнитном поле, созданном под действием изменяющегося тока в первичной). Но, поместив между батарейкой и трансформатором электронный генератор переменного напряжения, а после транформатора - выпрямитель и фильтр, можно действительно с помощью трансформатора понижать (или повышать) постоянное напряжение. Такой подход активно используется в современной силовой электронике, т. к. импульсные преобразователи напряжения имеют высокий КПД, в то время как при понижении постоянного напряжения обычным делителем (стабилизатором в т. ч.), все "лишние" вольты превращаются в "бесполезные" джоули тепла. Кстати, блок питания Вашего PC представляет собой именно такой преобразователь: 220 В выпрямляются и фильтруются, от получившихся 300 В постоянного напряжения питается импульсный генератор, нагруженный на трансформатор... ну и далее всё по плану. Каверзный ответ: ещё можно использовать обмотку трансформатора как проволочный резистор - т. е. превратить его в "жадный" делитель напряжения (в этом случае ответ на поставленный вопрос - положительный)

Сообщение отредактировано: xds - 13.01.2006 21:17

[Lapp]

1. Почему при трении тела приобретают статический заряд? (А действительно, почему? )

Этот факт действительно нетривиальный, хотя известен очень давно и изучается в самом начале любого курса эл-ва. Я думаю, что детальное его объяснение невозможно без привлечения зонной теории и, соответственно, квантовой механики. xds, то что ты пишешь не вполне понятно. По сути, это не ответ, ибо возникают другие вопросы, и немало:
- а как тогда появляется тот самый "собственный" заряд, что под пленкой? случайно? а почему стекло всегда заряжается плюсом?
- хорошо, мы сняли пленку и обнажили заряд - почему же пленка сразу (или за некоторое короткое время) не восстанавливается? ведь воздух есть!
- будет ли наблюдаться зарядка трением в вакууме? я думаю, да.
Я должен признаться, что никогда не слышал правильного объяснения - но я и не искал его. Сейчас, немного подумав, я могу высказать следующее соображение. Во время трения тела нагреваются, это известно, можно пощупать. Но это нагрев глобальный, и он небольшой. Его источником является локальный нагрев непосредственно в месте контакта - то есть на неровностях поверхности. Локальный нагрев может достигать очень приличных температур (в неравновесном состоянии понятие температуры не совсем применимо, но я имею в виду резкую локальную закачку энергии). При этом значительная часть электронов может отрываться от оболочек (грубо говоря) и достигать больших значений энергии. Разница в размерах запрещенных зон может приводить к тому, что, одно тело производит больше таких электронов, чем другое. Непосредственный контакт дает возможность обмена электронами. При исчезновении контакта (контакт между микроскопическими неровностями нарушается и восстанавливается миллионы раз за один проход), избыток электронов остается там, где запрещенная зона шире.
Это то, что пришло в голову. Хорошо бы проверить на данных о реальных материалах.. Механизм может быть более сложным, и даже может быть не один. Твой физик мог иметь в виду что-то конкретное, что ты пропустил на занятиях. Спроси у приятелей на всякий случай.

2. Известно, что внутри заряженной полой сферы поле нулевое. Поэтому человек может безопасно находиться внутри большой металлической сферы с очень большим зарядом. А можно ли дотронуться изнутри до сферы?

xds прав. Заряд действительно скопится на поверхности (это ключевые слова) металлической сферы, распределившись по ней равномерно. Вообще, внутри металла никогда (в статике) не бывает электрического поля. Теперь смотрим: поля нет в полости, и поля нет в металле. Значит, ни в полости, ни в металле нету разности потенциалов (напряжения). Значит, можно трогать не только одну точку (один провод в розетке тоже можно трогать, стоя на изолирующей поверхности), но даже и две разных точки одновременно.

3. Вот тут я не очень хорошо понял формулировку... Короче, можно ли снаружи (не приближаясь к телу) определить, что перед нами - заряженный шар или заряженная сфера? И, аналогично для гравитационного поля - шар с равномерно распределённой массой или сфера?

Если указанный заряд фиксированной формы (не меняет расположение под действием внешнего поля), то нельзя. Внешнее поле как сферы, так и равномерно заряженного шара абсолютно одинаково. То же относится и к гравитации. Это обусловлено обратной квадратичностью как закона Ньютона для гравитации, так и закона Кулона. Для доказательства можно привлечь теорему Остроградского-Гаусса и соображения о симметрии.

4.Почему при последовательном соединении конденсаторов (плюс предыдущего с минусов следующего) противоположные заряды не уничтожают друг друга?

Они уничтожают. Полный заряд центрального проводника действительно равен нулю. Но в поле левой обмотки левого кондера и правой обмотки правого (они остаются заряженными) заряды на нем разделяются, и он превращается в подобие диполя. При разрыве центрального проводника заряды останутся каждый на своей обкладке.

5. Можно ли с помощью трансформатора понизить напряжение батарейки?

Нет, нельзя. Я думаю, что соображения xds об импульсном генераторе тут не нужны (хотя они и интересны, respect), так как вопрос (по-моему) подразумевает "с помощью только трасформатора". Можно добавить, что в момент присоединения батарейки во вторичной обмотке действительно возникнет напряжение, которое можно заметить с помощью чувствительного (лучше нецифрового) вольтметра, но о стабильной работе тут речи быть не может. Трансформатор работает только с переменным (обычно синусоидальным) напряжением.

Буду признателен за идеи, как на эти вопросы отвечать...

Хорошие вопросы, спасибо. Решать задачки из задачников все же скучновато. В вопросе на форуме должна быть изюминка - это мое мнение .

[Atos]

Бошльшущее спасибо!! Вы очень помогли сейчас ответами не только мне, но и всей нашей группе - думаю в физике у нас нкто сильно не шарит.
Но насчёт первого вопроса всё равно сомнения. Есть одно возражение - тела всегда(!) при электризации трением приобретают различные по знаку заряды. Поэтому сдиранием ионных оболочек так просто не объясняется. А если этот самый нескомпенсированный заряд у обоих тел положиельный?
А если рассматривать версию о нагревании... получается, что заряд тел в результате трения будет вообще случайным. И, допустим, мы потёрли один раз (получили разные заряды на телах), потом потёрли ещё раз, после чего избыток электронов может хлынуть в обратном направлении, и разности вообще не будет, между тем как на практике чем больше трёшь, тем больше электризация...

[Lapp]

Но насчёт первого вопроса всё равно сомнения. Есть одно возражение - тела всегда(!) при электризации трением приобретают различные по знаку заряды. Поэтому сдиранием ионных оболочек так просто не объясняется. А если этот самый нескомпенсированный заряд у обоих тел положиельный?
А если рассматривать версию о нагревании... получается, что заряд тел в результате трения будет вообще случайным. И, допустим, мы потёрли один раз (получили разные заряды на телах), потом потёрли ещё раз, после чего избыток электронов может хлынуть в обратном направлении, и разности вообще не будет, между тем как на практике чем больше трёшь, тем больше электризация...

Атос, внимательно читай мой ответ. Там все объяснено. Никакого собственного заряда не нужно (ты разве не читал мою критику ответа xds?). Все основывается на зонной теории. Не проходили? По сути, эффект похож на термопару. В месте контакта происходит очень сильный нагрев. То вещество (тело), у которого запрещенная зона шире, будет заряжаться отрицательно, так как менее охотно отдает электроны. Ширина запрещенной зоны - это свойство вещества. И именно поэтому стекло всегда заряжается положительно, если тереть его шерстью. Усек? перечитай первый мой пост..

Кратко можно резюмировать так: вещество отдает электроны из-за нагрева. То вещество, которое крепче держит электроны получает их избыток от другого вещества. То, которое легче - теряет. Способность деожать электроны - она врожденная для каждого вещества.

Сообщение отредактировано: lapp - 14.01.2006 16:27

[Atos]

Ага, теперь вроде стало понятнее.

Я должен признаться, что никогда не слышал правильного объяснения

То есть это твоя версия? Или всё-таки есть учебники, где об этом говорится?

[Lapp]

Ага, теперь вроде стало понятнее. То есть это твоя версия? Или всё-таки есть учебники, где об этом говорится?

моя.

[xds]

один провод в розетке тоже можно трогать, стоя на изолирующей поверхности

Тем не менее, не рекомендуется трогать проводники с более высокими частотами изменения потенциала - ~> 10^4 Гц. С ростом частоты увеличивается излучающая способность тела. 500 В на частоте порядка 10-20 кГц ощущаются очень явно. 20 кВ @ 15 кГц охотно зажигают дугу в отвёртку с ручкой из диэлектрика, лежащую на столе, покрытом листом триплекса толщиной ~5 мм.

[Lapp]

Тем не менее, не рекомендуется трогать проводники с более высокими частотами изменения потенциала - ~> 10^4 Гц. С ростом частоты увеличивается излучающая способность тела. 500 В на частоте порядка 10-20 кГц ощущаются очень явно.

Согласен. Излучение, как известно, пропорционально второй производной по времени. При двойном дифференцировании синусоиды частота вылезает в коэффициент и возводится в квадрат. Тем самым, интенсивность излучения пропорциональна квадрату частоты.

20 кВ @ 15 кГц охотно зажигают дугу в отвёртку с ручкой из диэлектрика, лежащую на столе, покрытом листом триплекса толщиной ~5 мм.

Это личный опыт?

Но все же подчеркну, что я говорил о розетке. О нормальной розетке в стенке, 220V, 50Hz. Впрочем, слабый ток будет и тут. Типа зажечь неонку..

[Lapp]

Как говорится - вдогонку.
Сейчас, закрывая ненужные окна на мониторе, нашел фразу, которую сохранил еще с тех пор, когда работал с этой темой. Фраза совершенно отпадная. Может, это нужно было в юмор поместить - но я, как модератор, прощу себе небольшой флейм (исключительно с целью оживить немного раздел!). Итак, зацените:

В связи с тем, что электрон значительно легче протона при электризации трением тела, как правило, обмениваются именно электронами.

Видали, а?? Нехило было бы - потер два камешка - получил совсем другой элемент! Ну, немножко, наверное, правда, но если это случится золото - то чем не Философский камень? Если кто думает, что я это сам придумал - таки нет, моя терия изложена выше . А это взято отсюда: http://www.aviacosmofond.ru/demo/ph/electric/e3/zar.html - Авиа-Космо-Фонд! Недурственно звучит..

[GoodWind]

http://www.membrana.ru/articles/technic/20.../13/200900.html

[Lapp]

Ты не можешь ничего поделать с окружающей тебя тупостью!

Извини, Гудвин, за неимением текста в твоем посте, я процитировал твою подпись. Она как раз в жилу пришлась .
Возникла идея: да, исправить людскую тупость невозможно - но может, попробовать ее коллекционировать? Почему бы не создать тему со ссылками на Тупости? Такие, настоящие Тупости, с Большой Буквы! Только все же желательно присовокуплять свой комментарий (впрочем, в крайнем случае можно оставить это модератору ).. Я могу начать в любой момент, собственно. Это будет своеобразный юмор (черненький такой ) в разделе Физика! Как вам?..

Сообщение отредактировано: GoodWind - 21.01.2006 12:11

[GoodWind]

Да!!!
сейчас сделаю..



Сделано. Описание темы пока не придумал, в ходе процесса допишем