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...

[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 .