Автор мастер-класса: Яна Надольская
Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь чему учиться.
Леонардо Да Винчи
Вы, конечно, каждый день сталкиваетесь с электричеством. Без электрического света и разнообразных приборов невозможна жизнь современного человека. А знаете ли вы, что такое электричество? Как возникает электрический ток? Почему металл приобретает свойства магнита? Как можно самому изготовить электродвигатель? И чем можно измерить электрический ток?
На эти и многие другие вопросы вы легко ответите, участвуя в программе «Занимательная наука».
Электричество – это название большого количества явлений, которые, в той или другой форме, лежат в основе всего, что находится вокруг вас. Это и удар молнии, зажигающий огонь, и любые вещества, состоящие из атомов и молекул, да и все ваше тело работает на электричестве: искривленные живые электрические кабели уходят в глубины вашего мозга, а внутри клеток существуют интенсивные электрические и магнитные поля. Существование электричества также очевидно во многих устройствах от микроволновой печи до компьютера. В наше технологическое время важно понимать основы электричества и как эти основные идеи используются для поддержания нашего комфорта, безопасности и процветания.
Какие же они – опыты с электричеством? Интересные, разнообразные, а иногда и неожиданные. В этой статье мы расскажем о некоторых из них. Опыты в статье специально подобраны так, чтобы вы могли провести некоторые из них прямо сейчас, не используя дополнительного оборудования.
1. Электризация тел: все можно зарядить!
Вы наверняка расчесывали пластмассовой расческой только что просохшие после мытья волосы и слышали легкое потрескивание, а если проделаете этот опыт в темноте перед зеркалом, то увидите, как между волосами и расческой проскакивают небольшие искорки. Это интересное явление люди заметили давно. Впервые его описал древнегреческий философ Фалес Милетский, живший в VI веке до н. э.. Древние ткачи заметили удивительную особенность янтаря – янтарное веретено для пряжи, если его потереть о шерсть, притягивает пушинки и мелкие предметы. Древние считали, что это действует особый «дух».
«Янтарь» — по-гречески «электрон». От этого слова и произошло название «электричество». Позднее выяснилось, что таким свойством обладает не только янтарь, но и стекло, сера, смола, пробка, шелк и многие другие вещества.
Убедитесь в этом сами. Потрите шариковую ручку (либо расческу) о лист бумаги или о тонкую полиэтиленовую пленку. Тела станут прилипать друг к другу. Это взаимодействие называется электростатическим*, а ручка стала наэлектризованной. Электризуются сразу два тела: лист бумаги (или полиэтиленовая пленка) и ручка. Электростатическое взаимодействие объясняется перераспределением электрических зарядов.
На рисунке 2 показан эксперимент, где хорошо наэлектризованная стеклянная палочка поднимает листочек бумаги, размером 7×5 сантиметров. Интересные эксперименты можно провести с обрезками ниток, кусочками тканей, полиэтилена, пластика. Как вы думаете, что общего у этих материалов?
* Раздел физики, исследующий электричество в состоянии покоя называется электростатикой. Электростатика изучает электрические заряды, силы, возникающие между ними и удивительные поля, которые окружают их.
2. Два вида электричества
От пластикового кармана (файла) отрежьте две полоски шириной 1 см и длиной примерно 20 см. Положите их рядом на стол и, придерживая рукой, несколько раз проведите по ним чистым листом бумаги. Возьмите в одну руку полоску, а в другую бумагу. Сблизьте их. Полоска из пленки начнет изгибаться в сторону бумаги, что говорит о том, что пленка и бумага наэлектризованы и имеют различные заряды. Бумажный лист отложите в сторону и возьмите вторую полиэтиленовую полоску. Попробуйте сблизить их. Что у вас получается? Полоски отталкиваются в противоположные стороны. Как вы можете это объяснить?
3. Электризация фольги
Оторвите от листа фольги небольшие кусочки, то есть металлические проводники. Легкие кусочки фольги будут подскакивать, ударяться о заряженную пластиковую ручку и резко отлетать от нее. Это происходит потому, что при соприкосновении с наэлектризованным предметом фольга, способная проводить заряженные частицы, заряжается тем же зарядом. Одноименно заряженные тела отталкиваются, что вы и наблюдаете.
Электрическая природа материи. Атом
Вы узнали о первых опытах и сразу заглянули в электрическую природу материи. Поверхностному взгляду она не показывает своего электричества; оно маскируется тем, что отрицательные и положительные заряды в веществе обычно точно уравновешивают друг друга, и мы не можем обнаружить никакого избыточного заряда. Очевидно, два безусловно электрических явления в природе — это молния и электризация трением. Почему же они существуют? Разгадка в том, что вещество состоит не просто из более ста разновидностей очень маленьких отдельных частичек-атомов – милых, круглых и неделимых (так думали о них ученые Древней Греции). Вселенная оказалась сложнее – атомы имеют внутреннюю структуру (это открытие сделал известный английский физик Эрнст Резерфорд) и состоят из элементарных (простейших) частиц.
Резерфорд исследовал строение атома, бомбардируя различные атомы быстро движущимися крохотными снарядами, известными под названием альфа-частицы, испускаемыми при распаде радиоактивных элементов. Наблюдая за отклонением (рассеянием) снарядов после прохождения кусочка материи (листочка фольги), Резерфорд пришел к выводу, что все атомы должны обладать очень плотной положительно заряженной сердцевиной (атомным ядром), окруженной разреженным отрицательно заряженным облаком (атомной атмосферой).
Экспериментально установлено, что атомное ядро состоит из определенного числа протонов и нейтронов, известных под собирательным названием нуклоны. Они тесно связаны между собой ядерными силами сцепления. Атомная атмосфера состоит из различного числа отрицательно заряженных электронов, которые роем окружают атомное ядро под действием электростатического притяжения его положительного заряда. Число электронов, образующих атомную атмосферу, определяет все физические и химические свойства атома.
Рис. 3. Схема атома гелия. Атом гелия имеет центральное ядро, состоящее из двух положительно заряженных протонов и двух нейтронов. Вокруг ядра обращаются два электрона, их заряд обозначен знаком «-», он отрицательный.
Существование и взаимодействие элементарных частиц и порождает электрические явления, которые мы с вами изучаем. Когда мы говорим, что электроны и протоны электрически заряжены, то это означает, что они способны к взаимодействиям определенного типа (электромагнитным) и ничего более. Отсутствие заряда у частицы означает, что подобных взаимодействий она не обнаруживает. Любое вещество состоит из электрически заряженных частиц — подвижных отрицательных электронов и центров атомов, несущих положительные заряды. Отрицательный заряд электронов в веществе уравновешен равным количеством положительного.
4. «Электрический» компас
Можно ли увидеть электрическое поле? Оказывается, да! Для этого используют стрелку-индикатор. Находясь рядом с заряженным предметом, стрелка отреагирует на него. На рисунке 4 вы видите обернутый фольгой шар, который установлен на подставку и заряжен. Что будет с легкой подвижной стрелкой, если ее аккуратно перемещать вокруг шара? Оказывается, стрелка все время ориентируется по радиусу шара! Так как на поверхности шара присутствует, например, положительный заряд, свободные электроны стрелки притягиваются им. Это и обнаруживается, при передвижении стрелки.
Делая подобные эксперименты, обнаруживающие наличие электрического поля у заряженного предмета, физики придумали изображать поле с помощью электрических силовых линий. Эти линии (рис.5) показывают, каким будет направление движения маленького положительного заряда, помещенного в поле заряженного предмета. На рисунке вы видите силовые линии двух заряженных шариков, положительного и отрицательного. Именно вдоль этих важных, но не существующих линий выстраивается стрелка индикатор возле заряженной сферы.
5. Карусель
Установите на подставку длинную линейку (деревянную или пластмассовую). Подставкой может служить обычная перегоревшая лампочка в маленьком стакане. Наэлектризуйте стеклянную палочку (+q) и поднесите её к уравновешенной на опоре линейке. Линейка поворачивается и притягивается к палочке? Это происходит потому, что молекулы дерева или пластика под действием электрического поля заряженной палочки поляризуются. И в целом нейтральная молекула превращается в диполь (от греческого di — приставка, означающая дважды, двойной, и polos — полюс) — нейтральную систему из двух точечных и равных по величине, положительного и отрицательного, электрических зарядов. Таким образом, линейка приобретает отрицательный заряд вблизи положительно заряженной палочки, а на противоположном ребре в целом нейтральной (незаряженной) линейки появляется положительный заряд. Сила отталкивания или притяжения, с которой один заряд действует на другой, направлена вдоль прямой, соединяющей оба заряда, и уменьшается с увеличением расстояния между ними*. Именно благодаря разности расстояний между палочкой и заряженными краями линейки вы и получили простую электростатическую «карусель».
* Спустя столетие после того, как Ньютон открыл закон всемирного тяготения, французский физик Кулон исследовал экспериментальным путем силу взаимодействия между зарядами и показал, что она так же, как и сила тяготения, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.
Для этого опыта вместо стеклянной палочки вы можете использовать пластиковую шариковую ручку.
6. Опыт с электроскопом
Электроскопом (от греческого skopeo — смотрю) называется удобный прибор для обнаружения зарядов малой величины. Этот прибор также показывает относительную величину заряда. Работа электроскопа основана на отталкивании одноименно заряженных предметов. Если коснуться заряженной палочкой шарика электроскопа – его листочки разойдутся и останутся в этом положении (рис.9). Это означает, что вы передали заряд листочкам. Если снова наэлектризовать палочку и опять дотронуться до электроскопа – его листочки отклонятся на больший угол, потому что заряд на электроскопе увеличился (рис.10).
7. Электроскоп демонстрирует индукцию
Если поднести к электроскопу заряженную палочку, как на рисунке 11, лепестки электроскопа разойдутся. Значит, они оказались одинаково заряженными. Если убрать палочку – они снова сойдутся.
В этом эксперименте проводник (шарик, проволока и лепестки вместе) металлический, а заряд на теле (палочке) — положительный. В проводнике возникнет электрическое поле, и свободные электроны, двигаясь против поля, будут собираться в ближайшей к заряженному телу области проводника. Следовательно, эта область приобретет отрицательный заряд, а область, наиболее удаленная от заряженного тела (лепестки),— положительный заряд. Это явление и называется электростатической индукцией.
При электростатической индукции в проводнике происходит перераспределение зарядов, значит, в нем возникает кратковременный электрический ток.
8. Электроскоп обнаруживает знак заряда
Электростатическая индукция позволяет применять электроскоп для обнаружения присутствия заряда без перенесения заряда на электроскоп. Можно даже определить знак заряда. Для этого нужно зарядить электроскоп положительно с помощью стеклянной палочки. Затем приблизить неизвестный исследуемый заряд (например, потерев шариковую ручку об одежду) к шарику электроскопа. Если заряд положителен, то к нему переместятся свободные электроны заряженного электроскопа, что наведет на шарике отрицательный заряд и таким образом увеличит положительный заряд на лепестках. Вследствие этого они разойдутся еще больше. Если, наоборот, неизвестный заряд отрицателен, то индукция произведет обратное действие. Положительный заряд на лепестках уменьшится и они сблизятся. С помощью этого метода можно узнать, заряды какого знака появляются на разных предметах при трении.
9. Жидкие и газообразные проводники
Вы уже знаете, как с помощью трения наэлектризовать непроводящие вещества – пластик или стекло. Такие вещества называют диэлектриками или изоляторами. Заряд не перемещается в диэлектриках, а остается там, где появился. Иначе все происходит в проводниках: электроны могут перемещаться в них свободно.
Если на расстоянии 20–30 см от заряженных полиэтиленовых лепестков зажечь пламя свечи, можно увидеть, что они сближаются. Это говорит о потере заряда и объясняется тем, что в пламени при высокой температуре появляются свободные носители заряда: отрицательные электроны и положительные ионы. Именно они, оседая на полоске, нейтрализуют ее заряд.
Есть ли способ защиты от такого воздействия? Оказывается, можно экранировать пламя с помощью проволочной сетки— и полоски бумаги не сблизятся (рис. 12).
10. Электризация жидкости
Представьте себе сосуд с водой, из которого через небольшое отверстие вытекает вода — каплями или струйкой, дробящейся на капли. Так вот оказывается, что в присутствии электрического поля вытекающие капли становятся заряженными. При этом в сосуде накапливается заряд противоположного знака, который препятствует уносу индуцированного на каплях заряда. Интересно, что, начиная с некоторого момента, капли становятся нейтральными, а заряд сосуда перестает расти. Впервые это явление обнаружил и исследовал знаменитый физик девятнадцатого века У.Томсон (лорд Кельвин). Он заметил также, что если воду заземлить, то есть дать возможность накапливающимся зарядам уходить из сосуда, то зарядка капель не прекращается и устройство становится генератором заряженных капель.
На рисунке 13 показан похожий эксперимент по электризации жидкости. К вытекающей струе поднесли наэлектризованную палочку. Вы видите, что струя притягиваются к палочке. Следовательно, жидкости также электризуются. Электризация горючих жидкостей из-за трения при их перевозке опасна, поэтому топливные баки заземляют.
Подумайте, удастся ли этот эксперимент с совершенно чистой водой, в которой нет растворенной соли?
11. Две гильзы
Интересные электростатические эксперименты можно провести с легкими гильзами из фольги. На рисунке 14 вы видите подвешенные на стойке на небольшом расстоянии друг от друга заряженные гильзы. Между гильзами поместили палочку, имеющую тот же знак заряда. Перемещая палочку можно добиться того, что гильзы будут ее сопровождать. В этом эксперименте участвуют одинаково заряженные тела (их три), отталкивающиеся друг от друга.
12. Электрический шарик
Вы можете провести забавные эксперименты с надутым воздушным шариком. Наэлектризуйте шарик, потерев его о волосы. Приподнимая шарик над головой, вы почувствуете, как за ним тянутся волосы. Проверьте, как прилипают к наэлектризованному шарику мелкие предметы: бумажки, нитки, металлическая фольга и прочее. Эффект получается больше, чем от наэлектризованной палочки. Если вы будете проводить опыт с сахарным песком, солью, мукой, то шарик покроется «снегом».
Наэлектризованный шарик прислоните к вертикальной стенке или к потолку – он будет долго висеть в таком положении.
13. Когда вода становится проводником
Когда говорят об электрическом токе, чаще всего представляют, что свободные электроны движутся в металле (проводнике) под действием электрического поля. Проводят ток не только металлы. Можно узнать, как другие вещества проводят электрический ток. Для этого собирают электрическую цепь так, как показано на рисунке 16. В кювету наливают обычной воды столько, чтобы электроды были почти полностью в нее погружены. Если коснуться электродами друг друга — лампочка в момент касания вспыхивает. Если слегка раздвинуть их, лампа погаснет. Это говорит о том, что чистая вода не проводит электрический ток, то есть является изолятором.
В ходе эксперимента постепенно с помощью шприца между электродами добавляют раствор соли. Через некоторое время лампочка начинает гореть сначала слабо, потом все сильнее и сильнее. Эксперимент говорит о том, что ток возникает, если в воде есть соль. Это происходит потому, что соль – кристаллическое вещество и имеет ионную структуру. Молекулы соли (NaС1) в растворе распадаются на положительно заряженные ионы натрия (Na+) и отрицательно заряженные ионы хлора (С1-). Физики называют такие вещества электролитами. Электролиты (соли и кислоты) — проводники, которые в растворе состоят из ионов и поэтому могут проводить электрический ток. На рисунке 17 вы видите модель кристалла соли – атомы хлора и натрия сгруппированы в повторяющуюся структуру, в которой каждый атом окружен шестью атомами другого рода.
Можно также испытать на проводимость предметы, находящиеся в наборе, а также металлы, пластмассы, растворы различных веществ.
14. Электромагнит
Перед вами интересный эксперимент по электромагнетизму. На стальной винт намотали 50 витков медного провода. Пока по проводу не идет ток, никаких магнитных свойств катушка с сердечником (витки провода на винте) не проявляет.
Посмотрите на рисунке 18: как только по цепи пошел ток, катушка с сердечником превратилась в магнит! Точнее, электромагнит: ведь притяжение заметно проявляется только при протекании по катушке электрического тока. Если изменить направление тока в катушке (поменяв местами штекеры блока питания), то изменятся и полюсы электромагнита: северный полюс станет южным, а южный — северным. Магнитная стрелка компаса сразу обнаружит и отметит это изменение. Силу притяжения электромагнита можно увеличить, придав его сердечнику форму буквы П.
Электромагниты широко используются в технике. На заводах и фабриках подъемные краны с мощными электромагнитами применяют для переноски тяжелых железных грузов. Они поднимают многотонные слитки, собирают мелкую стружку лучше самого искусного дворника. И при этом очень удобны в обращении: включил ток — магнит крепко схватывает груз, выключил ток — и он послушно выпускает груз там, где нужно. В электротехнике для замыкания контактов различных реле также используются электромагниты.
Интересно, что железный предмет сохраняет магнитные свойства даже после отключения электрического тока, правда, они гораздо слабее. Это в большей степени зависит от свойств сердечника. Обычно искусственные магниты намагничивают, помещая их в сильное магнитное поле.
15. Чем измерить ток?
Одним из важных открытий в физике оказалось обнаружение тесной связи магнетизма с электричеством. На такую связь впервые указал датский ученый Ганс Христиан Эрстед в начале XIX века. Он установил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. А ток, текущий по круговой или спиральной проволоке, действует точно так же, как магнит, и создает магнитную силу.
При изменении тока в проводнике стрелка регистрирует изменение магнитного поля вокруг него. Значит, по величине ее отклонения мы можем измерять ток в проводнике. Чтобы сделать прибор более чувствительным, нужно усилить магнитное поле вокруг проводника. Для этого складывают много проводов с током, протекающим в одном направлении. Проще всего это сделать с помощью катушки.
На рисунке 19 вы видите катушку, последовательно включенную в собранную электрическую цепь. Путем сдвигания электродов в ней установлен максимальный ток. С помощью компаса можно исследовать магнитное поле вокруг катушки с током. В результате выяснится, что максимальное воздействие на магнитную стрелку оказывается в центре катушки, сюда мы ее и поместим.
Если уменьшить ток в цепи, медленно раздвигая электроды, лампочка перестанет гореть, а стрелка компаса продолжит отклоняться от исходного положения. При изменении полярности подключения батареи, стрелка отклонится в другую сторону.
Таким образом, мы получили прибор, регистрирующий величину электрического тока. Такой прибор называется гальванометром. Он гораздо лучше приспособлен к измерению тока, чем лампочка: во-первых, он чувствует слабые токи, во-вторых, позволяет определить направление (полярность) тока и, в-третьих, по отклонению стрелки может измерять величину протекающего тока (силу тока).
16. Сделаем батарею
Рассмотрим несколько вариантов полезных применений гальванометра. На рисунке 21 вы видите кювету, в которую налили немного сладкой газированной воды. В кювету опускают электроды и внимательно наблюдают за поведением стрелки гальванометра.
Почему стрелка начинает отклоняться в сторону? Конечно, в цепи появился электрический ток, и источником его стала химическая реакция взаимодействия газированной воды с электродами.
Мы получили настоящий гальванический элемент (батарейку)! К сожалению, ток, который он дает, очень слаб, но первый элемент, изобретенный Алессандро Вольта почти двести лет назад, был именно таким. Правда, тогда не было газировки, и ученый использовал для опытов кислоту.
Гальванический элемент можно сделать и из обычного лимона. Для этого необходимо воткнуть в него электроды и подключить их к гальванометру (рис. 22). Действительно, в лимоне присутствует кислота, которая взаимодействует с медной и цинковой пластинами. При этом цинковая пластина разъедается ржавчиной и получает отрицательный заряд, на медной пластине выделяется водород, и она заряжается положительно. Отклонение стрелки гальванометра свидетельствует о появлении электрического тока.
17. Моторчик из батарейки
Вы уже знаете, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Кольцо с током имеет северный и южный магнитные полюса. На этом принципе можно изготовить интересный моторчик. Отрежьте 15 сантиметров жесткой проволоки и зачистите шкуркой центральную ее часть и концы. Согните проволоку так, как показано на рисунке 23. Положите на стол круглый магнит, поставьте на него батарейку, а сверху повесьте замыкающую контакты проволоку. Легко подтолкните проволоку. Моторчик действует! Можно придумать и другие варианты проволочной рамки, но главное, чтобы она соединяла контакты батарейки. Подумайте, сколько кольцевых токов в этой модели?
18. Магнитная мешалка
Очень интересным может оказаться использование двигателя для перемешивания жидкости в кювете. В этом опыте нужно связать вращающийся в воде элемент (кусочек магнитной резины) с двигателем, на который наклеен магнит через магнитное поле. После нескольких попыток удается заставить кусочек магнита вращаться в воде (рис. 25, 26). По этому принципу работает магнитная мешалка, которая используется в химических лабораториях для размешивания различных едких веществ, при контакте с которыми металл бы разрушился.
19. Волны на поверхности
Очень легко получить волны на поверхности воды. Для этого делают поплавок из пенки и приклеивают к нему кусочек магнитной полосы. На вращающийся диск двигателя также прикрепляют кусочек магнитной полосы. Располагая поплавок у края кюветы, включают двигатель с магнитной насадкой и добиваются того, чтобы поплавок колебался на поверхности воды в кювете, образовывая волны.
Поворачивая регулятор (меняя сопротивление цепи), можно регулировать скорость вращения вала двигателя и частоту колебаний поплавка. При этом изменяется количество волн, укладывающихся по всей длине кюветы, то есть с изменением частоты изменяется и длина волны.
20. Грузик на нити
Интересный опыт можно провести с нитью и электромотором. Моторчик подсоединяют к блоку питания через переменное сопротивление. Держа мотор со свисающей нитью в руке, плавно увеличивают скорость вращения вала. Нить отклоняется от вертикали и выгибается, при этом она вращается. Можно подобрать такую скорость вращения, чтобы получилась устойчивая фигура вращения (рис. 29). Может получиться фигура с одним, двумя, тремя и больше утолщениями. Это так называемая стоячая волна.
21. Как сбалансировать колесо у машины
Присмотритесь внимательно к колесам стоящего автомобиля. Вы увидите небольшие грузы, прикрепленные к дискам колес. Для чего они нужны?
Чтобы ответить на этот вопрос, можно проделать следующий эксперимент. На валу двигателя закрепляют прозрачный диск и подключают его через переменное сопротивление к блоку питания. Отрезают от магнитной полосы два одинаковых кусочка длиной 5 мм каждый. Один из них крепко приклеивают к краю диска и плавно увеличивают скорость вращения диска.
В результате подставка вместе с двигателем начинает вибрировать и подпрыгивать. Причиной этого стало несовпадение центра тяжести диска и его оси вращения. Чтобы устранить этот эффект, необходимо наклеить точно такой же грузик симметрично оси вращения. В этом случае центр тяжести будет располагаться в центре диска. Вибрация должна исчезнуть. Теперь становится понятным, для чего к диску колеса прикрепляются грузики — без него колесо прыгало бы даже на ровной дороге.
Мы рассказали вам всего лишь о нескольких экспериментах. А есть и другие. Участвуя в первой части программы «Занимательная наука» вы получите навыки экспериментирования и построения электрических цепей, проведете опыты с резисторами, конденсаторами и диодами, также узнаете много нового о свойствах жидкостей и на практике познакомитесь с теорией строения вещества.
Вы можете познакомиться с автором этого мастер-класса, Яной Надольской, пригласив ее для проведения курса Детская образовательная программа «Занимательная наука»