Разделы 
Дополнительно
Задача по физике - 5525
2017-12-02 
«Устройство для получения электричества из воды».
Из резервуара с водой выходят две трубки, из которых сквозь металлические кольца (расположенные около мест образования капель) капает вода. Капли попадают в металлические сосуды, каждый сосуд соединён проводом с кольцом, сквозь которое вода капает в другой сосуд. Других электрических соединений в устройстве нет (сосуды изолированы друг от друга и резервуара с водой). В процессе капания воды металлические сосуды приобретают разноимённые электрические заряды. Объясните, как и почему такое устройство работает.
Решение:
Сразу отметим, что устройство, собранное по приведённой в условии схеме, будет работать совсем не обязательно (к большому сожалению собирающих).
Кроме того, нереально придумать объяснение, подходящее ко всем работающим устройствам: для этого пришлось бы учесть все возможные детали конструкции каждого конкретного устройства и внешние условия, в которых оно находится.
Поэтому поступим так: сначала приведём простое, но очень поверхностное и неточное объяснение, а затем — наиболее интересные и не слишком сложные уточнения и разъяснения.
Простое объяснение. Пусть правая (на рисунке) банка и, соответственно, левое металлическое кольцо (соединённое с банкой проводником) имеют положительный электрический заряд, а левая банка и правое кольцо — отрицательный электрический заряд. (В том, как эти заряды возникли, мы пока разбираться не будем).
Вода — проводник, в ней находятся электрические заряды (положительные и отрицательные), которые могут перемещаться в пределах занимаемого водой объёма (но не могут этот объём покинуть, так как он ограничен изолирующими стенками сосуда и воздухом, который тоже плохо проводит электричество).
Под действием электростатических сил положительные заряды притягиваются к левому кольцу (и, соответственно, собираются в воде, находящейся около конца правой трубки), а отрицательные заряды по аналогичной причине располагаются около конца левой трубки. Явление перераспределения зарядов в проводнике в результате взаимодействия с другими заряженными телами называется поляризацией.
В результате капли воды, капающие из правой трубки, оказываются заряженными положительно, а капающие из левой трубки — заряженными отрицательно.
Капающие из правой трубки положительно заряженные капли пролетают сквозь отрицательно заряженное кольцо и затем попадают в положительно заряженную банку (силы притяжения капли к противоположно заряженному кольцу и отталкивания от одноимённо заряженной банки преодолеваются силой тяжести).
Аналогично, отрицательно заряженные капли, капающие из левой трубки, попадают в левую (отрицательно заряженную) банку.
Таким образом, в указанном процессе происходит накопление зарядов в металлических банках (и связанных с ними проводниками кольцах). По мере увеличения этих зарядов происходит усиление поляризации воды в резервуаре, и, вследствие этого, увеличение зарядов вновь образующихся капель (по сравнению с зарядами образовавшихся ранее). То есть процесс оказывается самонарастающим (или, по крайней мере, самоподдерживающимся).
Уточнения и разъяснения.
1. Объясняя причины перераспределения зарядов по находящейся в резервуаре воде, правильнее говорить об электростатических потенциалах, создаваемых в соответствующих местах (точнее, разности потенциалов между концом левой трубки и концом правой трубки). Когда на банках (а также кольцах и соединяющих их проводниках) уже накоплены достаточно большие заряды, именно эти заряды и вносят основной вклад в соответствующие потенциалы.
2. До этого момента основной вклад в потенциалы создают другие заряды, появление которых в каждом конкретном случае обусловлено случайными причинами (которые физики называют флуктуациями). Разность потенциалов может быть обусловлена потенциалом Земли, зарядами на одежде экспериментатора и зрителей, работой находящейся рядом радиоэлектронной аппаратуры, летающими по воздуху заряженными пылинками и т. п.
3. На первый взгляд может показаться странным, что в процессе работы «симметричного» устройства на одной из его «симметричных» частей появляется положительный заряд, а на другой—отрицательный. (Кто «решает», куда заряд какого знака поместить?)
Как уже объяснялось выше, это «решение» зависит от многих случайных причин. К тому же практически сделать абсолютно симметричную конструкцию невозможно. А если бы это и получилось—создать абсолютно симметричные внешние условия всё равно нельзя.
4. Как отмечалось и объяснялось выше, возникшее небольшое перераспределение зарядов может самопроизвольно нарастать. Но мы не утверждаем, что так будет всегда и обязательно. Прежде чем прибор «заработает», распределение зарядов может поменяться на противоположное, и не один раз.
5. Во всяком физическом эксперименте интересно не только теоретическое обоснование, но и результаты. То есть интересно проверить, действительно ли на банках и соединённых с ними металлических частях устройства скапливаются электрические заряды. Мы рекомендуем для этой цели несколько простых способов.
а) Подвесить на тоненькой проволочке к металлической части (заряд которой мы хотим проверить) два лёгких кусочка металлической фольги («лепестка»), например, сделанных из обёртки конфеты. Когда накопится достаточно большой заряд, эти лепестки будут отталкиваться друг от друга. Лепестки должны висеть на проволоке свободно, например, в них можно проткнуть дырки и на проволоку надеть. Годится также кусочек новогоднего «дождика», который можно проткнуть посередине (лепестками будут два свисающих конца).
б) Соединить металлические банки проволокой, затем проволоку разрезать, оставив между разрезанными частями зазор не больше 1 мм. В темноте можно увидеть, как через этот зазор время от времени проскакивают искры.
в) Внимательно наблюдать за каплями. Их траектории в результате действия сил притяжения к кольцам и сил отталкивания от банок могут заметно искривляться.
г) Соединить металлические банки неоновой (газоразрядной лампочкой)— она будет периодически вспыхивать. Заметим, что нужна именно газоразрядная лампочка, которая «загорается» только при определённом напряжении, а до этого является изолятором. Обычная лампочка накаливания не годится—она является проводником и не даст накапливаться разноимённым зарядам. Аналогичная проблема может возникнуть и с электроизмерительными приборами (например, обычным школьным вольтметром).
В любом случае при проведении эксперимента требуется терпение—иногда заметный эффект не появляется достаточно долго—минут 5–10 или даже дольше. Почему это происходит? Одна из правдоподобных гипотез—на заряжающиеся части устройства оседают летающие вокруг пылинки противоположного знака (тем самым уменьшают заряд). Соответственно, приходится ждать, пока устройство «отловит» летающую вокруг заряженную пыль.
Описанное в задаче приспособление иногда называется «капельницей Кельвина», по имени предполагаемого изобретателя. Несколько усложнив конструкцию, на основе предложенной в условии задачи схемы можно собрать устройство, создающее напряжение в несколько тысяч Вольт; такие устройства раньше использовались в физических экспериментах в качестве простых (но не очень совершенных) генераторов высокого напряжения. Более подробное описание мы не даём—оно достаточно сложное для «школьной» книжки, и к тому же последствия экспериментов с высоким напряжением могут оказаться вредными для здоровья.
«Устройство для получения электричества из воды».
Из резервуара с водой выходят две трубки, из которых сквозь металлические кольца (расположенные около мест образования капель) капает вода. Капли попадают в металлические сосуды, каждый сосуд соединён проводом с кольцом, сквозь которое вода капает в другой сосуд. Других электрических соединений в устройстве нет (сосуды изолированы друг от друга и резервуара с водой). В процессе капания воды металлические сосуды приобретают разноимённые электрические заряды. Объясните, как и почему такое устройство работает.
Решение:
Сразу отметим, что устройство, собранное по приведённой в условии схеме, будет работать совсем не обязательно (к большому сожалению собирающих).
Кроме того, нереально придумать объяснение, подходящее ко всем работающим устройствам: для этого пришлось бы учесть все возможные детали конструкции каждого конкретного устройства и внешние условия, в которых оно находится.
Поэтому поступим так: сначала приведём простое, но очень поверхностное и неточное объяснение, а затем — наиболее интересные и не слишком сложные уточнения и разъяснения.
Простое объяснение. Пусть правая (на рисунке) банка и, соответственно, левое металлическое кольцо (соединённое с банкой проводником) имеют положительный электрический заряд, а левая банка и правое кольцо — отрицательный электрический заряд. (В том, как эти заряды возникли, мы пока разбираться не будем).
Вода — проводник, в ней находятся электрические заряды (положительные и отрицательные), которые могут перемещаться в пределах занимаемого водой объёма (но не могут этот объём покинуть, так как он ограничен изолирующими стенками сосуда и воздухом, который тоже плохо проводит электричество).
Под действием электростатических сил положительные заряды притягиваются к левому кольцу (и, соответственно, собираются в воде, находящейся около конца правой трубки), а отрицательные заряды по аналогичной причине располагаются около конца левой трубки. Явление перераспределения зарядов в проводнике в результате взаимодействия с другими заряженными телами называется поляризацией.
В результате капли воды, капающие из правой трубки, оказываются заряженными положительно, а капающие из левой трубки — заряженными отрицательно.
Капающие из правой трубки положительно заряженные капли пролетают сквозь отрицательно заряженное кольцо и затем попадают в положительно заряженную банку (силы притяжения капли к противоположно заряженному кольцу и отталкивания от одноимённо заряженной банки преодолеваются силой тяжести).
Аналогично, отрицательно заряженные капли, капающие из левой трубки, попадают в левую (отрицательно заряженную) банку.
Таким образом, в указанном процессе происходит накопление зарядов в металлических банках (и связанных с ними проводниками кольцах). По мере увеличения этих зарядов происходит усиление поляризации воды в резервуаре, и, вследствие этого, увеличение зарядов вновь образующихся капель (по сравнению с зарядами образовавшихся ранее). То есть процесс оказывается самонарастающим (или, по крайней мере, самоподдерживающимся).
Уточнения и разъяснения.
1. Объясняя причины перераспределения зарядов по находящейся в резервуаре воде, правильнее говорить об электростатических потенциалах, создаваемых в соответствующих местах (точнее, разности потенциалов между концом левой трубки и концом правой трубки). Когда на банках (а также кольцах и соединяющих их проводниках) уже накоплены достаточно большие заряды, именно эти заряды и вносят основной вклад в соответствующие потенциалы.
2. До этого момента основной вклад в потенциалы создают другие заряды, появление которых в каждом конкретном случае обусловлено случайными причинами (которые физики называют флуктуациями). Разность потенциалов может быть обусловлена потенциалом Земли, зарядами на одежде экспериментатора и зрителей, работой находящейся рядом радиоэлектронной аппаратуры, летающими по воздуху заряженными пылинками и т. п.
3. На первый взгляд может показаться странным, что в процессе работы «симметричного» устройства на одной из его «симметричных» частей появляется положительный заряд, а на другой—отрицательный. (Кто «решает», куда заряд какого знака поместить?)
Как уже объяснялось выше, это «решение» зависит от многих случайных причин. К тому же практически сделать абсолютно симметричную конструкцию невозможно. А если бы это и получилось—создать абсолютно симметричные внешние условия всё равно нельзя.
4. Как отмечалось и объяснялось выше, возникшее небольшое перераспределение зарядов может самопроизвольно нарастать. Но мы не утверждаем, что так будет всегда и обязательно. Прежде чем прибор «заработает», распределение зарядов может поменяться на противоположное, и не один раз.
5. Во всяком физическом эксперименте интересно не только теоретическое обоснование, но и результаты. То есть интересно проверить, действительно ли на банках и соединённых с ними металлических частях устройства скапливаются электрические заряды. Мы рекомендуем для этой цели несколько простых способов.
а) Подвесить на тоненькой проволочке к металлической части (заряд которой мы хотим проверить) два лёгких кусочка металлической фольги («лепестка»), например, сделанных из обёртки конфеты. Когда накопится достаточно большой заряд, эти лепестки будут отталкиваться друг от друга. Лепестки должны висеть на проволоке свободно, например, в них можно проткнуть дырки и на проволоку надеть. Годится также кусочек новогоднего «дождика», который можно проткнуть посередине (лепестками будут два свисающих конца).
б) Соединить металлические банки проволокой, затем проволоку разрезать, оставив между разрезанными частями зазор не больше 1 мм. В темноте можно увидеть, как через этот зазор время от времени проскакивают искры.
в) Внимательно наблюдать за каплями. Их траектории в результате действия сил притяжения к кольцам и сил отталкивания от банок могут заметно искривляться.
г) Соединить металлические банки неоновой (газоразрядной лампочкой)— она будет периодически вспыхивать. Заметим, что нужна именно газоразрядная лампочка, которая «загорается» только при определённом напряжении, а до этого является изолятором. Обычная лампочка накаливания не годится—она является проводником и не даст накапливаться разноимённым зарядам. Аналогичная проблема может возникнуть и с электроизмерительными приборами (например, обычным школьным вольтметром).
В любом случае при проведении эксперимента требуется терпение—иногда заметный эффект не появляется достаточно долго—минут 5–10 или даже дольше. Почему это происходит? Одна из правдоподобных гипотез—на заряжающиеся части устройства оседают летающие вокруг пылинки противоположного знака (тем самым уменьшают заряд). Соответственно, приходится ждать, пока устройство «отловит» летающую вокруг заряженную пыль.
Описанное в задаче приспособление иногда называется «капельницей Кельвина», по имени предполагаемого изобретателя. Несколько усложнив конструкцию, на основе предложенной в условии задачи схемы можно собрать устройство, создающее напряжение в несколько тысяч Вольт; такие устройства раньше использовались в физических экспериментах в качестве простых (но не очень совершенных) генераторов высокого напряжения. Более подробное описание мы не даём—оно достаточно сложное для «школьной» книжки, и к тому же последствия экспериментов с высоким напряжением могут оказаться вредными для здоровья.
