Проект "Электризация на службе человека"

Опубликовано Шевелева Татьяна Викторовна вкл 26.05.2016 - 14:57

Автор:

Власова Ирина, Толстых Анастасия

Интересные факты про электричество. Опыты в домашних условиях.

Скачать:

Вложение	Размер
doc1.doc	882 КБ

Предварительный просмотр:

Электризация

на службе человека

Выполнили:

Власова Ирина,

ТолстыхАнастасия

ученицы 9 «А» класса

МОУ «Лицей №5».

Научный руководитель:

Соколова Татьяна Викторовна

Железногорск 2009 год

План

1. Что такое электризация?

2. Немного истории

3. Наша исследовательская работа

4. Полезная электризация

5. Вредная электризация

6. Борьба с электризацией

Технический прогресс не только расширяет возможности человека, его власть над природой. Но одновременно ставит множество проблем. Так, например, сегодня в различных отраслях промышленности используются сильные электрические поля, широко внедряется в быт синтетика, а синтетические материалы обладают способностью накапливать электрические заряды. И приходится решать проблемы, связанные с влиянием электрических полей на технологические процессы, на организм человека. Целью проекта является изучить значение явлений электризации, их влияние на организм человека.

Что такое электризация?

Электризация – это передача телу электрического заряда.

Тело, у которого q≠0, называется заряженным, а тело, у которого q=0,- незаряженным (нейтральным).

Окружающие нас тела, как правило, электрически нейтральны, т.е. положительные и отрицательные заряды компенсируются с высокой точностью.

Немного Истории

Наука об электрических явлениях зародилась еще до нашей эры, начавшись с наблюдения за электрическими свойствами янтаря. В отличие от механики-науки о движении, давлении, равновесии, наука об электричестве до VI века так и оставалась в зачаточном «янтарном» состоянии.

Крупный шаг в изучении электрических явлений после древних греков сделал английский врач У.Гильберт (Приложение №1) (1540-1603). Он установил, что свойство притягивать легкие предметы после натирания, кроме янтаря, приобретают также и алмаз, сапфир, аметист, горный хрусталь, смола и некоторые другие тела. Гильберт их назвал «Электрическими», то есть «подобными янтарю». Все прочие тела, в первую очередь металлы, которые не обнаруживали таких свойств, он назвал «неэлектрическими». Так в науку вошел термин «электричество», и было положено начало систематическому изучению электрических явлений.

Следующий шаг в изучении электрических явлений был сделан бургомистром немецкого города Магдебурга Отто фон Герике (1602-1686). Он сконструировал первую электрическую машину (Приложение №2), представлявшую собой большой шар из серы, вращавшийся на железной оси. При натирании шара ладонью он сильно электризовался и мог электризовать другие тела. Используя свою машину, Герике впервые наблюдал отталкивание наэлектризованных тел и слышал треск электрических искр.

С начала XVIII века электрическими экспериментами увлекаются члены Лондонского Королевского научного общества. Они наблюдают электрическое притяжение не только в воздухе, но и вакууме, изучают возникновение электрических искр, открывают явление электропроводности и указывают, что для сохранения заряда тела оно должно быть изолированно от других тел. (приложение №3)

В 1733 году француз Ш. Дюфэ (Приложение №4) впервые устанавливает существование двух родов зарядов - положительного и отрицательного (прежде заряды тел считали отличающимися лишь по величине).

Таким образом, сложилась электрическая теория вещества, согласно которой физические тела представляют собой комплексы взаимодействующих частиц, имеющих электрические заряды, и многие свойства физических тел определяются и могут быть описаны с помощью законов, математическими соотношениями количественно выражающих их взаимодействие и движение. Это было экспериментально подтверждено многими опытами, в том числе открытием Джозефом Томсоном (получившим за это титул лорда Кельвина) в 1897 году носителя отрицательного заряда — частицы, получившей название «электрон», и исследованием структуры атома Эрнстом Резерфордом (получившим за это титул лорда Нельсона), Фредериком Содди и другими учёными.

На первобытного человека сильное впечатление производило непонятное для него явление — гроза. В страхе перед грозой люди обожествляли ее или считали орудием своих богов. Восточные славяне в древности чтили бога Перуна, «творца» молнии и грома. Позже наши предки гром и молнию приписывали «деятельности» Ильи-пророка, который, «катаясь на колеснице по небу, пускает огненные стрелы». Боги грома и молнии известны в религиозных представлениях и других народов. Во все времена церковь стремилась насаждать и поддерживать веру народных масс, что молния — это «небесная кара». Уже в древности жрецы использовали электричество атмосферы для получения «небесного огня» во время приношения жертв. С этой целью в египетских храмах строили высокие деревянные мачты, обитые медными листами. Специальное устройство собирало электрический заряд, достаточный для того, чтобы убить искрой человека или животное, приносимое в жертву. Благодаря упорному труду исследователей удалось показать, что в явлении грозы и молнии нет ничего сверхъестественного, что в нем нет места божественной деятельности и нет причин для суеверных страхов. Электрическая природа грозовых явлений была доказана в середине XVIII в. рядом ученых.

Американский ученый Вениамин Франклин запускал во время грозы высоко в воздух змей и по металлическому проводнику из грозового облака извлекал электрическую искру. В. Франклин показал, что электрический заряд, образующийся в атмосфере, действует так же, как и обычные электрические заряды.

В ряду первых ученых, доказавших электрическую природу грозы, были великий русский ученый М. В. Ломоносов и его друг Г. В. Рихман. Летом 1752 г. они построили «громовую машину». Над крышей дома Ломоносова был укреплен изолированный высокий железный шест, нижний конец которого проходил внутрь помещения. К нижнему концу шеста прикрепляли железную линейку, к верхней части которой приклеивали шелковую нить. Такая же машина была установлена и на квартире Рихмана. При приближении грозы металлический шест и линейка с нитью заряжались, и нить, отталкиваясь от нее, отклонялась на некоторый угол. При близкой и сильной грозе из линейки извлекали искры.

Во время одного из таких опытов в 1753 г. Рихман был убит шаровой молнией. Большой опасности подвергался и сам Ломоносов, который во время этой грозы проводил опыты с «громовой машиной» у себя дома. Позже, вспоминая об этом, М. В. Ломоносов писал: «Внезапно гром чрезвычайно грянул в самое то время, как я руку держал у железа и искры трещали. Все от меня прочь бежали...». Через несколько минут Ломоносову сообщили, что Рихмана убила молния.

Ломоносов не без основания беспокоился о том, чтобы смерть Рихмана не была использована для «прекращения наук». Действительно, как в России, так и в других странах церковники и мракобесы встретили смерть Рихмана со злорадным торжеством. Они говорили, что убившая его молния — наказание за «дерзновенные опыты, неугодные богу».

М. В. Ломоносов, тяжело переживая смерть Рихмана, отмечал, что он умер «прекрасною смертью, исполняя по своей профессии должность. Память его никогда не умолкнет».

Электрическую сущность грозовых явлений Ломоносов изложил в работе «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих». Ученый считал, что атмосферное электричество появляется в результате трения частичек «мерзлых паров», которые переносятся восходящими и нисходящими воздушными потоками. Электрический разряд, происходящий между облаком и землей или между двумя облаками, заряженными разноименно, и представляет собой молнию.

В результате своих исследований атмосферного электричества М. В. Ломоносов и В. Франклин пришли к заключению, что человек может отвлечь молнию от своих жилищ с помощью высоких заземленных металлических стержней — «громоотводов» или, как их правильнее называть, молниеотводов.

Первый в мире молниеотвод в июне 1754 г. водрузил над крестом своего храма сельский священник из Моравии Прокоп Дивиш, крестьянский сын, ученый и изобретатель. Первый в России молниеотвод появился в 1756 г. над Петропавловским собором в Петербурге. Он был сооружен после того, как молния дважды ударила в шпиль собора и подожгла его. В течение короткого времени молниеотвод нашел широкое распространение во всем мире.

В дальнейшем серьезный вклад в теорию грозового электричества внес русский ученый А. И. Воейков.

Советский ученый Я. И. Френкель развил теорию грозы далее. Она находит все более широкое признание и подтверждение. Продолжаются эксперименты по изучению атмосферного электричества, которые проводят с помощью современного оборудования.

Наша исследовательская работа

Опыт №1

Я изготовила «домашний» электрометр. С этой целью проволоку, я изогнула в виде буквы «Г», опустила длинным концом в бутылку. На наружный её конец я навесила согнутую пополам полоску тонкой бумаги. И на опыте убедилась, что при электризации трением одного и того же тела можно получить различные по знаку заряды, если использовать в качестве электризуемых тел стекло, эбонит, резину. (Приложение №5-9)

Опыт №2

Я потерла газетой воздушный шар, поднесла его к потолку и отпустила. Шар остался висеть у потолка и мог бы находиться там, на протяжении суток. Это явление объясняется тем, что шарик при трении о газету получает электрический заряд, а потолок электрически нейтрален. (Приложение №10-12)

Опыт №3

Я потёрла пластмассовую линейку о газету, и показала на опыте, что линейка наэлектризовалась. (Приложение №№13-15)

Полезная электризация

Статическое электричество может быть верным помощником человека (Приложение №16) если изучить его закономерности и правильно их использовать. В технике применяют метод, сущность которого заключается в следующем. Мельчайшие твердые или жидкие частицы материала поступают в электрическое поле, где на их поверхность «оседают» электроны и ионы, т. е. частицы, приобретают заряд и далее движутся под действием электрического поля. В зависимости от назначения аппаратуры можно с помощью электрических полей по-разному управлять движением частиц в соответствии с необходимым технологическим процессом.

Эта технология уже пробила себе дорогу в различные отрасли народного хозяйства. Электризация широко используется во многих отраслях промышленности. Ниже приведены некоторые из них:

Медицина знает много лечебных средств, но такое лечебное бельё впервые встречается в медицинской практике. Это бельё создали российские химики вместе с учёными-медиками. В чём же его особенности? Шёлковые волокна из химических составов для лечебного белья намного прочнее обычного волокна, не разбухают в воде и водонепроницаемы. При соприкосновении с телом возникают электрические заряды. Ношение лечебного белья рекомендуется при острых и хронических формах полиартритов, при заболеваниях нервной системы. Такое бельё рекомендуется страдающих ревматизмом.

На автомобильных заводах, для лучшей покраски используют электризацию. Корпус машины заряжают отрицательно, а краску положительно, это делает покраску более прочной и равномерной.

При работе на отчистке воды, загрязнённая вода озёр и рек, прежде чем поступить в водопроводную сеть, очищается. Отстаиванием можно освободить воду только от грубых взвесей. Но для удаления из воды коллоидных частиц необходимы другие способы. Как правило, коллоидные частицы в воде несут отрицательные заряды. Чтобы их разрядить, в воду добавляют немного аммониевых или железных квасцов (положительные ионы этих солей несут большие заряды). Тогда коллоиды коагулируют. После этого вода фильтруется через песок или другой фильтр и поступает в водопроводную сеть.

С таким же успехом электризацию используют и в копчении. Рыбу заряжают отрицательно, а дым положительно, тогда частички дыма будут устремляться к отрицательно заряженной тушке рыбы, тем самым ускоряя процесс копчения.

Очистка промышленных газов стала необходимостью любого производства. Практика показала, что с этим хорошо справляется электрическое поле. По центру металлической трубы устанавливают проволоку, которая служит одним электродом, другим электродом являются стенки трубы. Отрицательные ионы прилипают к частицам дыма, поступающим вместе с газом через вход, и заряжают. Под воздействием поля эти частицы движутся к поверхности трубы и осаждаются на ней, а очищенный газ направляется к выходу. Такие фильтры на тепловых электростанциях улавливают до 99% золы.

Могу рассказать о том, как в метро воздух очищается от пыли. Российские инженеры сконструировали электрические пылеоседатели. Запылённый воздух попадает в камеру, где размещены металлические стержни, находящиеся под напряжением 13 000 В. Между этими заряженными стержнями существует сильное электрическое поле, под действием которого пылинки электризуются, т.е. приобретают положительный или отрицательный заряд. Затем воздух поступает во вторую камеру, где проходит между пластинами, подсоединёнными к источнику постоянного тока напряжением 7 000 В. Здесь положительно заряженные пылинки притягиваются к отрицательно заряженной пластинке, а отрицательно заряженные – к положительной, и на них оседают. Очищенный таким образом воздух вновь поступает в помещение.

Также, электризацию часто используют на ковровых фабриках. В этом случае основу ковра заряжают отрицательно и заземляют всё оборудование. Ворс пропускают через положительно заряженную сетку и равномерно распределяют. Так получают искусственные ворсистые ткани и ковры (велюр, бархат).

В производстве на кирпичном заводе нередко используется электризация. При механизированном изготовлении кирпича применяется одна простая операция. Она заключается в том, что брус из влажной глины разрезается проволокой на отдельные кирпичики, но такая резка приводит к большому браку. Глина пристаёт к проволоке, и вместо того, чтобы резать, проволока мнёт и крошит её. Края у кирпича получаются неровные, выщербленные. Но можно получить кирпичи с ровными краями. Для этого следует соединить режущую проволоку с отрицательным полюсом источника тока, тогда проволока режет легко и чисто. Дело в том, что частицы глины несут отрицательный заряд, он отталкивается от проволоки, которая заряжена также отрицательно.

Смешение веществ. Если мелкие частицы одного вещества зарядить положительно, а другого — отрицательно, то легко получить их смесь, где частицы распределены равномерно. Например, на хлебозаводе теперь не приходится совершать большую механическую работу, чтобы замесить тесто. Заряженные положительно крупинки муки воздушным потоком подаются в камеру, где они встречаются с отрицательно заряженными капельками воды, содержащей дрожжи. Крупинки муки и капельки воды, притягиваясь, друг к другу, образуют однородное тесто.

Можно привести много других примеров полезного применения статической электризации. Основанная на этом явлении технология удобна: потоком заряженных частиц можно управлять, изменяя электрическое поле, а весь процесс легко автоматизировать.

Вредная электризация

В настоящее время увеличился интерес к «электричеству от трения» — статическому электричеству. Главная причина этого интереса — неприятность, которую это электричество доставляет людям, забывающим о технике безопасности. (Приложение №17)

Еще в прошлом столетии были известны вредные действия статического электричества. Например, кожаные и прорезиненные ремни, наэлектризовавшись на вращающихся шкивах, могут стать источником искрового разряда. Он особенно опасен, если в воздухе висит мелкая горючая пыль (скажем, мука): проскочившая от наэлектризованного тела искра может вызвать взрыв и пожар.

Статистика США свидетельствует: за год происходит 1100 взрывов пыли, 2120 человек – погибают, убытки – 102 млн. долларов во всём этом виновата электризация.

На аэродромах самолеты заправляют топливом, в состав которого входит керосин, который из-за трения может дать искру и произойдёт взрыв. Во избежание взрыва в топливо добавляют порошок хрома.

В автомобилях используется бензин, а он тоже сильно электризуется и может воспламениться. Приходится добавлять в него магниевую соль, олеиновую кислоту или заземляют бензопровод перед переливанием.

На ткацких фабриках при протягивании через станки ткань электризуется из-за трения и начинает сильно загрязняться и даже искрить. Во избежание этого в помещениях стараются поддерживать определённую влажность, а всё оборудование заземляют.

Однажды зимой посетители универмага «Детский мир» в Москве были напуганы женщиной, которая, по словам потерпевших, «колола людей хитро спрятанным шприцем». При расследовании выяснилось, что никакого шприца не существовало: «колола» синтетическая шубка. Она наэлектризовалась при соприкосновении с окружающими предметами, а сухой морозный воздух — диэлектрик, заряды на шубке накапливались, она стала искрить, и эти искры вызывали ощущение укола. В XX в. вредные проявления статического электричества наблюдаются чаще, так как широко применяют легко электризующиеся вещества: пластмассы, синтетические волокна, нефтепродукты и т. п. Электризация происходит и в быту, и при любом технологическом процессе, где происходит взаимодействие движущихся тел, которые состоят из материалов, являющихся диэлектриками. Такое взаимодействие происходит при смешении, разделении, механической обработке и т. д. Например, при обработке на прессе пластины из полистирола одни места на ней заряжаются положительно, другие отрицательно. Чем больше скорость технологического процесса, тем значительнее электризация. Накопление зарядов продолжается до тех пор, пока не произойдет искровой разряд.

На клеепромазочной машине, которая смазывает резиновым клеем тканевые материалы, в результате трения материала о валки происходит их электризация. Если не снять эти заряды, то даже небольшая искра может вызвать пожар, так как окружающий воздух насыщен парами бензина. Причиной взрыва может стать человек, так как при контакте с заряженной тканью электризуется и тело оператора.

Отрицательное влияние электризации трением на производстве и в быту.

На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстро движущейся бумажной ленты. Были приглашены учёные. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении её о валки.

При трении о воздух электризуется самолёт. Поэтому после посадки к самолёту нельзя сразу приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолёт “разряжают”: опускают на землю металлический трос, соединённый с обшивкой самолёта, и разряд происходит между землёй и концом троса. Бывали случаи, что быстро поднимающийся в воздухе воздушный шар загорался. Воздушные шары часто наполняют водородом, который легко воспламеняется. Причиной воспламенения может быть электризация трением прорезиненной оболочки о воздух при быстром подъёме.

В любом процессе, где участвуют движущиеся части вещества или движется зерно или жидкость, происходит разделение зарядов. Одна из опасностей при транспортировке зерна в элеватор связана с тем, что в результате разделения зарядов в атмосфере, заполненной горячей пылью, может проскочить искра и произойти возгорание.

Разряды электричества возникают и тогда, когда человек ходит по полимерным покрытиям полов современной квартиры, синтетическим коврам или снимает с себя нейлоновую одежду.

Если способы и средства для борьбы с накоплением электрических зарядов? Безусловно, есть.

На производстве – это тщательное заземление станков, машин применение токопроводящих пластиков для полов, увлажнение воздуха, использование различного рода “нейтрализаторов”, ионизаторы воздуха.

В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60-70 %. Электризация устраняется, если к воде, которой протирают пластиковые полы, добавить гидрофильные вещества, например хлорид кальция, а также протирать электризующие поверхности глицерином. Химическая промышленность выпускает препарат “Антистатик”, который снимает электрический заряд с синтетической одежды.

Заключение. Борьба с электризацией

Для избегания вредных последствий электризации тел в технике применяют различные меры борьбы с этим явлением. Основной метод уменьшения электризации — заземление оборудования. Однако заземление не помогает, если применяется оборудование из материалов, являющихся диэлектриками. Чтобы поверхность таких материалов лучше проводила электричество, ее подвергают обработке. Например, приводные ремни и ленты транспортеров покрывают графитом или бронзовым порошком. С той же целью увеличивают влажность воздуха в помещении; тогда на материалах, не проводящих электричество, образуется тонкая пленка воды. Вода содержит примеси, поэтому является проводником электричества. Иногда ионизируют воздух. Ионы под действием сил притяжения движутся к заряженным поверхностям, уменьшая их заряд. В быту при стирке вещей используют различные антистатические лаки, так называемые «антистатики». Они нейтрализуют электрический заряд на вещах. (Приложение №18)

Рассмотренные примеры не исчерпывают, конечно, всех случаев вредной электризации тел и мер борьбы с ней.

Литература.

Кл.Э. Суорц Необыкновенная физика обыкновенных явлений. – М.:”Наука”, 1987.
Карпович А.Б. Сборник задач-вопросов по физике – М.: Издательство Академии Педагогических Наук , 1956.
Книга для чтения по физике - М.:”Просвещение”, 1986.
Майкл Ди Специо Занимательные опыты, М.: АСТ Астрель, 2006.
Физика в школе, №6 1998.
Сёмке А.И. Занимательные материалы к уроку, М. “Издательство НЦ ЭНАС”, 2004.
Внеклассная работа по физике, Саратов ОАО “Издательство “Лицей”, 2002.
М. Е. Тульчинский Качественные задачи по физике - М.: «Просвещение», 1972.

Журналы.