Исследовательская работа "Колесо Франклина"
проект по физике (9 класс) на тему

Муниципальное образовательное учреждение Буревестниковская средняя общеобразовательная школа

 Колесо Франклина

п. Буревестник

2011

Оглавление

Введение        

Проводники в электрическом поле        

Электрический ветер        

Колесо Франклина        

Молниеотвод        

Эксперимент «Молниеотвод»        

Заключение        

Литература        

Приложение        

Введение

При изучение темы «Проводники в электростатическом поле» в разделе «Электростатика», я познакомилась с понятием электростатического поля. Одним из распространенных явлений, демонстрирующих наличие такого поля, является «электрический ветер»,  т.е. поток «воздуха» вблизи острия заряженного проводника.

В представленной работе рассмотрен демонстрационный эксперимент «колесо Франклина», который основан на явлении «электрического ветра». Проведение такого эксперимента позволит убедиться в существовании явления «электрического ветра» и наглядно продемонстрировать явление стекания заряда с острия проводника.

   Актуальностью данного исследования является демонстрация - стекание заряда с острия  проводника. Новизна работы – проследить образование молнии в лабораторных условиях.

   Целью исследовательской работы является раскрытия физического явления «электрический ветер», изучение его особенностей при проведении  эксперимента «колесо Франклина», изучение причин образования молнии.

Важным аспектом проводимого эксперимента является его практическое значение - молниеотвод  и  электростатический двигатель.

Проводники в электрическом поле

Проводниками называются вещества, содержащие свободные заряженные частицы.

Свойства проводников:

1. Электростатическое поле внутри однородного заряженного проводника отсутствует.
2. При помещении проводника во внешнее электростатическое поле наблюдается явление электростатической индукции – появление на противоположных сторонах проводника электростатических зарядов разных зарядов.
3. Если в нутрии проводника имеется полость, то в каждой точке этой полости электростатическое поле равно нулю.
4. Напряженность электростатического поля (E) на внешней поверхности проводника направлена перпендикулярно к этой поверхности. Следовательно , в случае равновесия зарядов поверхность проводника будет эквипотенциальной.
5. Во всех точках внутри проводника потенциал электростатического имеет одно и то же значение.
6. Плотность зарядов зависит от кривизны поверхности.

а) проводник правильной формы, например шар.

Кривизна поверхности во всех точках поверхности одинакова, электрические заряды распределены равномерно (рис.1).

        Рис.1

б) проводник неправильной формы.

Электрические заряды распределяются по поверхности так, что электростатическое поле оказывается сильнее на выступах проводника и слабее на его впадинах.

        Рис.2

Электростатическое поле перпендикулярно поверхности проводника и на очень больших расстояниях от него будет почти таким же, как поле точечного заряда. Но в поле точечного заряда эквипотенциальной поверхности имеют вид концентрических  сфер. Таким образом, по мере удаления от проводника эквипотенциальные поверхности, повторяющие вблизи проводника его форму, должны постепенно и плавно принимать очертания сферы. Но это возможно только в том случае, эквипотенциальные поверхности будут сгущены около выступов проводника и разряжены около впадин.

Электрический ветер

Если кривизна поверхности заряженного проводника неодинакова, то заряды на проводнике распределены неравномерно.

рис.3

Поверхностная плотность зарядов будет больше там, где больше кривизна поверхности, следовательно, на острие заряженного проводника поверхностная плотность заряда достигает большой величины. Электрическое поле вблизи острия является сильным и резко неоднородным. При этом могут происходить следующие явления.

Нейтральные молекулы воздуха поляризуются и притягиваются к острию. Коснувшись острия, они заряжаются одноимённо с ним и отталкиваются. Сила отталкивания превосходит ранее действовавшую силу притяжения, так как она действует на заряженные молекулы, а сила притяжения – на нейтральные. По этой причине молекулы удаляются от острия с большими скоростями, чем приближались к  нему. Возникает поток заряженных частиц, направленный от острия («электрический ветер»). Это явление называют также «стеканием заряда с острия».

В очень сильном электрическом поле возможен и другой механизм стекания зарядов с острия. Вблизи острия молекулы воздуха ионизируются и возникают ионы обоих знаков. Ионы одного знака движутся к острию и при попадании на него нейтрализуются. Ионы другого знака отталкиваются от острия и образуют «электрический ветер».

В этом состоит причина вращения колеса Франклина.

Рис.4. колесо Франклина

Если острие поместить в вакуум, то в безвоздушном пространстве  описанные процессы не могут происходить и “стекание” зарядов не наблюдается. Колесо Франклина в вакууме не вращается.

Колесо Франклина

Цель опыта: демонстрация явления « электрический ветер» .

Оборудование:1)две металлические проволоки. 2)изолирующий штатив. 3)электрофорная машина.4)соединительный провод.

Схема опыта:

Рис.4

Ход эксперимента:

Колесо Франклина, представляющее собой крест из двух металлических проволок с заостренными и отогнутыми под прямым углом концами, соединяется проводом с одним из кондукторов электрофорной машины (рис.4) ,после чего машина приводится в действие.

При подаче на колесо заряда оно начинает вращаться, постепенно увеличивая скорость вращения.

Методика:

В описываемом опыте «электрический  ветер» приводит в движение колесо Франклина. (Б. Франклин(1706-1790) американский физик и политический деятель)

В соответствии с 3-м законом Ньютона остриё начинает двигаться в противоположную сторону. «Реактивная сила», действующая на остриё, обусловлена отталкиванием его от одноимённо заряженных ионов.

В случае, когда возникают ионы только одного знака, ситуация очевидна. В случае, когда в сильном электрическом поле возникают ионы обоих знаков, ионы, разноимённые с остриём, движутся к нему и передают ему свой импульс и заряд. Этот импульс равен по модулю импульсу, полученному остриём в результате притяжения к этим ионам, но имеет противоположное ему направление. В итоге взаимодействие с ними не влияет на движение острия. Отталкивание острия от одноимённых с ним ионов приводит его в движение.

Молниеотвод

Молния красивое и небезопасное явление природы, представляющее собой искровой разряд в атмосфере.

Уже в середине 18-го века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой. Высказалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. Это было доказано на опыте 1752 г.  американским ученым Бенджамином Франклином (1706-90 гг).

Франклин во время грозы пустил на бечевке змея, который был снабжен железным острием; к концу бечевки был привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделалась проводником электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры, зарядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые с электрической машиной .

Таким образом, было показано, что грозовые облака действительно сильно заряжены электричеством.

Разные части грозового облака несут заряды различных знаков. Чаще всего нижняя часть облака (отраженная к Земле) бывает заряжена отрицательно, а верхняя – положительно. Поэтому, если два облака сближаются разноименно заряженными частями, то между ними проскакивает молния. Однако грозовой разряд может произойти и иначе. Проходя над Землей, грозовое облако создает на ее поверхности большие индуцированные заряды, и поэтому облако и поверхность Земли образуют две обкладки большого конденсатора. Разность потенциалов между облаком и Землей достигает огромных значений, измеряемых сотнями миллионов вольт, и воздухе возникает сильное электрическое поле. Если напряженность этого поля делается достаточно большой, то может произойти пробой, т.е. молния, ударяющая в Землю. А газ при этом вблизи молнии нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск «гром».

Франклин не только объяснили электрическую природу молнии, но и указали, как можно построить молниеотвод, защищающий от удара молнии.

Молниеотвод представляет собой длинную проволоку, верхний конец которой заостряется и укрепляется выше самой высокой точки защищаемого здания. Нижний конец проволоки соединяют с металлическим листом, а лист закапывают в Землю на уровне почвенных вод. Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды и у поверхности Земли появляется большое электрическое поле. Напряженность его очень велика около острых проводников, и поэтому на конце молниеотвода зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния все же возникает, она ударяет в молниеотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя вреда зданию.

В некоторых случаях коронный разряд с молниеотвода бывает настолько сильным, что у острия возникает явно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возле других заостренных предметов, например, на концах корабельных мачт, острых верхушек деревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков тому назад и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной его сущности.

Эксперимент «Молниеотвод»

Цель опыта: демонстрация принципа действия молниеотвода.

Оборудование: 1. макет дома, 2. металлический лист,3. проволока,

4. эфир,5.вата, 6. электрофорная машина, 7. столик с изолирующими

ножками.

Схема опыта:

Рис.5

Ход эксперимента:

Из листов бумаги для рисования склеиваем макет дома. Его размеры в основании 200X150 мм, высота крыши — 120 мм, На боковых  стенках сделаем вырезы для окон.  Дом установим на металлическом листе 4. Внутри дома на листе установим проволочку 3, на верхнем конце которой закрепим кусочек ватки 2, смоченной эфиром.  Через крышу дома пропустим вторую проволочку , нижний конец которой должен касаться металлического листа, а верхний выступать над крышей на 5 см. Эта проволочка служит молниеотводом.  Металлический лист с домом расположим на столике 5 с изолирующими ножками и соединим его с одним полюсом электрофорной машины, которую затем зарядим. Разрядник поднесем одновременно к концу молниеотвода на расстояние 3—5 см и к другому полюсу машины. Между молниеотводом и шариком разрядника наблюдается  электрический разряд. Разряд (молнию) воспроизведем несколько раз.

Убеждаемся, что при наличии молниеотвода дом останется невредимым. Затем проволочку, играющую роль молниеотвода, удаляем. Вновь показываем электрический разряд через дом. Последний вспыхнет.

Заключение

В представленной исследовательской работе было изучено физическое явление «электрический ветер», которое демонстрирует наличие существование электростатического поля.

 Проведение  эксперимента  «колесо Франклина» позволило убедиться в существовании явления «электрического ветра» и наглядно продемонстрировать явление стекания заряда с острия проводника.

Также, нам удалось определить основные условия, при которых газ ионизируется, т.е. доля нейтральных молекул газа распадается на положительные и отрицательные ионы и газ становится проводником.

При проведении эксперимента «Молниеотвод», мы показали устройство и работу главного прибора, спасающего нас от действия молнии.

Литература

1. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике в 6-7 классах средней школы. Кн. для учителя.-2-е изд.,перераб.- М.: просвещение, 1985.
2. Громов С.В.Физика: механика. Теория относительности. Электродинамика: учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений / С.В.Громов; под. ред. Н.В.Шароновой. -6-е изд.-М.: Просвещение,2005.
3. Мякишев Г.Я. Физика: учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н. Н. Сотский.- 15-е изд. – М. : Просвещение, 2006.
4. Савельев И.В.Курс общей физики: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика.-3-е изд.,испр.-М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит.,1988.

   ---

Приложение

Бенджамин Франклин родился 17 января 1706 г. в Бостоне. Был 15-м ребенком в семье (17 детей) эмигранта из Англии Джозайи Франклина (1652 - 1745) - ремесленника, занимающегося изготовлением мыла и свечей. Образование получил самостоятельно.

В 1727 основал в Филадельфии собственную типографию. Издавал (1729- 48) «Пенсильванскую газету». Основал в 1731 первую в Америке публичную библиотеку, в 1743 - Американское философское общество, в 1751 - Пенсильванский университет. С 1737 по 1753 г. исполнял должность почтмейстера Пенсильвании, с 1753 по 1774 - ту же должность в масштабе всех северо-американских колоний.

В 1776 г. был направлен в качестве посла во Францию с целью добиться союза с нею против Англии, а также займа. Был избран членом академии многих стран, в том числе и Российской академии наук (1789 г.) один из авторов американской Конституции (1787). Франклин скончался 17 апреля 1790 г.