ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВЕТЕР

Электрический ветер (поток ионов), используемый в предыдущем опыте в качестве движителя колеса Франклина, можно и увидеть, если направить его на пламя свечи. При этом поток воздуха, увлекаемый стекающими с острия ионами, способен заметно поколебать и, при определенных условиях, затушить находящийся на его пути язычок пламени.

Используемую для хозяйственных нужд свечу предварительно надо подготовить. Она должна быть высотой 3-5 см и установлена в регулируемом по высоте подсвечнике или в штативе. Свободная часть фитиля должна быть длиной 3—4 мм, а его волокна надо распушить и две трети волокон отрезать. После этого фитиль будет тоньше, нежели обычно остающийся после тушения свечи. Это делается для того, чтобы язычок пламени получился небольшим и слабым.

Проводник с острием и свечу ставят так, чтобы острие было направлено на кончик фитиля и отстояло от него на расстоянии 3-5 мм. Проводник соединяют с одним из выводов электрофорной машины, при этом он, разумеется, должен быть электрически изолирован от своего основания (рис. 8).

Демонстрация задувания свечи электрическим ветром

Рис. 8. Демонстрация задувания свечи электрическим ветром

Зажигают свечу, дают ей немного погореть спокойно и затем приводят в действие электрофорную машину. Язычок пламени отклоняется в сторону от острия и, поколебавшись несколько секунд, гаснет, как если бы на него подули.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МАЯТНИК

В опыте демонстрируют механические колебания проводящего шарика между пластинами плоского воздушного конденсатора. Шарик целлулоидный для игры в настольный теннис. В нем просверлены два маленьких диаметрально расположенных отверстия, через которые пропущена капроновая нить. На одном конце нити завязан удерживающий шарик узелок, а на другом сделана петелька. Поверхность шарика густо обмазана графитом, что делает ее электропроводящей. Для обмазки удобно использовать мягкий простой карандаш. Поскольку графит со временем стирается, то обмазку рекомендуется перед демонстрацией обновить.

В верху высокого лабораторного штатива устанавливают горизонтально штырь, на конец которого подвешивают за петельку проводящий шарик, а в нижней части штатива крепят за рукоятку одну из пластин демонстрационного конденсатора. Вторую конденсаторную пластину устанавливают в другом штативе на расстоянии 15-20 см от первой. Эти пластины соединяют с выводами электрофорной машины. Подвешенный шарик должен располагаться в середине между пластинами (рис. 9).

Вращением рукоятки электрофорной машины подают на пластины разноименные электрические заряды. Несмотря на то, что при этом шарик пребывает в электрическом поле

Электростатический маятник

Рис. 9. Электростатический маятник

большой напряженности (порядка 106 В/м), он остается неподвижным, поскольку силовое воздействие на него не оказывается ввиду отсутствия на нем заряда.

Нить с шариком подводят рукой к одной из пластин с тем, чтобы шарик коснулся этой пластины, и отпускают. После этого шарик стремительно отскакивает от этой пластины и устремляется ко второй пластине. Ударившись об нее, шарик возвращается к первой пластине, затем - ко второй и далее мечется между ними. Удары шарика о пластины сопровождаются громким звоном, причем частоту ударов можно регулировать изменением скорости вращения рукоятки электрофорной машины. Если же электрофорную машину остановить, то колебания со временем ослабевают - частота колебаний уменьшается, а сопровождающие удары звуки становятся тише. С возобновлением работы машины частота ударов возрастает, а удары становятся по-прежнему громкими.

При оценке частоты колебаний шарика можно полагать, что удерживающая его нить достаточно длинна, соударения шарика о пластины неупругие, электрическое поле в конденсаторе однородное, сопротивление воздуха пренебрежимо мало, а его диэлектрическая проницаемость равна 1.

Измеренные параметры деталей опытной установки имеют следующие значения. Расстояние между конденсаторными пластинами d = 15 см, диаметр шарика D = 37 мм, масса шарика m = 2,4 г.

Напряжение на конденсаторных пластинах можно определить по максимальному расстоянию между ними, при котором происходит искровой пробой, которое приблизительно равно 3-4 см. С учетом того, что при нормальном давлении и влажности воздуха напряженность поля, при котором возникает его пробой, составляет приблизительно 30 кВ/см, определяется напряжение на конденсааторпных пластинах: U- 105В.

Воспользовавшись формулой для расчета электроемкости С шара, определим заряд q, которым заряжается шарик при его контакте с одной из конденсаторных пластин:

В последующих расчетах воспользуемся приведенной на рис. 10 схемой взаимодействия шарика с полем конденсатора. На шарик с зарядом q электрическое поле напряженностью Е действует с силой:

Ускорение, с которым движется шарик массой т, равно:

Расстояние между пластинами шарик, двигаясь прямолинейно и равноускоренно, преодолевает за время:

Тогда период колебаний равен: ,

а частота v колебаний шарика, с учетом формулы 1, равна:

Это значение частоты колебаний шарика получено при двух существенных допущениях. Во-первых, полагалось, что воздух не оказывает сопротивления двигающемуся шарику и, во-вторых, считалось, что соударения шарика о конденсаторные пластины неупругие. Насколько же существенно влияние этих факторов на полученный результат?

Для учета силы сопротивления воздуха, обусловленного его вязкостью, следует воспользоваться известным выражением Стокса:

где г) - вязкость воздуха, равная 18 мкПас (при температуре 25° С), a v - средняя скорость шарика, равная приблизительно 2,3 м/с,

Вычисленное значение этой силы равно Fc = 14-10—6 Н, что составляет приблизительно 0,01% от силы, с которой электрическое поле действует на шарик. Соответственно, учет этой силы при расчете частоты колебаний шарика изменит ее вычисленное значение не более, чем на эти 0,01%, что в данном опыте оказывается несущественным.

Чтобы учесть упругий характер соударений шарика о конденсаторные пластины, надо провести простой опыт: расположив одну из конденсаторных пластин горизонтально и, отпустив над ней шарик без начальной скорости, проследить за тем, на какую долю начальной высоты он поднимется после отскока от пластины.

Наблюдение показало, что шарик отскакивает до высоты, приблизительно в десять раз меньшей той, с которой он был отпущен. Значит начальная скорость шарика после его отскока приблизительно в десять раз меньше его скорости перед соударением. С учетом этого, вычисленное время движения шарика между последующими соударениями приблизительно составляет 0,072 с, а частота колебаний, соответственно, -6,94 Гц. Следовательно, учет упругости соударений шарика о пластины конденсатора увеличивает расчетную частоту его колебаний на 2%.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >