Дослідження електростатичної взаємодії за різних форм та розмірів взаємодіючих елементів

Avatar
Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.
Рівень складності Середній
Рівень небезпеки Безпечно, але під наглядом керівника
Доступність використовуваних матеріалів На рівні наукового обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 1 години

Блок 1. Резюме

– предметна галузь: електрика і магнетизм;
– стисла анотація роботи: робота спрямована на теоретичне і експериментальне дослідження електростатичної взаємодії;
– мета: дослідити електростатичну взаємодію за різних форм та розмірів взаємодіючих елементів;
– завдання роботи: визначити силу електростатичної взаємодії залежно від відстані за різних форм та розмірів взаємодіючих елементів;
– складність роботи: для просунутих;
– орієнтовний час на виконання роботи: 1 година;
– доступність використовуваних матеріалів: на рівні наукового обладнання;
– рівень безпеки: безпечно, але під наглядом керівника.

Блок 2. Попередня інформація


Рисунок 1 – Варіант побудови експерименту

Усі тіла в природі складаються з атомів, в яких позитивно заряджене ядро і негативно заряджені електрони. Якщо позитивний заряд ядра дорівнює негативному заряду електронів, то такий атом є електрично нейтральним. Якщо заряд ядра більший ніж заряд електронів, то такий атом має позитивний заряд, а якщо менший – то негативний. Ці атоми називаються іонами.
Під час електризації (процесу доповнення, або зменшення електронів у тілі) порушується нейтральність тіла і воно одержує відповідно від’ємний або додатний заряд. Позначається електричний заряд буквою Q.
Між зарядженими тілами існує взаємодія. Тіла з різнойменними зарядами притягуються, а з однойменними відштовхуються.
У міжнародній системі одиниць (СІ) одиницею електричного заряду є кулон (Кл). 1 Кл = 6,29∙10^18 зарядів електрона. При розрахунках електричних зарядів застосовують також мілікулони (мКл) і мікрокулони (мкКл), 1 мКл = 10^-3 Кл, 1 мкКл = 10^-6 Кл.
Електричним полем називається особлива форма матерії, в якій відбувається взаємодія електричних зарядів.
Взаємодія електричних зарядів відбувається у матеріальному середовищі навколо зарядів. Якщо в середовище внести електричний заряд, то воно зміниться, в усіх його точках діятимуть електричні сили F на кожен заряд, внесений у будь яку точку цього середовища. Сила дії пропорційна величині електричного заряду.
Електричне поле нерухомих заряджених тіл з незмінними у часі зарядами називається електростатичним полем. Французький вчений Ш. Кулон у 1785 році визначив взаємодію двох наелектризованих тіл. Якщо вважати, що лінійні розміри тіл нескінченно малі, тобто взаємодіють точкові заряджені тіла, закон Кулона формулюється так. Сила взаємодії між двома точковими зарядженими тілами прямо пропорційна добутку зарядів цих тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними:

F = (Q1∙Q2)/(4π∙ε0∙εr∙r^2), (1)

де F – електрична сила;
Q1, Q2 – електричні заряди,
r – відстань між зарядженими тілами;
ε0 – електрична стала, ε0 = 8,8510-12 Ф/м;
εr – відносна діелектрична проникність середовища.
Як було сказано вище, рівняння закону Кулона справедливе лише у випадку взаємодії двох тіл, що мають нескінченно малі розміри, або під час взаємодії точкових зарядів. Реальні тіла, які можуть бути зарядженими та електростатично взаємодіяти між собою мають певні розміри та форми.
Досліджувана проблема – дослідити електростатичну взаємодію реальних тіл різних розмірів та форм.
– ключові терміни та поняття, які дають змогу засвоїти процес виконання роботи: електростатична взаємодія, електростатичне поле, силові лінії електростатичного поля, закон Кулона;
– джерела інформації, які попередньо потрібно опрацювати:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0;
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5;
В. Сиротюк, В. Баштовий. Фізика. 11 клас. Підручник / Рівень стандарту. – Харків, 2012.

Блок 3. Обладнання

Металеві диски на ізоляційних утримувачах; сферичні електроди різних розмірів на ізоляційних утримувачах; електронні терези; піднімальний столик; лінійка; електростатичний генератор.

Блок 4. Експериментальна процедура

1. Складіть дослідницьку установку за рисунком 1.
2. Проведіть вимірювання за методикою лабораторної роботи за посиланням: https://stemua.science/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%d0%b4%d0%be%d1%81%d0%bb%d1%96%d0%b4%d0%b6%d0%b5%d0%bd%d0%bd%d1%8f-%d0%b5%d0%bb%d0%b5%d0%ba%d1%82%d1%80%d0%be%d1%81%d1%82%d0%b0%d1%82%d0%b8%d1%87%d0%bd%d0%be%d1%97-%d0%b2%d0%b7%d0%b0%d1%94%d0%bc%d0%be/ з двома однаковими металевими дисками.
3. Встановлюйте замість верхнього диску сферичні електроди різних розмірів та проводьте вимірювання за методикою лабораторної роботи за посиланням.

Блок 5. Аналіз отриманих даних

1. Результати досліджень запишіть у таблицю:

2. Побудуйте інструментами математичних таблиць графіки залежності сили взаємодії від відстані у кожному експерименті.
3. Здійсніть інтерполяцію отриманих графіків та доберіть математичну функцію, яка найточніше відповідатиме отриманим результатам.
4. Зробіть висновки з пророблених вимірювань стосовно того, як форма та розміри взаємодіючих елементів впливають на силу електростатичної взаємодії та її залежність від відстані між елементами.

Блок 6. Напрями розвитку

1. Дослідження електростатичної взаємодії наелектризованих діелектричних тіл різних розмірів та форм.
2. Дослідження магнітної взаємодії постійних магнітів різних форм та розмірів.