Номер 2, страница 442 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Задания к главе 10 «Электростатика». Задания по проектной и исследовательской деятельности. Глава 10. Электростатика. Электродинамика - номер 2, страница 442.

Условие.

2. Изучите принцип работы капельницы Кельвина, используя материалы интернет-ресурса http://gotourl.ru/7148. Через систему поиска сайта найдите материалы по теме «Капельница Кельвина». Как вы думаете, какое применение можно найти этому устройству?

Решение.

Принцип работы капельницы Кельвина

Капельница Кельвина, также известная как гидроэлектрический генератор Кельвина, — это электростатический генератор, который использует падающие капли воды для создания высокого напряжения. Он был изобретен лордом Кельвином в 1867 году.

Устройство состоит из двух металлических колец (индукторов) и двух металлических ведер (коллекторов), изолированных друг от друга. Вода из общего резервуара разделяется на два потока, каждый из которых проходит через одно из колец и капает в ведро под ним. Ключевой особенностью является перекрестное соединение: каждое ведро электрически соединено с противоположным кольцом. То есть, левое ведро соединено с правым кольцом, а правое ведро — с левым.

Процесс генерации заряда начинается с небольшого случайного дисбаланса зарядов в системе, который всегда присутствует в окружающей среде. Предположим, правое кольцо изначально имеет небольшой положительный заряд $q$.

1. Когда струя воды (которая в целом электронейтральна) проходит через положительно заряженное правое кольцо, в ней происходит электростатическая индукция. Положительные ионы в воде отталкиваются от кольца, а отрицательные — притягиваются к нему. В результате область воды внутри кольца становится отрицательно заряженной.

2. Когда капля отрывается от струи внутри этого кольца, она уносит с собой избыточный отрицательный заряд. Эти отрицательно заряженные капли падают в левое ведро.

3. Накопление отрицательного заряда в левом ведре передается по проводу на левое кольцо, которое, в свою очередь, становится отрицательно заряженным.

4. Теперь левое кольцо, имея отрицательный заряд, притягивает положительные ионы в проходящей через него струе воды. Капли, отрывающиеся от этой струи, уносят с собой положительный заряд и падают в правое ведро.

5. Положительный заряд из правого ведра передается на правое кольцо, еще больше увеличивая его первоначальный положительный заряд.

Этот процесс представляет собой положительную обратную связь: чем больше заряд на кольцах, тем эффективнее они индуцируют заряд в каплях, что, в свою очередь, еще больше увеличивает заряд на кольцах и ведрах. Заряд нарастает экспоненциально до тех пор, пока напряжение между ведрами не станет настолько большим, что произойдет электрический разряд (искра) между ними, или пока электростатическое отталкивание не помешает каплям попадать в ведра. Энергия для этого процесса берется из гравитационной потенциальной энергии падающей воды: электростатические силы тормозят падение капель, и эта разница в кинетической энергии преобразуется в электрическую.

Ответ: Принцип работы капельницы Кельвина основан на электростатической индукции и положительной обратной связи. Падающие капли воды проходят через заряженные металлические кольца, индуцируя в каплях заряд противоположного знака. Эти заряженные капли собираются в ведрах, которые соединены с противоположными кольцами, усиливая их первоначальный заряд. Этот самоусиливающийся процесс приводит к накоплению высокого напряжения за счет преобразования гравитационной энергии падающей воды в электрическую.

Применение устройства

Капельница Кельвина является в первую очередь наглядным демонстрационным устройством, а не практическим источником энергии. Она генерирует очень высокое напряжение (тысячи вольт), но при этом крайне малый ток (порядка наноампер), что приводит к очень низкой выходной мощности.

Исходя из этого, можно выделить несколько областей применения этого устройства:

1. Образование и демонстрация. Это основное и наиболее распространенное применение. Устройство эффектно и понятно демонстрирует принципы электростатической индукции, разделения зарядов и возникновения высокого напряжения. Его часто используют в школьных и университетских курсах физики, а также в научных музеях.

2. Научные исследования. Теоретически, капельница может служить источником высокого напряжения для экспериментов, не требующих значительного тока. Например, для зарядки конденсаторов в некоторых установках или для создания статического поля в лабораторных условиях. Однако на практике для этих целей чаще используют более стабильные и управляемые высоковольтные источники питания.

3. Моделирование атмосферных явлений. Оригинальное название прибора — «гроза Кельвина» (Kelvin's thunder-storm). Он служит хорошей аналоговой моделью процесса разделения зарядов в грозовых облаках, который приводит к возникновению молний. Устройство может использоваться для изучения и моделирования некоторых аспектов атмосферного электричества.

4. Арт-инсталляции. Визуальная привлекательность процесса и эффектный электрический разряд (искра) делают капельницу Кельвина интересным объектом для научно-популярных выставок и арт-инсталляций, объединяющих науку и искусство.

Практическое применение в качестве источника питания для современных устройств крайне маловероятно из-за низкой мощности, нестабильности и сильной зависимости от условий окружающей среды (например, влажности воздуха, которая способствует утечке заряда).

Ответ: Основное применение капельницы Кельвина — это образовательные демонстрации принципов электростатики. Также она может использоваться в качестве аналоговой модели для изучения атмосферного электричества, в редких случаях как высоковольтный, но маломощный источник в лабораторных экспериментах, и как экспонат в научных музеях или арт-инсталляциях. Практического применения в качестве источника энергии устройство не имеет.