Опыт, страница 259 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Зарядите изготовленный вами алюминиевый цилиндр, поднесите к массивному металлическому телу и коснитесь его. Окажется ли тело заряженным? Объясните почему.

Вспомните, наблюдали ли вы аналогичный эффект, заключающийся в искрении вашей одежды при соприкосновении с массивными металлическими предметами.

Зарядите изготовленный вами алюминиевый цилиндр, поднесите к массивному металлическому телу и коснитесь его. Окажется ли тело заряженным? Объясните почему.

Да, массивное металлическое тело окажется заряженным.

Вот почему это произойдет:

И алюминиевый цилиндр, и массивное тело являются проводниками. В проводниках есть свободные носители заряда (в металлах — электроны), которые могут свободно перемещаться по всему объёму тела.

Когда заряженный алюминиевый цилиндр касается электрически нейтрального массивного металлического тела, они на мгновение образуют единую проводящую систему. Общий заряд этой системы равен начальному заряду цилиндра, так как массивное тело было нейтрально.

Заряды внутри проводника всегда стремятся распределиться по его поверхности так, чтобы занять как можно большую площадь. Это связано с силами отталкивания между одноименными зарядами. Такое распределение соответствует состоянию с минимальной потенциальной энергией.

Поскольку массивное тело по определению имеет гораздо большие размеры (а значит, и большую площадь поверхности), чем алюминиевый цилиндр, его электрическая ёмкость ($C_{тела}$) значительно превосходит ёмкость цилиндра ($C_{цил}$). Математически это выражается как $C_{тела} \gg C_{цил}$.

При контакте общий заряд $\text{q}$ перераспределяется между телами пропорционально их ёмкостям. После установления равновесия (которое происходит практически мгновенно) оба тела будут иметь одинаковый электрический потенциал. Заряд, который окажется на массивном теле, можно найти по формуле: $q_{тела} = q \cdot \frac{C_{тела}}{C_{цил} + C_{тела}}$

Поскольку $C_{тела}$ намного больше $C_{цил}$, знаменатель $C_{цил} + C_{тела}$ будет примерно равен $C_{тела}$. Следовательно, дробь $\frac{C_{тела}}{C_{цил} + C_{тела}}$ будет очень близка к 1. Это означает, что почти весь начальный заряд $\text{q}$ перейдет с цилиндра на массивное тело ($q_{тела} \approx q$). Цилиндр при этом станет практически незаряженным.

Ответ: Да, массивное тело окажется заряженным. При соприкосновении двух проводников заряд перераспределяется между ними, и большая его часть переходит на тело с большей электрической ёмкостью, которым в данном случае является массивное тело.

Вспомните, наблюдали ли вы аналогичный эффект, заключающийся в искрении вашей одежды при соприкосновении с массивными металлическими предметами.

Да, такой эффект очень распространён в быту и является полной аналогией описанного в задаче явления.

Причина этого эффекта — статическое электричество. Когда мы носим одежду, особенно из синтетических тканей (например, полиэстер, нейлон, флис), она трётся о наше тело или об окружающие предметы (например, обивку кресла). В результате трения (трибоэлектрического эффекта) на одежде и на теле человека накапливается электрический заряд.

Человеческое тело является проводником, поэтому накопленный заряд распределяется по его поверхности. Когда заряженный таким образом человек подходит к массивному металлическому предмету, который часто бывает заземлён (например, кузов автомобиля, батарея центрального отопления, металлическая дверная ручка), между телом человека и предметом существует большая разность потенциалов.

В момент, когда рука почти касается предмета, напряжённость электрического поля в крошечном воздушном зазоре становится настолько большой, что происходит электрический пробой воздуха. Мы видим этот пробой как маленькую молнию — искру, и часто слышим характерный щелчок. Это и есть электростатический разряд, в ходе которого избыточный заряд с тела человека быстро перетекает на массивный предмет.

В этой аналогии наше заряженное тело играет роль заряженного алюминиевого цилиндра, а массивный металлический предмет — роль массивного тела из задачи. Искрение наглядно демонстрирует быстрый перенос заряда с объекта с меньшей ёмкостью (человек) на объект с гораздо большей ёмкостью.

Ответ: Да, искрение, которое иногда возникает при прикосновении к большим металлическим предметам, — это тот же самый эффект. Он вызван разрядом статического электричества, накопленного на теле человека, на массивный проводник с большой электроемкостью.