Номер 2, страница 277 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Изготовьте клетку Фарадея.

Она была предложена в 1836 г. известным учёным М. Фарадеем для защиты от электрических полей.

Принцип работы клетки Фарадея заключается в том, что при помещении замкнутой электропроводящей оболочки в электрическое поле её свободные электроны приходят в движение под действием этого поля. Принцип действия устройства основан на перераспределении электронов в проводнике под воздействием электромагнитного поля. В результате внутри клетки электрическое поле будет скомпенсировано.

Клетку можно изготовить из тонкой металлической сетки с мелкой ячейкой.

Для проверки защитных свойств полученного прибора поместите внутрь его имеющийся у вас алюминиевый цилиндр или электроскоп и убедитесь, что он не будет реагировать на поднесённое снаружи заряженное тело.

2. Изготовьте клетку Фарадея.

Данное задание является руководством к проведению физического эксперимента для демонстрации экранирующего свойства клетки Фарадея. Ниже приведено развернутое описание эксперимента и физических принципов, лежащих в его основе.

Цель эксперимента:

Наглядно продемонстрировать, что замкнутая проводящая оболочка (клетка Фарадея) защищает (экранирует) находящиеся внутри нее объекты от воздействия внешних статических электрических полей.

Материалы и оборудование:

1. Проводящая клетка: можно использовать металлическую сетку с мелкими ячейками (например, кухонное сито), либо создать замкнутую оболочку из алюминиевой фольги, обернув ею непроводящий каркас (например, картонную коробку).

2. Индикатор электрического поля: стандартный школьный электроскоп или самодельный аналог — легкий шарик из фольги или маленький алюминиевый цилиндр, подвешенный на тонкой шелковой или капроновой нити.

3. Источник статического электричества: любая пластиковая или эбонитовая палочка (например, линейка, корпус ручки), которую можно наэлектризовать трением о шерстяную ткань, мех или сухие волосы.

Порядок выполнения (Ход эксперимента):

1. Проверьте чувствительность индикатора. Наэлектризуйте палочку трением и поднесите её к индикатору, не касаясь его. Листочки электроскопа должны разойтись, а подвешенный шарик/цилиндр — притянуться к палочке. Это подтверждает наличие заряда на палочке и работоспособность индикатора.

2. Уберите палочку. Индикатор должен вернуться в исходное состояние.

3. Поместите индикатор (электроскоп или подвешенный шарик) внутрь клетки Фарадея. Убедитесь, что индикатор не касается стенок клетки.

4. Снова поднесите заряженную палочку к внешней поверхности клетки. Можно даже коснуться клетки палочкой. Внимательно наблюдайте за поведением индикатора внутри.

5. Вы увидите, что индикатор внутри клетки никак не реагирует на приближение заряженного тела. Его состояние остается неизменным.

Решение (Физическое объяснение):

Принцип, лежащий в основе этого явления, — электростатическая индукция в проводниках.

Когда клетка, сделанная из проводника, помещается во внешнее электрическое поле $\vec{E}_{внешн}$, созданное заряженной палочкой, свободные носители заряда (электроны) в металле приходят в движение под действием кулоновских сил. Они перераспределяются по поверхности проводника.

Например, если к клетке поднести отрицательно заряженную палочку, электроны в металле клетки оттолкнутся от нее и сместятся на дальнюю сторону клетки, создав там избыток отрицательного заряда. На ближней к палочке стороне, соответственно, образуется избыток положительного заряда (положительно заряженные ионы кристаллической решетки, которые лишились своих электронов).

Это перераспределение зарядов, называемое индуцированными зарядами, создает собственное электрическое поле $\vec{E}_{внутр}$ внутри материала проводника. Это поле направлено строго в противоположную сторону по отношению к внешнему полю, $\vec{E}_{внешн}$.

Процесс движения электронов и нарастания поля $\vec{E}_{внутр}$ происходит практически мгновенно и продолжается до тех пор, пока полное поле внутри проводника не станет равным нулю. В состоянии равновесия поля полностью компенсируют друг друга:

$\vec{E}_{полное} = \vec{E}_{внешн} + \vec{E}_{внутр} = 0$

Поскольку напряженность электрического поля внутри самого материала стенок клетки равна нулю, из законов электростатики (в частности, из теоремы Гаусса) следует, что и во всей внутренней полости, свободной от зарядов, поле также будет отсутствовать. Потенциал во всех точках внутри клетки, включая ее стенки, будет одинаков.

Таким образом, внешнее электрическое поле не проникает внутрь замкнутой проводящей оболочки. Индикатор, находящийся внутри, оказывается в пространстве, где нет электрического поля, и поэтому не реагирует.

Ответ: Эксперимент по изготовлению и проверке клетки Фарадея демонстрирует фундаментальное свойство проводников в электростатическом поле: способность экранировать внутреннее пространство от внешних полей. Это происходит из-за явления электростатической индукции — перераспределения свободных зарядов в проводнике, которое создает внутреннее электрическое поле, полностью компенсирующее внешнее поле внутри проводящей оболочки. В результате суммарное электрическое поле внутри полости клетки равно нулю, что и наблюдается по отсутствию реакции индикатора на внешний источник заряда.