Сколько времени живёт заряд?, страница 183, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 4. Электрический заряд. Электрическое поле. Параграф 47. Исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 183.

Условие.

СКОЛЬКО ВРЕМЕНИ «ЖИВЁТ» ЗАРЯД!

Как показали многочисленные опыты, заряженное тело не может сохранять свой заряд неограниченно большое время. С течением времени заряд любого тела будет постепенно уменьшаться вплоть до его полной потери.

Цель работы

Изучить характер зависимости потери заряда телом от времени, исследовать за-висимость скорости потери заряда от свойств окружающей среды.

Научная справка

Причин, вследствие которых заряженное тело теряет свой заряд, может быть несколько. Вместе с тем можно выделить ряд главных факторов, приводящих к потере заряда, с последующей опытной проверкой выдвинутых гипотез. Скорость потери телом заряда, по-видимому, зависит как от свойств самого тела (вида веще-ства, из которого изготовлено тело, его размеров и т. п.), так и свойств окружающей среды (концентрации положительных и отрицательных ионов, содер-жащихся в воздухе, влажности и температуры воздуха, наличия в воздухе части-чек пыли, дыма и т. п.). Для опытной проверки указанных предположений необ-ходимо использовать ряд приборов, входящих в комплект оборудования школьно-го кабинета физики.

Ход работы

• В качестве оборудования потребуются следующие приборы и материалы: два одинаковых электрометра, снабжённых шкалой с уменьшенной вдвое ценой де-ления за счёт нанесения дополнительных рисок; ионизатор воздуха (можно ис-пользовать бытовой ионизатор); психрометр для измерения влажности воздуха; герметичный бокс из прозрачного пластика; кювета с водой; эбонитовая палоч-ка (длинная расчёска из пластика); кусочки меха или шерсти; часы.

Опыт 1

• С помощью эбонитовой палочки или расчёски, потёртых о мех, зарядите первый электрометр. При этом стрелка прибора от-клонится на фиксированное число делений шкалы. Опыт проведите в помещении с отно-сительной влажностью воздуха порядка $60-70\%$ (комнатные условия).

Опыт 1 Опыт 2

Опыт 2

• Одновременно с опытом 1 точно так же зарядите второй электрометр, причём рядом с ним поместите включённый ионизатор воздуха (см. рисунок на с. 183). При проведении экспериментов электрометры должны быть удалены друг от друга на максимально возможное расстояние.

• Начертите в тетради таблицы.

• В режиме реального времени запишите в таблицы 1 и 2 зависимость заряда электрометров (в числах делений шкалы) от времени (например, через каждые 5 минут).

Таблица 1

Число делений шкалы
$\text{t}$, мин

Таблица 2

Число делений шкалы
$\text{t}$, мин

Опыт 3

• Электрометр зарядите точно так же, как и в опыте 1 (по углу отклонения стрел-ки). Поместите электрометр в прозрачный герметичный бокс, в котором создана $100\%$-ная влажность. Запишите в таблицу 3 зависимость заряда электрометра от времени.

Таблица 3

Число делений шкалы
$\text{t}$, мин

• По данным таблиц 1—3 постройте графики зависимости зарядов электрометров (в числах делений шкалы) от времени. Графики постройте на одном листе мил-лиметровой бумаги.

• Сделайте выводы.

Решение.

Это задание представляет собой описание лабораторной работы. Поскольку у меня нет возможности провести реальный эксперимент, я смоделирую его результаты на основе физических законов и представлю решение в требуемом формате.

Для моделирования предположим, что начальный заряд во всех трех опытах одинаков и соответствует отклонению стрелки на 10 делений шкалы. Измерения будем проводить каждые 5 минут.

Опыт 1

В этом опыте заряженный электрометр находится в обычных комнатных условиях (относительная влажность 60–70%). Потеря заряда происходит медленно, в основном за счет нейтрализации ионами, которые всегда присутствуют в воздухе в небольшом количестве.

Таблица 1. Зависимость заряда электрометра от времени в комнатных условиях.

Число делений шкалы	10	9	8	7	6
t, мин	0	5	10	15	20

Ответ: Данные о зависимости заряда от времени в комнатных условиях внесены в Таблицу 1.

Опыт 2

В этом опыте рядом с заряженным электрометром работает ионизатор воздуха. Он создает высокую концентрацию положительных и отрицательных ионов, которые активно нейтрализуют заряд на электрометре. Разрядка должна происходить очень быстро.

Таблица 2. Зависимость заряда электрометра от времени при работе ионизатора воздуха.

Число делений шкалы	10	2	0	0	0
t, мин	0	5	10	15	20

Ответ: Данные о зависимости заряда от времени при работе ионизатора внесены в Таблицу 2.

Опыт 3

В этом опыте электрометр помещен в среду со 100% влажностью. Молекулы воды являются полярными. При высокой влажности на поверхности изолятора электрометра образуется тончайшая пленка воды, которая обладает проводимостью. Это приводит к быстрой утечке заряда на землю.

Таблица 3. Зависимость заряда электрометра от времени при 100% влажности.

Число делений шкалы	10	6	3	1	0
t, мин	0	5	10	15	20

Ответ: Данные о зависимости заряда от времени при 100% влажности внесены в Таблицу 3.

По данным таблиц 1–3 постройте графики зависимости зарядов электрометров (в числах делений шкалы) от времени.

Для построения графиков на одной координатной плоскости отложим по оси ординат (вертикальной) число делений шкалы (от 0 до 10), а по оси абсцисс (горизонтальной) — время в минутах (от 0 до 20).

• График 1 (Опыт 1): Будет представлять собой плавно убывающую линию, которая за 20 минут снижается с 10 до 6 делений. Это самая пологая кривая.
• График 2 (Опыт 2): Будет представлять собой очень крутую кривую, которая резко падает с 10 делений почти до нуля за первые 5 минут и достигает нуля к 10-й минуте.
• График 3 (Опыт 3): Будет убывающей кривой, более крутой, чем первая, но менее крутой, чем вторая. За 20 минут заряд полностью стечет (линия достигнет нуля).

Все три графика начинаются в одной точке (t=0, 10 делений), но идут по-разному, демонстрируя различную скорость потери заряда.

Ответ: Графики будут представлять собой три убывающие кривые, выходящие из одной точки. Самая крутая кривая соответствует опыту с ионизатором (Опыт 2), самая пологая — опыту в комнатных условиях (Опыт 1). Кривая для опыта с высокой влажностью (Опыт 3) займет промежуточное положение.

Сделайте выводы.

На основе проведенных опытов и анализа полученных данных можно сделать следующие выводы:

1. Заряженное тело не может сохранять свой заряд неограниченно долго. Со временем заряд уменьшается (стекает) из-за взаимодействия с окружающей средой.
2. Скорость потери заряда телом сильно зависит от свойств окружающей среды.
3. В обычных комнатных условиях (сухой воздух) заряд стекает медленно. Это связано с нейтрализацией заряда небольшим количеством ионов, всегда присутствующих в воздухе.
4. Наличие в воздухе большого количества ионов (созданных ионизатором) резко увеличивает скорость нейтрализации заряда, что приводит к очень быстрой разрядке электрометра.
5. Высокая влажность воздуха также значительно ускоряет потерю заряда. Это происходит из-за того, что на поверхности изоляторов образуется тонкая пленка воды, которая является проводником и обеспечивает путь для утечки заряда.

Ответ: Главный вывод работы заключается в том, что "время жизни" электрического заряда не является постоянной величиной и критически зависит от условий окружающей среды. Основными факторами, ускоряющими потерю заряда, являются ионизация и влажность воздуха.