Номер 2, страница 122 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

Вопросы после параграфа. § 33. Статическое электричество, его учет и использование в быту и технике. Глава 2. Электрические явления - номер 2, страница 122.

2. Как увеличить полезное действие статического электричества?

Вопрос «Как увеличить полезное действие статического электричества?» можно трактовать по-разному: как увеличить силу электростатического взаимодействия, как накопить больший заряд или как эффективнее использовать его на практике. Рассмотрим все эти аспекты, основываясь на фундаментальных физических принципах.

1. Увеличение величины электрического заряда

Сила электростатического взаимодействия напрямую зависит от величины зарядов. Чем больше заряд на телах, тем сильнее они взаимодействуют. Увеличить заряд можно несколькими способами:

• Выбор материалов при электризации трением. Разные материалы при трении друг о друга заряжаются по-разному. Существует так называемый трибоэлектрический ряд, в котором материалы расположены в порядке их способности приобретать положительный или отрицательный заряд. Чтобы получить максимальный заряд, нужно использовать материалы, находящиеся как можно дальше друг от друга в этом ряду (например, стекло и резина, или шерсть и ПВХ).
• Интенсивность процесса электризации. Более интенсивное трение, охватывающее большую площадь поверхности, способствует передаче большего количества заряда.
• Использование электростатических генераторов. Для создания очень больших статических зарядов и высоких напряжений используются специальные устройства, такие как генератор Ван де Граафа или электрофорная машина. Они используют механическую работу для разделения и накопления зарядов, что находит применение, например, в ускорителях частиц.

2. Усиление электростатического взаимодействия

Сила взаимодействия между двумя точечными зарядами $q_1$ и $q_2$ описывается законом Кулона:$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$где $F$ — сила взаимодействия, $r$ — расстояние между зарядами, а $k$ — коэффициент пропорциональности. Чтобы увеличить силу $F$, необходимо:

• Уменьшить расстояние между заряженными телами. Как видно из формулы, сила обратно пропорциональна квадрату расстояния ($F \propto 1/r^2$). Это означает, что даже небольшое уменьшение расстояния приводит к значительному увеличению силы притяжения или отталкивания. Этот принцип используется в электростатической покраске, где заряженные капли краски притягиваются к заземленному изделию, обеспечивая равномерное покрытие.
• Оптимизировать свойства среды. Коэффициент $k$ зависит от диэлектрической проницаемости среды ($\varepsilon$): $k = 1/(4\pi\varepsilon_0\varepsilon)$. Чем меньше диэлектрическая проницаемость среды, тем сильнее взаимодействие. Кроме того, важна влажность воздуха. Влажный воздух лучше проводит электричество, что приводит к быстрой «утечке» заряда с наэлектризованных тел. Поэтому для максимального эффекта (например, в демонстрационных экспериментах или в работе электростатических фильтров) необходима сухая среда.

3. Накопление и хранение заряда

Для многих практических применений важно не просто создать заряд, но и накопить его в значительном количестве. Способность тела или системы тел накапливать заряд характеризуется электрической ёмкостью $C$. Заряд $Q$, который можно накопить, связан с ёмкостью и разностью потенциалов (напряжением) $V$ формулой:$Q = C \cdot V$Устройства для накопления заряда называются конденсаторами. Ёмкость простейшего плоского конденсатора определяется формулой:$C = \frac{\varepsilon \varepsilon_0 S}{d}$где $\varepsilon$ — диэлектрическая проницаемость материала между обкладками, $\varepsilon_0$ — электрическая постоянная, $S$ — площадь обкладок, $d$ — расстояние между ними. Чтобы увеличить ёмкость и, следовательно, способность накапливать заряд, нужно:

• Увеличить площадь проводников (обкладок) $S$.
• Уменьшить расстояние $d$ между ними.
• Использовать диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью $\varepsilon$ между проводниками. Диэлектрик ослабляет электрическое поле внутри конденсатора, что позволяет накопить на обкладках больший заряд при том же напряжении.

Историческим примером такого устройства является лейденская банка, а современные конденсаторы являются неотъемлемой частью практически любой электронной схемы, от фотовспышки до блоков питания.

Ответ: Для увеличения полезного действия статического электричества необходимо:

1. Увеличивать величину зарядов, используя подходящие материалы при трении, увеличивая интенсивность контакта или применяя электростатические генераторы.
2. Усиливать электростатическое взаимодействие, уменьшая расстояние между заряженными телами и работая в среде с низкой влажностью и низкой диэлектрической проницаемостью.
3. Для накопления большого количества заряда использовать устройства с большой электрической ёмкостью (конденсаторы), увеличивая площадь их проводников, уменьшая расстояние между ними и/или используя диэлектрики с высокой проницаемостью.