Страница 122 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Как уменьшить вредное действие статического электричества?

Решение

Статическое электричество возникает из-за накопления избыточного электрического заряда на поверхности диэлектриков или изолированных проводников. Это явление может быть не только неприятным в быту (например, удар током при прикосновении к металлическим предметам), но и крайне опасным на производстве, так как искра статического разряда способна воспламенить горючие смеси или повредить чувствительные электронные компоненты. Для уменьшения и предотвращения вредного действия статического электричества существует несколько эффективных методов.

• Заземление

  Это основной и самый надежный способ борьбы со статическим электричеством. Суть метода заключается в создании проводящего пути между наэлектризованным объектом и землей. Земля выступает в роли огромного резервуара, способного принять или отдать практически любое количество заряда, тем самым нейтрализуя объект. На производстве все металлические части оборудования, резервуары и трубопроводы в обязательном порядке заземляют. В быту примером может служить заземляющий контакт в розетках. Специалисты, работающие с электроникой, используют антистатические браслеты, соединенные с заземлением. Автоцистерны для перевозки топлива часто имеют металлическую цепь, которая волочится по земле для отвода статического заряда.

• Увеличение влажности воздуха

  Сухой воздух является хорошим изолятором и способствует накоплению статических зарядов. Повышение относительной влажности воздуха (оптимально до 60–70%) делает его более электропроводным. Молекулы воды, содержащиеся в воздухе, оседают на поверхностях тончайшей пленкой, которая способствует стеканию (диссипации) статического заряда. Этот метод широко применяется в быту (с помощью увлажнителей воздуха, особенно в отопительный сезон) и в некоторых отраслях промышленности, например, в текстильной и полиграфической.

• Ионизация воздуха

  Этот активный метод заключается в насыщении воздуха положительными и отрицательными ионами с помощью специальных устройств — ионизаторов (нейтрализаторов статического электричества). Когда наэлектризованный объект (например, с избыточным положительным зарядом) оказывается в ионизированном воздухе, он притягивает к себе отрицательные ионы, которые нейтрализуют его заряд. Этот способ очень эффективен для снятия заряда с движущихся диэлектрических материалов (пленок, тканей, бумаги) и в помещениях, где невозможно применить заземление или увлажнение.

• Использование антистатических материалов и покрытий

  Для предотвращения накопления заряда используют материалы, которые либо слабо электризуются, либо обладают достаточной проводимостью для стекания заряда. К таким мерам относятся:

  • Ношение одежды из натуральных тканей (хлопок, лен, шерсть) вместо синтетических (полиэстер, нейлон), которые сильно электризуются.
  • Применение специальных антистатических пластиков, в которые добавлены проводящие компоненты (например, углерод). Из них изготавливают тару, детали оборудования.
  • Использование антистатических напольных покрытий, обуви и одежды для персонала в "чистых комнатах" и на электронных производствах.
  • Обработка поверхностей антистатическими жидкостями и аэрозолями (например, для ковров, одежды), которые создают на них тонкую проводящую или гигроскопичную (притягивающую влагу) пленку.

Выбор конкретного метода или их комбинации зависит от условий эксплуатации, свойств материалов и степени требуемой защиты.

Ответ: Для уменьшения вредного действия статического электричества необходимо обеспечивать стекание накопленного заряда. Основными способами являются: заземление оборудования и персонала, повышение относительной влажности воздуха, ионизация воздуха в рабочей зоне, а также использование антистатических материалов (одежды, тары, напольных покрытий) и применение специальных антистатических добавок или покрытий.

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.

3. Приведите примеры проявления вредных свойств статического электричества.

3. Статическое электричество, возникающее в результате трения или разделения поверхностей различных материалов, может иметь ряд вредных и опасных проявлений в различных сферах деятельности человека и в быту.

• В промышленности: Накопление статических зарядов представляет серьезную опасность на предприятиях, где используются или производятся легковоспламеняющиеся и взрывоопасные вещества. Например, в мукомольной, сахарной, текстильной промышленности, а также на элеваторах, мелкая пыль (мука, сахар, волокна, зерновая пыль) образует с воздухом взрывоопасную смесь. Искра от статического разряда, который может возникнуть на движущихся частях оборудования (например, на транспортерных лентах), способна вызвать мощный взрыв. Аналогичная опасность существует в химической и нефтеперерабатывающей промышленности при перекачке горючих жидкостей и газов.
• В электронике: Чувствительные электронные компоненты, такие как микросхемы, процессоры и транзисторы, могут быть необратимо повреждены электростатическим разрядом (ESD - Electrostatic Discharge). Человек может накопить на своем теле заряд, который при прикосновении к компоненту разрядится через него. Этот разряд, часто даже не ощутимый для человека, имеет достаточно энергии, чтобы прожечь тончайшие внутренние структуры полупроводникового прибора. Поэтому при работе с электроникой используют антистатические браслеты, коврики и специальную одежду.
• На транспорте: При заправке топливом самолетов и автомобилей возникает сильная электризация из-за трения топлива о стенки шлангов и горловину бака. Возникающая при этом искра может воспламенить пары топлива, что приведет к пожару или взрыву. Для предотвращения этого самолет и топливозаправщик перед заправкой обязательно соединяют с землей и друг с другом специальными заземляющими тросами.
• В быту: Хотя бытовые проявления статического электричества обычно не опасны, они доставляют дискомфорт. Например, неприятный удар током при прикосновении к металлической дверной ручке после ходьбы по синтетическому ковру. Одежда из синтетических тканей "прилипает" к телу, "трещит" и искрит при снятии в темноте, а волосы "встают дыбом" при расчесывании пластмассовой расческой.

Ответ: Вредные свойства статического электричества проявляются в виде риска пожаров и взрывов на промышленных объектах и транспорте из-за искрового разряда, повреждения чувствительных электронных компонентов, а также в виде бытовых неудобств, таких как болезненные щелчки тока и прилипание синтетической одежды.

4. Появление электрического заряда между ремнем и шкивом ременной передачи является классическим примером явления, известного как электризация трением или трибоэлектрический эффект. Процесс можно описать следующими этапами:

1. Контакт и трение разнородных материалов: Ремень (часто изготавливается из резины, каучука или других полимерных материалов) и шкив (как правило, металлический) состоят из разных веществ. При работе передачи ремень находится в постоянном движении, плотно прилегая к поверхности шкивов и испытывая трение о них.
2. Перенос заряда: При тесном контакте и последующем разделении двух разных материалов происходит переход электронов с поверхности одного тела на поверхность другого. Один материал, более склонный отдавать электроны, заряжается положительно, а другой, склонный их принимать, — отрицательно. Это свойство определяется положением материалов в так называемом трибоэлектрическом ряду.
3. Накопление заряда: Ремень, как правило, является диэлектриком (изолятором). Это означает, что полученный им электрический заряд не может свободно перемещаться по его поверхности и "стекать" на землю. В результате заряд накапливается на ремне. Если шкивы не заземлены должным образом, на них также накапливается заряд противоположного знака.
4. Электрический разряд: По мере работы механизма заряд продолжает накапливаться, и разность потенциалов между заряженным ремнем и близкорасположенными заземленными частями станка или другими предметами может достигнуть нескольких тысяч вольт. Когда напряженность электрического поля превышает диэлектрическую прочность воздуха, происходит пробой — электрический разряд, который мы видим и слышим как искру.

Ответ: Между ремнем и шкивом возникает статическое электричество из-за электризации трением (трибоэлектрического эффекта). В процессе трения разнородных материалов (резины ремня и металла шкива) происходит переход электронов от одного материала к другому, что приводит к накоплению на них электрических зарядов противоположных знаков.

4. Почему между ремнём и шкивом, на который он надет, во время работы иногда проскакивает искра?

4. Искра между ремнём и шкивом возникает из-за явления, называемого электризацией трением или трибоэлектрическим эффектом. Процесс можно разбить на несколько этапов:

1. Трение и передача заряда. Во время работы механизма ремень, который обычно изготавливается из диэлектрического материала (например, резины), непрерывно трётся о шкив, который чаще всего сделан из металла (проводника). При трении разнородных материалов происходит обмен электронами между их поверхностями. Один материал (например, ремень) приобретает избыток электронов и заряжается отрицательно, а другой (шкив) теряет электроны и заряжается положительно.
2. Накопление заряда. Так как ремень является диэлектриком, полученный им электрический заряд не может свободно перемещаться по его поверхности и не стекает на землю. Заряд накапливается на ремне. Шкив, если он не заземлён, также накапливает заряд. Вращение ремня приводит к непрерывному разделению и накоплению зарядов.
3. Возникновение разности потенциалов. Накопление разноимённых зарядов на ремне и шкиве приводит к возникновению между ними значительной разности потенциалов (высокого напряжения). Воздух, находящийся в зазоре между ремнём и шкивом, является изолятором.
4. Электрический пробой воздуха. Когда разность потенциалов становится достаточно большой, напряжённость электрического поля в воздухе превышает его диэлектрическую прочность (около $3 \cdot 10^6$ В/м). В этот момент происходит электрический пробой воздуха: он на короткое время становится проводником.
5. Искра. Через ионизированный воздух проходит короткий электрический ток, который нейтрализует накопленные заряды. Этот быстрый электрический разряд мы и наблюдаем как искру, сопровождающуюся характерным треском.

Таким образом, искра — это видимое проявление электрического разряда в воздухе, который происходит для нейтрализации статического электричества, накопленного из-за трения ремня о шкив.
Ответ: Искра между ремнём и шкивом проскакивает из-за накопления статического электричества в результате трения (трибоэлектрического эффекта). Когда разность потенциалов между наэлектризованным ремнём и шкивом становится достаточно большой, происходит электрический пробой воздуха, который мы видим как искру.

1. Почему при переливании бензина из одной цистерны в другую он может воспламениться? Какие специальные меры предосторожности необходимо предпринять?

Почему при переливании бензина из одной цистерны в другую он может воспламениться?

При переливании бензина, который является диэлектриком (веществом, плохо проводящим электрический ток), происходит его интенсивное движение и трение о стенки цистерн, трубопроводов и шлангов. В результате этого трения возникает явление электризации, при котором на поверхности бензина и на оборудовании накапливаются заряды статического электричества.

Это накопление зарядов приводит к возникновению значительной разности электрических потенциалов между различными частями системы (например, между наконечником шланга и корпусом цистерны) или между оборудованием и землей. Когда разность потенциалов достигает пробивного напряжения для воздуха, происходит искровой разряд.

Бензин является легковоспламеняющейся жидкостью, его пары в смеси с воздухом образуют взрывоопасную среду. Энергии искры, возникшей от статического электричества, достаточно для воспламенения этой паровоздушной смеси, что может привести к пожару или взрыву.

Ответ: Бензин может воспламениться из-за искры статического электричества. Искра возникает в результате накопления электрических зарядов из-за трения бензина о стенки оборудования при переливании и поджигает взрывоопасную смесь паров бензина с воздухом.

Какие специальные меры предосторожности необходимо предпринять?

Чтобы предотвратить возгорание, необходимо принять комплекс мер, направленных на предотвращение накопления статического электричества и возможности образования искры. Ключевые меры предосторожности включают:

• Заземление. Это основная и самая важная мера. Обе цистерны (из которой переливают и в которую переливают), а также насосное оборудование должны быть надежно заземлены. Металлическая цепь, касающаяся земли, часто прикрепляется к автоцистернам для непрерывного отвода заряда.
• Выравнивание потенциалов. Перед началом переливания необходимо соединить металлические части обеих цистерн и заправочного шланга специальным проводником (зажимом-«крокодилом»). Это обеспечивает одинаковый электрический потенциал на всех элементах и предотвращает проскакивание искры между ними.
• Снижение скорости переливания. Уменьшение скорости потока жидкости снижает интенсивность электризации трением.
• Исключение разбрызгивания. Шланг необходимо опускать до самого дна принимающей емкости. Переливание «падающей струей» приводит к сильному разбрызгиванию, интенсивному парообразованию и накоплению заряда.
• Использование токопроводящих шлангов. Шланги должны быть изготовлены из материалов, которые не накапливают статический заряд или имеют токопроводящую жилу для его отвода.

Ответ: Необходимо предпринять следующие меры: заземлить обе цистерны и оборудование, соединить их между собой проводником для выравнивания потенциалов, снизить скорость перекачки и осуществлять налив, опустив шланг на дно емкости, чтобы избежать разбрызгивания.

2. В установках для улавливания пыли пропускают воздух через металлические трубы, по оси которых протягивается металлическая проволока. Проволока имеет отрицательный заряд, а труба — положительный. Между ними создаётся сильное электрическое поле. Как будут вести себя пылинки: а) незаряженные; б) заряженные положительно или отрицательно?

Это задача на понимание поведения заряженных и незаряженных тел в неоднородном электрическом поле. В описанной установке (электростатическом фильтре) между положительно заряженной трубой и отрицательно заряженной проволокой создается сильное электрическое поле. Это поле является неоднородным: оно наиболее сильное вблизи тонкой центральной проволоки и ослабевает по мере приближения к стенкам трубы.

а) незаряженные;

Когда незаряженная пылинка, которая является диэлектриком, попадает в электрическое поле, она поляризуется. Это значит, что под действием внешнего поля происходит смещение связанных зарядов внутри пылинки. Та сторона пылинки, которая обращена к отрицательной проволоке, приобретает эффективный положительный заряд, а противоположная сторона, обращенная к положительной трубе, — эффективный отрицательный заряд.

Поскольку электрическое поле неоднородно, сила притяжения, действующая на положительную сторону пылинки (находящуюся в области более сильного поля у проволоки), будет превосходить по модулю силу отталкивания, действующую на ее отрицательную сторону (находящуюся в области более слабого поля). В результате на незаряженную пылинку будет действовать результирующая сила, втягивающая ее в область наиболее сильного поля. В данной конфигурации самое сильное поле — у центральной проволоки.

Ответ: Незаряженные пылинки будут поляризоваться и двигаться к центральной отрицательной проволоке, то есть в область с наибольшей напряженностью электрического поля.

б) заряженные положительно или отрицательно?

На заряженную частицу в электрическом поле действует сила Кулона $\vec{F} = q\vec{E}$. Направление этой силы зависит от знака заряда пылинки $q$. Вектор напряженности электрического поля $\vec{E}$ направлен от положительного заряда (труба) к отрицательному (проволока), то есть радиально к центру.

Положительно заряженные пылинки: Если заряд пылинки $q > 0$, то направление силы $\vec{F}$ совпадает с направлением поля $\vec{E}$. Следовательно, положительные пылинки будут двигаться по направлению силовых линий поля — к центральной отрицательно заряженной проволоке.

Отрицательно заряженные пылинки: Если заряд пылинки $q < 0$, то направление силы $\vec{F}$ будет противоположно направлению поля $\vec{E}$. Таким образом, отрицательные пылинки будут двигаться против силовых линий поля, то есть отталкиваться от центральной отрицательной проволоки и притягиваться к внешней положительно заряженной трубе.

Ответ: Положительно заряженные пылинки будут притягиваться к центральной отрицательной проволоке. Отрицательно заряженные пылинки будут притягиваться к стенкам положительно заряженной трубы.

1. Почему при заправке самолёта горючим и самолёт, и бензозаправщик заземляют?

1. Заземление самолёта и бензозаправщика при заправке горючим является критически важной мерой безопасности для предотвращения пожара или взрыва. Это связано с явлением статической электризации.

Процесс возникновения опасности можно разбить на несколько этапов:

1. Накопление статического заряда. Статическое электричество возникает в результате трения. В данном случае есть два основных источника его накопления:

   • При движении горючего (которое является диэлектриком) по шлангам и трубам от бензозаправщика к бакам самолёта происходит трение жидкости о стенки. В результате этого трения и самолёт, и заправщик накапливают значительный статический заряд.

   • Во время полёта корпус самолёта трётся о частицы воздуха, пыли и влаги, что также приводит к его электризации и накоплению на нём большого статического заряда.

2. Возникновение разности потенциалов. Из-за накопленных зарядов между корпусом самолёта, цистерной бензозаправщика и поверхностью земли возникает большая разность электрических потенциалов. Если не принять меры, эта разность может достигать десятков тысяч вольт.

3. Риск искрового разряда. При наличии большой разности потенциалов между двумя объектами (например, между заправочным пистолетом и горловиной бака самолёта) может произойти электрический разряд — искра. Энергии такой искры более чем достаточно для воспламенения паров горючего.

4. Опасность воспламенения. Авиационное топливо очень летучее и легко испаряется, создавая вокруг зоны заправки взрывоопасную смесь паров с воздухом. Появление искры в такой среде практически неминуемо приведёт к воспламенению и, как следствие, к пожару или взрыву.

Для предотвращения этой опасности и применяется заземление. Специальный металлический трос соединяет сначала бензозаправщик, а затем и самолёт с заземляющим устройством на аэродроме (специальным штырём, вбитым в землю). Это позволяет всем накопленным статическим зарядам безопасно "стечь" в землю, которая имеет практически бесконечную электрическую ёмкость. В результате потенциалы самолёта, заправщика и земли выравниваются и становятся равными нулю. Отсутствие разности потенциалов исключает возможность возникновения искры.

Дополнительно, для полной гарантии безопасности, самолёт и бензозаправщик соединяют отдельным проводом и между собой. Эта процедура называется выравниванием потенциалов и обеспечивает отсутствие разности потенциалов непосредственно между ними.

Ответ: Самолёт и бензозаправщик заземляют для того, чтобы снять с них накопленный статический электрический заряд. Этот заряд возникает из-за трения горючего о шланги при перекачке и трения самолёта о воздух во время полёта. Без заземления между самолётом и заправщиком могла бы возникнуть разность потенциалов, способная породить искру, которая, в свою очередь, воспламенила бы пары топлива и привела к пожару или взрыву.