Fizika · Elektr va magnetizm · 7-sinf

O‘tkazgich, dielektrik, chaqmoq

Momaqaldiroqda nega mashina ichida xavfsiz, yolg‘iz daraxt ostida esa xavfli?

Vaziyat

Yozning dim kunida shahar ustida qop-qora bulut paydo bo‘ldi: chaqmoq chaqnadi, momaqaldiroq gumburladi. Yo‘ldagi haydovchi mashinadan tushmay, ichida kutib turdi — bu to‘g‘ri qaror. Minora tepasidagi ingichka metall sterjen — chaqmoq qaytargich — chaqmoqni o‘ziga qabul qilib, tokni yerga olib ketadi. Xuddi shu fizika sinfda ham ishlaydi: zaryadlangan sharcha metall sharga tegmasdan, undagi zaryadlarni qayta taqsimlaydi, ishqalangan taroq esa qog‘oz bo‘lakchalarini ko‘taradi. O‘tkazgich va dielektrik elektr maydonda o‘zini qanday tutadi — va nega mashina ichida chaqmoqdan xavfsizsiz?

Mavzu

O‘tkazgichlar, dielektriklar va chaqmoq. Momaqaldiroqda chaqmoq qaytargich va Faradey qafasi ichidagi odam

Asosiy tushunchalar

Elektrostatik induksiya
O‘tkazgich ichida E = 0
Chaqmoq qaytargich

Formulalar

{\vec{E}}_{ichki} = 0, φ = const

Elektrostatik muvozanatda o‘tkazgich ichida maydon yo‘q, uning hamma nuqtasi bir xil potensialda; ortiqcha zaryad faqat sirtda turadi.

E = \frac{σ}{ε_{0}}

O‘tkazgich sirti yonidagi maydon sirtga tik va zaryadning sirt zichligi $σ$ ga proporsional.

Q = - q \frac{R}{d}

Yerga ulangan $R$ radiusli sharda $d$ masofadagi $q$ zaryad induksiyalaydigan zaryad (tasvirlar usuli).

E_{ichki} = \frac{3}{ε + 2} E_{0}

Bir jinsli $E_{0}$ maydondagi dielektrik shar ichida maydon kamayadi, lekin nolga tushmaydi.

E_{uch} = β E_{0}, R_{ur} \approx 10 I^{0,65}

Baland va o‘tkir uchda maydon $β$ marta kuchayadi. Chaqmoq toki $I$ (kA) bo‘lsa, u $R_{ur}$ (m) masofadagi eng yaqin jismga «sakraydi».

Nazariya

O‘tkazgich va dielektrik

Metallarda har bir atom bir-ikkita elektronini «umumiy» qiladi — bu erkin elektronlar butun jism bo‘ylab ko‘cha oladi. Shuning uchun metall, tuzli suv, nam tuproq va inson tanasi o‘tkazgich. Shisha, rezina, plastmassa, quruq qog‘oz va havoda zaryadlar o‘z molekulasiga bog‘langan: ular faqat joyida biroz siljiydi yoki buriladi — bular dielektriklar (izolyatorlar). «Induksiya» rejimida «Metall shar» va «Dielektrik shar»ni almashtirib, farqni ko‘ring.

Elektrostatik induksiya va o‘tkazgich ichidagi maydon

Zaryadlangan sharcha yaqinlashganda metall shardagi erkin elektronlar siljiydi: yaqin tomonda qarama-qarshi, uzoq tomonda bir xil ishorali zaryad yig‘iladi (elektrostatik induksiya), jami zaryad esa nol bo‘lib qoladi. Elektronlar ichkaridagi maydon nolga tenglashguncha harakat qiladi — bu sekundning milliarddan biridan ham tez sodir bo‘ladi (sahnada sekinlashtirilgan). Zondni shar ichiga qo‘ying: $E = 0$ ; $E (x)$ grafigida ham shar ichida maydon yo‘q, $φ (x)$ esa o‘zgarmas — butun shar ekvipotensial. Elektroskop shar potensialini ko‘rsatadi. Induksiya bilan zaryadlash: sharcha yonida sharni yerga ulang ( $Q = - q R / d$ zaryad qoladi), yerdan uzing, keyin sharchani olib keting. Kovak sharda ortiqcha zaryad faqat tashqi sirtda: sinov plastinkasi ichki sirtdan zaryad olmaydi, bo‘shliqdagi maydon esa tashqi zaryad qanchalik yaqin bo‘lmasin nol — bu elektrostatik himoya (Faradey qafasi).

Zaryad sirtda qanday taqsimlanadi

O‘tkazgich sirtida zaryad notekis joylashadi: egrilik katta (radius kichik) joyda zichlik $σ$ va maydon $E = σ / ε_{0}$ katta. Sim bilan ulangan ikki sharning potensiali teng: $k q_{1} / R_{1} = k q_{2} / R_{2}$ , demak $σ_{1} / σ_{2} = R_{2} / R_{1}$ — kichik sharning sirtida maydon kuchliroq. O‘tkir uchda maydon havoni ionlashtira boshlaydi — toj razryadi (dengizchilar uni «Avliyo Elmo olovi» deb atashgan). Universitet darajasida: o‘tkazgichlar sistemasida potensiallar zaryadlarga chiziqli bog‘liq, $φ_{i} = \sum_{j} α_{i j} q_{j}$ (sig‘im koeffitsiyentlari shundan kelib chiqadi), maydon energiyasi $W = \frac{1}{2} \sum_{i} q_{i} φ_{i}$ . Sig‘im va kondensatorlar — «Kondensator» tajribasida.

Dielektrik elektr maydonda

Maydonda dielektrik qutblanadi: qutbsiz molekulalarda elektron buluti siljiydi, qutbli molekulalar (masalan, suv) maydon bo‘ylab buriladi. Natijada sirtda bog‘langan zaryadlar paydo bo‘ladi va ichkaridagi maydon $ε$ ga bog‘liq ravishda kamayadi (sharda $3 E_{0} / (ε + 2)$ ), lekin o‘tkazgichdagidek nolga tushmaydi. Qutblangan bo‘lakcha notekis maydonda kuchliroq tomonga tortiladi: $F = \frac{α}{2} \partial (E^{2}) / \partial y$ . Shuning uchun taroq qog‘oz bo‘lakchasini ko‘taradi. Quruq qog‘oz — sof dielektrik: u faqat bir necha millimetrdan sakraydi. Oddiy qog‘oz havodan namlik yutadi va biroz o‘tkazadi, shuning uchun uzoqroqdan sakraydi; o‘tkazgich folga undan ham kuchli qutblanadi. Folga taroqqa tegib, bir zumda zaryad oladi va itarilib qaytadi, qog‘oz esa yopishib qoladi va zaryadni sekin oladi. Ba’zi kristallar bosilganda qutblanadi (pyezoelektriklar — gaz zajigalkasi), ba’zilari o‘z-o‘zidan qutblangan bo‘ladi (segnetoelektriklar) — batafsil «Kondensator» tajribasida.

Momaqaldiroq, chaqmoq va qaytargich

To‘p-to‘p bulut ichida do‘l donachalari va muz kristallari to‘qnashib, zaryadlar ajraladi: yengil musbat kristallar yuqoriga (≈ 10 km), og‘ir manfiy donachalar o‘rtaga (≈ 6 km) yig‘iladi. Bulut ostidagi yer sirtida musbat zaryad induksiyalanadi, maydon bir necha kV/m ga yetadi (ochiq havoda atigi ≈ 0,1 kV/m). Bulutdan pog‘onama-pog‘ona lider tushadi; uning uchi biror jismga $R_{ur}$ masofaga yaqinlashganda, jismdan qarshi lider ko‘tarilib, kanal tutashadi va o‘n minglab amperli bosh razryad o‘tadi — havo ≈ 30 000 K gacha qizib, keskin kengayadi: momaqaldiroq. Chaqmoq qaytargichning vazifasi — chaqmoqni o‘ziga qabul qilib, tokni sim orqali yerga xavfsiz o‘tkazish; «dumalovchi shar» zonasi ichidagi jismlarga chaqmoq tushmaydi. Avtomobil kuzovi — Faradey qafasi: tok metall sirt bo‘ylab oqib o‘tadi, ichkarida maydon yo‘q. Yolg‘iz daraxt esa chaqmoqni o‘ziga tortadi — uning ostida turish xavfli.

Model va soddalashtirishlar

Shar uchun maydon aniq yechim bilan hisoblanadi (metall — tasvir zaryadlari, dielektrik — Lejandr qatori); zaryadlangan sharcha nuqtaviy zaryad deb olingan, elektroskop shkalasi taxminiy. Taroq zaryadi tishlari uchidagi chiziqli zaryad deb olingan (u yerda maydon havo teshilishi chegarasidan oshmaydi); bo‘lakchalar maydon bo‘ylab tik turgan yupqa plastinka: quruq qog‘oz — dielektrik ( $ε \approx 3$ ), oddiy qog‘oz — namlik tufayli sust o‘tkazgich, folga — o‘tkazgich. Bulut — ikki nuqtaviy zaryad (+Q 10 km da, −Q 6 km da), yer — o‘tkazgich; minora ham o‘tkazgich deb olingan (nam g‘isht statik maydonda o‘tkazadi), maydon halqasimon zaryadlar bilan (chegaraviy elementlar usuli) hisoblanadi. Toj razryadi chegarasi — Pik formulasi, uning hajmiy zaryadi hisobga olinmagan. Sahnada 60 m dan baland masofalar qisqartirilgan, chaqmoq bir necha o‘n marta sekinlashtirilgan.

Bilasizmi?

Chaqmoq qaytargichni XVIII asr o‘rtasida amerikalik olim va davlat arbobi Benjamin Franklin ixtiro qilgan.
Avtomobilni chaqmoqdan rezina g‘ildiraklar emas, metall kuzov himoya qiladi: tok kuzov sirti bo‘ylab oqib, yerga o‘tadi. Shuning uchun yumshoq tomli (kabriolet) yoki plastik kuzovli mashina bunday himoya bermaydi.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Elektrlanish, Kulon qonuni — 7-sinf
Elektr zanjiri, Om qonuni — 7-sinf
Tok manbalari, EYuK, ichki r — 7-sinf
Elektr tokining ishi va quvvati — 8-sinf
Elektr dvigatel — 8-sinf
Qutb yog‘dusi va Lorens kuchi — 8-sinf
Elektr maydon va potensial — 8-sinf
Kondensator va elektr sig‘imi — 8-sinf
Sxemalar va Kirxgof qoidalari — 8-sinf
Metallarda elektr toki — 8-sinf