Мордехай Тульчинский - Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

166. Искры и треск

Искры, да еще с характерным «озоновым» запахом ясно указывают на то, что мы имеем дело с электрическим явлением. Искра, проскакивающая между двумя телами, представляет собой электрический разряд, для которого нужно, чтобы хотя бы одно из тел обладало электрическим зарядом. Естественно предположить, что изначально электрически нейтральный свитер мог получить заряд в результате электризации трением, благо трения между одеждой и телом случается достаточно.

Влажный воздух способствует «стеканию» заряда, поэтому при высокой влажности статический заряд накапливается хуже. Зимой в морозную погоду влажность падает до очень низких значений, из-за чего свитер накапливает большой заряд и трещит интенсивнее. Летом воздух гораздо теплее, так что даже при невысокой относительной влажности абсолютная влажность намного выше, поэтому статический заряд быстро «растекается», не успев накопиться.

167. Бензовоз на цепочке

При переливании и перевозке бензин и цистерна набирают электростатический заряд (да, при интенсивном соприкосновении электризуются не только твердые тела). Проскочившая между наэлектризованными телами искра в этом случае может стать причиной мощного взрыва. Цепь – простой способ снять статические заряды в дороге, «отдав» их земле. А при переливании бензина в цистерну и из нее используют специальные заземляющие устройства.

168. Плюс или минус?

На вид отличить положительно заряженный электроскоп от отрицательно заряженного не получится: электроскоп ведет себя одинаково независимо от знака заряда на нем. Но, имея предмет, знак заряда которого нам известен, мы можем заставить электроскоп вести себя по-разному в зависимости от его собственного заряда. И кусочек эбонита как раз позволяет нам получить в свое распоряжение такой предмет: если эбонит протереть шерстяной тряпочкой, он заряжается отрицательно. В качестве тряпочки подойдет шерстяной свитер и даже волосы на голове.

Итак, отрицательно заряженное тело у нас есть. Как теперь с его помощью определить заряд электроскопа? При прикосновении к электроскопу, заряженному положительно, заряды по крайней мере частично нейтрализуют друг друга, так что лепестки электроскопа опустятся. Но такой же эффект мы можем получить, если электроскоп заряжен отрицательно, но сильнее, чем эбонит: при выравнивании заряда лепестки в этом случае тоже сойдутся. Но если эбонит поднести к шарику электроскопа, не касаясь, то он вызовет поляризацию заряда: на шарике электроскопа соберется положительный заряд, а на лепестки отправится отрицательный, и в этом случае поведение лепестков будет красноречивым: если они разойдутся еще сильнее, значит, электроскоп был заряжен отрицательно, а если опустятся – положительно.

169. Как распределяется заряд?

Представим себе, что мы заряжаем шар, размещая на нем электроны по одному. Первому электрону все равно, где находиться, поэтому он останется примерно там, куда его поместили. Когда мы разместим на шаре второй электрон, они, в соответствии с законом Кулона, будут отталкиваться друг от друга и постараются разойтись как можно дальше, а поскольку электроны в металле перемещаются свободно, то наши электроны окажутся на противоположных точках поверхности шара. Третий электрон заставит два других разойтись так, чтобы все три электрона находились на большой окружности («меридиане») шара в вершинах правильного треугольника – именно при этом условии все три электрона находятся как можно дальше друг от друга. Четвертый электрон заставит три помещенных ранее сместиться так, чтобы вчетвером они заняли вершины правильного тетраэдра. Продолжая этот процесс (1 нанокулон – это довольно много электронов; кстати, сколько?), мы заметим, что заряды все время стремятся оставаться на поверхности шара. Чтобы доказать это строго, нам пока не хватит математических знаний, но интуитивно это довольно очевидно. А раз заряд все время остается на поверхности, то в средней части шара зарядов не будет – не важно, имеет ли эта средняя часть радиус в два или в четыре раза меньше радиуса шара.

170. Забастовка на игрушечной железной дороге

В отличие от реальной железной дороги, где для передачи энергии двигателю электропоезда нужен верхний провод, в игрушечной железной дороге питание подводится только по рельсам: к одному рельсу подключается плюсовой вывод источника напряжения, ко второму – минусовой. (Почему такая схема не используется на настоящей железной дороге?) Левое и правое колесо игрушечного локомотива служат «токосъемниками» – контактами, через которые двигатель замыкает электрическую цепь, чтобы получить электроэнергию.

Допустим, мы подключили к выводу «—» источника питания внутренний рельс верхнего кольца, а к выводу «+» – внешний рельс верхнего кольца. Внешний рельс верхнего кольца примыкает к внутреннему рельсу правого нижнего кольца. Тот, в свою очередь, смыкается с внешним рельсом левого нижнего кольца, который контактирует с… внутренним рельсом верхнего кольца! Значит, получается, что посредством нескольких колец внутренний рельс верхнего кольца соединен с выводом «+», но он же, по условию, напрямую соединен с выводом «—». Получается, что выводы источника питания замкнуты такой конфигурацией путей накоротко (рис. 86).

Рис. 86

А получится ли соединить похожим образом четыре кольца так, чтобы поезд ездил? Пять колец? Попробуйте вывести общее правило.

Кстати, эта задача чем-то напоминает задачу 59… Сумеете ли вы установить логическую связь между ними?

171. Не просто пожар

Вода – хороший проводник. Даже если пожар начался не из-за замыкания, а, скажем, из-за перегрева проводки, вызванного перегрузкой (к удлинителю подключено слишком много слишком «прожорливых» электроприборов), или даже вовсе не по «электрическим» причинам, вода тем не менее способна замкнуть электрическую цепь и усугубить ситуацию. К тому же, плеснув воды из ведра, можно самому нечаянно стать тем проводником, который замыкает цепь накоротко, а это смертельно опасно.

Первым делом в таком случае нужно отключить питание (как можно дальше от места, где произошло возгорание, лучше всего – на электрическом щитке), а гасить пламя следует песком или огнетушителем. При этом огнетушитель тоже подойдет не всякий: нужен порошковый или углекислотный.

172. Где поставить выключатель?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно чуть подробнее разобраться в том, как действует источник переменного напряжения, который питает все электроприборы в нашем доме. (Отметим, что это все же очень упрощенное описание, в котором многие существенные детали опущены.)