XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Регулирование уровня статического электричества с помощью контроля влажности воздуха в помещении для комфортной жизни людей и их питомцев

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Березин А.В. 1

---

1МАОУ №186 «Авторская академическая школа»

Быстровидова Е.В. 1

---

1МАОУ №186 «Авторская академическая школа»

Работа в формате PDF

475.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Зимой, когда я глажу своего кота, его шерсть притягивается к руке и слышны щелчки. А если гладить кота в темноте, то можно наблюдать искорки. При этом кот проявляет недовольство: мяукает и убегает. 

От родителей я узнал, что шерсть кота, как и другие предметы, накапливает статическое электричество из-за недостаточной влажности воздуха дома зимой.

Я решил исследовать, какова природа статического электричества, наносит ли оно вред животным и людям, можно ли снизить уровень статического электричества дома для более комфортного взаимодействия людей и их пушистых питомцев с помощью регулирования влажности воздуха в помещении.

Тема актуальна, так как многие люди содержат дома животных и сталкиваются с проблемами статического электричества из-за шерсти питомцев.

Объект исследования – статическое электричество.

Предмет исследования – влияние влажности в помещении на уровень статического электричества.

Предполагается, что, регулируя уровень влажности воздуха в помещении, можно снизить уровень статического электричества для более комфортной жизни людей и их питомцев.

Цель работы: выяснить, что такое статическое электричество, несет ли оно вред для человека и животных, как контролировать уровень статического электричества с помощью регулирования влажности в помещении.

Задачи исследования:

- изучить теоретический материал на тему статического электричества;

- провести эксперимент для анализа взаимосвязи статического электричества и уровня влажности воздуха в помещении;

- разработать рекомендации по снижению статического электричества для повышения комфорта жизни людей и их питомцев.

Практическая значимость работы заключается в разработке списка практических рекомендаций, которые помогут людям и их питомцам повысить комфорт жизни дома.

ГЛАВА 1 Природа статического электричества

1.1 История открытия статического электричества

Одно из первых наблюдений явления статического электричества связывают с именем греческого философа Фалеса Милетского. В 600 году до нашей эры он обнаружил, что потертый о шерсть янтарь начинает притягивать к себе легкие предметы. На греческом языке янтарь называется «электрон», что и стало первоисточником всех электрических терминов.¹

В 1600 году англичанин Уильям Гильберт в своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» ввел термин «электричество».

В 1650 году Отто фон Герике создал первую электростатическую машину, создающую эффект притягивания и отталкивания под действием электричества.

В 1729 году английский ученый Стивен Грей открыл явления электропроводимости, установив, что электричество может передаваться между телами.²

В 1733 году французский ученый Шарль Франсуа Дюфе открыл существование двух типов электричества, которые он назвал стеклянным и смоляным.

В 1747 году Бенджамин Франклин ввел понятия положительного и отрицательного заряда.

В 1785 году французский ученый Шарль Огюстен Кулон открыл закон взаимодействия зарядов друг с другом.³

Эти важнейшие открытия легли в основу современного понимания явления статического электричества.

1.2 Статическое электричество, как физическое явление

Все предметы в мире состоят из молекул. Молекула, в свою очередь, состоит из атомов, а атом из протонов, нейтронов и электронов. Атом представляет собой ядро, вокруг которого вращаются электроны. Электроны нейтрализуют положительно заряженные протоны. Поэтому атом в целом является электрически нейтральным.⁴

Внутри каждого тела есть огромное количество как отрицательных, так и положительных зарядов. При трении эти заряды перераспределяются между трущимися телами. Именно с перераспределением зарядов и связана электризация тел трением: на одних телах возникает избыток отрицательных зарядов, на других – их недостаток, то есть избыток положительных.⁵

Когда накопленный заряд становится достаточно большим, происходит электрический разряд, то есть проскакивает искра.

В 2024 году группа ученых из Северо-Западного университета США опубликовала интересное исследование явления статического электричества. Они смоделировали статический заряд в наноразмерном масштабе и установили, что трение двух материалов друг о друга приводит к деформациям на поверхности каждого объекта.

Деформации на поверхности порождают разные заряды на обоих краях объекта. Образование статического электричества ученые связали с понятием «упругий сдвиг»: он происходит всякий раз, когда объект сопротивляется силе скольжения, что вызывает перемещение электрических зарядов.⁶

1.3 Влияние статического электричества на людей и животных

Статическое прилипание, встающие дыбом волосы, удар током при прикосновении – все это мало кому понравится.⁷

Статическое электричество негативно влияет на здоровье человека. При длительном воздействии статический заряд может вызвать нарушения в работе центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, потерю сна и аппетита, раздражительность, головные боли.⁸

Домашние животные также, как и люди испытывают дискомфорт от статического электричества. Мех пушистых питомцев – идеальный проводник.

По результатам проведенного опроса⁹, выявлено, что питомцы негативно реагируют на проявление статического электричества при контакте с человеком. Результаты опроса приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Реакция питомцев на проявление статического электричества при контакте с человеком

Исследование показывает, статическое электричество доставляет неудобство в быту людям и их пушистым домашним питомцам.

1.4 Факторы, влияющие на статическое электричество в быту

Рассмотрим факторы, влияющие на накоплении статического электричества в бытовых условиях.

1. Слишком сухой воздух в помещении.

Если вы получаете удары тока от вещей, которых касаетесь дома, то скорее всего причина состоит в том, что в помещении недостаточно влажный воздух. Влага – это естественный проводник, способный качественно заземлять заряд. Если влаги в воздухе недостаточно, то на поверхностях образуются статические электрические разряды, накапливается большое количество пыли.

2. Расположение бытовых приборов в одном месте.

Статическое электричество дома появляется из-за множества различных электроприборов, расположенных в одном месте. Поэтому не следует использовать все приборы одновременно, а располагать их лучше равномерно по всему помещению. Бытовые электромеханические приборы большой мощности оборудуются заземляющим контактом через электрическую розетку.

3. Синтетические материалы и металлические предметы.

Основными источниками накопления и передачи статического электричества являются металлические предметы мебели. Кроме того, активно накапливает статическое электричество синтетическая обивка мебели, а также пледы, покрывала и постельное белье, подстилки и домики для домашних питомцев.

4. Предпочтение синтетической одежде.

Волокна синтетической ткани накапливают статическое электричество гораздо активнее, чем натуральные ткани, по типу хлопка и льна.

При наличии проблемы с избыточным статическим электричеством дома, следует обратить внимание на данные факторы.

ГЛАВА 2 Исследование взаимосвязи влажности воздуха и статического электричества в помещении методом эксперимента

2.1 Подготовка инструментария для проведения эксперимента

Для того, чтобы выявить влияние уровня влажности в помещении на статическое электричество необходимы измерители.

Поэтому было принято решение собрать прибор для измерения влажности, а для оценки уровня статического электричества использовать кота.

Величайший из электротехников, американский изобретатель Эдисон начал проделывать электрические опыты, еще будучи мальчиком, добывая электричество с помощью своего кота.¹⁰

Сборка прибора для измерения влажности проводилась вместе с моим папой, кандидатом технических наук. 

Прибор для измерения влажности собран на базе Arduino. Для отображения влажности к устройству подключен LCD-дисплей по шине SPI. Датчик, измеряющий влажность, подключен с помощью шины I2C.  В качестве источника питания использован Power bank, подключенный по USB-кабелю. Фото собранного прибора приведено ниже на рисунке 1

Рисунок 2 - Прибор для измерения влажности воздуха в помещении

2.2 Проведение эксперимента, сбор и анализ полученных данных

В качестве места для проведения эксперимента была выбрана комната, в которой кот проводит большую часть времени в течение дня. Для фиксирования результатов использован дневник наблюдений.

В течение нескольких дней проводилось регулирование уровня влажности в помещении с помощью увлажнителя воздуха и прибора для измерения влажности. По достижению необходимого уровня влажности, гладилась шерсть кота для оценки ее наэлектризованности и реакции кота. В таблице 1 ниже приведены результаты исследования.

Таблица 1

Календарь наблюдений

Результаты исследования показали, что уровень влажности воздуха более 35% комфортен для пушистого домашнего питомца. При более низкой влажности животному не нравится контактировать с человеком из-за наэлектризованности шерсти.

2.3 Рекомендации по снижению статического электричества дома

Чтобы пушистым питомцам и их хозяевам было комфортно контактировать с зимний период, когда воздух дома особенно сухой, необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

1. Используйте увлажнитель воздуха дома, поддерживая уровень влажности на уровне более 40%.

2. Отдавайте предпочтение натуральным тканям в своей одежде и подстилке питомца.

3. Расчески для себя и щетки для питомца предпочтительнее выбирать из дерева или другого материала, обладающего диэлектрическими свойствами.

4. Если шерсть питомца наэлектризовалась, слегка смочите руку, чтобы снять статический заряд.

5. При необходимости используйте специальные спреи-антистатики для животных.

Соблюдение данных рекомендаций поможет питомцам и их владельцам комфортно пережить зимний период.

Заключение

Многие люди содержат дома пушистых животных и сталкиваются с проблемами наэлектризованности их шерсти зимой.

Опрос, проведенный среди владельцев домашних животных, подтвердил актуальность данной проблемы.

В работе выполнено исследование теоретических аспектов природы статического электричества и его влияния на жизнь людей и их питомцев.

Изучение и анализ литературы показали, что интерес к явлению статического электричества возник еще в VI веке до нашей эры. Значительный вклад в изучение данного явления внесли такие ученые, как Фалес Милетский, Отто фон Герике, Стивен Грей, Уильям Гильберт, Шарль Франсуа Дюфе, Бенджамин Франклин, Шарль Огюстен Кулон.

Также проведено изучение статического электричества как физического явления. Новизна исследования состоит в приведении актуального исследования механизма статического электричества, опубликованного в 2024 году.

Изучение теоретических аспектов позволило выявить, как электризуется шерсть домашних питомцев. При натирании шерсти сухой ладонью образуется электричество двух видов: одного – на кошачьей шерсти, другого – на гладящей руке. С шерсти электричество перетекает на подпирающую руку. Обе руки оказываются заряженными различными электричествами, которые соединяются через тело человека и питомца, вызывая при этом ощутимый удар током. В этом причина покалывания, которое ощущается, если погладить кошку, щелчков и искорок.

Для проведения практической части исследования была произведена сборка прибора для измерения влажности воздуха в помещении и разработан календарь наблюдений для отслеживания состояния шерсти и реакции кота.

По результатам эксперимента выявлена взаимосвязь между уровнем статического электричества и влажности воздуха в помещении.

Подтвердилась гипотеза о том, что, регулируя уровень влажности воздуха дома, можно снизить уровень статического электричества. При этом, домашнее животное ведет себя более спокойно при влажности воздуха от 40%.

В результате проведенной работы разработан перечень практических рекомендаций по снижению статического электричества дома для повышения комфорта жизни людей и их питомцев в зимний период.

Список использованных источников и литературы

1. Блумфилд, Л. А. Как все работает: Законы физики в нашей жизни / Л. А. Блумфилд. – Москва: Издательство АСТ, 2016 – 704 с.

2. Ванюшин, М. Б. Электротехника для любознательных: энцикл. / М. Б. Ванюшин. – СПб: Наука и техника, 2017 – 320 с.: ил.

3. Голованов, В. Учёные наконец разобрались, как статическое электричество возникает от трения // Habr.ru: сайт. URL: https://habr.com/ru/news/846028/ (дата обращения: 20.01.2025)

4. Калашников, Н. П. Начала физики: учеб. пособие / Н.П. Калашников, С. Е. Муравьев. – Москва: Ойкумена, 2012. – 600 с.

5. Леонович, А. А. Физика без формул: энцикл. / А. А. Леонович. – Москва: Издательство АСТ, 2024. – 223 с.: ил. – (Простая наука для детей).

6. Сворень, Р. А. Электричество шаг за шагом: энцикл. / Р. А. Сворень. – Москва: ДМК-Пресс, 2019. – 460 с.: ил.

7. Перельман, Я. М. Физика на каждом шагу: энцикл. / Я. М. Перельман. – СПб: СЗКЭО, 2024. – 496 с.: ил.

Приложение А

АНКЕТА

Исследование влияния статического электричества на питомцев

Поставьте галочку напротив одного варианта ответа, если не указано иное

1. Есть ли у Вас пушистый домашний питомец?

• Да

• Нет

2. Какие явления Вы замечали при контакте с питомцем зимой?

(можно выбрать несколько вариантов)

• Шерсть липнет к руке

• Слышны щелчки

• Легкий удар током

• Видны искорки

• Ничего

4. Как питомец реагируют на подобные явления при контакте с Вами?

• Отходит подальше

• Нервничает / суетится

• Кусается / царапается

• Не реагирует / спокоен

5. Знаете ли Вы, что такое статическое электричество?

• Да

• Нет

6. Используете ли Вы дома увлажнитель воздуха?

• Да

• Нет

Приложение Б

Результаты проведенного анкетирования

Всего опрошено: 30 человек.

Респонденты: дети, 10-11 лет.

Имеют питомцев: 28 человек (93%).

При контакте с питомцев зимой замечали явления:

Шерсть липнет к руке – 10 ответов (23%);

Слышны щелчки – 4 ответов (9%);

Легкий удар током – 22 ответов (51%);

Видны искорки – 2 ответов (5%);

Ничего – 5 ответов (12%).

Реакция питомца на подобные явления:

Отходит подальше – 12 человек (40%);

Нервничает / суетится – 10 человек (33%);

Кусается / царапается – 3 человека (10%);

Не реагирует / спокоен – 5 человек (17%).

Знают о существовании статического электричества: 16 человек (53%).

Используют увлажнитель воздуха дома: 20 человек (67%).