VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Секреты статического электричества
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Электрические поля окружают нас повсюду, поскольку одна из самых распространенных причин их возникновения – это механическое трение, сопровождающее многие процессы в природе. Синтетические ткани, линолеумные покрытия, автомобили, велосипеды могут стать мощными источниками электростатических полей с напряженностями до десятков и сотен тысяч Вольт/метров. Сильные поля могут возникать на кинескопах телевизоров и компьютеров, если не предпринимаются специальные меры защиты от статического электричества. Но кроме этих полей, которые связаны с электризацией каких-либо физических объектов, в свободной атмосфере существует постоянное электрическое поле, которое может меняться в сезонно-суточном цикле и которое составляет в среднем величину 130 Вольт/метров. Эта величина характерна для хорошей погоды или ясного дня. Наличие электрических полей вызывает проблемы, связанные с влиянием электрических полей на технологические процессы и организм человека. Изменения электростатического баланса человека приводят к снижению иммунитета, переутомлению, склерозу, преждевременному старению организма, воздействие статического электричества на технику приводит к отказам в ее работе. Все это и определило актуальность темы исследования.
В мае 2018 года мы на уроке физики проводили опыты со статическим электричеством. Я был поражен тем, что нас окружает электричество, которое может накапливаться в заряды и трансформироваться в разряды. Я решил подготовить работу о статическом электричестве, причинах возникновения электростатических полей, вреде и пользе электростатики, влиянии ее на организм человека, способах защиты от негативного воздействия статического электричества в быту и промышленности.
Целью данной работы является изучение статического электричества, возможностей его практического использования, способов защиты от вредных воздействий статического электричества.
Для оптимального достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучить явление электростатики;
- провести практические опыты с использованием статического электричества;
- изучить направления практического использования статического электричества и способов защиты от его негативного воздействия.
Объектом исследования выступает электродинамика, предметом исследования электростатика.
При выполнении работы использовались следующие методы: изучение информации по теме; проведение физических опытов, наблюдение, анализ, вывод.
Практическая значимость работы: полученные мной знания в процессе изучения данной темы пригодятся мне при подготовке к занятиям по физике, опыты по статическому электричеству можно продемонстрировать моим одноклассникам при изучении соответствующих тем, я могу поделиться со своими одноклассниками и другими школьниками практическими советами по защите от статического электричества.
Для реализации поставленной цели и решения задач, стоящих в работе, был проведен теоретический анализ научных, учебных, справочных источников информации, представленных в библиографическом списке.
1. Электростатика
Электризация (статическое электричество) явление, при котором на поверхности и в объёме диэлектриков, проводников и полупроводников возникает и накапливается свободный электрический заряд.
Основной причиной возникновения статического электричества является взаимодействие тел друг с другом посредством трения. Так, при соприкосновении двух разнородных веществ различия их атомных и молекулярных сил на их поверхности приводят к перераспределению электронов (а в жидкостях и газах еще и ионов) с образованием двойного электрического слоя с противоположными знаками электрических зарядов. Возникает контактная разность потенциалов, значение которой зависит от ряда факторов, таких как: диэлектрические свойства материалов, значения их взаимного давления при соприкосновении, влажность и температура поверхностей этих тел, климатические условия[2].
Молния это одно из явлений статического электричества в природе. В основании грозового облака находятся мелкие капельки воды с температурой 00С, а на его вершине – кристаллики льда с температурой -500 С. Мощные воздушные потоки перемешивают и сталкивают водяные капли и льдинки, заряжая облако электричеством. Когда отрицательный заряд становится достаточно большим, происходит вспышка, т.е. молния. При этом электричество движется по воздуху от тучи к туче или от тучи вниз к земле (Приложение Рис. 1).
Явления, связанные со статическим электричеством были известны еще в Древней Греции. Греческий философ Фалес Милетский в VI в. до н.э. обнаружил, что янтарь начинал притягивать различные легкие предметы после натирания шерстью. (Приложение Рис. 2). Английский физик придворный врач Елизаветы I и Якова I Уильям Гилберт выявил способность притягивать различные легкие тела не только у янтаря, но и у алмаза, сапфира, стекла и некоторых других материалов. Эти вещества он назвал «электрическими» (подобными янтарю, так как греческое слово «электрон» означает «янтарь»)[4] (Приложение Рис. 3).
В 1663 году немецкий физик и инженер Отто фон Герике изобрел первую в истории электрическую машину. По заказу исследователя, стеклодув залил расплавленную серу в сферическую стеклянную форму, которая после застывания серы была разбита. Так был изготовлен шар диаметром около 15 сантиметров. Шар затем был установлен на горизонтальную металлическую ось, закрепленную на стойках так, чтобы она могла вращаться с помощью ручки сбоку. Сера была выбрана Отто Герике потому, что она намного лучше электризовалась трением в отличие от обычно применяемого в подобных случаях куска янтаря. (Приложение Рис. 4).
С помощью электрической машины было возможно электризовать вращающийся шар трением, прижимая к нему ладонь или кусок шерстяной ткани. В процессе работы устройства в темноте, наблюдалось слабое синеватое свечение шара, всегда сопровождающееся легким электрическим потрескиванием. При проведении экспериментов, Отто Герике обнаружил, что пушинки в воздухе сначала притягивались к наэлектризованному шару, а после соприкосновения с ним тут же отталкивались, так изобретатель определил, что существует электрическое притяжение и электрическое отталкивание. (Приложение Рис. 5).
Английский физик Стефан Грей в 1729 г открыл существование проводников и непроводников электричества. Им было установлено, что электричество распространяется по металлическим проволокам, угольным стержням, но не передается по каучуку, воску, шелковым нитям, фарфору (изоляторы, предохраняющие от утечки электричества). Стефан Грей выявил, что хорошими проводниками электричества являются ткани человека и животных.
Французский исследователь Шарль Дюфе изучал взаимодействие наэлектризованных тел. Открыл в 1733 году существование двух родов электричества, которые назвал "стеклянным" и "смоляным" электричеством. Первое возникает на стекле, горном хрустале, драгоценных камнях, волосах, шерсти и т. п.; второе - на янтаре, шелке, бумаге и др. При этом Дюфе установил, что однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются. Ш. Дюфе первый наэлектризовал тело человека и "получил" из него электрические искры. (Приложение Рис. 6).
Первые приборы для обнаружения электричества и количественного изучения электрических явлений появились в XVIII в. В 1745 г. был изобретен один из первых электроскопов. Его построил академик петербургской академии наук Георг Вильгельм Рихман. (Приложение Рис.7). Электроскоп Г. Рихмана состоял из железной линейки, против ребра которой была подвешена льняная нить, внизу имелась шкала. С помощью этого прибора Г. Рихман проделал много опытов по изучению электрического поля вокруг заряженных тел[2].
Французский инженер Шарль Кулон в 1785 г. опытным путем установил, от чего зависит сила взаимодействия наэлектризованных тел. Из его опытов возникло понятие «количество электричества». Впоследствии в международной системе единиц СИ, единицу измерения электрического заряда назвали в честь него. (Приложение Рис. 8).
В XVIII в. физик Жан Нолле построил усовершенствованную электрическую машину, в которой электричество возникало от трения о ладони стеклянного шара, приводившегося во вращение бесконечным ремнем от колеса. Заряды с шара переходили на кондуктор, который был подвешен на шелковых нитях. (Приложение Рис.9).
Многие явления, связанные с электризацией тел, были открыты еще в XVII-XVIII веках, но полное объяснение они получили только тогда, когда развилось учение об электрическом поле, и было открыто строение атома.
Существуют следующие способы электризации тел:
Электризация световой энергией (фотоэффект). Фотоэффект – это явление, при котором под воздействием света из материалов вырываются электроны. Явление фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем в 1887 году в ходе экспериментов по излучению электромагнитных волн. На явлении фотоэффекта основана работа фотоэлементов. Широкое используются в различных датчиках контроля освещенности, солнечных батареях, телевидении, кинематографии. (Приложение Рис.10)
Электризация нагреванием (термоэлектронная эмиссия). Термоэлектронная эмиссия это явление, при котором из сильно нагретых металлов (при температуре 1100-1200 К) в окружающую среду вылетают электроны. Термоэлектронная эмиссия открыта в 1813 году американским изобретателем Т. Эдисоном. Исследована в 1900-1901 гг. английским физиком О.В. Ричардсоном. На использовании этого термоэлектронной эмиссии основана работа электронных ламп. (Приложение Рис.11)
Электризация при химической реакции (электролиз). Явление электролиза было открыто в 1832 г. М. Фарадеем. При наличии двух электродов из разных металлов происходят окислительно-восстановительные реакции, в результате один из них становится заряженным положительно, а второй – отрицательно. Электролиз применяется при нанесении гальванических покрытий, электроочистке (рафинировании меди), добыче металлов из растворов, анодировании. (Приложение Рис.12)
Электризация давлением (пьезоэлектричество). Пьезоэлектричество (от греч. piézo — давлю и электричество), явление возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект) и возникновения механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект).
Если пластинку пьезоэлектрика поместить между двумя электродами и давить на нее с силой F, то одна грань ее электризуется положительным электрическим зарядом, а противоположная — отрицательным. При изменении направления действия сил — при растягивающем усилии — знак заряда на пьезоэлектрике изменяется. Это связано с тем, что под действием механической силы электрические заряды атомов вещества смещаются. Чем больше усилие, действующее на пьезоэлектрик, тем сильнее он электризуется.
Свойства электризации пьезоэлектрика используются в автоматике и даже в обычной пьезоэлектрической зажигалке для поджига газа в духовой плите. (Приложение Рис.13).
2. Практическое изучение статического электричества
Я провел различные опыты со статическим электричеством. В этом мне очень помогал мой кот Полосатик.
Опыт 1. Статическое электричество
Цель опыта. Рассмотреть положительно и отрицательно заряженные частицы на примере некоторых бытовых предметов.
Материал и оборудование: Кот Полосатик»; шарик воздушный – 2 штуки; алюминиевая банка; шерстяная ткань.
Описание опыта:
Воздушные шарики необходимо потереть шерстяной тканью, а затем поднести их друг к другу. Воздушные шарики будут отталкиваться друг от друга теми сторонами, которые были натёрты об шерсть. Далее потрём один из воздушных шариков о кота Полосатика, затем немного поднимем воздушный шарик над шерстью кота. Воздушный шарик притянет шерсть кота Полосатика к себе. Затем положим алюминиевую банку на бок на пол, поднесём к ней воздушный шарик, который мы потёрли о шерсть кота. Как только мы поднесем воздушный шарик к банке, отведем его в сторону и банка будет катиться за шариком.
Вывод:
Когда мы натираем воздушные шарики шерстяной тканью или шерстью кота, на них создается статическое электричество, которое включает в себя отрицательно и положительно заряженные частицы. Когда же мы натираем воздушные шарики против шерсти кота или шерстяной ткани, то воздушные шарики заряжаются отрицательно. (Приложение Рис. 14 и Рис. 15).
Опыт 2. Понятие об электрических зарядах
Цель опыта: показать, при контакте двух различных предметов возможно разделение электрических разрядов.
Материал и оборудование: воздушный шарик; шерстяная ткань; кот Полосатик.
Описание опыта:
Надуем воздушный шарик и потрем его шерстяную ткань, затем будем дотрагиваться воздушным шариком до различных предметов в комнате. Воздушный шарик прилипает ко всем предметам: к дивану, шкафам, к стенам и к моему коту Полосатику.
Это происходит из-за, того, что каждый предмет имеет определенный электрический заряд. В то же время, ряд предметов, шерстяная ткань или шерсть кота очень легко теряют свои электроны. При трении воздушного шарика об шерстяную ткань происходит разделение электрических разрядов, шерстяная ткань отдает электроны, электроны перемещаются на воздушный шарик и он становится отрицательно заряженным. Когда такой воздушный шарик подносится к нейтральным предметам (не натертым шерстяной тканью), электроны в этих предметах начинают отталкиваться от электронов шарика и перемещаться на другую сторону предмета. Поэтому та сторона предмета, которая ближе к воздушному шарику, заряжается положительно, и воздушный шарик притягивает предмет к себе. При длительном контакте, электроны переходят обратно с воздушного шарика на предмет, и воздушный шарик и предмет перестают притягиваться.
Вывод: В результате контакта между двумя различными предметами возможно разделение электрических разрядов.
Опыт 3. Танцующие кубики
Цель: показать, что разноименные статические заряды притягиваются друг к другу, а одноименные отталкиваются.
Материал и оборудование: алюминиевая фольга; кусочки пенопласта; ножницы; пластмассовая расческа; кот Полосатик.
Описание опыта:
Ножницами нарежем алюминиевую фольгу маленькими полосками, в каждую полоску завернем кусочек пенопласта. Затем проведем несколько раз пластмассовой расческой по шерсти кота Полосатика, а затем поднесем расческу вплотную к кусочкам пенопласта, завернутым в фольгу. Кусочки пенопласта начнут подпрыгивать.
Это происходит из-за того, что шерсть кота Полосатика об которую мы потерли расческу, легко потеряла свои электроны и их часть перешла на расческу, расческа приобрела отрицательный статический заряд. При приближении расчески к кусочкам пенопласта, завернутым в фольгу, электроны фольги отталкиваются от электронов расчески и перемещаются на противоположную кусочка пенопласта. В результате, одна сторона кусочка пенопласта, завернутого в фольгу оказалась заряжена положительно, другая сторона – отрицательно. Положительно заряженная сторона кусочка пенопласта завернутого в фольгу притягивается к отрицательно заряженной расческе. Так, кусочки пенопласта начинают подпрыгивать.
Вывод: Разноименные статические заряды притягиваются друг к другу, а одноименные отталкиваются. (Приложение Рис. 16).
Опыт 4. Прыгающие гречневые хлопья
Цель: показать, как в результате контакта между двумя различными предметами возможно разделение статических электрических разрядов.
Материал и оборудование: столовая ложка гречневых хлопьев; тарелка; воздушный шарик, кот Полосатик.
Описание опыта:
Возьмем тарелку и насыплем на нее гречневые хлопья. Надуем небольшой воздушный шарик. Потрем воздушный шарик о шерсть кота Полосатика и поднесем его к гречневым хлопьям, не касаясь их. Гречневые хлопья подпрыгивают и приклеиваются к воздушному шарику.
При контакте между воздушным шариком и шерстью кота Полосатика произошло разделение статических электрических зарядов. Часть электронов с шерсти кота перешло на воздушный шарик, и воздушный шарик приобрел отрицательный электрический заряд. При поднесении воздушного шарика к гречневым хлопьям, электроны в гречневых хлопьях начали отталкиваться от электронов воздушного шарика и перемещаться на противоположную сторону. В результате, верхняя сторона гречневых хлопьев, обращенная к воздушному шарику, оказалась заряжена положительно, и воздушный шарик притягивает легкие гречневые хлопья к себе.
Вывод: В результате контакта между двумя различными предметами возможно разделение статических электрических разрядов. (Приложение Рис. 17.).
Опыт 5. Гибкая вода
Цель: показать, что в воде электрические заряды свободно перемещаются.
Материал и оборудование: раковина и водопроводный кран; пластиковая трубка; кот Полосатик.
Описание опыта:
Слегка откроем водопроводный кран, для того, чтобы струя воды была очень тонкой. Возьмем пластиковую трубку. Натрем пластиковую трубку о шерсть кота Полосатика и поднесем ее к струйке воды. Струйка воды отклонится в сторону пластиковой трубки. Это происходит, потому, что электроны с шерсти кота Полосатика переходят на пластиковую трубку и придают ей отрицательный заряд. Этот заряд отталкивает от себя электрические заряды, находящиеся в воде, и они перемещаются в ту часть струи, которая дальше всего от пластиковой трубки. Ближе к пластиковой трубке в струе воды возникает положительный заряд, и отрицательно заряженная пластиковая трубка тянет ее к себе. Как только струйка воды коснется пластиковой трубки, он потеряет свой заряд. Лишние электроны перейдут в воду; как пластиковая трубка, так и вода станут электрически нейтральными и струйка воды снова потечет ровно.
Вывод: Электрические заряды могут свободно перемещаться в воде. (Приложение Рис. 18.).
Опыт 6. Электрический спрут
Цель: посмотреть на проявление электрического заряда одного вида.
Материал и оборудование: макет спрута из цветной бумаги; воздушный шарик; кот Полосатик.
Описание опыта:
Из цветной бумаги отрезали полоску и нарезали множество полосок-щупалец. Натерли полоски спрутика шерстью кота Полосатика. Скрутили в кольцо не разрезанную сторону листа. Получили, что полоски-щупальца растопырились в стороны. При засовывании шарика внутрь колокола щупалец, щупальца его схватят.
Вывод: Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. (Приложение Рис.19.).
Опыт 7. Изготовление электроскопа
Цель: обнаружение электрического заряда и измерение электрического потенциала.
Материал и оборудование: металлическая банка из под печенья; корпус от пластиковой шариковой ручки; обрезок медной проволоки; алюминиевая фольга; пластиковая расческа; ножницы, нож, дрель, кот Полосатик.
Описание опыта:
Одним из первых приборов, применявшихся для обнаружения электрического заряда и измерения электрического потенциала был электроскоп[5]. Попробуем изготовить его из вышеперечисленных подручных средств. В качестве корпуса используем металлическую банку из под печенья, которая защитит чувствительные элементы из фольги от воздействия внешних электрических полей.
В качестве проводника для электрических зарядов используем отрезок медного провода. Изолятор для крепления проводника изготовим из корпуса старой шариковой ручки. В качестве чувствительного элемента используем два лепестка из кухонной алюминиевой фольги.
Возьмем корпус металлической банки без крышки. С помощью дрели просверлим в середине боковой стенки банки отверстие для крепления изолятора. Изготовим изолятор из корпуса старой шариковой ручки, для чего с помощью ножа отрежем оба кончика ручки, для обеспечения прохождения через нее медного провода. Развинтим корпус ручки, затем свинтим обе его части, пропустив участок резьбы через отверстие в корпусе банки. Пропустим через укрепленный таким образом в корпусе банки изолятор отрезок медного провода.
Изогнем отрезок провода так, чтобы он не выпал из корпуса и на нем удобно было крепить лепестки фольги. Вырежем с помощью ножниц два одинаковых лепестка фольги и укрепим их на крючке из медного провода внутри банки. Электроскоп готов.
Установим электроскоп на столе так, чтобы лепестки свисали вниз. Энергично расчешем расческой кота Полосатика и прикоснемся ей к концу металлического проводника на верхней части изолятора электроскопа. Тонкие алюминиевые лепестки приобрели тот же потенциал, что и проводник. Заряд, который приобретут лепестки, будет пропорционален разности потенциалов между лепестками и корпусом электроскопа. Вследствие того, что лепестки приобретают одноименный разряд, между ними возникает сила отталкивания, которую можно измерить по углу отклонения лепестков на шкале электроскопа.
Вывод: Простейший электроскоп позволяет обнаружить электрический заряд и измерить электрический потенциал. (Приложение Рис. 20.).
По результатам опытов можно сделать следующие выводы:
статическое электричество включает в себя отрицательно и положительно заряженные частицы;
в результате контакта между двумя различными предметами возможно разделение электрических разрядов;
разноименные статические заряды притягиваются друг к другу, а одноименные отталкиваются;
в результате контакта между двумя различными предметами возможно разделение статических электрических разрядов;
электрические заряды могут свободно перемещаться в воде;
одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга;
простейший электроскоп позволяет обнаружить электрический заряд и измерить электрический потенциал.
3.Использование статического электричества
Статическое электричество - это совокупность явлений, связанных с возникновением и сохранением свободного электрического заряда на поверхности и в объеме диэлектрических и полупроводниковых веществ или на изолированных проводниках.
Все вещества по физико-химическому строению электрически нейтральны, т. е. обладают равным количеством положительных и отрицательных зарядов. Процесс электризации заключается в том, что одно тело приобретает или отдает другому электрические заряды преимущественно одного знака. Обмен зарядами между взаимодействующими телами происходит на границе их соприкосновения или вблизи ее за счет сложных физико-химических процессов. Два электрически нейтральных тела, приведенных в соприкосновение, после нарушения контакта между ними могут оказаться наэлектризованными зарядами противоположного знака [1].
На молекулярном уровне возникновение статического электричества происходит вследствие сложных процессов, когда электроны и ионы со сталкивающихся неоднородных поверхностей с разными атомарными связями начинают перераспределяться. Чем быстрее материалы или жидкости перемещаются друг относительно друга, чем ниже их удельное сопротивление, чем больше площади, вступающие в контакт и усилия взаимодействия, тем выше будут степень электризации и электрический потенциал[2].
Использование статического электричества в промышленности
Статическое электричество используют для окраски деталей на конвейере. Корпус детали заряжен положительно, а частицы краски отрицательно. Одноименно заряженные частицы краски будут отталкиваться друг от друга, и притягиваться к корпусу детали, при этом слой краски получится тонкий, плотный и равномерный.
При использовании статического электричества получают искусственные ковры и меха. Так, измельченные частички шерсти, искусственных волокон или хлопка электризуют, продувая сквозь заряженную металлическую сетку, а на покрытую клеем тканевую основу помещают заряд противоположного знака. При этом, отталкиваясь друг от друга, частички равномерно распределяются по основе, притягиваясь к ней и плотно приклеиваются. После просушки поверхность становится ворсистой или пушистой.
На явлении статического электричества основано действие электрокопировальных аппаратов. Свет, отраженный от копируемого документа, падает на положительно заряженную пластину. Электрический заряд стекает из освещенного места и на пластине возникает невидимое «электрическое изображение». На пластину насыпают тонкий слой отрицательно заряженного красящего порошка. Он притягивается к положительному «электрическому изображению», и оно становится видимым. Затем пластину прижимают к бумаге, на которой получается четкий отпечаток. Полученное на бумаге изображение для прочности «припекают» с помощью нагретого валика.
Электрические методы обогащения руд. Эти процессы применяют при доводке концентратов редких металлов, алмазных и других руд, а также при обогащении углей, марганцевых руд, формовочных песков и пр. Этими методами обогащают только сухие мелкозернистые материалы (с содержанием влаги не более 1% для рудных минералов и не более 4—5% для углей). Электрические методы основаны на различии в поведении заряженных частиц в электрическом поле или на заряженном электроде. Если частицы движутся по заряженному электроду, то на поверхности индуцируются заряды; на обращенной к электроду — противоположного знака, а на удаленной от электрода — того же знака. Заряд противоположного знака с частицы проводника переходит на электрод, на ней остается заряд, одноименный с зарядом электрода, и частица отталкивается от электрода. С диэлектрика же заряд не переходит и частица притягивается к электроду.
Очистка зерна проводится также с использованием статического электричества в электрических сепараторах. (Приложение Рис. 21.).
Электростатика в медицинских приборах
Электроаэрозольтерапия. Электроаэрозоли - это лекарственные или другие биологические вещества, распыленные в электростатическом поле и обладающие следующими свойствами: более сильное измельчение, меньшее слипание, более глубокое прониновение.
Электрофорез - это способ введения лекарственных веществ в кожу при помощи постоянного электрического тока. При таком способе введения вещества накапливаются под кожей и оказывают лечебное воздействие от 4 часов до 20 суток, также происходит воздействие постоянного тока на кожу. Электрофорез усиливает кровоток и стимулирует активное возобновление клеток.
Дефибрилляция. Асинхронное (хаотичное) сокращение клеток сердца называют фибрилляцией. Фибрилляцию сердца можно прекратить, если пропустить через все его клетки короткий импульс тока. Дефибриллятор это устройство, обеспечивающее электрический разряд, прекращающий фибрилляцию сердца.
Загадки статического электричества
На принципах статического электричества основано лозоходство. В Википедии указывается, что лозоходство (лозоискательство, биолокация)водоиска́тельство, рудозна́тство, жезлоноси́тельство, биофизи́ческий эффе́кт) — группа парапсихологических практик, декларирующая возможность обнаружения скрытых предметов, обычно расположенных под землёй, таких как полости, источники воды, залежи полезных ископаемых, «геопатогенные зоны», «линии магической силы» и т. п. с помощью лозы, специальной рамки, маятника или иных приспособлений[7]. (Приложение Рис.22.).
Даже мой дедушка на даче использовал лозоходство для выбора места для колодца на даче. Так на чем же основаны принципы лозоходства?
Ученые в ходе исследований выявили, что:
первичным в лозоходстве является реакция оператора, а не сама лоза или рамки, служат лишь механическим усилителем и индикатором мышечного сокращения (этот факт установили с помощью миографа);
вращение рамок возникает при движении оператора в изменяющемся по пространству электрическом и магнитном полях. Движение оператора обязательно.
На следующем этапе ученые обратили внимание на то, что неоднородное по пространству поле и движение оператора эквивалентно относительно оператора, изменению поля во времени. Ими был изготовлен конденсатор человеческого роста, на пластины которого подавалось постоянное регулируемое напряжение, получаемое из электрической сети через трансформатор и выпрямитель. Неподвижный оператор с рамками в руках размещался рядом с конденсатором. Изменение напряжения на конденсаторе приводило к вращению рамок у неподвижного оператора.
Таким образом, принципы лозоходчества имеют две составные части:
гальванизм, связанный с непроизвольным сокращением мышц под воздействием электрического тока, который по законам физики возникает в теле оператора при изменении во времени внешнего электрического или магнитного полей;
изменение электрического поля на поверхности Земли, среднее значение которого 130 В/м и которое называют «Потенциалом ясного дня», вызванное мировой грозовой активностью[3].
Молнии – источники тока – заряжают планетарный конденсатор, одной обкладкой которого служит ионосфера, второй обкладкой сама Земля. Заряд конденсатора стекает через слабо проводящий воздух на Землю, и ток, замыкающий электрическую цепь, проходит по электрически неоднородной почве, реагируя на ее проводимость и диэлектрическую проницаемость. Из-за изменения проводимости и диэлектрической проницаемости свойств среды, на поверхности Земли возникает неоднородная структура электрического поля, которая отображает неоднородную подповерхностную структуру почвы. Именно на эту структуру электрического поля (на изменение его в пространстве) и реагирует оператор-лозоходец.
Проблемы возникновения статического электричества
Компьютерная и офисная техника (телевизоры, прочие агрегаты и приборы, питающиеся от электрического тока) также являются источниками возникновения электростатики и в бытовых и в промышленных условиях. К примеру, у компьютеров имеются вентиляторы, предназначенные для охлаждения системных блоков. При работе вентилятора, частички пыли, содержащиеся в воздухе, электризуются и, сохраняя заряд, оседают на окружающих предметах, волосах и коже людей.
Электрические заряды в жидкостях возникают в процессе переливания, перекачивания их по трубопроводам, а также при перевозках в цистернах. Также они возникают при измельчении, пересыпании и пневмотранспортировке твердых материалов, бумаги, пленки, при обработке диэлектрических материалов, при сматывании тканей. При движении резиновой ленты транспортера относительно роликов или ремня ременной передачи относительно шкива могут возникнуть электрические заряды с потенциалом до 45 кВ [3]. (Приложение Рис. 23.).
В радиоэлектронной промышленности статическое электричество образуется при изготовлении, испытании, транспортировке и хранении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. В химической промышленности при производстве пластических материалов и изделий из них также происходит образование электростатических зарядов и полей напряженностью 240-250кВ/м.
Наибольшая опасность статического электричества заключается в том, что искровой разряд может обладать энергией, достаточной для воспламенения горючей или взрывоопасной смеси, что может явиться причиной пожаров и взрывов.
Статика также негативно отражается на работе всех точных и сверхточных приборов, радиосвязном оборудовании, создает большие проблемы в функционировании средств автоматики и телевизионной механики. Многие детали сложных электронных приборов просто не рассчитаны на такие высокие значения напряжения, образуемые статическим разрядом. Он выводит эти детали из строя, в результате чего приборы ломаются.
Статистическое электричество может накапливаться и на человеке.
Воздействие статики на человеческое тело осуществляется в виде продолжительно протекающего электротока слабого напряжения или же моментного разряда, что вызывает легкие и не всегда приятные покалывания на коже. В целом, такое воздействие потенциалом не выше 7 джоулей считается неопасным для здоровья, однако, даже слабый разряд тока может привести к рефлекторному сокращению мышц, что чревато различными производственными травмами. Если рассматривать действие статического электричества на человеческий организм на клеточном уровне, то в результате срабатывания нейрорефлекторного механизма происходит раздражение кожных нейронов и мельчайших капилляров. Это приводит к изменениям в ионном составе тканей нашего тела, что проявляется в повышенной утомляемости в течение дня, постоянному раздраженному психическому состоянию, нарушению ритма сна и другим проблемам в функционировании центральной нервной системы. Общая работоспособность снижается. Провоцируемые постоянным воздействием статического электричества спазмы кровеносных сосудов могут стать причиной брадикардии – уменьшения частоты сокращений сердечной мышцы и повышенного кровяного давления.
Основной характеристикой электростатического поля является напряженность, которая определяется как отношение силы, действующей в поле на точечный электрический заряд, к величине этого заряда. Допустим уровень напряженности электростатического поля - 60 кВ/м., если напряженность поля выше этого значение, необходимо применять соответствующие средства защиты[6].
Основными факторами при осуществлении выбора средств защиты от статического электричества являются: вид технологического процесса, физико-химические свойства используемого материала, микроклимат помещений и др.
Защиту от статического электричества можно осуществлять двумя путями:
• снижением интенсивности образования электрических зарядов;
• устранением образовавшихся зарядов статического электричества.
Снижения интенсивности образования электрических зарядов можно достигнуть за счет уменьшения скорости и силы трения, повышения электропроводимости материалов. Уменьшения силы трения можно достигнуть за счет применения смазок, снижения шероховатости и площади контакта взаимодействующих поверхностей. Скорость трения можно ограничить за счет уменьшения скоростей обработки и транспортировки материалов.
Так как интенсивность образования зарядов тем выше, чем меньше электропроводность материала, необходимо применять электропроводные (антистатические) присадки.
Для защиты от статического электричества возможно применение громоотводов, заземления, слабоэлектризующихся или неэлектризующихся материалов, устранение или ограничение трения, распыления, разбрызгивания, плескания диэлектрических жидкостей.
Корпуса оборудования, защитные экраны мониторов компьютеров жля снятия электрических зарядов необходимо заземлять.
Необходимо повышать влажность в помещении, так как влажный воздух имеет достаточную электропроводность, чтобы образующиеся электрические заряды стекали через него. В жилых помещений влажность воздуха должна быть не меньше 60%.
Хорошо устраняет электростатические заряды ионизация воздуха. Образующиеся ионы нейтрализуют заряды статического электричества. Бытовые ионизаторы устраняют электростатические заряды, образующиеся в сухой воздушной среде на коврах, ковровых синтетических покрытиях, одежде. Наиболее распространены электрические ионизаторы.[1]. (Приложение Рис. 24).
Индивидуальные средства защиты от статического электричества это антистатическая обувь, антистатические халаты, заземляющие браслеты для защиты рук и др.
Заключение
Основной причиной возникновения статического электричества является взаимодействие тел друг с другом посредством трения. Так, при соприкосновении двух разнородных веществ различия их атомных и молекулярных сил на их поверхности приводят к перераспределение электронов (а в жидкостях и газах еще и ионов) с образованием двойного электрического слоя с противоположными знаками электрических зарядов. Возникает контактная разность потенциалов, значение которой зависит от ряда факторов, таких как: диэлектрические свойства материалов, значения их взаимного давления при соприкосновении, влажность и температура поверхностей этих тел, климатические условия.
Исследованием статического электричества занимались: греческий ученый Фалес Милетский, английский ученый Уильям Гилберт, немецкий ученый Отто фон Герике, английский физик Стефан Грей, французский ученый Шарль Дюфе, русский физик Георг Рихман, французские ученые Шарль Кулон и Жан Нолле.
Существуют следующие способы электризации тел: электризация:
световой энергией (фотоэффект);
нагреванием (термоэлектронная эмиссия);
при химической реакции (электролиз);
давлением.
По результатам практических опытов мною сделаны следующие выводы:
статическое электричество включает в себя отрицательно и положительно заряженные частицы;
в результате контакта между двумя различными предметами возможно разделение электрических разрядов;
разноименные статические заряды притягиваются друг к другу, а одноименные отталкиваются;
в результате контакта между двумя различными предметами возможно разделение статических электрических разрядов;
электрические заряды могут свободно перемещаться в воде;
одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга;
простейший электроскоп позволяет обнаружить электрический заряд и измерить электрический потенциал.
Статическое электричество используется в промышленности для окраски деталей на конвейере, при получении искусственных ковров и меха, для обогащения руд и очистки зерна. На принципах статического электричества основано действие электрокопировальных аппаратов.
Лозоходство основано на принципах статического электричества и его принципы имеют две составные части:
гальванизм, связанный с непроизвольным сокращением мышц под воздействием электрического тока, который по законам физики возникает в теле оператора при изменении во времени внешнего электрического или магнитного полей;
изменение электрического поля на поверхности Земли, среднее значение которого 130 В/м и которое называют «Потенциалом ясного дня», вызванное мировой грозовой активностью.
При возникновении статического электричества могут появиться серьезные проблемы, связанные появлением зарядов статического электричества и увеличением их интенсивности, что может, в конечном итоге, привести в несчастным случаям и катастрофам. Для защиты от статического электричества возможно применение громоотводов, заземления, слабоэлектризующихся или неэлектризующихся материалов, устранение или ограничение трения, распыления, разбрызгивания, плескания диэлектрических жидкостей, а также применение индивидуальных средств защиты от статического электричества, таких как антистатическая обувь, антистатические халаты, заземляющие браслеты для защиты рук и др.
Таким образом, в ходе написания работы, теоретического анализа научных, учебных, справочных источников получены следующие результаты и сделаны следующие выводы:
изучены принципы электростатики;
проведены практические опыты, позволяющие изучить принципы статического электричества;
рассмотрены загадки статического электричества и перспективы его использования, а также проблемы, возникающие при образовании статического электричества.
Цель, поставленная в работе была достигнута, задачи полностью выполнены.
Библиографический список
1. Безопасность жизнедеятельности /Под ред. Э.А. Арустамова. - М: Дашков и К, 2000. - 678 с.
2.Вотинцев, А. Основы статического электричества / А. Вотинцев, И. Тренисов. Журнал Компоненты и технологии, № 3, 2011.
3.Копейкин, В. Эта дьявольская затея лозоходчество / В. Копейкин. Троицк, Травант. 2012. 100 с.
4. Льоццо, М. История физики / М. Льоццо. М. Мир. 1972, 442 с.
5. Орир, Д. Популярная физика / Д. Орир. М.: Мир. 1969, 558 с.
6. Хван Т.А., Хван П.А. Безопасность жизнедеятельности. - Ростов н/Д: Феникс, 2001. - 352 с.
7. Википедия https://ru.wikipedia.org/wiki/лозоходство (по состоянию на 20.12.2019 г.)
Приложение
Рис. 1. Образование молнии
Рис. 2. Греческий философ Фалес Милетский (640/624 -548/545 до н.э.)
Рис. 3. Английский физик Уильям Гилберт (1544 - 1603)
Рис. 4. Немецкий физик Отто Герике (1602 - 1683)
и его электрическая машина
Рис. 5. Английский физик Стефан Грей (1666 - 1736)
Рис. 6. Французский физик Шарль Дюфе (1698 - 1739)
Рис. 7. Электроскоп Георга Рихмана
Рис. 8. Французский физик Шарль Огюстен де Кулон (1736-1806)
Рис. 9. Электрическая машина Жана Антуана Нолле (1700-1770)
Рис. 10. Фотоэффект (электризация световой энергией)
Рис. 11. Термоэлектронная эмиссия (электризация нагреванием)
Рис. 12. Электролиз (электризация при химической реакции)
2
Рис. 13. Пьезоэлектричество (электризация давлением)
Рис.14. Опыт 1. Статическое электричество (отталкивающиеся одноименно заряженные воздушные шарики)
Рис.15. Опыт 1. Статическое электричество (двигающаяся банка)
Подтверждает, что разноименно заряженные предметы притягиваются.
Рис.16. Опыт 3. Танцующие кубики
Рис.17. Опыт 4. Прыгающие гречневые хлопья
Рис.18. Опыт 5. Гибкая вода
Рис.19. Опыт 6. Электрический спрут
Рис.20. Опыт 7. Изготовление электроскопа
Рис.21. Применение статического электричества
Рис.22. Лозоходство
Рис.23. Возникновение статического электричества на производстве
Рис.24. Схема применения электростатических защит для рабочего места