Юный техник, 2006 № 04 - [17]
Как же это все проделать?
Укрепите кнопками на чертежной доске кусочек фильтровальной бумаги. Смочите ее соленой водой с добавлением фенолфталеина или даже соком одуванчика. После этого еще двумя кнопками подключите к ней постоянное напряжение в 3 вольта (рис. 1). Очень скоро вы увидите радужную картину, в которой без труда улавливается намек на силовые линии электрического поля.
Чтобы получить более точную картину, вам понадобится кусок черной бумаги для упаковки фотоматериалов. Такую бумагу делают с применением сажи, и потому она проводит электрический ток. Закрепите листок бумаги на доске, еще двумя кнопками подключите постоянное напряжение и подсоедините к одной из них щуп вольтметра. Прощупывая другим щупом поверхность бумаги, вы в любой точке обнаружите напряжение. Со временем можно убедиться, что при удалении от полюса источника тока напряжение растет. Но если двигаться поперек линии, соединяющей полюса, то можно встретить точки с одинаковым потенциалом. Попробуйте, например, найти серию точек с потенциалом 1В и отметить их положение мелом. Если соединить их линией, то получится линия равного потенциала. Таких линий, но уже с другими потенциалами, на бумаге можно обнаружить и провести сколько угодно.
Известно, что силовые линии к ним всегда перпендикулярны. Исходя из этого, мы теперь можем на нашем листе бумаги провести силовые линии. Они будут напоминать линии электрического поля двух точечных зарядов.
Теперь попробуем получить представление о распределении в каком-либо теле, например в железнодорожном рельсе, механических напряжений под давлением на него вагонного колеса.
Вырежьте кусок бумаги, напоминающий по форме поперечное сечение рельса. Зона соприкосновения колеса с рельсом имеет небольшую протяженность в самой верхней его части. Здесь воткните две кнопки и подложите под них небольшой кусочек оголенного провода. Давление колеса через рельс полностью передается его опорной части. Здесь при помощи кнопок закрепите оголенный провод по всей длине. Важно, чтобы он надежно соприкасался с бумагой. После этого можно подключать напряжение и, как в предыдущем случае, искать линии равного потенциала, а затем мелом, а лучше белым карандашом перпендикулярно им проводить силовые линии. По их густоте можно получить представление о степени нагрузки на отдельные участки сечения рельса. На основе более глубокой теории, которая определенным образом сопоставляет проводимость бумаги и прочность металла, а также точно измеряя потенциалы, из этой картины можно получить точные значения сил, действующих в поперечном сечении рельса.
Демонстрации с рисованием линии электрического поля удобно проводить на большом листе черной бумаги, укрепленном на классной доске. В этом случае из-за большого сопротивления бумаги приходится применять вольтметры с высоким входным сопротивлением или цифровые авометры.
В последнее время выпуск бумаги для упаковки фотоматериалов резко сокращен. Но ее можно заменить обычным ватманом, закрашенным тушью. Для того чтобы избежать коробления бумаги при сушке, ее следует перед покраской смочить и закрепить кнопками на листе толстой фанеры. Примерно через 30 минут, после легкого просыхания, закрасьте бумагу черной тушью при помощи губки. (Работу лучше производить на улице.) Через час-другой, а на солнце и раньше, тушь высохнет, бумага натянется и останется ровной. С полученной таким путем электропроводной бумагой можно проводить самые разнообразные опыты.
Некоторые из них могут поставить в тупик. Вырежьте из электропроводной бумаги два подобных, по разных по размерам треугольника и измерьте их сопротивление. Для этого к их соответственным сторонам следует приложить электроды, подключенные к омметру.
Как утверждается в одной из старинных работ, электрические сопротивления подобных треугольников должны быть одинаковы. Здесь напрашивается аналогия с некоторыми вариантами неевклидовой геометрии, где все подобные фигуры, как это ни странно, оказываются равны по площади.
Опыты с распределением силовых линии в проводниках можно проводить не только на электропроводной бумаге, но и на упаковочной фольге, которая для многих будет более доступна, чем электропроводная бумага. В этом случае из-за гораздо более низкого удельного сопротивления металла падение напряжения будет значительно ниже, но цифровой вольтметр с диапазоном 100 мВ это напряжение способен отметить.
Представляют интерес и силовые линии переменного электрического поля. При высоких частотах (несколько килогерц) начинают сказываться эффекты, связанные с индуктивностью и емкостью проводника. Поле в нем сильно отличается от поля постоянного напряжения.
Используя фольгу и звуковой генератор, можно получить картину линий равного потенциала для переменного напряжения. Перпендикулярно к ним, точно так, как мы это делали в предыдущем случае, проведем силовые линии. Измерение потенциалов также можно производить обычным цифровым авометром.
С фольгой можно провести любопытный опыт. Вырежьте из фольги прямоугольную букву «О» и попробуйте ее пережечь разрядом конденсаторной батареи на 100 мкФ при напряжении 220 В. Для безопасности опыта соберите цепь с применением школьного переключателя (рис. 2), работу ведите в присутствии учителя.
