Опыты с порошковыми фигурами

31

электризуется, заряжаясь, например, положительно (быть может, он заряжается и отрицательно, но суть дела от этого не меняется, а выяснять, каков именно заряд порошка, мы не будем). Поскольку между аломиневой пластинкой и движущимся пальцем имеется переменная разность потенциалов, порошок пригивается к пластинке, когда ее потенциаль отрицательный, и приплпает к пальцу в те моменты, когда он имеет отрицательный потенциаль относительно пластинки. Так получается тот прерывистый след, который вы видите на рисунке 1.

Описанную экспериментальную установку можно видизнить. Заменим аломиневую пластинку электропроводной бумагой. Ее приготовить нетрудно. Объичный лист бумаги (размером примерного 20×30 см) надо покрыть с одной стороны густоразведенной черной гушью. После высыхания краски образуется тонкий электропроводный слой, имеющий довольно высокое сопротивление. Лист электропроводной бумаги конопками следует прикрепить к фанере. Проводник можно соединить с электропроводной бумагой с помощью обычной канцелярской скрепки.

Вместо порошка пластmasсы «Протакрил» вопытах лучше использовать сухой зубной порошок — прерывистый след получается более устойчивым. На электропроводную бумагу его можно нанести тонким равномерным слоем, применяяvatный тампон. При необходимости зубной порошок можно подсушить на электропилите, насыпав порошок в металлическую баночку. Можно также использовать linkоподий или «серный цвет» (мелко истолченая сера). Первый порошок продается в аптеках, второй можно найти в школьном химическом кабинете.

Может оказаться, что для опытов нужна меньше разность потенциаль, чем та, которая получается при непосредствном использовании напряжения сети. Для регулярования разности потенциаль между электропроводной бумагой и землей следует воспользоваться потенциометром (рис. 2; сопротивление потенциометра $R=470$ ком). С целью соблюдения правил техники безопасности цель нужного смонтировать в корпусе из изоляционного материала (можно использовать подходящийую пластмассовую баночку). Общий вид установки для опытов представлен на рисунке 3.

Для чего можно использовать порошковые фигуры?

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим два опыта. Развертем проводник, идущий от конденсатора к электропроводной бумаге. В разрыв проводника включим диэлектрик: например, очищенные концы проводов несколько раз обмотаем вокруг стекланной трубки так, чтобы расстояние между витками составляло 1—2 см. Проведем пальцем по насыпанному

32

на электронроводуную бумагу зубному порошку. При этом на бумаге остатся, хотя и менее резкий, чем изображенный на рисунке 3, но все же отчетливый перерывистый след.

Сtekло — очень хороший диэлектрик, через который электронческий ток практический не проходит (точнее, проходит очень малый ток). Но на бумаге появился перерывистый след! Следовательно, с помощью порошковых фигур можно регистрации чрезвычайно малые токи.

Поставим еще один опыт. В разрыв проводника, индущего от конденсатора к электронроводуной бумаге, включим переключатель (тумблер), позволяющий размыть и замыкать цепь. Провода по порошку пальцем, включим и быстро выключим тумблер, не прекращая движения пальца. При этом на время включения тумбера след становится перерывистым. Получившееся на траектории движения пальца светлые или темные участки мы будем назвать временными метками. Время, прошедшее от момента возникновения одной метки до момента появления соседней, должно составлять 0,02 сек (частица переменного тока $f=1/T=50$ сч). Таким образом, сосчитав число меток на траектории движения пальца, можно определить время, в течение которого был включен тумблер.

В опите удобно использовать делитель напряжения (см. рис. 2). Дело в том, что тела, которые мы привыклились считать непроводниками, отноньд не диэлектрики в полном смысле этого слова. Поэтому даже когда тумблер, разрывающий фазовый провод, выключен, по цепи идет небольшой ток, и на бумаге появляется порошковые фигуры. Чтобы установить это нежелательное явление, необходимо уменьшить разность потенциаль между электронроводуной бумаго и пальцем. Подобрать оптимальную разность потенциаль и позволяет делитель напряжения (потенциометр). Заметим, что этот опыт удобнее проводить вдвоем (можно предложить своему товарищу проверить его реакцию на включение и выключение тумбера).

Итак, описанные опыты показывают что порошковые фигуры могут быть использованы для обнаружения небольших токов и изменения малых промежутков времени.

Телерь — несколько конкретичных примеров.

Ионизация воздуха пламенем

В разрыв фазового проводника сети, сделанный после конденсатора, влаяем две латунные или жестные полоски размером примерно $10 \times 80$ мм. Получившиеся электроны укрепим в спичечных коробках, которые будут выполять роль шатинов. Расположим электроны параллельно друг друг так, чтобы промежуток между ними составлял 2—5 мм (рис. 4). Проведем пальцем по слою зубного порошка на электронроводуной бумаге — след получается сплошным, без временных меток.

Внесем в промежуток между электронами пламя зажженной спички или горяшей свечи и вновь проверем по бумаге пальцем. Сразу же на траектории движения пальца появляется временные метки (см. рис. 4).

В этом и аналогичных ему опытах удобно непровивно водить пальцем по кругу; тогда нетрудно будет заметить момент появления и исчезновения временных меток. Продаленный опыт показывает, что в обычных условиях воздухах является диэлектриком. Внесеное пламяонизирует воздух, делает его проводником. Электрическая цепь замыкается, в цепи возникает электронческий ток.

Измерение ускорения свободного падения

Возможно с помощью порошковых фигур измерять небольшие промежутки времени можно использовать в опыте по определению ускорения свободного падения.

33

Рис. 3. Внешний вид установки для опытов с порошковыми фигурами. Установка состоит из розетки электросветительной сети, делителя напряжения с конденсатором и листа электропроводной бумаги с порошком.

Рис. 4. Ионизация воздуха пламенем. До внесения пламени в промежуток между электродами движущимися палец оставляет на электропроводной бумаге сплошной след; сразу после внесения пламени след становится прервиистым.

Рис. 5. Схема установки для определенияускорения свободного падения. 1 — нормальное разомкнутые контакты, 2 — падающие тело, 3 — нормальное разомкнутые контакты, 4 — лист электропроводной бумаги с порошком.

Если поднятое над землей тело начинает падать, то, как известно из механики, пусть $h$ оно пройдет за время $t = \sqrt{\frac{2h}{g}}$. Следовательно,ускорение свободного падения может быть найдено по формуле

$$g = \frac{2h}{t^2},$$

(*)

если известны высота $h$, с которой падает тело, и время падения $t$. Высоту можно измерить линейкой, а время падения — определять методом порошковых фигур.

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 5. Проводник, идущий от конденсатора к листу электропроводной бумаги, разорван двумя парами контактов. Контакты 1 — нормальное разомкнутые (к нижнему контакту с помощью нитки подвешено тело 2, оттягивающее его вниз). Контакты 3 — нормальное разомкнутые. В исходном состоянии цель разомкнута. Когда тело начинает падать, контакты 1 соединяются, и цель становится замкнутой на промежуток времени, в течение которого тело падает. При этом на траектории движения палца (на электропроводной бумаге 4) образуется временные метки. Как только тело попадает на нижний контакт 3, цель вновь размыкается, и появление меток прекращается.

Внешний вид установки изображен на рисунке 6, а. Верхняя пара контактов (рис. 6, 6) изготовлена из прикрепленных изоляционных лентой к карандашу управления латунных полосок (можно использовать контактуную пару от подходшего реле). Нижняя пара контактов устроена еще проще: на карандаше закреплена латунная полоска, на которой свободно лежит вторая полоска, припаянная к мягкому проводнику (рис. 6, 6). Когда падающее тело ударяется о первую полоску, вторая полоска падает, и целый размыкается.

Опыт проводится в следующем порядке. Ниткой привазывают тело

34

Рис. 6. Экспериментальная установка для определения ускорения свободного падения. В качестве падающего тела использована массивная шайба. a) — общий вид установки. b) — устройство верхней и нижней контактивы пар.

к нижнему контакту верхней пары. Линейкой изменяют расстояние между телом и нижней контактной парой. Начинают вести пальцем по зубному порошку на электронроводной бумаге, и затем, не прекращая движения пальца, спичкой пережигают нить. На траектории движения пальца образуется область с отчетливыми временными метками. Сосчитав число полученных меток, определяют время падения тела, и по формуле (*) расчитывают ускорение свободного падения.

В нашем опыте путь, проходимый телом при падении, составлял 27 см. Число меток оказалось равным 12. Следовательно, тело падало 0,24 сек. Исходя из этих данных, ускорение свободного падения $g \approx 9,4 \text{ m/sec}^2$. Учитывая простоту эксперимента, этот результат следует признать достаточно хорошо. Точность изменения ускорения свободного падения можно значительно повысить, если увеличить высоту, с которой падает тело.

Для успешной постановки опыта необходимо с помощью делителя напряжения подобрать такую разность потенциальов, чтобы при разомкнутой цепи метки не появлялись (напомним, что площадя изоляция приводит к фактическому замыканию цепи, и метки образуют даже тогда, когда контакты разомкнуты). Штатив в экспериментальной установке использовать совсем не обязательно: в домашних условиях к держащей с контактами можно привязать к деревянной рейке или к спинке и ножке стула.

Уражнения

1. Проведя пальцем по зубному порошку на электронроводной бумаге, получите прерывистый след. Телер прикоснитесь пальцем другу руки к электронроводной бумаге и вновь повторите опит. Почему в последнем случе на траектории движения пальца не остаются временные метки?

2. Объясните, почему порошковые фигуры могут быть использованы для регистрации малых токов?

3. Поставьте опит, демонстрирующий фотоэффект.