Опыты с электричеством для детей: охранная сигнализация своими руками

Введение. Статья «Невихревая электромагнитодинамика» А. Г. Иванова.

17.09.2017 г.

К сожалению, координат автора статьи мне найти не удалось, несмотря на то, что она вышла в свет в 2009 году. Есть и более поздний её вариант, изданной в 2014 году.

Мне показались интересными взгляды автора на электродинамику, думаю, что она заинтересует и других людей. В статье представлена таблица, которая представляет взгляды автора на электродинамику, как на проявление в природе 4-х полей. Вот эта таблица:

Автор статьи делит все явления электричества на четыре группы по числу физических полей, которые он описал и представил в статье их математические модели. Вот эти группы:

• 1) невихревые электрические поля;
• 2) вихревые электрические поля;
• 3) невихревые магнитные поля;
• 4) вихревые магнитные поля.

Но сейчас главное – не это. Накануне я начал заниматься систематизацией знаний, но только в другом контексте – контексте работ Г. В. Николаева.

Опыт №1. Электризация трением и влиянием (индукции).

Возьмём стеклянную или эбонитовую палочку и натрём её тканью. Палочка станет отрицательно заряженной. Поднесем её к металлическому шару, не касаясь его. Для эбонитовой палочки поляризация зарядов примет вид, показанный на Рис. 4. Хотя шар в целом останется, электрически нейтрален, так как соотношение положительных и отрицательных зарядов в нём не изменилось, внутри шара произойдёт перераспределение зарядов, как это показано на Рис.3 и Рис.4. Заряды распределятся только по поверхности шара, являющегося уединённой ёмкостью, образуя электрический диполь. Так как стеклянная палочка зарядится положительно, то на поверхности шара ближе к ней сосредоточатся заряды другого знака (Рис.3), а на диаметрально противоположной стороне, отталкиваясь от зарядов палочки, сосредоточатся заряды положительного знака.

Рис. 3

Рис. 4

В дальнейшем мы будем показывать вариант электризации тел только для заряда одного знака, так как процессы электризации для них полностью идентичны. Для лучшего понимания в дальнейшем нам нужно договориться об условных обозначениях:

• 1)значок N указывает на электрически нейтральное тело, то есть когда тело имеет одинаковое количество разноимённых зарядов;
• 2)значок или означает наэлектризованный шар, имеющий избыток положительного или отрицательного заряда соответственно; заряд сосредоточен на поверхности тела;
• 3) величину заряда условимся обозначать числом, стоящим рядом со знаком или .
  3)значок означает, что шар электрически нейтрален, но внутри его заряды разделены, то есть он поляризован.

Смотрим видеофрагмент №1: (здесь и далее съёмка сделана в затемнённом помещении):

Смотрим видеофрагмент №2: В этом фрагменте я допустил неточность, сказав, что зарядить шар, пластмассовой линейкой невозможно. Конечно, я имел в виду, что шар невозможно зарядить только одним прикосновением, так как линейка не является проводником зарядов, а только его хранителем. Но трением можно зарядить шар от заряженной линейки. Вот посмотрите следующий видеофрагмент, хотя это и неочевидно.

Смотрим видеофрагмент №3: Но этот случай нужно отнести к группе «электризация методом индукции», а не в группу «электризация прикосновением».

Проект: охранная сигнализация

Выключатель можно сделать из самых разных вещей — даже из двери. В этом проекте вы превратите дверь в огромный выключатель, чтобы создать охранную сигнализацию, которая будет издавать предупредительный сигнал каждый раз, когда кто-нибудь попытается войти в комнату.

Чтобы создать такую сигнализацию, нужно прикрепить к двери несколько проводов и полоску алюминиевой фольги таким образом, чтобы при закрытой двери цепь была разомкнутой и ничего не происходило, а при открывании двери цепь замыкалась, включая зуммер.

Над дверью мы повесим оголенный (неизолированный) провод, а на верхний край двери наклеим полоску фольги и соединим эти элементы с разными концами электрической цепи, в состав которой входит зуммер. При открывании двери свисающий оголенный провод коснется фольги и тем самым замкнет цепь, заставив зуммер звучать.

Материалы и инструменты:

• Зуммер. Зуммеры бывают пассивными и активными. Пассивным нужен входной сигнал звуковой частоты, а активным — только напряжение. Для этого проекта вам понадобится активный зуммер, который работает от напряжения 9–12 В (например, KPIG2330E от KEPO. Подойдет также зуммер, который продается в магазинах автозапчастей под названием «Индикатор звуковой (повторитель)» или «Звуковой повторитель поворотов», рассчитанный на напряжение 12 В).
• Стандартная батарейка 9 В для питания цепи.
• Разъем для подключения батарейки к цепи (колодка или клемма для «Кроны» с проводами).
• Алюминиевая фольга.
• Неизолированный провод. Подойдут гибкая медная проволока без изоляции (не перепутайте с обмоточным эмалированным проводом, такой не годится), старая гитарная струна или что-нибудь подобное.
• Лента для крепления всех элементов. Это может быть изолента, скотч и т.п.
• Кусачки (бокорезы) для обрезания проволоки и удаления изоляции с проводов.
• Ножницы (не обязательны). Ими удобно резать фольгу.

Шаг 1. Проверка зуммера. Прежде всего проверьте, работает ли зуммер. Прижмите его красный провод к положительному (+) выводу батарейки, а его черным проводом коснитесь ее отрицательного (—) вывода. Зуммер должен издать громкий звук. Если отсоединить любой из его проводов от батарейки, звук должен прекратиться, поскольку цепь будет разомкнута.

Шаг 2. Подготовка фольги. Отрежьте ножницами полоску фольги шириной около 2,5 см и длиной во всю ширину рулона.

Шаг 3. Закрепление фольги на двери. Закрепите оба конца полоски фольги на верхнем крае двери двумя кусочками клейкой ленты. Эта полоска будет служить контактом для проводов от батарейки и зуммера.

Шаг 4. Подготовка контактного провода. Возьмите кусок неизолированного провода длиной около 25 см.

Шаг 5. Соединение зуммера с контактным проводом. Соедините один конец контактного провода с оголенным концом черного провода разъема для подключения батарейки. Сделать это просто: скрутите вместе неизолированные концы этих проводов и обмотайте скрутку куском изоленты.

После этого тем же способом соедините красный провод разъема для подключения батарейки с красным проводом зуммера.

Шаг 6. Установка зуммера и контактного провода. Теперь установите зуммер и контактный провод над дверным проемом. Сначала клейкой лентой прикрепите контактный провод к притолоке двери таким образом, чтобы, когда дверь закрыта, он свисал перед дверью, а при ее открывании ложился на полоску фольги.

Теперь клейкой лентой закрепите над притолокой зуммер так, чтобы его черный провод мог касаться полоски фольги на двери. Неизолированный конец этого провода прикрепите клейкой лентой к фольге.

Шаг 7. Подключение источника питания. Закрепите над дверью батарейку и подключите к ней разъем. Теперь ваша сигнализация должна выглядеть примерно так:

Шаг 8. Проверка сигнализации. Проверьте работу сигнализации. При открывании двери оголенный контактный провод должен коснуться фольги на двери, включив тем самым зуммер, который издаст громкий звук. Чтобы проверка была более достоверной, попросите кого-нибудь другого открыть дверь.

Шаг 9. Если сигнализация не работает. Если при открывании двери зуммер не включается, надо попытаться отрегулировать положение контактного провода так, чтобы при открывании двери он точно касался фольги. Если касание происходит правильно, попробуйте заменить батарейку. Если и это не поможет, проверьте соединения проводов разъема батарейки с проводами схемы и, если понадобится, выполните их заново.

Правила безопасности

Для опытов дома по физике требуется:

Предоставить технику безопасности и проинструктировать ребенка.
Очень важно прочесть ход опыта.
Предоставить безопасное рабочее место, по назначению использовать оборудование и приборы.
Проводить эксперименты, используя отдельную посуду.
Запрещается приближаться к посуде, где проходит реакция.
Тщательно убрать место, где проходила реакция, помыть руки и посуду.
Использованные жидкости осторожно слить в раковину, заранее открыть кран с холодной водой.
Предметы, использованные для опыта, подписать и убрать в недоступные для ребенка места.

Опыт №2. Получение электрического тока из отрицательных зарядов методом индукции.

Наэлектризуем трением пластиковую, например, эбонитовую палочку, поднесём её к шару, не касаясь его, как показано на Рис.5,а. Теперь металлическим проводником, соединённым на другом конце с заземлением коснёмся заряженного шара, как показано на Рис.5,б.

Рис. 5a

Рис. 5б

В результате этого заряды быстро стекут по проводнику в заземление, создавая кратковременный электрический ток I из отрицательных зарядов.

Рис. 5в

Рис. 5г

Рис. 5д

После этого удалим от шара наэлектризованную палочку. Теперь в шаре окажется избыток положительных зарядов, которые равномерно распределятся по его поверхности, как показано на Рис.5,в. Если снова коснуться заземлённым проводником шара, то по нему в Землю стекут положительные заряды, снова образуя электрический ток I, но теперь из положительных зарядов, как это показано на Рис. 5,г.

После этого шар снова станет электрически нейтральным (Рис.5,д), что означает равенство зарядов двух знаков.

Давайте физически проведём этот опыт и посмотрим его результат. В опыте будет использован регистратор электрических зарядов, о котором можно посмотреть ролик Опыт по регистрации ЗНАКА электрического заряда на моём канале.

Смотрим видеофрагмент №4:

Здесь я прошу меня извинить, в этом фрагменте я по инерции оговорился, не заметив этого, назвав неоновую лампочку светодиодом.

Обозначения в электродинамике

Для классификации и количественного обозначения явления заряженных частиц используется буква q. Положительные протоны указывают так — +q. Отрицательные электроны получили символ -q.

Для расчётов используют общее количество зарядов. Их складывают или отнимают для получения истинного уровня электризации предмета. В спокойном состоянии любой уровень частиц постоянен и имеет вид закона сохранения электрического заряда: q1+q2+…+qN= const.

А для подсчета энергии используется понятие «квант». Простым языком — это минимальное количество частиц разноименно заряженных, которые могут в единицу времени передаваться другому предмету. Этот уровень можно измерить специальным прибором — электрометром. Его работа основана на накоплении заряда металлической стрелкой, закрепленной на неподвижной оси. По мере увеличения уровня частиц указатель отклоняется, стрелка движется по циферблату.

Особенности расчётов:

• На заряды действуют силы притяжения. Но их стараются не учитывать при простейших расчетах. Ведь размеры частиц очень малы по сравнению с преодолеваемыми расстояниями.
• Для определения направления движения любой выбранной частицы нужно учесть все силы, действующие от окружающих элементов. Все расчеты проводятся графически: составляется векторная диаграмма.

Опыт №3. Получение электрического тока положительных зарядов методом прикосновения.

Исходная позиция как в предыдущем опыте на Рис. 5.

Рис. 6a

Рис. 6б

Рис. 6г

Рис. 6д

Цикл данного опыта от Рис.6,а до Рис.6,б можно повторять много раз с одним и тем же результатом. Данный опыт можно смоделировать в железе, повторяя его с большой частотой

Возникает два очень важных вопроса, на которые строители БТГ должны обратить внимание:

1. Как долго мы можем продолжать процесс получения электрического тока одной и той же заряженной палочкой?

2. Если этот процесс повторять несколько раз будет ли при этом разряжаться наэлектризованная палочка (нейтрализация заряда в атмосфере не считается)?

Смотрим видеофрагмент №5:

Смотрим видеофрагмент №6:

Шерстяная и шелковая ткани

О шелковый платок натирают стеклянную палочку. После к ней может прилипать практически любой мелкий предмет. Хорошо это заметно, когда наконечник подносим к волосам или тонким лентам бумаги.

Предметы из эбонита хорошо электризуются при трении о шерстяную ткань. А стеклянные палочки натирают шёлком. Однако у этих предметов получается различный заряд. Доказательством этому служит опыт, приведенный ниже.

Натертый шерстью эбонит будет отталкивать от себя шёлк. Чтобы увидеть это, подвесим оба предмета на одну нить и будем постепенно их сближать так, чтобы они свободно свисали. В итоге увидим как ткань начнёт отклоняться в сторону.

Аналогичное явление произойдёт и при опыте со стеклянной палочкой и шерстью. Электризация тел при трении фактически происходит благодаря преобразованию одной энергии в другую.

Примеры для дошкольников

Опыты по физике в домашних условиях для детей дошкольного возраста.

Магнитный карандаш

Требующиеся материалы для опыта:

• Батарейка.
• Толстый карандаш.
• Проволока. Диаметр от 0,2 до 0,5 мм.
• Изолента.

Магнитный карандаш — эффектный опыт по физике, который легко сделать в домашних условиях

Ход эксперимента:

1. Обмотать проволоку возле карандаша, оставить расстояние до края – 0,5 – 1 см.
2. По окончании одного ряда – намотать второй ряд в противоположном направлении. До того момента, когда проволока не будет полностью намотана. Главное – запастись двумя концами проволоки примерно 8 см. Закрепить с помощью скотча витки, чтобы те не размотались.
3. Почистить оставшиеся 2 конца проволоки, подсоединив к батарейке.

Результат опыта: в ходе опыта по физике в домашних условиях, удалось сделать магнит, способный присоединять небольшие железные объекты.

Волчок

Волчок находится в вертикальном положении во время вращения циркуляции около оси, осуществляет падение по замедлению вращения. Во время передвижения разноцветного волчка наблюдаются зрительные элементы смешения цветов, элементы дисперсии цветов.

Цветной опыт:

1. Обыкновенная модель волчка – секторы. Окружность разделяется на соответствующее число и раскрашивается в разные цвета.
2. Во время вращения наблюдается цветовое изменение.
3. Опыт демонстрирует совмещение цветовой гаммы. Эксперименты проводятся с секторами.

При делении волчка на 7 секторов, разукрасив сектора в зависимости от расположения цвета, во время вращения волчок изменят цвет, становясь белым. Происходящий опыт – смешение цветовой гаммы. В некоторых случаях эффект не достигается, но зато создается разноцветный оттенок.

Волшебный волчок

Материалы и ход эксперимента:

1. Печать шаблонов черного и белого цветов, сделать из материалов 2 волчка.
2. Когда вращается первый волчок, появятся разного цвета кольца.
3. При вращении в одном направлении, затем в другом, кольца будут отличаться друг от друга.
4. Второй волчок становится похожим на круг.

Лимонная батарейка

Батарейка с легкостью создается из фруктов. Напряжение зависит от фрукта. Преимущество лимона заключается в лимонной кислоте, способной к созданию электрического тока.

Необходимые инструменты:

• Лимон.
• Проволока (медь). Чем больше эксперимент, тем больше понадобится проволоки. При ее отсутствии потребуется монета.
• Пластина из цинка. В качестве пластины используется болт, шурупы, проволока.
• Мультиметр (измеряет напряжение).
• Светодиод. (Фиксирует ток).

Последовательность действий:

1. Взять лимон, помять его.
2. Положить на 2 см вглубь медные проводники.
3. Присоединить провод к прутьям.
4. Измерить с помощью мультиметра количество вольт.

Собрать еще 1 такую конструкцию, соединив между собой. Или вставить еще по медному проводу. Соединить их между собой. Вторая батарейка требуется, так как от одной светодиод не загорится. Теперь лимонная батарейка производит электричество.

Анализ опыта: Такой элемент питания осуществляет взаимодействие между проводниками. Когда проводники помещают во фрукт, металлы находятся среди кислоты. Реакция происходит, ионы передвигаются, производя энергию.

Опыт с инерцией

Инертность монеты:

1. Взять монету, положить на линейку, лежащую на гладкой поверхности. При перемещении линейки, монета будет перемещаться. Если линейку резко вытащить из-под монеты, монета в силу инертности не сдвинется с места.
2. Взять тонкую бумагу, перекинуть через перевернутый вверх дном стакан, положить пару монет на полоску бумаги. Придерживаясь за конец полоски, быстро линейкой по ней. Монеты останутся на месте.

Загадка электрического заряда.

Что мы знаем об электрических зарядах, Чему нас учат в школе, в вузе?
Знакомство с электричеством начинается с абстрактных – точечных зарядов. В учебниках приводятся рисунки, на которых стрелками обозначаются линии напряжённости электрического поля (Рис. 1), создаваемые зарядами. Конечно, линии напряжённости никто не видел, но нас убеждают, что дело обстоит именно так, как нарисовано ниже. Но в какой среде это происходит или вовсе в пустоте – об этом каждый молча должен догадываться сам.

Рис. 1

Далее утверждается, что тела, имеющие заряды одинакового знака взаимно отталкиваются, а разного знака – взаимно притягиваются. Но даже после таких подробностей природа электрических зарядов понятнее никому не становится.

«Проект заряд» выпустил несколько фильмов с участием Тома Бирдена. В одном из роликов Т. Бирден, взял, наконец, на себя смелость и предложил считать электрические заряды центрами преобразования энергии хаотического движения виртуальных (возникающих и тут же исчезающих) частиц физического вакуума (эфира) в энергию излучения частиц в виде фотонов определённой частоты и энергии. Именно в самом факте излучения и заключается физическая природа электрических зарядов. Время жизни зарядов – этих центров преобразования ничем не ограничено.

Поскольку существует два рода зарядов, следовательно, существует два вида такого преобразования: одни центры излучают, а другие поглощают фотоны. Те, что излучают – это положительно заряженные частицы, а те, что поглощают – отрицательные частицы.

Поток радиального излучения зарядов в электродинамике принято называть электрическим полем. Площадка, принимающая это излучение должна изменяться во второй степени (1/ ) от расстояния r до заряда, как и в случае с законом поглощения света. В этом с обычной электродинамикой противоречий нет, зато наглядно объясняется причина убывания силы Кулона обратно пропорционально квадрату расстояния.

Притяжение и отталкивание электрических зарядов друг с другом объясняется взаимодействием потоков их излучения.

В мире, в котором мы живём масштабы электрических зарядов – этих центров преобразования флуктуаций, происходящих в космическом вакууме очень малы, но это компенсируется их огромным количеством.

В обычном состоянии тела имеют почти равное количество зарядов обоих знаков. Но в природе известно несколько явлений, которые сопровождаются разделением зарядов, которые мы называем электризацией, хотя реально причин разделяющих заряды, существует огромное количество. В школе мы изучали только два таких явления – это трение и касание. Но они не единственные в природе. Существуют и другие явления разделения зарядов, изучению которых будут посвящены мои другие работы.

Давайте вначале обратимся к тем явлениям электризации, на которые в учебных заведениях мало обращают внимания.

Основные моменты

Чтобы определиться, что такое электризация тел, рассмотрим определения и закономерности движения заряженных частиц. Существует два противоположных вида: электроны (отрицательные) и протоны (положительные) заряды. При огромном их скоплении формируется электромагнитное поле. И чем ближе тела со статикой расположены друг к другу, тем более сильное воздействие оказывается.

После соприкосновения тел происходит обмен зарядами, выравниваются потенциалы (притяжение или отталкивание пропадает). Частицы одного знака стремятся отдалиться, разного наоборот притягиваются. Этим можно объяснить, что такое электризация тел: взаимное влияние электромагнитных полей, созданных электронами и протонами.

Попытаемся объяснить простым языком, что такое электризация тел: чтобы образовалось электромагнитное поле, нужно сначала осуществить действие, помогающее накопить заряд:

• трение;
• влияние магнитом;
• удар по предмету;
• химическая реакция;
• приложить к предмету через проводники источник питания (хотя бы батарейку).

Существует множество простых опытов, доказывающих на практике закономерности электродинамики.