Для домашних опытов с электричеством безопаснее всего статическое. Понадобятся воздушный шарик, пластиковая расчёска, несколько клочков бумаги и сухой день. Все опыты ниже получаются с тем, что есть дома, а младшим детям достаточно, чтобы рядом был взрослый.
Что такое статическое электричество
Когда два материала соприкасаются, а потом снова разъединяются, часть электронов переходит с одного на другой. Ассоциация по электростатическому разряду (ESD Association) называет это трибоэлектризацией. Один предмет получает лишние электроны и заряжается отрицательно, другому электронов не хватает, и он заряжается положительно. Заряд остаётся на поверхности, пока ему некуда стечь, поэтому такое электричество и называют статическим.
Шарик, которым потёрли волосы, забирает у них электроны. Волосы заряжаются положительно, шарик отрицательно, и разноимённые заряды притягиваются.
Заряженный шарик притягивает и незаряженные предметы: бумагу, стену и даже воду. Его заряд сдвигает заряды внутри предмета. В металле электроны двигаются свободно, а в бумаге или стене заряды в молекулах только чуть-чуть смещаются. На стороне, обращённой к шарику, собирается противоположный заряд. Он ближе, поэтому притяжение сильнее отталкивания. Такое явление называют наведением заряда, и по тому же принципу работает электроскоп, о котором рассказано в конце статьи.
Почему зимой опыты получаются лучше
Влажность помогает заряду стекать. По данным ассоциации ESD, когда человек идёт по ковру, напряжение на его теле при относительной влажности воздуха от 10 до 25 процентов может доходить до 35 000 вольт, а при влажности от 65 до 90 процентов только примерно до 1500 вольт. Зимой в отапливаемых помещениях воздух сухой, поэтому волосы электризуются сильнее и опыты с шариком получаются лучше всего. Летом или в ванной после душа они могут не получиться.
Безопасность
- Для опытов подходят только шарики, расчёски, бумага и пластик. Розетку, провода и приборы, включённые в сеть, не используют никогда. Почему сетевое напряжение совсем другое дело, мы рассказываем в статье о том, почему 220 вольт опасны.
- Не подносите заряженный шарик к компьютеру, телефону и другой электронике: статический разряд может повредить электронные детали.
- Кусочки лопнувшего шарика маленький ребёнок может вдохнуть или проглотить, поэтому взрослый сразу их собирает.
Семь опытов
Волосы, которые тянутся к шарику
Надуйте шарик и несколько раз потрите его о сухие чистые волосы или шерстяной свитер. Медленно отводите шарик от головы: волосы поднимутся и потянутся за ним. После трения волосы заряжены положительно, шарик отрицательно, и разноимённые заряды притягиваются. А раз у всех волос одинаковый заряд, они ещё и отталкиваются друг от друга и встают пушистым хохолком.
Шарик, который прилипает к стене
Прижмите заряженный шарик к стене и осторожно отпустите. В сухой день он может провисеть довольно долго. Стена не заряжена, но заряд шарика немного сдвигает заряды на её поверхности: ближе к шарику оказываются положительные, и они его удерживают. Когда заряд понемногу уходит в воздух, шарик падает.
Бумага, которая прыгает на расчёску
Порвите салфетку или тонкую бумагу на мелкие клочки и рассыпьте по столу. Несколько раз проведите пластиковой расчёской по сухим волосам и держите её в паре сантиметров над бумагой. Клочки подпрыгнут к расчёске, а некоторые через мгновение снова упадут. Они падают, потому что, коснувшись расчёски, сами получают такой же заряд и отталкиваются.
Перец, который отделяется от соли
Смешайте на тарелке чайную ложку соли со щепоткой молотого перца. Потрите пластиковую ложку шерстяной тканью и медленно поднесите её к смеси сверху. Перец подпрыгнет к ложке первым, потому что его частички легче. Если опустить ложку ниже, притянется и соль.
Банка, которая катится за шариком
Положите пустую алюминиевую банку из-под напитка набок на гладкий пол или стол. Держите заряженный шарик в нескольких сантиметрах от неё, не касаясь. Банка покатится к шарику, а если медленно уводить шарик, она покатится следом. В металле электроны двигаются свободно, поэтому заряд шарика легко их сдвигает и притяжение получается сильным. Можно устроить гонку: кто своим шариком быстрее докатит банку до финиша.
Струя воды, которая изгибается
Откройте кран так, чтобы текла совсем тонкая ровная струйка. Поднесите заряженную расчёску или шарик к струе на пару сантиметров, не касаясь воды. Струя изогнётся к расчёске.
Часто объясняют это тем, что молекулы воды полярны и поворачиваются к расчёске. Авторы исследования, опубликованного в 2000 году в журнале Journal of Chemical Education, пишут, что этот опыт понимают неправильно. Главная причина в наведённом заряде: заряженная расчёска наводит в струе противоположный заряд, капли уносят его с собой, и расчёска их притягивает. Если расчёска коснулась воды, она намокает и разряжается. Тогда её вытирают и заряжают заново.
Электроскоп из банки
Электроскоп показывает, есть ли у предмета заряд. Понадобятся стеклянная банка с пластиковой или картонной крышкой, металлическая скрепка и алюминиевая фольга.
Взрослый проделывает в крышке отверстие. Выпрямите скрепку, проденьте её через отверстие и загните нижний конец небольшим крючком. Узкую полоску фольги перекиньте через крючок так, чтобы обе половинки свободно свисали рядом. Скатайте из фольги плотный комочек и насадите его на верхний конец скрепки над крышкой. Закройте банку крышкой, и полоска окажется внутри, где ей не мешает движение воздуха.
Теперь поднесите заряженный воздушный шарик к комочку фольги, но не касайтесь его. Половинки фольги разойдутся, а когда вы уберёте воздушный шарик, снова сомкнутся. Физик Ричард Фицпатрик из Техасского университета в Остине объясняет в своих лекциях, как работает электроскоп: заряженный предмет сдвигает электроны в металле, оба тонких металлических листочка внизу получают одинаковый заряд и поэтому отталкиваются. В нашей банке роль этих листочков играют половинки фольги. Если коснуться воздушным шариком комочка фольги, часть заряда перейдёт на электроскоп, и половинки останутся разведёнными, даже когда вы уберёте воздушный шарик. Коснитесь комочка пальцем, и они сомкнутся, потому что заряд уйдёт через вас.
Другие фокусы, которые школьник может показать в классе, мы собрали в статье об опытах для школьников. Тринадцать опытов без электричества, для которых хватит того, что есть на кухне и в ванной, собраны по возрасту в статье об опытах для детей в домашних условиях.
Где увидеть больше
Когда шарик и расчёска уже испробованы, можно посмотреть, как выглядят заряды покрупнее. На спектакле "Короткое замыкание" показывают безопасные опыты со статическим электричеством, разноцветные молнии и катушку Теслы и объясняют парадокс 220 вольт и 220 тысяч вольт. Спектакль идёт около часа, рассчитан на детей от 5 лет, и взрослые тоже участвуют в опытах. Его покажут 8 ноября в нашем театре в Тейке, по адресу Brīvības gatve 211: на латышском в 11:00, на русском в 13:00. Билеты продаются только на bilesuserviss.lv (Biļešu Serviss, откроется в новой вкладке), остальные спектакли и даты есть в календаре.
