Для чего необходим громоотвод

Урок № Тема: Громоотвод

Цель урока: ознакомить учащихся с первыми шагами в практическом применении учения об электрическом поле.

Ход урока

Повторение.

• Что такое электрическое поле?

• Чем отличается поле от вещества?

• Перечислите основные свойства электрического поля.

• Что называют силовыми линиями электрического поля?

• Как находят ускорение заряженной частицы, движущейся в электричес­ком поле?

• В каком случае электрическое поле увеличивает скорость частицы, а в каком - уменьшает ее?

• Почему нейтральные кусочки бумаги притягиваются к наэлектризован­ному телу?

• Объясните, почему после сообщения электрическому султану заряда его бумажные полоски расходятся?

Новый материал

Эксперимент 1

Возьмем проводник грушевидной формы, расположенный на изолирую­щей подставке и зарядим его.

Пробным шариком на изолирующей ручке коснемся узкого конца провод­ника и поместим шарик внутрь полой сферы электрометра. Запомним показа­ния электрометра. Повторим опыт, касаясь широкого конца проводника.

- Какой можно сделать вывод?

(Электрическое поле вблизи металличес­кого острия более сильное, в этой области плотность распределения заряда больше.)

На этом свойстве проводников основано действие громоотвода (более правильное название - молниеотвод).

Эксперимент 2

Проведем опыт. Прикоснемся наэлектризованной палочкой к гиб­кой металлической сетке с бумажными лепестками (сетке Кольбе). Нели сетка образует плоскую поверхность, то заряд распределится по ее поверхности равномерно, и мы увидим, что все лепестки отклонятся на одинаковый угол (рис. а). Иначе распределится заряд, если сетку изогнуть. Мы увидим, что на вогнутых участках сетки лепестки опадут, а на выпуклых, наоборот, отклонятся сильнее (рис. б).

Вывод: электрические заряды распределяются по поверхности проводника так, что элект­рическое поле оказывается сильнее на выступах проводника и слабее на его впадинах.

Особенно сильно электрическое поле вблизи металлического острия. На этом свойстве проводников основано действие громо­отвода.

Громоотвод был изобретен в середине XVIII в. Б. Франклином. Более правильное его название — молниеотвод, так как он пред­назначен для защиты зданий и других сооружений от ударов молнии, а не раскатов грома.

Подсчитано, что в атмосфере Земли каждую секунду происходит около 100 молний. Еще в древности было замечено, что ударяют они преимущественно в наиболее высокие объекты — столбы, выш­ки, деревья, а на равнинных местах могут поразить людей и животных. Поэтому никогда не следует укрываться от молнии под деревьями, а, оказавшись во время грозы на открытой местности, лучше всего лечь на землю или, по крайней мере, встать на колени и как можно ниже опустить голову.

На протяжении многих веков люди не понимали истинной природы молнии, считая ее удары проявлением воли богов. Так, например, когда персидский царь Ксеркс (IV в. до н. э.) задумал поход против греков, то, чтобы предотвратить этот поход, его советник Артабан сказал ему: «Взгляни, как Бог молниями своими всегда поражает крупных животных и не позволяет им становиться дерзкими, а су­щества меньших размеров не раздражают Его. И как молнии Его падают всегда на самые большие дома и самые высокие деревья. Так, очевидно, Он любит унижать все, что возносит себя.

Образование молнии

На самом деле молния имеет элект­рическую природу и может быть объяснена на основе законов физики.

Возникает она тогда, когда заряжен­ные дождевые облака (тучи) создают настолько сильное электрическое поле, что разгоняемые этим полем свобод­ные электроны (всегда имеющиеся в небольшом количестве в воздухе) ионизируют встречные молекулы, вы­бивая из них новые электроны. Осво­бодившиеся электроны также разго­няются и ионизируют следующие молекулы и т. д. Возникает лавина заряженных частиц, образующая быстро удлиняющуюся светящуюся искру. При приближении этой искры к земле она прокладывает себе путь к области наиболее сильного электри­ческого поля, наблюдаемой вблизи высоких и заостренных сооружений.

Этот искровой разряд и образует молнию.

Если над наивысшей точкой защищаемого сооружения закрепить молниеотвод, состоящий из тонкого, заостренного на конце метал­лического стержня, соединенного проволокой с металлическим лис­том, закопанным в землю (рис. 19), то большая часть электрического заряда, переносимого молнией, уйдет в землю и сооружение будет спасено. Впрочем, в большинстве случаев при наличии молниеотвода непосредственного удара молнии не происходит. Туча над громоот­водом успевает разрядиться до того, как создаваемое ею электри­ческое поле окажется способным породить светящийся грозовой разряд.

Изобретение Франклином громоотвода не сразу было оценено по достоинству. Любопытный случай произошел в конце XVIII в. во французском городе Сент-Оморе. Когда один из его жителей уста­новил на крыше своего дома громоотвод, испуганные соседи подали на него жалобу в суд. Четыре года длился судебный процесс над владельцем громоотвода. Интересно, что его защитником на суде выступал М. Робеспьер, а одним из экспертов со стороны истца был Ж. Марат (оба они впоследствии прославились как видные деятели французской революции). На суде Марат (в то время более известный как ученый, а не политик) выступал против установки громоотвода, считая его опасным для людей. Однако после продол­жительных разбирательств Робеспьер выиграл процесс, и громоот­вод получил право на существование.

Вопросы для закрепления:

1. На каких участках поверхности проводника электрическое поле сильнее, а на каких слабее?

2. Для чего применяют громоотвод? Как он иначе называется? Кто и когда его изобрел?

3. Опишите, как возникает молния.

4. Как следует вести себя, оказавшись во время грозы на открытой местности? Почему нельзя укрываться поддеревьями?

5. В XVIII в. некоторые люди, считавшие, что острый стержень громоотвода «отпугивает» молнию, во время грозы дос­тавали из ножен шпагу и поднимали ее вверх. Могли ли они таким способом защититься от молнии?

Домашнее задание: подготовится к зачету по тему «Электрические явления»;

Дополнительный материал

Первые шаги в практическом применении учения об электрических явлениях

Хотя учение об электрических явлениях начало играть существенную роль в практической жизни лишь начиная с середины XX в., тем не менее, первые попытки практического применения электричества относятся уже к середине XVIII в.

После изобретения лейденской банки, когда ученые смогли наблюдать сравнительно большие искры при электрическом разряде, возникла мысль об электрической природе молнии.

Известный американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин (1706-1790) высказал эту идею в письме в Лондонское королевс­кое общество в 1750 г.

В этом письме он объяснял также как можно проверить высказанное пред­положение. Он предлагал поставить на башню будку, на крышу которой выве­сти железный шест. Помещенный внутри будки человек в случае грозы мог бы извлекать из шеста электрические искры.

Содержание письма Франклина стало известно во Франции. О нем узнал фран­цуз Далибар, который в мае 1752 г. проделал опыт, о котором писал Франклин.

У себя в саду, возле Парижа, Далибар установил высокий железный шест, изолировав его от земли. В то время когда собиралась гроза, он попробовал извлечь электрические искры из шеста. Опыт удался. Действительно, Далибару удалось получить электрические искры.

В том же году, летом Франклин в Америке проделал похожий опыт. Вмес­те со своим сыном он запустил змей во время грозы. Когда нить, которой был привязан змей, намокла, то из нее можно было извлекать электрические ис­кры. Франклину даже удалось зарядить при этом лейденскую банку.

После того как об опытах Франклина стало известно в Петербурге, подоб­ными же опытами, занялись русские академики Рихман и Ломоносов. Они устроили более удобную установку для изучения атмосферного электриче­ства, названную громовой машиной.

Громовая машина представляла собой заостренный железный шест, уста­новленный на крыше дома. От железного шеста в дом шла проволока, конец этой проволоки был соединен с электрическим указателем, т.е. с простейшим электрометром, изобретенным Рихманом.

С громовой машиной и Рихман, и Ломоносов проделали много опытов. Ломоносов открыл, что электрические заряды в атмосфере появляются не только во время грозы, но и без нее. На основе своих опытов Ломоносов со­здал первую научную теорию образования электричества в атмосфере.

1753 г. случилось несчастье. Собиралась гроза, и Рихман пришел к своей громовой машине, чтобы наблюдать электрические разряды. Вдруг в комнате появилась шаровая молния, произошел электрический разряд - и ученый был убит.

Впечатлением от трагической смерти Рихмана немедленно воспользова­лось духовенство в целях борьбы с безбожием. Попы и монахи стали распро­странять мысль о том, что Рихман был наказан богом за дерзкие опыты.

После того как была выяснена электрическая природа грозы возникла идея устройства громоотвода для предохранения зданий от пожаров в результате по­падания в них молнии. Громоотводы быстро вошли в практику. Это было первое практическое применение учения об электрических явлениях. Оно способство­вало развитию научных исследований по электричеству вообще.

Следует отметить, что духовенство и позже враждебно относилось к ис­следованиям атмосферного электричества и к использованию громоотводов, полагая, что защита от ударов молний безбожное занятие. Второй попыткой использования электричества для практических целей было применение его для лечения болезней.

Как мы видели выше, уже Мушенбрук, описывая изобретение лейденской банки, обратил внимание на сильное и необычное действие электрического раз­ряда на человека. Вскоре этим действием заинтересовались врачи. Возникла мысль о том, что в живом организме существуют электрические токи, которые играют в нем какую-то важную роль. Вместе с этим пришло убеждение о воз­можности применения электричества для лечения болезней.

С этой целью стали производить опыты по электризации людей, пропус­канию через тело человека электрического тока и т.д. Был написан ряд книг по исследованию действия электричества на организм человека. В качестве примера можно указать на книгу Марата, известного деятеля французской революции, врача по специальности. Он написал в 1783 г. «Трактат о меди­цинском электричестве», который был удостоен специальной премии. Одна­ко все такие исследования в то время не привели к каким-либо положитель­ным практическим результатам. Действительное применение электричества для лечения болезней началось гораздо позже. Но такие исследования сыгра­ли большую роль в усилении интереса к исследованиям электрических явле­ний вообще. Больше того, как мы увидим ниже, именно исследование влия­ния электричества на живой организм привело к открытию итальянским вра­чом Гальвани так называемого гальванического электричества.

История применения электрических явлений в медицине очень интересна тем, что она показывает, как новые открытия в области физических наук бы­вают вызваны задачами других наук (в данном случае медицины).