В.В.МАЙЕР,
ГПИ, г. Глазов, Республика Удмуртия
На занятии по технике безопасности
На занятии по технике безопасности
Перед физическим практикумом я обязательно провожу занятие по технике безопасности. Рассказываю о поражающих факторах в физической лаборатории, говорю о механических, термических, электрических, оптических и квантовых травмах, привожу примеры и... всё острее ощущаю, что каждый думает о чём-то своём, в глубине души твёрдо веря, что с ним-то уж никогда ничего неприятного не случится.
Говорю, что вся техника безопасности построена на смертельных случаях, которые предостерегают нас от повторения ошибок, – и вижу лишь скептические ухмылки.
Обращаю внимание на то, что в технике безопасности много условностей. Например, напряжение ниже 36 В условно считают безопасным, хотя можно пострадать и от такого напряжения, – скука на лицах только усиливается...
Тогда я беру батарейку на 4,5 В, даю в руки ближайшему ученику два больших гвоздя и прошу одним из них прикоснуться к выводу батарейки так, чтобы был постоянный контакт, а вторым кратковременно чиркнуть по второму выводу. Он чиркает и с недоумением говорит, что вообще ничего не ощущает. Тогда я даю ему ферритовый стержень диаметром 8 мм и длиной около 100 мм и прошу намотать на него 500 витков тонкой медной проволоки в лаковой изоляции. Все с интересом следят, что происходит. Через три минуты небрежно намотанная катушка готова. Концы её очищают от изоляции и прикручивают всё к тем же гвоздям. Дальше снова тот же опыт: один гвоздь неотрывно соединён с полюсом батарейки, а вторым испытуемый чиркает по другому полюсу. Внезапно вытянутые руки его непроизвольно сжимаются, и он восклицает: «Меня дёрнуло!»
Так, значит, и от простой батарейки можно получить ощутимый удар током! Тут уже все понимают, что рассказ о технике безопасности состоял отнюдь не из пустых слов. Учащиеся по желанию один за другим подходят к демонстрационному столу и вновь и вновь повторяют опыт. Впечатление глубочайшее!
Объясняю явление: при размыкании цепи ток в катушке резко уменьшается, существовавшее вокруг катушки магнитное поле исчезает, в этом изменяющемся поле находится сама катушка, поэтому в ней возникает ЭДС самоиндукции. Её величина пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего каждый виток, и числу витков катушки. В условиях нашего опыта ЭДС самоиндукции достигает величины, значительно превышающей 100 В. Такое напряжение уже вполне ощутимо, но по-прежнему безопасно, т.к. ввиду малой мощности источника способно вызвать лишь небольшой электрический ток. Поэтому вполне безобидная, на первый взгляд, батарейка на 4,5 В при определённых условиях может вызвать поражение.
Чтобы проверить это, подсоединяем к катушке неоновую лампу: при размыкании цепи она вспыхивает, хотя напряжение её зажигания около 70 В.
Спрашивается: а как устранить это опасное явление, если нельзя избежать кратковременных размыканий цепи с большой индуктивностью? Очевидно, нужно энергию исчезающего магнитного поля превратить в тепло так, чтобы при этом на выводах катушки не возникало сколько-нибудь значительного напряжения. Сделать это можно различными способами, но один из наиболее эффектных заключается в следующем. Я надеваю на ферритовый сердечник медное или дюралевое колечко, и теперь уже при размыкании цепи никакого удара электрическим током не ощущается, а неоновая лампочка не загорается!
Результат объясняют сами учащиеся: исчезающее при размыкании цепи магнитное поле возбуждает ЭДС самоиндукции в катушке и ЭДС индукции в кольце. Поскольку кольцо имеет небольшое сопротивление, в нём уже при небольшом напряжении возникает значительный ток, энергия которого переходит во внутреннюю энергию металла. Таким образом, вся энергия магнитного поля тратится на разогрев кольца, а на катушке напряжение повышается незначительно. «Теперь понятно, почему в трансформаторах недопустимы короткозамкнутые витки!» – восклицает один из тех, кого раньше звали радиолюбителями.
Так скучная техника безопасности становится захватывающе интересной и полезной даже в тех смыслах, о которых не приходилось и задумываться.
Для самостоятельной проработки
1. При подготовке опыта подберите сердечник и оптимальное число витков катушки. Вместо ферритового вполне подойдёт стальной сердечник, в качестве которого можно использовать подходящий болт или толстый гвоздь. Рекомендованное количество витков (500) скорее завышено, чем занижено. В зависимости от используемых сердечника и батарейки катушка может иметь и существенно меньшее число витков (например, около 200).
2. Катушку нужно мотать прямо на занятии по технике безопасности на глазах учащихся. Чтобы это не заняло слишком много времени, надо хорошо подготовиться: заранее надеть на стойку штатива катушку с проводом диаметром около 0,2 мм (например, марки ПЭВ 0,2) и, потянув за конец провода, убедиться, что она легко вращается вокруг штативной стойки.
3. В опыте нетрудно показать, что поражающее действие электричества сильно зависит от сопротивления организма. Для этого достаточно ополоснуть руки водой и вытереть их полотенцем. Удар электрическим током, если электроды держать влажными руками, заметно сильнее. Всё это нужно сначала проделать самому и лишь затем предлагать повторить ученикам.
4. В опыте нетрудно оценить напряжение, развиваемое при размыкании цепи, состоящей из батарейки и катушки. Для этого нужно соединить последовательно несколько неоновых лампочек, напряжение зажигания которых известно. Далее, подсоединяя к катушке всё увеличивающееся число последовательно соединённых лампочек, необходимо определить то количество, которое ещё вспыхивает при размыкании цепи. Теперь осталось умножить напряжение зажигания одной лампочки на найденное количество лампочек – это и есть искомая оценка ЭДС самоиндукции.
5. Определите лично для себя следующее: будет ли при работе с электричеством достаточно осторожен человек, ни разу не ощущавший хотя бы слабый удар электрическим током? Можно ли научить технике безопасности лишь на примерах из жизни других людей? Надо или не надо на занятии по технике безопасности использовать физические опыты? Какими именно они должны быть?