Электростатика и пчела.

Законы электростатики и пчела

Электромагнитные силы, благодаря которым на планете всё живёт и здравствует, в своей совокупности составляют 97% от всех существующих в природе сил. Из этого поста мы узнаем о том, как принципы электростатики связаны с пчелой. Здесь не будет цифр. Всё конкретное находится в статье «Электрофизика пчелы» и других. Тут мы отвечаем на вопрос, почему пчела «дружит» с электростатикой. Данный материал рассчитан на тех читателей, которые хотят «разобраться» с электричеством.

Проведём совсем маленький научный «ликбез» с простенькими примерами. Для не умеющих читать «учёные» посты картинка будет ниже.

В физике словом “проводник” обозначается проводящее тело любых размеров и формы. Им может быть не обязательно «железка», а вообще любое тело (даже жидкость), в том числе и полупроводник, и диэлектрик, содержащее свободные заряды (электроны, ионы). Таким телом является и пчела. Для знакомства с проводящими свойствами нашего насекомого прочитаем «Электрофизические свойства покрова пчёл».

Проводник может нести заряд. На это способна, как видим, и пчела. С помещением проводника в поле, электроны проводника начинают двигаться в сторону положительно заряженного источника поля. На поверхности проводника, обращенной к этому полю, электронов (ионов) скапливается больше, формируется отрицательный заряд. На противоположной поверхности проводника электронов станет меньше чем необходимо для нейтрализации положительного ионного заряда. Соответственно эта поверхность будет заряжена положительно. «Положительная» и «отрицательная» стороны поверхности проводника создают свое собственное поле по направлению противоположное внешнему. Точно так располагается заряд на теле пчелы. Когда проводник долго находится в поле, то оба поля – и внешнее, и поле собственных поверхностных зарядов проводника в точности компенсируют друг друга во всех точках. Если бы в каком-то месте поля не компенсировали бы друг друга, то в этой области на электроны действовала бы сила, и шёл ток. Поле пчелы и внешнее поле компенсируют друг друга. Проникновение внешнего поля в проводник, способствует появлению на его поверхности зарядов, которые компенсируют это самое внешнее поле. На теле пчелы заряды появляются благодаря именно внешнему полю. Это явление возникновения электрических зарядов на проводнике под воздействием электрического поля называется электростатической индукцией, а возникшие заряды – индуцированными. Появившиеся индуцированные заряды создают собственное электрическое поле, как на поверхности, так и вне её. (Что «творит» индукция с пчёлами наглядно показано тут.) Электрическое поле создаётся не только зарядами на волосках пчелы, но и всеми зарядами, находящимися как на ней, так и возле неё. Тем не менее, суммарное поле проводника отличается от внешнего поля. Давление, оказываемое электростатическим полем на поверхность проводника, равно плотности энергии электрического поля. При всём этом, заметим, обязательным условием притяжения незаряженного тела к заряженному является неоднородность электрического поля. В случае нахождения проводника в однородном электрическом поле, не смотря на то, что индуцированные заряды возникнут — суммарная сила, действующая на них, будет равна нулю.

Напряжённость поля в проводнике, находящемся в электростатическом поле равна нулю. Значит и разность потенциалов между двумя точками проводника равна нулю. Таким образом, все точки проводника имеют одинаковый потенциал, а поверхность является эквипотенциальной. Проводник является заряженным, если его заряд отличен от нуля. В этом случае поверхностная плотность зарядов в разных точках поверхности будет отличаться. Тем не менее, если проводник не заряжен, но находится во внешнем поле, то на его поверхности всё равно существуют заряды. То есть одна часть поверхности имеет заряд больше нуля, другая – меньше, а в целом заряд равен нулю.

Линии напряжённости в проводнике перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. О величине напряженности поля можно судить по густоте эквипотенциальных поверхностей (т. е. по расстоянию их друг от друга). По мере удаления от проводника любой формы эквипотенциальные поверхности проводника постепенно приближаются к сферическим (на большом расстоянии любой проводник может рассматриваться как точечный заряд). Вдоль линий напряжённости потенциал меняется наиболее быстро.

У поверхности проводника напряженность поля пропорциональна плотности заряда. Плотность заряда на поверхности проводника, зависит от напряженности поля, в которое проводник помёщён. Свободные заряды, попадая в проводник, вследствие однополярности взаимно отталкиваются и стремятся удалиться друг от друга на возможно большее расстояние. То же самое происходит с волосками у пчелы. С этой целью они (заряды), выходят на самый край поверхности. Там заряды расположены так, что бы потенциальная энергия их отталкивания была минимальна. Идеальным такое положение возможно только на сфере, бесконечной плоскости и цилиндре. Плотность заряда будет различна на различных участках поверхности, если форма проводника имеет кривизну. Заряды скапливаются там, где больше кривизна, например у острия. На теле пчелы они скапливаются на кончиках волосков. Пчела имеет форму эллипсоида, соответственно заряд будет концентрироваться на выпуклых частях, то есть на тех же волосках впереди и сзади «её эллипса», например, на жале, а так же на острых выступах ножек. Если искривление проводника заканчивалось бы точкой, то плотность зарядов на ней была бы бесконечно велика. Искривление в виде впадины уменьшает плотность заряда. На вершине конической впадины или в замкнутой полости плотность заряда равна нулю. Благодаря таким свойствам вогнутых поверхностей сочленения органов пчелы защищены от электрического воздействия.

Вместе с получением заряда «телом» проводника происходит и процесс его потери, или «стекания». Процесс «утечки» заряда происходит следующим образом. Сильное поле на острие проводника разгоняет вблизи него свободные заряды, которые сталкиваясь с атомами атмосферного газа, ионизируют пространство. Создаётся область пространственного заряда из которого выталкиваются заряды того же знака, что и на острие. Разрядка острия происходит при этом за счёт попадания на него ионов противоположного знака, что одновременно является импульсом против стекания. (С трибоэлектричеством можно познакомиться смотрите ссылку выше про «электрофизические свойства покрова пчёл».)

Содержание, изложенное выше буквами, можно рассмотреть на приблизительной схеме распределения электрического заряда на теле пчелы в различных условиях жизнедеятельности.

Схема распределения заряда на теле пчелы в разных э/м условиях.

Всё, что рассказано здесь о процессах электростатики, полностью касается пчелы независимо от того приводились примеры или нет. Практически во всех статьях темы «Электрические «фокусы» пчёл» идёт разговор о связи пчёл с электростатикой и примеров там предостаточно. Жизнедеятельность пчёл и электричество – явления неразрывные. Данная статья дана как напутствие в электростатику пчелы.
Всего Вам доброго в изучении электричества пчёл!
Опубликовано Новиковым С.Н. © //www.maymed.ru , 2012.