Электрические явления - основные понятия, формулы и определения с примерами

Содержание:

Электрические явления:

Горные инженеры и военные называют зарядом взрывчатку; иногда слово «заряд» используют для определения «запаса чувств» (заряд бодрости). А что такое электрический заряд?

Электрический заряд и электромагнитное взаимодействие

Строение атома вы уже изучали в курсах природоведения, физики, химии. Вспомним: атом любого вещества состоит из ядра, вокруг которого расположены электроны.

Понятно, что без взаимного притяжения электронов и ядра атом распался бы. Можно предположить, что такое притяжение обусловлено гравитационным взаимодействием. Но это не так: электроны и ядро очень легкие, и гравитационное взаимодействие между ними слишком слабое — оно недостаточно для того, чтобы удержать электроны около ядра. Атом не распадается благодаря взаимодействию другого вида — его называют электромагнитным взаимодействием.

Но ведь ядро и электроны, из которых состоит атом, открыты учеными относительно недавно, менее 150 лет тому назад. Неужели о существовании электромагнитного взаимодействия ученые не знали раньше? Конечно, знали.

Более двадцати пяти веков назад древнегреческий философ, математик, исследователь природы Фалес (ок. 625 — ок. 547 до н. э.) из города Милета натирал мехом кусок янтаря и наблюдал, как после этого янтарь начинал притягивать к себе птичьи перья, пух, соломинки, сухую листву. Греческое название янтаря — электрон, поэтому процесс, в результате которого тело приобретает свойство притягивать к себе другие тела, назвали электризацией, а само тело— наэлектризованным.

Из повседневной жизни мы знаем, что после расчесывания сухих волос пластмассовой расческой последняя электризуется — приобретает свойство притягивать к себе ворсинки, обрывки бумаги и т. п. Аналогичное свойство приобретает и эбонитовая палочка в результате трения о шерсть или палочка из оргстекла, если ее потереть о шелк или бумагу (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Чтобы наэлектризовать палочку из оргстекла, достаточно потереть ее листом бумаги (а). После этого палочка начинает притягивать к себе разные мелкие предметы (б)

Наэлектризованные тела притягивают не только легкие ворсинки, соломинки, обрывки бумаги, но и металлические предметы, комочки земли и даже тонкие струи воды или масла. Обратите внимание, что интенсивность электромагнитного взаимодействия может быть разной. Так, в опыте, изображенном на рис. 19.2, а, струя воды отклоняется больше, чем в опыте, изображенном на рис. 19.2, б.

Рис. 19.2. Интенсивность электромагнитного взаимодействия наэлектризованной палочки и струи воды может быть разной

Чтобы иметь возможность количественно описывать интенсивность электромагнитного взаимодействия, была введена физическая величина — электрический заряд.

Электрический заряд — это физическая величина, характеризующая свойство тел и частиц вступать в электромагнитное взаимодействие.

Электрический заряд обозначают символом q. Единица электрического заряда в СИ — кулон (названа в честь французского физика Шарля Кулона):

[q]=1 Кл.

Данная единица является производной от основных единиц СИ (определение кулона будет дано в § 27).

О наэлектризованном теле говорят, что оно имеет электрический заряд — тело заряжено.

Электризация — это процесс приобретения макроскопическими телами электрического заряда.

Основные свойства электрического заряда

1. Существует два рода электрических зарядов — положительные и отрицательные. Электрический заряд такого рода, как заряд, полученный на янтаре или эбонитовой палочке, потертых о шерсть, принято называть отрицательным, а такого рода, как заряд, полученный на палочке из стекла, потертой о шелк или бумагу, — положительным.

2. Тела, имеющие заряды одного знака, отталкиваются; тела, имеющие заряды противоположных знаков, притягиваются (рис. 19.3).

Рис. 19.3. Одноименно заряженные полоски бумаги отталкиваются (а); разноименно заряженные — притягиваются (б)

3. Носителем электрического заряда является частица — электрический заряд не существует отдельно от частицы. Во время электризации тело принимает или отдает некоторое количество частиц, имеющих электрический заряд (Далее частицы, имеющие электрический заряд, будем называть заряженными частицами).

Обычно при электризации тело принимает или отдает некоторое число электронов.

4. Электрический заряд является дискретным, то есть электрические заряды физических тел кратны определенному наименьшему (элементарному) заряду: q=Ne,

где q — заряд тела; N — целое число; e — элементарный заряд.

Носителем наименьшего отрицательного заряда является электрон. Этот заряд обозначают символом е: Носителем наименьшего положительного заряда является протон. Заряд протона по модулю равен заряду электрона:

5. И микрочастицы, и макроскопические тела могут иметь заряд (положительный или отрицательный), а могут быть нейтральными. Нейтральной частицей — частицей, заряд которой равен нулю, — является нейтрон (нейтроны и протоны образуют ядро атома).

Таким образом, в состав атома входят нейтральные нейтроны и имеющие заряд протоны и электроны. Сам атом нейтрален, так как число электронов в нем равно числу протонов.

Итоги:

Электрический заряд — это физическая величина, характеризующая свойство частиц и тел вступать в электромагнитное взаимодействие. Заряд обозначают символом q и измеряют в кулонах (Кл).

Процесс получения электрического заряда макроскопическими телами называют электризацией. При электризации тело обычно присоединяет или отдает некоторое количество электронов.

Различают два рода электрических зарядов: положительные и отрицательные. Одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные — притягиваются.

Электрический заряд является дискретным: существует минимальный (элементарный) электрический заряд, которому кратны все электрические заряды любых заряженных тел и частиц. Электрический заряд не существует отдельно от частицы; носителем элементарного отрицательного заряда является электрон, положительного — протон.

Электрическое поле

Вспомните, как при расчесывании сухие и чистые волосы «тянутся» за пластмассовой расческой. В данном случае происходит электризация: и волосы, и расческа приобретают электрический заряд.

Вы узнали, что заряженная палочка притягивает незаряженные кусочки бумаги. Если вы проводили такой эксперимент, то наверняка обратили внимание на то, что кусочки бумаги «чувствовали» приближение палочки заранее, еще до того, как она их касалась. То есть заряженная палочка действует на другие объекты на расстоянии! Выясним, почему так происходит.

Нам понадобятся натертый графитом маленький воздушный шарик, подвешенный на шелковой нити, эбонитовая палочка, кусочек шерстяной ткани, лист бумаги и пластина из оргстекла.

Наэлектризуем эбонитовую палочку, потерев ее о шерсть. Затем прикоснемся палочкой к подвешенному на нити шарику, — шарик приобретет отрицательный заряд. Потрем пластину из оргстекла бумагой — пластина приобретет положительный заряд. Станем медленно приближать пластину к шарику. По мере ее приближения нить, на которой подвешен шарик, начнет отклоняться от вертикали. Если же остановить сближение, то шарик так и останется неестественно отклоненным (рис. 20.1, а). Более того, подняв пластину над шариком, мы можем заставить шарик замереть в еще более неестественном для него положении (рис. 20.1, б).

Рис. 20.1. Отрицательно заряженный шарик притягивается к положительно заряженной пластине из оргстекла. Шарик будет находиться в состоянии покоя, когда сила тяжести и сила натяжения нити будут скомпенсированы силой действующей на шарик со стороны наэлектризованной пластины

Что же происходит? Почему шарик так себя ведет? Ответ очевиден: на шарик — кроме силы тяжести и силы натяжения нити — со стороны наэлектризованной пластины действует третья сила (на рисунке — ).

Определение электрического поля

Из описанного выше эксперимента можно сделать вывод о том, что наэлектризованная пластина служит причиной определенных изменений в окружающем ее пространстве. А именно: пространство изменяется таким образом, что начинает действовать на заряженный шарик с некоторой силой. Физики сказали бы, что в пространстве существует электрическое поле.

Электрическое поле — это вид материи, которая существует вокруг заряженных частиц или тел и действует с некоторой силой на другие частицы или тела, имеющие электрический заряд.

Таким образом, электрическое взаимодействие заряженных частиц или тел осуществляется через электрическое поле.

Сила, с которой электрическое поле действует на заряженные частицы или тела, называют электрической силой

Характеристика электрического поля

Органы чувств человека не воспринимают электрическое поле заряженного тела — мы не можем это поле увидеть, услышать, потрогать. А как же узнать, какие свойства оно имеет? Думаем, что вы уже догадались: изучать электрическое поле можно по его действию на заряженные частицы или тела.

Именно это действие подтверждает тот факт, что электрическое поле материально, ведь, во-первых, оно действует на материальные объекты (заряженный шарик, кусочек бумаги, струю воды) и, во-вторых, действует независимо от сознания человека.

Проведем опыт, воспользовавшись металлической сферой на пластмассовой подставке. Тщательно наэлектризуем стеклянную палочку, потерев ее о бумагу, и коснемся палочкой сферы. Сфера приобретет положительный заряд (рис. 20.2).

Рис. 20.2. При касании сферы положительно заряженной палочкой сфера приобретает положительный заряд

Пространство около сферы изменится — вокруг нее будет существовать электрическое поле. Будем изучать это поле с помощью легкого положительно заряженного шарика (рис. 20.3).

Рис. 20.3. Исследование электрического поля заряженной сферы: электрическое поле сферы действует на заряженный шарик в любой точке вблизи сферы; с увеличением расстояния от сферы электрическая сила, действующая на шарик, уменьшается

Опыт продемонстрирует, что, во-первых, электрическое поле существует в любой точке пространства, окружающего заряд (заряженную сферу), во-вторых, с удалением от заряда поле становится слабее. Можно также утверждать, что электрическое поле имеет энергию, ведь в результате его действия шарик приходит в движение, отклоняясь на некоторый угол.

Мы обнаружили только некоторые свойства электрического поля. Детальнее о нем вы узнаете в старших классах, а пока обратим внимание на то, что электрическое поле может существовать где угодно, даже в вакууме.

Изображение электрического поля графически

Когда вы хотите как можно лучше рассказать о месте, в котором побывали, или о новом друге, что вы, скорее всего, сделаете? Наверное, многие ответят: «Покажу фотографии».

Электрическое поле, к сожалению, сфотографировать невозможно. Английский физик Майкл Фарадей предложил изображать электрические поля графически — с помощью силовых линий.

Силовые линии электрического поля — это условные линии, вдоль касательных к которым на заряженное тело действует сила со стороны электрического поля.

По направлению силовых линий можно определить направление, в котором электрическое поле действует на электрический заряд. Плотность силовых линий на рисунке показывает, насколько сильным является электрическое поле: чем сильнее поле, тем плотнее расположены линии.

Рис. 20.4. Картина силовых линий электрического поля, образованного системой двух одинаковых по модулю разноименных зарядов (+q и –q); — сила, с которой электрическое поле действует на положительный заряд в точке А

Рассмотрим рис. 20.4, на котором графически изображено электрическое поле, созданное двумя разноименными зарядами. Определим, куда направлена сила , действующая на положительный заряд, помещенный в точку А поля. Для этого через точку А проведем касательную к силовой линии. Сила будет действовать вдоль касательной в направлении силовой линии. Понятно, что если в точку А поместить отрицательный заряд, то сила будет направлена противоположно силе .

В общем случае силовые линии электрического поля являются кривыми линиями, но могут быть и прямыми. Например, силовые линии электрического поля равномерно заряженного шарика, удаленного от других заряженных тел, — прямые линии (рис. 20.5, а, б).

Рис. 20.5. Картины силовых линий электрических полей, образованных: а — отрицательно заряженным шариком; б — положительно заряженным шариком; в — системой двух параллельных пластин, заряды которых одинаковы по модулю и противоположны по знаку; г — системой двух шариков, имеющих одинаковые положительные заряды

Прямыми являются и силовые линии электрического поля между двумя параллельными пластинами, имеющими одинаковые по значению и противоположные по знаку заряды (рис. 20.5, в).

Обратите внимание: силовые линии электрического поля начинаются на положительном заряде и заканчиваются на отрицательном (см., например, рис. 20.4, 20.5).

Влиянии электрического поля на организм человека

Экспериментально доказано, что поверхность Земли заряжена отрицательно, а верхние слои атмосферы — положительно, следовательно, в атмосфере Земли существует электрическое поле. С развитием цивилизации это естественное поле дополнилось электрическими полями различных электротехнических устройств, используемых человеком.

Сегодня известно, что клетки и ткани организма человека тоже создают около себя электрические поля. Регистрацию и измерение этих полей широко применяют для диагностирования разных заболеваний (электроэнцефалография, электрокардиография, электроретинография и др.).

Мы живем в настоящей паутине, сотканной из огромного количества электрических полей. Долгое время считалось, что они не влияют на людей, но сейчас уже известно, что действие внешнего электрического поля на клетки и ткани организма человека, особенно продолжительное, приводит к негативным последствиям.

Например, при работе компьютера на экране монитора накапливается электрический заряд; клавиатура и компьютерная мышь тоже электризуются в результате трения. Под влиянием электрических полей, созданных этими заряженными телами, у пользователя изменяются гормональное состояние и биотоки мозга, что вызывает ухудшение памяти, повышенную утомляемость и др.

Что же делать? Ведь совсем отказаться от работы за компьютером, просмотра телевизора, использования бытовой техники, которая тоже является источником электрических полей, достаточно трудно. Нелегко полностью отказаться и от синтетических тканей. Решить проблему можно, ослабив электрическое поле, например, путем повышения влажности воздуха или применения антистатиков. Более эффективный, но и более дорогой способ — искусственная ионизация воздуха, насыщение его легкими отрицательными ионами. С этой целью применяют аэроионизаторы — генераторы отрицательных ионов воздуха.

Итоги:

Электрическое поле — это вид материи, которая существует вокруг заряженных частиц или тел и действует с некоторой силой на другие частицы или тела, имеющие электрический заряд.

Существует удобный способ наглядного описания электрических полей, а именно графическое изображение с помощью силовых линий электрического поля — условных линий, вдоль касательных к которым на заряженное тело действует сила со стороны электрического поля. По направлению силовых линий можно определить направление, в котором электрическое поле действует на электрический заряд.

От влияния внешних электрических полей зависят общее самочувствие человека, функциональное состояние основных систем организма.

Механизм электризации

Считается, что систематическое изучение электромагнитных явлений первым начал английский ученый У. Гильберт (рис. 21.1).

Рис. 21.1. Уильям Гильберт (1544–1603) — английский физик и врач, основатель науки об электричестве

Однако объяснить электризацию тел смогли лишь три столетия спустя. После открытия электрона физики выяснили, что часть электронов может отрываться от атома или присоединяться к нему, превращая нейтральный атом в заряженную частицу — ион. А как происходит электризация макроскопических тел?

Вооружившись знаниями о строении атома, рассмотрим процесс электризации трением. Потрем эбонитовую палочку о шерстяную ткань, — как вы уже знаете, палочка приобретет отрицательный заряд. Выясним, почему возникает этот заряд.

Перед трением палочка и шерсть были электрически нейтральными (незаряженными). Однако в случае плотного контакта двух тел, изготовленных из разных материалов, часть электронов переходит с одного тела на другое (расстояния, на которые при этом перемещаются электроны, не превышают межатомных расстояний). Если теперь тела разъединить, то они окажутся заряженными: тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их получило, — отрицательно. Шерсть удерживает свои электроны слабее, чем эбонит, поэтому при контакте электроны в основном переходят с шерстяной ткани на эбонитовую палочку, а не наоборот. В результате палочка оказывается заряженной отрицательно, а шерсть — положительно. Аналогичного результата можно достичь, если расчесать сухие волосы пластмассовой расческой (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Перед расчесыванием число положительно заряженных частиц на волосах и расческе равно числу частиц, заряженных отрицательно (а). Во время расчесывания часть электронов с волос перейдет на расческу, в результате чего расческа зарядится отрицательно, а волосы — положительно (б)

Следует отметить, что общепринятое выражение «электризация трением» является не совсем точным, правильнее было бы говорить об электризации касанием, ведь трение нужно лишь для того, чтобы увеличить количество участков плотного контакта тел.

Закон сохранения электрического заряда

Если перед опытом, описанным в пункте 1, палочка и шерстяная ткань были не заряжены, то после контакта они окажутся заряженными, причем их заряды будут равны по модулю и противоположны по знаку. То есть их суммарный заряд, как и перед опытом, будет равен нулю.

Экспериментально было установлено, что при электризации происходит перераспределение имеющихся электрических зарядов, а не создание новых, то есть выполняется закон сохранения электрического заряда:

Полный заряд электрически замкнутой системы тел остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе:

где — заряды тел, образующих электрически замкнутую систему (n — количество таких тел).

Под электрически замкнутой системой тел понимают такую систему, в которую не проникают заряженные частицы извне и которая не теряет «собственные» заряженные частицы.

Заземление приборов и устройств. Различия проводников и диэлектриков

Если попробовать наэлектризовать трением металлический стержень, удерживая его в руке, то окажется, что это невозможно. Дело в том, что металлы — это вещества со множеством так называемых свободных электронов, которые легко перемещаются по всему объему металлического тела. Такие вещества называют проводниками. Попытка наэлектризовать металлический стержень, держа его в руке, приведет к тому, что избыточные электроны очень быстро «убегут» со стержня и он останется незаряженным. «Дорогой для бегства» электронов является сам исследователь, ведь тело человека — это проводник.

Обычно «конечный пункт» для электронов — Земля, которая также является проводником. Размеры ее огромны, и если заряженное тело соединить проводником с землей, оно станет практически электронейтральным. Ведь тела, заряженные положительно, получат «недостающие» электроны от земли, а с тел, заряженных отрицательно, «избыточные» электроны уйдут в землю.

Технический прием, который позволяет разрядить любое заряженное тело путем соединения этого тела проводником с землей, называют заземлением.

В некоторых случаях, например чтобы передать заряд проводящему телу или сохранить на нем заряд, заземления следует избегать. Для этого используют диэлектрики. В диэлектриках — их еще называют изоляторами — свободные заряженные частицы практически отсутствуют. Поэтому если между землей и заряженным телом поставить барьер в виде изолятора, свободные заряженные частицы не смогут ни покинуть тело, ни попасть на него и тело останется заряженным.

Стекло, оргстекло, эбонит, янтарь, резина, бумага — диэлектрики, поэтому в опытах по электростатике их легко наэлектризовать — заряд с них не стекает.

Проведем опыт. Приблизим (не касаясь) отрицательно заряженную эбонитовую палочку к незаряженной металлической сфере, расположенной на изолированной подставке. На миг прикоснемся рукой к части сферы, удаленной от заряженного тела (рис. 21.3, а), а затем уберем заряженную палочку.

Рис. 21.3. Электризация сферы через влияние (а); индикатором наличия заряда служит положительно заряженный шарик — он отклоняется от сферы, значит, сфера (в отличие от палочки) заряжена положительно (б)

Отклонение положительно заряженного легкого шарика покажет, что сфера получила положительный заряд (рис. 21.3, б).

Обратите внимание: знак заряда сферы является противоположным знаку заряда эбонитовой палочки.

Поскольку в данном случае непосредственного контакта между заряженным и незаряженным телами не было, описанный процесс называют электризацией через влияние или электростатической индукцией.

Объясняется этот вид электризации так. В результате воздействия электрического поля заряженной палочки свободные электроны перераспределяются по поверхности металлической сферы. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются от отрицательно заряженной палочки. В результате число электронов станет избыточным на удаленной от палочки части сферы и недостаточным — на ближней (рис. 21.4).

Рис. 21.4. В результате действия электрического поля отрицательно заряженной палочки ближняя к ней часть металлической сферы приобретает положительный заряд

Если коснуться сферы рукой, часть свободных электронов перейдет со сферы на тело исследователя, — на сфере возникнет недостаток электронов, и она станет положительно заряженной.

Сложнее объяснить притяжение к наэлектризованной палочке кусочков бумаги, ведь известно, что бумага — диэлектрик, поэтому практически не имеет свободных электронов. Дело в том, что электрическое поле заряженной палочки действует на связанные электроны атомов, из которых состоит бумага, вследствие чего изменяется форма электронного облака — оно становится вытянутым (рис. 21.6).

Рис. 21.6. В результате действия внешнего электрического поля форма электронного облака изменяется. Форма электронного облака: при отсутствии поля (а); при наличии поля (б). На поверхности бумаги, ближней к положительно заряженной палочке, образуется отрицательный заряд (в)

В результате на ближней к палочке поверхности бумаги образуется заряд, противоположный по знаку заряду палочки, и поэтому бумага начинает притягиваться к палочке. Описанный процесс называют поляризацией диэлектрика.

Электроскоп и электрометр

До сих пор для изучения электрических явлений вы использовали подручные средства. Однако ваших знаний уже достаточно, чтобы понять принцип действия приборов, позволяющих изучать заряды тел.

Издавна, чтобы выявить наличие у тела электрического заряда, определить знак заряда тела и оценить значение заряда, используют электроскоп (рис. 21.7).

Рис. 21.7. Устройство электроскопа: 1 — индикатор (бумажные полоски); 2 — корпус; 3 — металлический стержень; 4 — диэлектрик; 5 — кондуктор

Рассмотрим его устройство.

Любые электрические явления неразрывно связаны с электрическим полем. Вы уже знаете, что наличие электрического поля можно обнаружить по отклонению легкого заряженного шарика. Но шарик — это не очень удобный индикатор, лучше использовать две полоски тонкой бумаги (1). После передачи полоскам одноименного заряда они начнут отталкиваться и их свободные концы разойдутся.

Чтобы сделать прибор как можно более чувствительным, для индикатора (полосок) следует взять очень тонкую бумагу, но тогда на работу прибора могут повлиять сквозняки или даже дыхание наблюдателя. Поэтому полоски помещают в корпус (2) с прозрачными боковыми стенками.

А вот чтобы донести к индикатору заряд, используют проводник — металлический стержень (3). Электрический заряд не должен стекать со стержня на корпус, поэтому в месте их соединения устанавливают барьер из диэлектрика (4).

Наконец, последний элемент конструкции электроскопа — кондуктор (5) — металлический полый шар, прикрепленный к верхнему концу стержня.

Если к кондуктору электроскопа прикоснуться исследуемым заряженным телом, то часть заряда этого тела попадет на бумажные полоски и они разойдутся (рис. 21.8).

Рис. 21.8. Электроскоп не заряжен, и полоски бумаги расположены вертикально (а); после прикосновения заряженного тела к кондуктору электроскопа полоски расходятся (б)

Обратите внимание: угол между полосками зависит от значения полученного ими заряда. Этот угол тем больше, чем больше полученный заряд.

Для выявления и оценки значения электрического заряда используют также электрометр (рис. 21.9).

Рис. 21.9. Электрометр

В отличие от электроскопа электрометр обязательно имеет металлический корпус, шкалу, благодаря которой можно точнее оценить значение переданного на электрометр заряда, и легкую металлическую стрелку (вместо бумажных полосок).

Итоги:

Если электронейтральное (то есть не имеющее заряда) тело отдает часть своих электронов, оно становится заряженным положительно, а если получает электроны, то становится заряженным отрицательно.

При электризации тел происходит перераспределение имеющихся в них электрических зарядов, а не создание новых. Для изолированной системы тел выполняется закон сохранения электрического заряда: полный заряд электрически замкнутой системы тел остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе.

Технический прием, позволяющий разрядить любое заряженное тело путем соединения этого тела проводником с землей, называют заземлением.

В результате действия электрического поля на проводник происходит процесс перераспределения зарядов внутри проводника — электростатическая индукция. При действии электрического поля на диэлектрик происходит поляризация диэлектрика.

Электроскоп — прибор для выявления электрического заряда.

Закон Кулона

До конца XVIII в. электрические явления изучались только качественно, а электрические машины преимущественно выполняли роль игрушек для развлечений аристократии. Переход к количественным характеристикам, а затем и к практическому применению электричества стал возможен только после того, как французский исследователь Шарль Кулон (рис. 22.1) в 1785 г. установил закон взаимодействия точечных зарядов. С того времени учение об электричестве превратилось в точную науку.

Рис. 22.1. Шарль Огюстен Кулон (1736–1806) — французский физик и военный инженер. В 1785 г. сформулировал основной закон электростатики, позже названный его именем

Понятие точечного заряда

Прежде чем приступить к изучению закона взаимодействия точечных зарядов, следует разобраться с термином «точечный заряд». Воспользуемся аналогией с механикой, ведь понятие «точечный заряд» подобно понятию «материальная точка». Вспомните прошлогодний курс физики. Например, поезд «Киев — Львов» можно рассматривать как материальную точку, если строить график его движения на маршруте между городами. А вот муравья нельзя рассматривать как материальную точку, если, скажем, решать задачу о траектории движения его передней лапки.

По аналогии с материальной точкой точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от него до других рассматриваемых заряженных тел.

Точечный заряд, как и материальная точка, является не реальным объектом, а физической моделью. Необходимость введения такой модели вызвана тем, что в общем случае взаимодействие заряженных тел зависит от многих факторов и не существует единой простой формулы, описывающей электрическое взаимодействие для любого произвольного случая.

От чего зависит сила взаимодействия двух точечных зарядов

Военный инженер Ш. Кулон начал проводить свои исследования в области, весьма далекой от электростатики. Он изучал закономерности упругого кручения нитей и установил зависимость силы упругости от угла закручивания. Полученные данные позволили Кулону сконструировать чрезвычайно чувствительный прибор, который он назвал крутильными весами (рис. 22.2).

Рис. 22.2. Крутильные весы Кулона. На металлическом проводе закреплено коромысло, на концах которого размещены шарик 2 и противовес П. Сквозь отверстие в крышке стеклянного цилиндра опускают шарик 1. Шарик 3 расположен на держателе, изготовленном из диэлектрика

Позднее ученый использовал крутильные весы для измерения силы взаимодействия точечных зарядов.

В своих опытах Кулон наблюдал взаимодействие небольших проводящих заряженных шариков. Условия опытов позволяли считать эти шарики точечными зарядами. Опыты ученый проводил так.

В стеклянный цилиндр он поместил заряженный шарик 1 на специальном держателе (см. рис. 22.2). Вращая крышку цилиндра, исследователь добивался, чтобы шарики 1 и 2 соприкоснулись и часть заряда с шарика 1 перешла на шарик 2. Одноименные заряды отталкиваются, поэтому шарик 2 отходил на некоторое расстояние. По углу закручивания провода Кулон определял силу взаимодействия зарядов.

Далее, вращая крышку цилиндра, ученый изменял расстояние между шариками и каждый раз измерял силу их отталкивания. Оказалось, что, когда расстояние увеличивалось в два, три, четыре раза, сила взаимодействия шариков уменьшалась соответственно в четыре, девять и шестнадцать раз. Проведя множество подобных опытов, Кулон сделал вывод, что сила F взаимодействия двух точечных зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

Чтобы выяснить зависимость силы F от зарядов шариков, Кулон применил следующий прием. Сначала ученый измерял силу взаимодействия двух шариков — 1 и 2, имеющих одинаковый заряд q Затем он касался шарика 1 незаряженным шариком 3. Размеры шариков были одинаковы, поэтому заряд распределялся между ними поровну, то есть на шарике 1 оставался заряд После этого Кулон измерял силу взаимодействия заряженного шарика 1 и заряженного шарика 2 Продолжая делить заряды шариков и проводя измерения, ученый убедился, что сила F взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов:

На основе проведенных опытов Кулон установил закон, который позже был назван его именем, — закон Кулона:

Сила F взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

где k — коэффициент пропорциональности. При взаимодействии точечных зарядов в вакууме(Во многих средах сила взаимодействия будет значительно меньше, чем в вакууме. В воздухе по сравнению с вакуумом она меньше незначительно)

Обратите внимание: в законе Кулона речь идет о модулях зарядов, так как знаки зарядов влияют только на направление силы.

Силы, с которыми взаимодействуют два точечных заряда, называют еще силами Кулона.

Силы Кулона направлены вдоль условной прямой, которая соединяет взаимодействующие точечные заряды (рис. 22.3).

Рис. 22.3. Силы электрического взаимодействия направлены вдоль условной прямой, соединяющей точечные заряды

Зная значение коэффициента k , можно оценить силу, с которой два заряда по 1 Кл каждый взаимодействуют на расстоянии 1 м. Это очень большая сила! Она равна, например, силе тяжести, действующей на огромное судно (рис. 22.4).

Рис. 22.4. Если бы на днище судна и на расстоянии 1 м под его днищем можно было разместить одноименные заряды по 1 Кл каждый, то удалось бы преодолеть силу земного притяжения и без специальных устройств поднять судно

Пример №1

Два небольших отрицательно заряженных шарика расположены в воздухе на расстоянии 30 см друг от друга. Сила их взаимодействия равна 32 мкН. Определите число избыточных электронов на втором шарике, если заряд первого шарика равен –40 нКл.

Анализ физической проблемы. Чтобы определить число избыточных электронов, вспомним, что электрический заряд является дискретным: где N — число избыточных электронов, а — заряд электрона. Шарики небольшие и расположены на значительном расстоянии друг от друга, поэтому их можно считать точечными зарядами и для вычисления заряда воспользоваться законом Кулона.

Дано:

Найти:

Решение:

По закону Кулона

Следовательно,

Но поэтому Отсюда имеем:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины: (число электронов — безразмерная величина);

Ответ:

Итоги:

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от него до других рассматриваемых заряженных тел.

Закон Кулона: сила F взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними: Силы Кулона направлены вдоль условной прямой, которая соединяет взаимодействующие точечные заряды.

Электрический ток

Наверное, многие школьники на вопрос «Что бы вы взяли с собой на необитаемый остров?» сразу ответят: «Мобильный телефон и компьютер», — но через некоторое время, конечно, сообразят: «Ой, там же нет электричества!..» Трудно представить, но еще сто лет назад бóльшая часть нашей страны была похожа на такой остров: электричеством могли пользоваться немногие. Сегодня же каждый назовет не менее десяти электрических бытовых устройств, без которых нам уже сложно представить свою жизнь: стиральная машина, лампа, телевизор и т. д. Эти устройства называются электрическими, потому что их работа основана на действии электрического тока. А что такое электрический ток?

Определение электрического тока

Рис. 23.1. Если с помощью проводника соединить заряженный электрометр с незаряженным, часть заряда перейдет на незаряженный электрометр

Проведем опыт. Поставим на стол два электрометра (А и Б) и зарядим один из них, например электрометр А (рис. 23.1, а). Соединим кондукторы электрометров металлическим стержнем, закрепленным на пластмассовой ручке. По отклонению стрелок электрометров видим, что заряд электрометра А уменьшился, а незаряженный электрометр Б получил заряд (рис. 23.1, б). Это значит, что некоторое количество заряженных частиц (в данном случае электронов) перешло по стержню от одного прибора к другому. Физики говорят, что по стержню прошел электрический ток.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Условия возникновения и существования электрического тока

Учитывая определение электрического тока, сформулируем первое условие его возникновения и существования в любой среде: в среде должны быть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться по всей среде. Такие частицы называют носителями тока.

Однако этого условия недостаточно для того, чтобы в среде существовал электрический ток. Для создания и поддержания направленного движения свободных заряженных частиц необходимо наличие электрического поля. Именно благодаря действию электрического поля движение заряженных частиц приобретает упорядоченный (направленный) характер, что и означает появление в данной среде электрического тока.

Различия проводников, диэлектриков и полупроводников

Зная условия возникновения и существования электрического тока, нетрудно догадаться, что электрическая проводимость — способность проводить электрический ток — у разных веществ разная. В зависимости от этой способности все вещества и материалы делят на проводники, диэлектрики и полупроводники (о проводниках и диэлектриках уже шла речь в § 21).

Проводники — вещества и материалы, которые хорошо проводят электрический ток.

Проводниками являются металлы (как в твердом, так и в жидком состояниях), графит, водные растворы солей (например, поваренной соли), кислот и щелочей. Высокая электрическая проводимость проводников объясняется наличием в них большого количества свободных заряженных частиц. Так, в металлическом проводнике часть электронов, покинув атомы, свободно «путешествует» по всему объему проводника, и количество таких электронов достигает в кубическом сантиметре.

Влажная земля, тело человека или животного хорошо проводят электрический ток, так как содержат вещества, являющиеся проводниками.

Диэлектрики — вещества и материалы, которые плохо проводят электрический ток.

Диэлектриками являются многие твердые вещества (эбонит, фарфор, резина, стекло и др.), жидкости (дистиллированная вода, керосин, спирт, бензин и др.) и газы (кислород, водород, азот, углекислый газ и др.). В диэлектриках почти отсутствуют свободные заряженные частицы.

Проводники и диэлектрики широко используют в промышленности, быту, технике. Так, провода, по которым подводят ток от электростанций к потребителям, изготовляют из металлов — хороших проводников. При этом на опорах провода размещают на изоляторах, — это предотвращает стекание электрического заряда в землю (рис. 23.2).

Рис. 23.2. Установка линий электропередачи невозможна без использования проводников (1) и диэлектриков (2)

Существует много веществ (например, германий, силиций, арсен), которые называют полупроводниками. Обычно такие вещества плохо проводят ток и их можно отнести к диэлектрикам. Но если повысить температуру или увеличить освещенность, в полупроводниках появляется достаточное количество свободных заряженных частиц и полупроводники становятся проводниками. Полупроводники используются при изготовлении радиоэлектронной аппаратуры, солнечных батарей (рис. 23.3) и т. д.

Рис. 23.3. Полупроводниковые кристаллы используют для изготовления солнечных батарей

Итоги:

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и электрического поля, благодаря действию которого создается и поддерживается направленное движение этих частиц.

В зависимости от электрической проводимости все вещества условно делят на проводники (вещества, которые хорошо проводят электрический ток), диэлектрики (вещества, которые плохо проводят электрический ток) и полупроводники.

Действия электрического тока

Вы уже знаете, что электрическим током называют процесс направленного движения частиц, имеющих электрический заряд. Но как узнать, течет ли в проводнике ток? Ведь увидеть, например, как в металлическом стержне движутся свободные электроны, невозможно. Известно, что о наличии электрического тока мы узнаём благодаря его действиям.

Тепловые и световые действия электрического тока

Тепловое действие электрического тока проявляется в нагревании проводника, в котором течет ток. Когда вы гладите утюгом, припаиваете деталь электрическим паяльником, готовите на электрической плите или пользуетесь электрочайником, обогреваете комнату электрическим обогревателем, то используете бытовые устройства, функционирование которых основано на тепловом действии тока (рис. 24.1).

Рис. 24.1. Работа многих бытовых устройств основана на тепловом действии электрического тока

Тепловое действие тока широко используют также в промышленности (сварка, резка, плавка металлов) и сельском хозяйстве (обогрев теплиц и инкубаторов, сушка зерна, сенажа).

Проявления теплового действия электрического тока можно наблюдать и в природе: энергия, выделяющаяся во время молнии, может вызвать лесной пожар (рис. 24.2).

Рис. 24.2. Достаточно часто молния приводит к лесным пожарам

Если в цепь включить лампу накаливания, ее нить нагреется и начнет излучать свет. В лампе накаливания одновременно с тепловым действием мы наблюдаем световое действие электрического тока. Кстати, в лампе накаливания в свет преобразуется лишь 5 % электрической энергии (рис. 24.3, а).

Рис. 24.3. Электрические лампы — устройства, в которых электрическая энергия частично преобразуется в энергию света: а — лампа накаливания (КПД — 5 %); б — люминесцентная лампа (КПД — 10–20 %); в — светодиодная лампа (КПД — 50 %).

В последнее время широко используют энергосберегающие лампы — в них в свет преобразуется до 50 % электрической энергии (рис. 24.3, б, в).

Химическое действие электрического тока

Когда через растворы солей, кислот, щелочей проходит ток, на электродах, погруженных в раствор, происходят химические реакции. В таком случае мы имеем дело с химическим действием электрического тока.

Так, если в сосуд с водным раствором купрум (II) сульфата опустить два угольных электрода и пропустить через раствор электрический ток (рис. 24.4, а), то через некоторое время один из электродов покроется тонким слоем чистой меди (рис. 24.4, б).

Рис. 24.4. Опыт, демонстрирующий химическое действие электрического тока: если через водный раствор купрум(II) сульфата некоторое время пропускать ток (а), на одном из электродов образуется тонкий слой меди (б)

Следует отметить, что химическое действие тока проявляется не всегда. Пропустив ток, например, через металлы, мы не обнаружим никаких химических изменений.

Магнитные действия электрического тока

Проводник, в котором течет электрический ток, приобретает магнитные свойства. Убедиться в этом можно с помощью обычного железного гвоздя. Намотаем на гвоздь изолированный провод и пропустим по проводу ток. Гвоздь начнет притягивать к себе железные предметы, то есть проявит магнитные свойства (рис. 24.5).

Рис. 24.5. Во время прохождения тока гвоздь становится магнитом и притягивает к себе железные опилки

Работа различных электродвигателей, электроизмерительных приборов возможна только благодаря магнитному действию электрического тока (рис. 24.6).

Рис. 24.6. Работа электроизмерительных приборов и электрических двигателей основана на магнитном действии тока

Подробнее о магнитном действии тока вы узнаете в 9 классе, изучая магнитные явления.

Рассматривая разные действия электрического тока, следует обратить внимание на то, что чаще всего несколько действий проявляются одновременно. Например, во время опыта, демонстрирующего химическое действие тока (см. рис. 24.4), температура раствора купрум (II) сульфата увеличивается, а если возле сосуда поместить магнитную стрелку, она отклонится.

Действие электрического тока на организмы

Электрический ток оказывает тепловое, химическое, магнитное действия на организмы, в том числе на человека. Наверное, некоторые из вас посещали в поликлинике кабинет физиотерапии. Многие приборы в этом кабинете предназначены для электролечения: тепловое действие электрического тока используют для прогревания частей тела, химическое и магнитное — для стимулирования деятельности органов, улучшения обмена веществ и т. д.

Следует, однако, помнить, что далеко не всегда электрический ток оказывает на организм человека целебное действие. Ток может вызвать ожог, судороги и даже стать причиной смерти. Поэтому прежде чем пользоваться любым электрическим прибором или устройством, нужно внимательно изучить инструкцию к нему и строго ее соблюдать.

Итоги:

Электрический ток оказывает тепловое действие (нагревание проводника), магнитное действие (отклонение магнитной стрелки, намагничивание железа), может оказывать химическое действие (химическое разложение веществ) и световое действие (свечение лампы). Очень часто разные действия электрического тока проявляются одновременно.

Электрический ток оказывает тепловое, химическое и магнитное действия на организмы, в том числе на человека.

Источники электрического тока

Многим знакома ситуация: необходимо срочно позвонить по телефону, вы берете мобильный телефон и с досадой обнаруживаете, что батарея аккумуляторов разрядилась, а телефон из чуда технической мысли превратился в кусок пластика. То же самое может произойти и с аккумуляторами фотоаппарата, плеера, фонарика, часов.

Понятно, что любое исправное электротехническое устройство будет работать только тогда, когда выполнены условия существования электрического тока: наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. За создание электрического поля «отвечают» источники тока.

В источниках электрического тока электрическое поле создается и поддерживается благодаря разделению разноименных электрических зарядов. В результате на одном полюсе источника скапливаются частицы, имеющие положительный заряд, а на другом — частицы, имеющие отрицательный заряд. Между полюсами возникает электрическое поле.

Однако разделить разноименные заряды не так просто, ведь между ними существуют силы притяжения. Для разделения разноименных зарядов, а значит, для создания электрического поля необходимо выполнить работу. И выполнить ее можно за счет механической, химической, тепловой и других видов энергии.

Источники электрического тока — устройства, преобразующие разные виды энергии в электрическую энергию.

Все источники электрического тока можно условно разделить на физические и химические.

К физическим источникам электрического тока принято относить устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет механической, световой или тепловой энергии. Примерами таких источников тока могут быть электрофорная машина (рис. 25.1), турбогенераторы электростанций (рис. 25.2), фото- и термоэлементы (рис. 25.3, 25.4) и т. д.

Химическими источниками электрического тока называют устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет энергии, которая выделяется в результате химических реакций. К химическим источникам тока относятся гальванические элементы и аккумуляторы.

Рис. 25.1. Если разноименно заряженные кондукторы электрофорной машины соединить с электрической лампой, в лампе возникнет электрический ток. Лампа будет светиться, пока вращаются диски машины, — в данном случае механическая энергия преобразуется в электрическую

Рис. 25.2. Благодаря турбогенераторам, преобразующим механическую энергию вращения турбин в энергию электрического тока, вырабатывается 80 % потребляемой в мире электроэнергии

Рис. 25.3. Солнечные батареи спутника дистанционного зондирования Земли обеспечивают электроэнергией всю исследовательскую аппаратуру. Солнечные батареи преобразуют энергию света в электрическую энергию

Рис. 25.4. Термопара — устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую. К концам константанового провода (1) припаяны два железных провода (2), свободные концы (3) которых соединены с гальванометром (Гальванометр — чувствительный электроизмерительный прибор, часто используемый как индикатор наличия слабого электрического тока). (4). Если нагреть место спая, гальванометр зафиксирует наличие тока

Гальванический элемент

Возьмем медную и цинковую пластинки и очистим их поверхности. Между пластинками положим ткань, смоченную слабым раствором сульфатной кислоты. Изготовленное устройство представляет собой простейший гальванический элемент (рис. 25.5).

Рис. 25.5. Простейший гальванический элемент

Если соединить пластинки через гальванометр, то прибор зафиксирует наличие тока.

Гальванический элемент создал итальянский ученый А. Вольта (рис. 25.6); он назвал его в честь своего соотечественника — анатома и физиолога Луиджи Гальвани (1737–1798).

Рис. 25.6. Алессандро Вóльта (1745–1827) — итальянский физик, изобретатель батареи гальванических элементов («вольтов столб»)

Опыты, описанные Гальвани, подсказали А. Вольте идею создания химического источника тока.

Любой гальванический элемент состоит из двух электродов и электролита. Между электродами и электролитом происходят химические реакции, в результате которых один из электродов приобретает положительный заряд, а второй — отрицательный заряд. Когда запас веществ, принимающих участие в реакциях, истощается, гальванический элемент прекращает работу.

Аккумуляторы

Со временем гальванические элементы становятся непригодными к работе, и их нельзя использовать повторно. А вот другой вид химических источников электрического тока — электрические аккумуляторы — можно использовать многократно.

Аккумуляторы, как и гальванические элементы, состоят из двух электродов, помещенных в электролит. Так, свинцовый аккумулятор, используемый в автомобилях, имеет один электрод из свинца, а другой — из оксида свинца (плюмбум диоксида); электролитом служит водный раствор сульфатной кислоты.

Если электроды заряженного аккумулятора подсоединить, например, к электрической лампе накаливания, то в ее нити потечет ток. Внутри же аккумулятора будут происходить химические реакции, в результате которых электрод из свинца все время будет заряжен отрицательно, а электрод из плюмбум диоксида — положительно. При этом сульфатная кислота будет превращаться в воду. Когда концентрация сульфатной кислоты уменьшится до некого предельного значения, аккумулятор разрядится и перестанет работать. Однако его можно снова зарядить. При зарядке аккумулятора химические реакции идут в обратном направлении и концентрация сульфатной кислоты восстанавливается.

Применение химических источников электрического тока:

Аккумуляторы, как и гальванические элементы, обычно объединяют и получают соответственно аккумуляторную батарею и батарею гальванических элементов (рис. 25.7).

Рис. 25.7. Широко используемые химические источники электрического тока: батарея гальванических элементов (а); аккумуляторные батареи (б, в)

По принципу действия современные химические источники тока почти не отличаются от созданных два века назад. При этом сейчас существует множество видов гальванических элементов и аккумуляторов и активно разрабатываются новые. Они различаются размерами, массой, энергоемкостью, сроком работы, надежностью, безопасностью, стоимостью и т. д.

Выбор того или иного химического источника тока продиктован сферой его применения. Так, в автомобилях целесообразно использовать относительно дешевые кислотные аккумуляторные батареи, и то, что они достаточно тяжелые, не является существенным фактором. А вот источники тока для мобильных телефонов должны быть легкими и безопасными, поэтому в них используют так называемые литийионные батареи, хотя они сравнительно дорогие.

Итоги:

Устройства, преобразующие разные виды энергии в электрическую энергию, называют источниками электрического тока.

В источниках электрического тока происходит разделение разноименных электрических зарядов, в результате чего на одном полюсе источника скапливается положительный заряд, на втором — отрицательный, а значит, создается электрическое поле.

В источниках электрического тока работа по разделению разноименных зарядов выполняется за счет механической, химической, тепловой и других видов энергии.

К химическим источникам электрического тока относятся гальванические элементы и аккумуляторы. Гальванический элемент — химический источник электрического тока одноразового использования. Аккумулятор — химический источник электрического тока многоразового использования.

Электрическая цепь и ее элементы

Чтобы разобраться в устройстве электроприбора или устранить неисправность электропроводки, прежде всего необходимо иметь схему соответствующей электрической цепи.

Любое электрическое устройство — мобильный телефон, планшет, ноутбук, фонарик, цифровой фотоаппарат, калькулятор и др. — имеет определенный набор обязательных элементов. Чтобы выделить эти обязательные элементы и понять их назначение, создадим модель простейшего электрического устройства — карманного фонарика (рис. 26.1).

Рис. 26.1. Модель простейшего электрического устройства: 1 — источник тока — батарея гальванических элементов; 2 — потребитель электрической энергии — лампа; 3 — соединительные провода; 4 — ключ

Чтобы электрическое устройство работало, прежде всего необходим источник тока. В представленной модели источником тока является батарея гальванических элементов (1). Батарея имеет два вывода (полюса). Вывод батареи, на котором накапливается избыточный положительный заряд, обозначен на ней знаком «+».

Второй обязательный элемент — потребитель электрической энергии. В представленной модели это электрическая лампа (2). Любой потребитель тоже имеет два вывода (в лампе они расположены на цоколе — металлическом цилиндре с нарезкой, соединенном со стеклянным баллоном).

Источник тока и потребитель соединены с помощью соединительных элементов — проводов (В представленной на рис. 26.1 модели длины соединительных проводов намеренно увеличены. На практике конструкторы максимально сокращают все «лишние» элементы. Так, в электрическом фонарике роль одного провода часто выполняет металлический корпус. Второй провод тоже отсутствует: один из выводов источника тока непосредственно контактирует с выводом лампы). (3). Для их крепления используют специальные устройства (рис. 26.2), пайку или сварку.

Рис. 26.2. Различные зажимы (клеммы) для соединения проводников: аккумуляторные (а); высоковольтные (б); заземление (в); ножевые (г); приборные (д)

И, наконец, последний элемент. Для более удобного включения и выключения потребителей используют различные замыкающие (размыкающие) устройства: ключ, рубильник, выключатель, кнопку или розетку. В рассматриваемой модели (см. рис. 26.1) таким устройством является ключ (4).

Соединенные проводниками в определенном порядке источник тока, потребители, замыкающие (размыкающие) устройства образуют электрическую цепь.

Обратите внимание: в реальном устройстве важен определенный порядок соединения элементов электрической цепи.

Рис. 26.3. Два способа соединения ламп в электрической цепи: а — последовательное; б — параллельное

На рис. 26.3 изображены две простейшие электрических цепи, которые содержат одинаковые элементы. При этом способ соединения некоторых элементов (ламп) является разным. На рис. 26.3, а лампы соединены последовательно, на рис. 26.3, б — параллельно.

Механический аналог электрической цепи

Чтобы лучше понять назначение элементов электрической цепи, рассмотрим ее механическую модель (рис. 26.4).

Рис. 26.4. Механический аналог электрической цепи, представленной на рис. 26.1. Соответствие элементов можно проследить по цифрам, которыми они обозначены на рисунках

Модель состоит из двух наполненных водой сосудов (П+ и П–), трубки (3), вертушки (2) и… вашего товарища (1), заданием которого будет непрерывное переливание воды из сосуда П– в сосуд П+. Погрузив один конец трубки в сосуд с более высоким уровнем воды (П+), создадим «водяной ток», который будет вращать вертушку.

Чтобы вертушка не останавливалась, необходимо постоянно поддерживать «водяной ток». А он будет существовать, пока существует разница уровней воды в сосудах, то есть пока ваш товарищ будет переливать воду. И точно так же электрический ток будет существовать в цепи, пока работает источник тока. Непрерывно «перенося» заряды с одного полюса на другой, источник тока создает и поддерживает электрическое поле. Вы, конечно, догадались, что «водяной ток» в механической модели является аналогом электрического тока.

Мы можем закрыть трубку пробкой и таким образом остановить поток воды. Следовательно, в этом случае пробка является механическим аналогом ключа в электрической цепи.

Если заморозить воду в трубке, «водяной ток» прекратится. Таким образом, условием существования «водяного тока» является наличие «субстанции», которая может свободно передвигаться. Для электрической цепи такой «субстанцией» являются свободные заряженные частицы (например, электроны в металлах или ионы в жидкостях).

Обратите внимание на то, что нам совсем не обязательно видеть течение воды в трубке. Его наличие можно зафиксировать, наблюдая, например, за вращением вертушки. Точно так же вывод о наличии электрического тока мы делаем, когда наблюдаем его действия.

Электрическая схема

Чтобы показать, какие именно электрические устройства следует взять и как их соединить, чтобы собрать определенную электрическую цепь, используют электрические схемы (часто их называют просто схемами).

Электрическая схема — это чертеж, на котором условными обозначениями показано, из каких элементов состоит электрическая цепь и каким образом эти элементы соединены между собой.

Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи приведены в таблице на с. 138. Обратите внимание на обозначения источников тока (гальванического элемента или аккумулятора и батареи гальванических элементов или аккумуляторов): принято, что длинная черточка обозначает положительный полюс источника тока, а короткая — отрицательный. Направление тока показывают на схемах стрелкой.

Некоторые условные обозначения, применяемые на схемах

За направление тока в цепи условно принято направление, в котором двигались бы по цепи частицы, имеющие положительный заряд, то есть направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

На рис. 26.5 приведены схемы электрических цепей, изображенных на рис. 26.1, 26.3, и показано направление тока в них.

Рис. 26.5. Схемы некоторых электрических цепей: а — схема электрической цепи включения лампы (см. рис. 26.1); б — схема последовательного соединения двух ламп (см. рис. 26.3, а); в — схема параллельного соединения двух ламп (см. рис. 26.3, б). Стрелками показано направление тока после замыкания ключа

Обратите внимание: в металлическом проводнике электроны под действием электрического поля источника тока движутся от отрицательного полюса к положительному, то есть направление движения электронов противоположно принятому направлению тока.

Рассмотрим схему более сложной электрической цепи (рис. 26.6).

Рис. 26.6. Схема включения электрической лампы и обогревателя

Цепь имеет три выключателя (ключа), два потребителя тока (электрическую лампу и электрообогреватель) и источник тока (аккумуляторную батарею).

Если замкнуть ключи а ключ разомкнуть, то цепь, потребителем в которой является лампа, будет замкнута на источник тока и лампа будет светиться. Если замкнуть ключи а ключ разомкнуть, то будет работать электрообогреватель, а лампа светиться не будет. Если же замкнуть все три ключа, то одновременно будет светиться лампа и работать электрообогреватель.

Итоги:

Соединенные проводниками источник тока, потребитель электрической энергии, замыкающее (размыкающее) устройство образуют простейшую электрическую цепь.

Чертеж, на котором условными обозначениями показано, из каких элементов состоит электрическая цепь и каким образом эти элементы соединены между собой, называют электрической схемой.

За направление тока в цепи условно принято направление, в котором двигались бы по цепи положительно заряженные частицы, то есть направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

Сила тока. Единица силы тока. Амперметр

Вам уже известно, что для количественного описания физических явлений, свойств тел и веществ физики используют физические величины. А с помощью каких физических величин можно количественно описать процесс прохождения электрического тока в проводнике?

Что называют силой тока

Вы уже знаете, что в металлическом стержне (проводнике) имеется большое количество свободных носителей электрического заряда — электронов.

Когда в стержне не течет ток, движение электронов в нем хаотично. Поэтому можно считать, что число электронов, проходящих за одну секунду через поперечное сечение стержня (рис. 27.1) слева направо, равно числу электронов, проходящих через него справа налево.

Рис. 27.1. Мысленно разрезав стержень, получаем его поперечное сечение

Если присоединить стержень к источнику тока, электроны начнут двигаться направленно и число электронов, проходящих через поперечное сечение в одном направлении, существенно увеличится. Значит, в этом направлении через поперечное сечение стержня будет перенесен некоторый заряд.

Сила тока — это физическая величина, которая характеризует электрический ток и численно равна заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Силу тока обозначают символом I и определяют по формуле:

где q — заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время t.

Рис. 27.2. Андре Мари Ампер (1775–1836) — французский физик, математик и химик, один из основателей учения об электромагнитных явлениях. Ампер первым ввел в физику понятие электрического тока

Чтобы лучше понять суть введенной физической величины, снова обратимся к механической модели электрической цепи (см. рис. 26.4). Механическим аналогом силы тока является масса воды, которая проходит через поперечное сечение трубки за 1 с.

Единица силы тока

Единица силы тока в СИ — ампер:

Данная единица названа в честь французского ученого А. Ампера (рис. 27.2). Ампер — одна из основных единиц СИ (рис. 27.3).

Рис. 27.3. Основные единицы физических величин Международной системы единиц (СИ)

Кроме ампера на практике часто применяют кратные и дольные единицы силы тока. Так, для измерения малой силы тока используют миллиамперы (мА) и микроамперы (мкА), большой силы тока — килоамперы (кА).

Чтобы представить, что значит большая или малая сила тока, рассмотрим несколько примеров. Сила тока в канале молнии достигает 500 кА, сила тока в аксоне во время передачи нервного импульса всего лишь 0,004 мкА, а средняя сила тока при лечении электрофорезом — 0,8 мА.

Рис. 27.4. Значения силы тока в некоторых электротехнических устройствах

Значения силы тока в некоторых электротехнических устройствах приведены на рис. 27.4.

Сила тока, проходящего через тело человека, считается безопасной, если ее значение не превышает 1 мА; сила тока 100 мА может привести к серьезным последствиям. Поэтому, чтобы не подвергать себя смертельной опасности во время работы с электротехническими приборами и устройствами, необходимо строго соблюдать правила безопасности. Общая инструкция по безопасности приведена на форзаце учебника. Мы же остановимся на главных моментах, которые следует помнить всем, кто имеет дело с электричеством.

НЕЛЬЗЯ:

• прикасаться к обнаженному проводу, особенно стоя на земле, влажном полу и т. п.;
• пользоваться неисправными электротехническими устройствами;
• собирать, разбирать, ремонтировать электротехнические устройства, не отсоединив их от источника тока.

Определение единицы электрического заряда

Зная единицу силы тока, легко получить определение единицы электрического заряда в СИ. Так как Следовательно:

1 Кл — это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока в проводнике 1 А.

Измерение силы тока

Для измерения силы тока используют прибор, который называется амперметр (рис. 27.5).

Рис. 27.5. Некоторые виды амперметров: а — демонстрационный; б — лабораторный с зеркальной шкалой; в — школьный лабораторный; г — электронный

— условное обозначение амперметра на электрических схемах. Как и любой измерительный прибор, амперметр не должен влиять на значение измеряемой величины. Поэтому амперметр сконструирован таким образом, что при подключении его к электрической цепи значение силы тока в цепи практически не изменяется.

Рис. 27.6. Измерение амперметром силы тока, проходящего через нить накала лампы: а — общий вид электрической цепи; б — схема

Правила измерения силы тока амперметром

1. Амперметр включают в цепь последовательно с тем потребителем, в котором необходимо измерить силу тока (рис. 27.6).
2. Клемму амперметра, возле которой стоит знак «+», следует соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, клемму со знаком «–» — с проводом, идущим от отрицательного полюса.
3. Нельзя присоединять амперметр к цепи, в которой отсутствует потребитель тока, — это может привести к порче оборудования или пожару.

Пример №2

Сколько электронов пройдет через поперечное сечение нити накала лампы за 2 с, если сила тока в нити равна 0,32 А?

Анализ физической проблемы. Чтобы определить число N электронов, необходимо знать общий заряд q, перенесенный за 2 с, и заряд e одного электрона. Общий заряд найдем из определения силы тока; заряд одного электрона равен

Дано:

Найти:

N - ?

Решение:

По определению силы тока: поэтому q = It.

Зная общий заряд, найдем число электронов:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Ответ: электронов.

Итоги:

Сила тока I — физическая величина, которая характеризует электрический ток и численно равна заряду q, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени:

Единица силы тока в СИ — ампер (А). Ампер — это одна из основных единиц СИ. 1 Кл — это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока в проводнике 1 А.

Силу тока измеряют амперметром — прибор присоединяют к электрической цепи последовательно с потребителем, в котором измеряют силу тока.

Электрическое напряжение. Единица напряжения. Вольтметр

Каждый, наверное, слышал предостерегающее «Не подходи — там высокое напряжение!», возмущенное «Снова упало напряжение в сети!», вопросительное «На какое напряжение рассчитан этот прибор?».

Определение электрического напряжения

Направленное движение свободных заряженных частиц (электрический ток) возможно благодаря действию на эти частицы силы со стороны электрического поля. А из курса физики 7 класса вы знаете, что когда тело движется в результате действия силы и направление движения тела совпадает с направлением этой силы, то сила выполняет работу. Следовательно, когда в участке цепи идет ток, то электрическое поле выполняет работу. Эту работу называют работой тока.

Работа, которую может выполнить или выполняет электрическое поле, перемещая заряд по данному участку цепи, определяется электрическим напряжением.

Электрическое напряжение на участке цепи — это физическая величина, которая численно равна работе электрического поля по перемещению единичного заряда по данному участку цепи.

Напряжение обозначают символом U и определяют по формуле:

где A — работа, которую выполняет (или может выполнить) электрическое поле по перемещению заряда q по данному участку цепи.

Единица напряжения в СИ — вольт (названа в честь А. Вольты):

[U]=1 В.

1 В — это такое напряжение на участке цепи, при котором электрическое поле выполняет работу 1 Дж, перемещая по данному участку заряд, равный 1 Кл:

Кроме вольта на практике часто применяют кратные и дольные единицы напряжения: микровольт (мкВ), милливольт (мВ), киловольт (кВ):

Так, электрическое напряжение на клеточной мембране или микрочипе составляет несколько микровольт, а между облаками во время грозы — сотни киловольт.

Обратившись к аналогии между электрическим током и течением воды (см. § 26), можно сделать вывод, что напряжение аналогично разности уровней воды в сосудах. Если уровни воды в сосудах одинаковы, то вода течь не будет. Аналогично, если на концах участка электрической цепи отсутствует напряжение, то тока в участке не будет.

Чем больше разница уровней воды в сосудах, тем большую работу выполнит сила тяжести при падении воды массой 1 кг. Соответственно чем больше напряжение на концах участка цепи, тем большую работу выполнит электрическая сила при перемещении заряда 1 Кл.

Измерение напряжения, вольтметр

Для измерения напряжения используют прибор, который называется вольтметр (рис. 28.1).

Рис. 28.1. Некоторые виды вольтметров: а — школьный демонстрационный; б — школьный лабораторный

Вольтметр очень похож на амперметр — и внешне, и по принципу действия.

— условное обозначение вольтметра на электрических схемах.

Как и любой измерительный прибор, вольтметр не должен влиять на значение измеряемой величины. В случае параллельного присоединения вольтметра к определенному участку электрической цепи значение напряжения на этом участке практически не изменяется.

Правила измерения напряжения вольтметром

1. Вольтметр присоединяют параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение (рис. 28.2).

Рис. 28.2. Измерение вольтметром напряжения на лампе: а — общий вид; б — схема электрической цепи

2. Клемму вольтметра, возле которой стоит знак «+», следует соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока; клемму со знаком «–» — с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока.

3. Для измерения напряжения на полюсах источника тока вольтметр присоединяют непосредственно к клеммам источника (рис. 28.3).

Рис. 28.3. Измерение вольтметром напряжения на полюсах источника тока

Пример №3

Напряжение на клеммах автомобильного аккумулятора равно 12 В. С какой высоты должен упасть груз массой 36 кг, чтобы сила тяжести выполнила такую же работу, какую выполняет электрическое поле, перемещая заряд 300 Кл по одной из электрических цепей автомобиля?

Анализ физической проблемы. По условию задачи работа силы тяжести равна работе электрического тока: Записав формулу для работы силы тяжести и формулу для работы тока, определим высоту падения груза.

Дано:

Найти:

h — ?

Решение:

По определению напряжения следовательно,

По определению механической работы где Следовательно, A=mgh.

Поскольку то Uq = mgh ; отсюда

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Ответ: h = 10м.

Итоги:

Физическую величину, численно равную работе электрического поля по перемещению единичного заряда по участку цепи, называют электрическим напряжением на данном участке цепи.

Напряжение обозначают символом U и определяют по формуле где A — работа, которую выполняет (или может выполнить) электрическое поле при перемещении заряда q по данному участку цепи.

Единица напряжения в СИ — вольт (В). Один вольт — это такое напряжение на участке цепи, при котором электрическое поле выполняет работу 1 Дж, перемещая по данному участку заряд, равный

Прибор для измерения напряжения называется вольтметром. Вольтметр присоединяют параллельно тому участку цепи, напряжение на котором необходимо измерить.

Электрическое сопротивление

Вспомните механический аналог электрической цепи (см. рис. 26.4). А теперь представьте, что именно вы будете «черпальщиком», то есть должны будете поддерживать вращение вертушки. Как затратить при этом меньше усилий? Скорее всего, вы сделаете так, чтобы вода из трубки выливалась медленнее, и поэтому выберете очень тонкую трубку, а перепад уровней воды в сосудах сделаете по возможности меньше. Вспомним, что разность уровней воды — аналог напряжения, а количество воды, прошедшей через трубку за 1 с, — аналог силы тока. Следовательно, можно предположить, что сила тока в проводнике уменьшается в случае уменьшения напряжения и зависит от проводящих свойств проводника. Проверим эти предположения.

Соберем электрическую цепь, потребителем в которой будет металлический проводник (резистор), а источником тока — устройство, на выходе которого можно изменять напряжение. Для измерения силы тока в проводнике и напряжения на его концах используем амперметр и вольтметр (рис. 29.1, а).

Рис. 29.1. Опыт, демонстрирующий зависимость силы тока в проводнике от поданного на проводник напряжения

Опыт покажет, что при увеличении напряжения на концах проводника в 2 раза сила тока в проводнике тоже возрастет в 2 раза (рис. 29.1, б); увеличение напряжения в 2,5 раза приведет к возрастанию силы тока тоже в 2,5 раза (рис. 29.1, в), и т. д. Таким образом, во сколько раз увеличивается напряжение на концах проводника, во столько же раз возрастает в проводнике сила тока. Другими словами, сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника. Эту зависимость впервые экспериментально установил немецкий ученый Г. Ом (рис. 29.2) в 1826 г.

Рис. 29.2. Георг Симон Ом (1787–1854) — немецкий физик, в 1826 г. экспериментально открыл закон, позже названный его именем

Из курса математики вам известно, что такую зависимость можно передать формулой I = kU, где k — коэффициент пропорциональности, а также в виде графика, представляющего собой прямую, проходящую через начало координат (рис. 29.3).

Рис. 29.3. График зависимости силы тока в проводнике от напряжения на его концах — прямая линия

Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах называют вольтамперной характеристикой проводника.

Электрическое сопротивление:

Проведя опыт, описанный в пункте 1, с другими проводниками, увидим, что в каждом проводнике сила тока прямо пропорциональна напряжению на его концах (I = kU), а вот коэффициент пропорциональности будет разным, о чем свидетельствуют разные углы наклона графиков (рис. 29.4).

Рис. 29.4. Зависимость силы тока от напряжения для разных проводников

Таким образом, сила тока в проводнике зависит не только от напряжения на его концах, но и от свойств самого проводника.

На практике зависимость I = kU записывают в виде (Величину в физике называют проводимостью. Единица проводимости в СИ — сименс (См), названа так в честь немецкого физика и электротехника Эрнста Вернера фон Сименса (1816–1892), основателя известного концерна «Siemens». 1 См — электрическая проводимость проводника сопротивлением 1 Ом) или где R — электрическое сопротивление проводника.

Сила тока меньше в том проводнике, который имеет большее сопротивление. То есть чем больше сопротивление проводника, тем сильнее проводник противодействует прохождению тока — оказывает ему сопротивление. (При этом часть электрической энергии преобразуется во внутреннюю энергию проводника.)

Электрическое сопротивление — это физическая величина, характеризующая свойство проводника противодействовать прохождению электрического тока.

Единица сопротивления в СИ — ом:

[R]=1 Ом.

1 Ом — это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах 1 В сила тока равна 1 А:

Большинство радиоэлектронных устройств невозможно представить себе без резисторов — деталей, обеспечивающих определенные сопротивления (рис. 29.5).

Рис. 29.5. Разные типы резисторов, используемые в электротехнике. Сопротивление резистора указано на его корпусе

Закон Ома для участка цепи

Все, что вы узнали о зависимости силы тока в проводнике от напряжения на его концах, выполняется и для участка цепи с любым количеством проводников. Итак, закон Ома для участка цепи:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка.

Математически закон Ома записывают так:

где R — сопротивление участка цепи; оно зависит только от свойств проводников, составляющих участок.

Закон Ома — один из важнейших физических законов, и подавляющее большинство расчетов электрических цепей основано именно на нем.

Пример №4

На рисунке представлена вольт-амперная характеристика металлического проводника. Определите сопротивление данного проводника.

Анализ физической проблемы. График зависимости силы тока от напряжения — это прямая линия, поэтому для вычисления сопротивления воспользуемся координатами любой точки графика и законом Ома.

Дано:

I =10 А

U = 220

Найти:

R - ?

Решение:

Из графика видим, что, например, при напряжении 220 В сила тока в проводнике равна 10 А.

Согласно закону Ома следовательно,

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Ответ: R = 22 Ом.

Итоги:

Сила тока I в участке цепи прямо пропорциональна напряжению U на концах этого участка. Эту закономерность называют законом Ома для участка цепи и записывают формулой где R — сопротивление участка (зависит только от свойств проводников, составляющих участок).

Электрическое сопротивление — это физическая величина, характеризующая свойство проводника противодействовать (сопротивляться) прохождению электрического тока.

Единица сопротивления в СИ — ом; 1 Ом — это сопротивление такого проводника, в котором течет ток силой 1 А при напряжении на концах проводника 1 В (1 Ом=1 В/А).

Расчет сопротивления проводника

Удельное сопротивление вещества. Реостаты Мы так привыкли к разным техническим устройствам, что часто даже не задумываемся над тем, как они работают. Например, каждый из вас увеличивал громкость звука радио или телевизора, наблюдал, как постепенно гаснет свет в кинозале, но задавались ли вы вопросом: как это происходит? Попробуем разобраться.

От чего зависит сопротивление проводника

Когда в металлическом проводнике идет ток, свободные электроны, двигаясь направленно, сталкиваются с ионами кристаллической решетки металла — проводник оказывает сопротивление электрическому току.

Сопротивление проводника зависит от его длины, площади поперечного сечения, а также от материала, из которого он изготовлен.

Убедимся в этом с помощью опытов, изменяя поочередно только один из указанных параметров. Сопротивление проводника будем определять, пользуясь законом Ома: измерив амперметром силу тока I в проводнике, а вольтметром — напряжение U на его концах, вычислим сопротивление по формуле

Сначала выясним, как сопротивление проводника зависит от его длины. Для этого соберем электрическую цепь (см. рис. 30.1), имеющую источник тока, ключ, резистор и нихромовую проволоку, натянутую на деревянную линейку с двумя клеммами.

Рис. 30.1. Опыт, доказывающий, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине. На рисунке: 1 — клеммы; 2 — линейка; 3 — нихромовая проволока (проводник); 4 — ползунок

Длину участка провода, в которой течет ток, будем изменять с помощью ползунка — специального зажима, который можно легко передвигать вдоль проводника. Для измерения силы тока и напряжения подключим к цепи амперметр и вольтметр.

Проведя соответствующие исследования, убедимся, что при изменении длины проводника его сопротивление изменяется. Причем во сколько раз увеличивается (уменьшается) длина проводника, во столько же раз увеличивается (уменьшается) его сопротивление. Следовательно, сопротивление проводника прямо пропорционально его длине.

Чтобы узнать, как зависит сопротивление проводника от площади его поперечного сечения, используем несколько закрепленных на панели нихромовых проволок, равных по длине, но разных по площади поперечного сечения (рис. 30.2).

Рис. 30.2. Опыт, доказывающий, что сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения

Опыт покажет, что увеличение вдвое площади поперечного сечения проводника приводит к двукратному уменьшению его сопротивления, то есть сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Проведя опыты с проводниками, одинаковыми по длине и площади поперечного сечения, но изготовленными из разных материалов (например, меди, алюминия, нихрома), убедимся, что сопротивление проводника зависит от материала, из которого изготовлен проводник.

Подводя итоги опытов, можно записать формулу:

где R — сопротивление проводника; l — длина проводника; S — площадь поперечного сечения проводника; ρ — коэффициент пропорциональности, зависящий от вещества (материала), из которого изготовлен проводник. Этот коэффициент называют удельным сопротивлением вещества.

Определение удельного сопротивления вещества

Обратимся к формуле для вычисления сопротивления проводника:

Из формулы следует, что Если l =1 м , а то численно равно R.

Удельное сопротивление вещества — это физическая величина, которая характеризует электрические свойства данного вещества и численно равна сопротивлению изготовленного из него проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1

Единица удельного сопротивления в СИ — ом-метр:

На практике в основном имеют дело с проводниками малой площади поперечного сечения. Поэтому часто как единицу удельного сопротивления вещества используют Поскольку то

Удельные сопротивления определяют опытным путем и заносят в таблицы (см. табл. 7 Приложения). Значение удельного сопротивления существенно зависит от температуры вещества, поэтому в таблицах обязательно указывают температуру, при которой получены приведенные значения.

Реостат

На том факте, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, базируется принцип действия реостатов.

Реостат — это устройство с изменяемым сопротивлением, предназначенное для регулирования силы тока в электрической цепи.

Если ввести реостат в электрическую цепь, то, изменяя его сопротивление, можно изменять силу тока в цепи а значит, настраивать громкость звука радиоприемника, регулировать яркость свечения лампы и т. д.

С простейшим реостатом вы уже встречались, когда выясняли зависимость сопротивления проводника от его длины (см. рис. 30.1). Конечно, реостаты, которые применяют на практике, более удобны. Рассмотрим двухконтактный ползунковый реостат (рис. 30.3).

Рис. 30.3. Двухконтактный ползунковый реостат: а — общий вид: 1, 6 — клеммы; 2 — керамический цилиндр; 3 — металлический провод (обмотка); 4 — ползунок; 5 — металлический стержень; б — условное обозначение на схемах

Металлический провод (3) наматывают на керамический цилиндр (2) и таким образом уменьшают габариты реостата. Над обмоткой закрепляют металлический стержень (5), на котором размещают ползунок (4).

Реостат имеет две клеммы (два контакта), одна из которых (1) соединена с обмоткой, а другая (6) — со стержнем. Когда реостат присоединен к цепи, электрический ток проходит от одной клеммы к другой (сначала в витках обмотки к ползунку, а затем в стержне).

Передвигая ползунок вдоль стержня, плавно увеличивают или уменьшают длину l участка обмотки, в котором проходит ток. Так как сопротивление реостата тоже плавно увеличивается или уменьшается, а это, в свою очередь, приводит к плавному изменению силы тока.

На практике кроме ползунковых используют и другие типы реостатов, например рычажные (секционные) реостаты (рис. 30.4).

Рис. 30.4. Рычажный (секционный) реостат: а — общий вид; б — схема: 1 — металлический провод; 2 — рычаг; 3 — контакт. Стрелками указано направление тока

Сопротивление рычажных реостатов (в отличие от ползунковых) изменяется скачками, соответственно скачками изменяется и сила тока. Рычажные реостаты применяют для включения и выключения электродвигателей.

Каждый реостат рассчитан на определенное напряжение. Максимальное сопротивление реостата и наибольшее возможное напряжение на нем указаны в специальной таблице на корпусе устройства. Обмотки реостатов обычно изготовляют из металлов (сплавов) с высоким удельным сопротивлением (константан, манганин, нихром, фехраль).

Пример №5

Медный провод имеет длину 10 м и площадь поперечного сечения 0,5 Вычислите силу тока в этом проводе, если напряжение на его концах равно 34 мВ.

Анализ физической проблемы. Силу тока можно определить по закону Ома, а для этого необходимо вычислить сопротивление проводника. Для этого воспользуемся формулой для расчета сопротивления. Удельное сопротивление меди найдем в соответствующей таблице.

Дано:

Найти:

I - ?

Решение:

Согласно закону Ома:

Сопротивление провода определим по формуле

Итак, имеем:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Ответ: I = 0,1 А.

Пример №6

На рисунке изображена схема электрической цепи, состоящей из источника тока, электрической лампы и реостата. Как изменится сила тока в лампе, если ползунок реостата передвинуть вправо?

Анализ физической проблемы, решение. Если передвинуть ползунок реостата вправо, то длина обмотки, в которой течет ток, увеличится Сопротивление реостата тоже увеличится Соответственно увеличится и общее сопротивление участка цепи

По закону Ома Напряжение на участке цепи не изменяется (U=const), а сопротивление участка увеличится, поэтому сила тока в участке, а следовательно, и в лампе, уменьшится

Ответ: сила тока в лампе уменьшится.

Итоги:

Сопротивление R проводника прямо пропорционально его длине l, обратно пропорционально площади S его поперечного сечения и зависит от вещества, из которого изготовлен проводник: где ρ — удельное сопротивление вещества. Удельное сопротивление вещества — это физическая величина, которая характеризует электрические свойства данного вещества и численно равна сопротивлению изготовленного из него проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1

Для регулирования силы тока в цепи применяют реостаты — устройства, сопротивление которых можно изменять.

Последовательное соединение проводников

Представьте плеер без кнопки «Включение/выключение», то есть такой, который можно, например, выключить, только вынув аккумулятор. Очень неудобно, правда? Но отсутствие выключателя — это только неудобство в пользовании, а вот неправильное подключение выключателя к цепи может привести к неприятностям (плеер может выйти из строя).

Свойства цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников

Рис. 31.1. Последовательное соединение нескольких проводников

Электрическая цепь, представленная на рис. 31.1, не имеет разветвлений: элементы цепи расположены последовательно друг за другом. Такое соединение проводников называют последовательным. С последовательным соединением вы уже встречались (см. рис. 26.3, 27.6), а теперь рассмотрим его подробнее.

Обратите внимание: если один из последовательно соединенных проводников выйдет из строя, то в остальных ток тоже не будет идти, поскольку цепь будет разомкнута.

Поскольку цепь с последовательным соединением проводников не имеет разветвлений, то заряд, проходящий через поперечное сечение каждого проводника за определенное время t, одинаков:

где q — общий заряд, прошедший через цепь; — заряд, прошедший через спираль резистора; — заряд, прошедший через нить накала лампы.

Разделив полученное выражение на t, получим:

По определению силы тока: следовательно:

При последовательном соединении проводников общая сила тока в цепи и сила тока в каждом проводнике одинаковы:

Наши теоретические исследования легко проверить экспериментально (рис. 31.2).

Рис. 31.2. Измерение силы тока в разных участках электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников: а — общий вид электрической цепи; б — схема. Сила тока во всех проводниках одинакова

Чтобы узнать, каким соотношением связаны общее напряжение U на двух последовательно соединенных проводниках и напряжения на первом и втором проводниках соответственно, вспомним формулу для вычисления напряжения:

Если электрическое поле выполняет работу по перемещению заряда q в первом проводнике и — во втором, то понятно, что для перемещения этого заряда через оба проводника будет выполнена работа Разделив обе части равенства на q, получаем: По определению напряжения следовательно,

Общее напряжение U на двух последовательно соединенных проводниках равно сумме напряжения на первом проводнике и напряжения на втором проводнике:

Данный вывод можно проверить экспериментально (рис. 31.3)

Рис. 31.3. Измерение напряжения на разных участках электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников: а — общий вид электрической цепи; б — схема. Напряжение на участке цепи, содержащем последовательно соединенные лампу и резистор, равно сумме напряжений на отдельных устройствах

Полученные соотношения для тока и напряжения выполняются для любого количества последовательно соединенных проводников:

где n — количество проводников.

Формула для расчета сопротивления

Для вычисления сопротивления R участка цепи, состоящего из двух последовательно соединенных проводников сопротивлениями воспользуемся соотношением

Применив закон Ома, можем переписать данное соотношение так:

Поскольку при последовательном соединении получим: После сокращения на I окончательно имеем:

Если участок цепи состоит из нескольких последовательно соединенных проводников, то сопротивление участка равно сумме сопротивлений отдельных проводников:

где n — количество проводников.

Проанализировав последнюю формулу, можно сделать следующие выводы:

— общее сопротивление последовательно соединенных проводников больше, чем сопротивление каждого из этих проводников;

— общее сопротивление последовательно соединенных проводников, имеющих одинаковое сопротивление, можно рассчитать по формуле:

где n — количество проводников; — сопротивление каждого проводника.

Пример №7

Три резистора сопротивлениями 2 Ом, 3 Ом и 7 Ом соединены последовательно. Каково сопротивление данного участка цепи? Определите напряжение на каждом резисторе и силу тока в участке, если на участок подано напряжение 36 В. Сопротивлением проводов пренебречь.

Анализ физической проблемы. В условии задачи указано сопротивление каждого резистора, поэтому можем найти общее сопротивление участка цепи. Воспользовавшись законом Ома, найдем силу тока в цепи. Зная, что сила тока в участке цепи, состоящем из последовательно соединенных проводников, везде одинакова, вычислим напряжение на каждом резисторе.

Дано:

Найти:

Решение:

Согласно закону Ома:

поэтому

Анализ результатов. Напряжение на участке цепи:

Полученный результат совпадает со значением напряжения, данным в условии задачи, значит, задача решена правильно.

Ответ:

Итоги:

Электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных проводников, не имеет разветвлений. Проводники присоединяются к цепи последовательно, друг за другом. Отключение одного из потребителей приводит к размыканию цепи.

Если участок цепи состоит из n последовательно соединенных проводников, то выполняются следующие соотношения:

• — сила тока во всем участке цепи и в каждом проводнике одинакова:
• — напряжение на всем участке цепи равно сумме напряжений на отдельных проводниках:
• — сопротивление участка цепи больше, чем сопротивление каждого проводника, и вычисляется по формуле
• — сопротивление участка цепи, состоящего из последовательно соединенных проводников одинакового сопротивления, можно рассчитать по формуле где R — сопротивление участка; — сопротивление каждого проводника.

Параллельное соединение проводников

На практике к электрической цепи часто приходится присоединять сразу несколько потребителей. Так, электрическая цепь освещения школьного кабинета обязательно содержит несколько ламп, при этом выход из строя одной лампы не приведет к отключению остальных. Физики в таком случае говорят, что лампы соединены параллельно. А как вычислить силу тока, напряжение и сопротивление при параллельном соединении проводников?

Цепь, состоящая из параллельно соединенных проводников

Рассмотрим электрическую цепь, содержащую две параллельно соединенные лампы (рис. 32.1, а).

Рис. 32.1. Параллельное соединение нескольких потребителей тока: а — общий вид; б — схема; стрелками показано направление тока

Обратившись к схеме этой цепи (рис. 32.1, б), видим: во-первых, для прохождения тока в цепи есть два пути — две ветви, каждая из которых содержит одну лампу; во-вторых, обе ветви имеют общую пару точек — А и В. Такие точки называют узловыми точками (узлами) (Узловая точка — точка на схеме цепи, в которой соединены не менее трех проводов). В узловых точках происходит разветвление цепи. Разветвление является характерным признаком цепи с параллельным соединением проводников.

Схема цепи может содержать не одну, а несколько пар узловых точек. При этом все проводники, присоединенные к любой паре узловых точек, считаются соединенными параллельно (рис. 32.2).

Рис. 32.2. Схема участка цепи, содержащего параллельное соединение проводников. Соединены параллельно: резисторы 1 и 2 (узлы A и B), резисторы 3, 4 и 5 (узлы C и D); резистор 6 присоединен параллельно участку AD (узлы A и D)

Как рассчитать силу тока и напряжение при параллельном соединении проводников

Чтобы определить напряжение на каждом из параллельно соединенных проводников, достаточно измерить напряжение между узловыми точками. Так, присоединив вольтметр к паре узловых точек А и В (рис. 32.3), сразу измерим напряжение и на участке АВ, и на каждой лампе.

Рис. 32.3. Измерение напряжения при параллельном соединении проводников: а — внешний вид; б — схема. Вольтметр показывает напряжение на лампе 1, лампе 2 и на всем участке AB

Общее напряжение на участке и напряжение на каждом из параллельно соединенных проводников одинаковы:

где n — количество проводников.

Уже отмечалось, что при параллельном соединении проводников есть несколько путей для прохождения тока (см. рис. 32.1, б). Действительно, ток, дойдя до разветвления (узловая точка В), растекается по двум ветвям. Так как заряд в узловой точке не накапливается, то заряд q, «поступивший» в узел за определенное время t, равен сумме зарядов «вышедших» из этого узла за это же время: Разделив обе части равенства на t, получим: Поскольку имеем:

Данное соотношение выполняется для любого количества параллельно соединенных проводников.

При параллельном соединении проводников сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в ответвлениях (отдельных ветвях):

где n — количество проводников.

Данное утверждение можно доказать экспериментально, подключив в электрическую цепь, изображенную на рис. 32.1, три амперметра: один (A) в неразветвленную часть цепи, а два других — в каждое ответвление (рис. 32.4).

Рис. 32.4. Измерение силы тока при параллельном соединении проводников: сила тока в неразветвленном участке цепи, измеряемая амперметром A, равна сумме сил токов, измеряемых амперметрами в каждой ветви разветвления

Обратите внимание: если одна из параллельно соединенных ламп выйдет из строя, то вторая продолжит светиться, потому что через ее нить накала все равно будет проходить ток.

Формула для расчета сопротивления участка цепи с параллельным соединением проводников

Чтобы вычислить сопротивление R участка цепи АВ (см. рис. 32.1), состоящего из двух параллельно соединенных ламп, воспользуемся соотношением:

Обозначив сопротивления ламп как и применив закон Ома, можем переписать данное соотношение в виде:

Поскольку при параллельном соединении проводников получим: После сокращения на U окончательно имеем:

Из последнего выражения получаем формулу для расчета сопротивления участка цепи, состоящего из двух параллельно соединенных проводников:

В общем случае сопротивление R участка цепи, состоящего из n параллельно соединенных проводников, можно вычислить по формуле:

Проанализировав последнюю формулу, придем к следующим выводам:

• — общее сопротивление параллельно соединенных проводников меньше, чем сопротивление каждого из этих проводников;
• — общее сопротивление параллельно соединенных проводников, имеющих одинаковое сопротивление, можно рассчитать по формуле:

где — сопротивление каждого проводника; n — количество проводников.

Рис. 32.5. Часть электрической проводки в квартире: а — общий вид; б — схематическое изображение. На практике электропроводку скрывают в стенах

Разнообразные бытовые электрические устройства включают в электрическую сеть параллельно, поскольку: 1) только при таком подключении на каждом устройстве будет то напряжение, на которое оно рассчитано, а именно 220 В; 2) отключение одного из потребителей не приведет к отключению других.

На рис. 32.5 изображена часть электрической проводки в квартире. Горизонтальные линии — провода электросети. Эти скрытые в стенах провода охватывают всю квартиру. Напряжение между проводами составляет 220 В. 5

Пример №8

На рисунке приведена схема электрической цепи. Определите показания амперметров, если показание вольтметра 12 В. Сопротивления резисторов указаны на рисунке.

Анализ физический проблемы. Приведенная схема электрической цепи имеет два разветвления, следовательно, цепь содержит параллельное соединение проводников.

Амперметр A подключен перед разветвлением, а амперметр — в ответвление, содержащее резистор 2. Таким образом, необходимо найти общую силу тока в цепи и силу тока в резисторе 2. Значения искомых величин определим, воспользовавшись законом Ома и формулами для расчета силы тока и напряжения при параллельном соединении проводников.

Дано:

Найти:

Решение:

При параллельном соединении проводников поэтому

Согласно закону Ома:

Сила тока в неразветвленной части цепи:

Анализ результатов. Из закона Ома сопротивление цепи:

При параллельном соединении проводников:

Отсюда

Результаты совпали, значит, задача решена правильно.

Ответ:

Пример №9

Четыре лампы сопротивлением 6 Ом каждая соединены так, как показано на рисунке. Определите силу тока в каждой лампе, если напряжение на источнике 30 В.

Анализ физической проблемы. Цепь содержит смешанное соединение проводников: лампы 2 и 3 соединены параллельно; лампы 1 и 4 соединены последовательно с участком цепи, состоящим из ламп 2 и 3. Воспользовавшись законом Ома и соотношениями для силы тока, напряжения и сопротивления для последовательного и параллельного соединений проводников, определим значение искомых величин.

Дано:

Найти:

Решение:

Лампы 2 и 3 соединены параллельно и имеют одинаковое сопротивление, поэтому

Общее сопротивление цепи:

По закону Ома общая сила тока:

Поскольку

Анализ результатов. С одной стороны, общая сила тока на участке, состоящем из ламп 2 и 3, равна 2 А, с другой стороны, Результаты совпали, значит, задача решена правильно.

Ответ:

Обратите внимание: при расчетах сложных цепей со смешанным соединением проводников удобно пошагово упрощать схему. Так, в задаче 2 такое пошаговое упрощение будет иметь вид, представленный на рис. 32.6, а. Пошаговое упрощение более сложной схемы приведено на рис. 32.6, б.

Итоги:

Участок цепи, состоящий из параллельно соединенных проводников, обязательно имеет разветвление. Проводники считаются соединенными параллельно, если они подключены к паре узловых точек.

Отключение одного из параллельно соединенных проводников практически не влияет на работу остальных.

Если участок цепи состоит из n проводников, соединенных только параллельно, то справедливы утверждения:

• — напряжение на каждом проводнике и на всем участке одинаково:
• — сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в ответвлениях:
• — сопротивление участка цепи можно вычислить, воспользовавшись формулой

Рис. 32.6. Примеры пошагового упрощения электрической схемы при решении задач на смешанное соединение проводников

Работа и мощность электрического тока

Каждый из вас видел счетчик электрической энергии (электросчетчик), и кто-то даже снимал его показания. А как вы думаете, какую физическую величину измеряет этот прибор?

Рис. 33.1. Снятие показаний счетчика: а — первоначальные данные (382 кВт ⋅ч); б — данные счетчика после некоторого времени работы электрообогревателя (385 кВт ⋅ч). Количество использованной за это время электроэнергии: 385–382=3 (кВт ⋅ч)

На рис. 33.1 изображен электросчетчик. Запомним или запишем цифры, зафиксированные на датчике прибора (рис. 33.1, а), иначе говоря, снимем показание счетчика. Что означают эти цифры? Очевидно, что это числовое значение какой-то физической величины. А какой?

Для начала определим единицы этой величины. Рядом с цифровым табло написано: кВт ⋅ ч. Следовательно, физическая величина, значение которой показывает счетчик, измеряется в киловатт-часах. Известно, что 1кВт =1000 Вт и 1ч = 3600 с, а 1 Вт = Таким образом, 1кВт ⋅ч = 1000⋅ 3600 с = 3 600 000 Дж, или Одна из физических величин, которые измеряют в джоулях, — это работа. Следовательно, можно предположить, что электросчетчиком измеряют работу тока. Включим в цепь счетчика электрообогреватель. Спустя некоторое время снова снимем показание счетчика (рис. 33.1, б). Видим, что оно увеличилось. Электрический ток, проходя по спирали обогревателя, выполнил работу, которую зафиксировал счетчик.

Электросчетчик — это прибор для прямого измерения работы тока.

(Установленную стоимость единицы работы тока называют тарифом на электроэнергию. Например, на 1 января 2016 г. тариф на электроэнергию для определенной категории населения составлял 45,6 к. за 1 кВт ⋅ч.)

Вычисление работы тока

Выясним, можно ли работу тока измерить другим способом, не используя электросчетчик. Из материала § 28 вы узнали, что напряжение U на концах участка электрической цепи определяют по формуле Следовательно, работу A тока по перемещению электрического заряда q на данном участке можно найти по формуле Выразив заряд q через силу тока I и время t его прохождения: — получим формулу для расчета работы электрического тока на данном участке цепи:

Таким образом, чтобы определить работу, которую выполняет ток в данном потребителе (на данном участке электрической цепи), достаточно измерить силу тока в потребителе, напряжение, поданное на потребитель, и время прохождения тока (рис. 33.2).

Рис. 33.2. Для измерения работы тока можно воспользоваться хорошо известными вам измерительными приборами: амперметром, вольтметром и часами

Обратите внимание: из формулы для расчета работы тока следует, что — данное соотношение пригодится вам для проверки единиц при решении задач.

Вычисление мощности тока

Мощность электрического тока — физическая величина, характеризующая скорость выполнения током работы и равная отношению работы тока ко времени, за которое эта работа выполнена:

где P — мощность тока; A — работа тока за время t. Поскольку A = UIt , то

Единица мощности в СИ — ватт:

Из формулы для расчета мощности тока следует:

1 Вт — это мощность тока силой 1 А на участке цепи с напряжением 1 В.

Ватт — относительно небольшая единица мощности. На практике чаще используют кратные единицы мощности: киловатт мегаватт гигаватт

Различия номинальной и фактической мощности

Обратившись к формуле для расчета мощности тока (P = UI), увидим, что мощность тока можно определить, воспользовавшись амперметром и вольтметром (сняв показания приборов, перемножить значения напряжения и силы тока). Существуют также приборы для прямого измерения мощности электрического тока — ваттметры.

Измеряя мощность тока в потребителе, мы определяем его фактическую мощность. Мощность, указанную в паспорте электрического устройства (или на самом устройстве), называют номинальной мощностью.

В паспорте электрического устройства указывают также напряжение, на которое рассчитано устройство. Однако напряжение в сети может немного изменяться. Например, оно может увеличиться — соответственно увеличится и сила тока. Увеличение силы тока и напряжения приведет к увеличению мощности тока в потребителе. То есть значения фактической и номинальной мощностей потребителя могут отличаться.

Если цепь состоит из нескольких потребителей, то фактическая мощность тока во всей цепи равна сумме мощностей отдельных потребителей.

Завершая знакомство с мощностью электрического тока, снова обратимся к рис. 33.1. На счетчике имеются значения еще двух физических величин: 220 В; 15 А. Первая показывает, в цепь с каким напряжением следует включать данный счетчик, вторая — максимально допустимую силу тока в нем. Перемножив эти значения, получим максимально допустимую мощность потребителей, которые можно подключить через данный электросчетчик

Учимся решать задачи:

Пример №10

Участок электрической цепи состоит из трех одинаковых резисторов (см. рисунок). Определите общую мощность, потребляемую резисторами, если сопротивление каждого из них 5 Ом, а напряжение на участке — 10 В.

Анализ физической проблемы. Решить задачу можно двумя способами:

1. вычислить мощность потребляемую каждым резистором, а затем найти сумму этих мощностей;
2. определить общую силу тока в участке цепи и, зная напряжение на участке, вычислить общую мощность.

Дано:

Найти: P — ?

Решение:

Способ 1

Участок цепи, содержащий резисторы 2 и 3, соединен с резистором 1 параллельно, поэтому

По закону Ома

Согласно формуле для расчета мощности:

Поскольку резисторы 2 и 3 соединены последовательно, то Воспользовавшись законом Ома, найдем напряжение на резисторах 2 и 3 и вычислим мощности, которые они потребляют:

Таким образом,

Способ 2

Сначала найдем общее сопротивление R участка цепи.

Резисторы 2 и 3 соединены последовательно, поэтому:

Участок цепи, содержащий резисторы 2 и 3, соединен с резистором 1 параллельно, следовательно:

По закону Ома: Согласно формуле для расчета мощности:

Анализ результата. Решая задачу разными способами, мы получили одинаковое значение мощности, значит, задача решена правильно.

Ответ: P=30 Вт.

Пример №11

Электровоз движется равномерно со скоростью 16 двигатель электровоза развивает силу тяги 300 кН. Определите КПД двигателя, если напряжение в электросети равно 3 кВ, а сила тока, потребляемого двигателем, — 2 кА.

Анализ физической проблемы. КПД показывает, какую часть работы, которую выполняет ток, протекая в обмотке электродвигателя, составляет полезная работа (механическая работа по перемещению электровоза). КПД найдем, воспользовавшись формулой для расчета механической работы и формулой для расчета работы тока.

Дано:

Найти: η — ?

Решение:

По определению

— механическая работа по перемещению электровоза на расстояние l.

Электровоз движется равномерно, поэтому l = vt .

Таким образом,

Работа тока в двигателе электровоза:

Подставив выражения для и в формулу для расчета КПД, получим:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Анализ результата. КПД равен 80 % — для электрических двигателей результат реальный.

Ответ: η = 80%.

Итоги:

На участке цепи электрический ток выполняет работу, значение которой равно произведению напряжения U, силы тока I и времени t прохождения тока в цепи:

Единица работы тока в СИ — джоуль (Дж): 1 Дж =1 В⋅ А⋅с. В электротехнике используют внесистемную единицу работы тока — киловатт-час (кВт ⋅ч);

Приборы для прямого измерения работы тока называются счетчиками электрической энергии.

Физическую величину, характеризующую скорость выполнения током работы, называют мощностью электрического тока и вычисляют по формуле P = UI. Единица мощности тока в СИ — ватт (Вт):

Мощность, на которую рассчитано электрическое устройство, называют номинальной мощностью. Обычно номинальную мощность указывают в паспорте электрического устройства. Реальную мощность тока в устройстве называют фактической мощностью.

Тепловое действие тока

Вы уже хорошо знаете, что при прохождении электрического тока нить лампы накаливания нагревается настолько сильно, что начинает излучать видимый свет. Благодаря действию электрического тока нагреваются утюг и электрическая плита. А вот вентилятор и пылесос нагреваются незначительно, не становятся очень горячими (конечно, если все в порядке) и подводящие провода. От чего же зависит тепловое действие тока?

Прохождение электрического тока всегда сопровождается выделением теплоты, и этот факт нетрудно объяснить.

Когда в проводнике идет ток, то свободные заряженные частицы, двигаясь под действием электрического поля, сталкиваются с другими частицами и передают им часть своей энергии. Электроны в металлах сталкиваются с ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки, ионы в электролитах — с другими ионами, атомами или молекулами. В результате средняя скорость хаотичного (теплового) движения частиц вещества увеличивается — проводник нагревается. По закону сохранения энергии кинетическая энергия, приобретенная свободными заряженными частицами в результате действия электрического поля, преобразуется во внутреннюю энергию проводника.

Очевидно: чем чаще сталкиваются частицы, то есть чем больше сопротивление проводника, тем больше энергии передается проводнику и тем сильнее он нагревается. Таким образом, при неизменной силе тока количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника.

Кроме того, с увеличением в проводнике силы тока количество выделяемой теплоты тоже увеличивается. Ведь чем больше частиц проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше столкновений частиц происходит.

Закон Джоуля — Ленца

Тепловое действие тока изучали на опытах английский ученый Дж. Джоуль (рис. 34.1) и российский ученый немецкого происхождения Э. Х. Ленц (рис. 34.2).

Рис. 34.1. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) — английский физик, один из основателей современной теории тепловых явлений. В 1841 г. установил зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике с током, от силы тока и сопротивления проводника

Рис. 34.2. Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) — российский физик немецкого происхождения, профессор Петербургского университета. Независимо от Дж. Джоуля в 1842 г. установил закон теплового действия электрического тока

Независимо друг от друга они пришли к одинаковому выводу, который позже получил название закон Джоуля — Ленца:

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:

Закон Джоуля — Ленца был установлен экспериментально. Теперь же, зная формулу для расчета работы тока (A = UIt), данный закон можно вывести с помощью простых математических выкладок.

Если на участке цепи, в котором течет ток, не выполняется механическая работа и не происходят химические реакции, результатом работы тока будет только нагревание проводника. Нагретый проводник путем теплопередачи отдает полученную энергию окружающим телам. Следовательно, в данном случае согласно закону сохранения энергии количество выделенной теплоты Q будет равно работе A тока: Q = A. Так как имеем:

Некоторые особенности вычисления количества теплоты

Для получения математического выражения закона Джоуля — Ленца мы воспользовались некоторыми предположениями. Исследования показали, что в любом случае количество теплоты, выделяющееся в участке цепи в результате прохождения тока, можно вычислить по формуле

Возникает вопрос: что делать, если сила тока неизвестна, а известно напряжение на концах участка цепи? Казалось бы, можно воспользоваться законом Ома. Действительно,

Рис. 34.3. Схема опыта, доказывающего закон Джоуля — Ленца: 1, 2 — электрические нагреватели (сопротивление нагревателя 1 больше сопротивления нагревателя 2); 3 — калориметры с одинаковым количеством воды; 4 — термометры

После сокращения на R получим:

Однако этой формулой, впрочем как и формулой можно воспользоваться только в том случае, когда вся электрическая энергия расходуется на нагревание.

Если же на участке цепи есть потребители энергии, в которых выполняется механическая работа или происходят химические реакции, формулы использовать нельзя. В таких случаях применяют более сложные математические выражения, учитывающие всю совокупность явлений.

Пример №12

Определите сопротивление нагревателя, с помощью которого можно за 5 мин довести до кипения 1,5 кг воды, взятой при температуре 12 °С. Напряжение в сети равно 220 В, КПД нагревателя — 84 %.

Анализ физической проблемы. Когда в нагревателе проходит электрический ток, выделяется количество теплоты Часть ее расходуется на нагревание воды до кипения, то есть до 100 °С.

Выразив через указанные в условии задачи величины, найдем искомую величину. Значение удельной теплоемкости с воды найдем в соответствующей таблице (см. табл. 1 Приложения).

Дано:

Найти: R — ?

Решение:

По определению КПД нагревателя: Здесь

Подставим выражения для в формулу КПД:

Из последнего выражения найдем R:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Ответ: R = 22 Ом.

Итоги:

Прохождение тока в проводнике сопровождается выделением теплоты. Количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока: (закон Джоуля — Ленца).

Существуют еще две формулы для расчета количества теплоты: — однако этими формулами можно пользоваться только в случае, когда вся электрическая энергия идет на нагревание.

Электрические нагревательные устройства

Статистические данные говорят о том, что среди причин возникновения пожаров второе место после неосторожного обращения с огнем занимает загорание проводки в результате короткого замыкания. О том, что такое короткое замыкание и как обезопасить себя от возгорания проводов, если замыкание все же произошло.

Электрические нагревательные устройства широко используют в сельском хозяйстве, промышленности, на транспорте, в быту.

Несмотря на внешнее многообразие, все электронагреватели имеют общие черты.

Во-первых, работа всех электрических нагревателей основана на тепловом действии тока: в таких устройствах энергия электрического тока преобразуется во внутреннюю энергию нагревателя, который, в свою очередь, отдает энергию окружающей среде путем теплопередачи (рис. 35.1).

Рис. 35.1. Чтобы увеличить теплоотдачу, поверхность обогревателя делают ребристой, а нагревательную поверхность электроплиты изготовляют из темных металлов

Во-вторых, основной частью любого электронагревателя является нагревательный элемент — проводник, нагревающийся при прохождении тока (рис. 35.2).

Рис. 35.2. Основная часть любого электрического нагревательного устройства — нагревательный элемент

Нагревательные элементы должны выдерживать очень высокую температуру, поэтому их изготовляют из тугоплавких материалов, то есть материалов, имеющих высокую температуру плавления (рис. 35.3).

Рис. 35.3. Нагревательный элемент электрической лампы накаливания изготовляют из вольфрама, температура плавления которого 3387 °С. Нагреваясь до температуры 3000 °С, тонкая вольфрамовая нить начинает ярко светиться

Чтобы избежать поражения током, нагревательный элемент изолируют от корпуса нагревательного устройства. По закону Джоуля — Ленца количество теплоты Q, выделяющееся в нагревательном элементе, вычисляется по формуле следовательно, изменяя время нагревания или силу тока в нагревательном элементе, можно регулировать температуру нагревателя (рис. 35.4).

Рис. 35.4. Поворачивая тумблер, мы настраиваем утюг на определенный температурный режим работы

Подводящие провода и нагревательный элемент соединены последовательно, поэтому сила тока в них одинакова. При этом подводящие провода нагреваются намного меньше, чем нагревательный элемент. Это означает, что сопротивление подводящих проводов во много раз меньше сопротивления нагревательного элемента. Обычно нагревательные элементы изготовляют из веществ с большим удельным сопротивлением, а подводящие провода — из веществ с малым удельным сопротивлением.

Причины резкого увеличения силы тока в цепи

Сопротивление подводящих проводов достаточно мало, однако при значительном увеличении силы тока они сильно нагреваются, и это может стать причиной пожара.

Почему может резко увеличиться сила тока в электрической цепи обычной квартиры? Вспомним закон Ома: Поскольку напряжение в сети постоянно, увеличение силы тока возможно только при условии уменьшения общего сопротивления цепи. Потребители тока в квартире соединены параллельно, поэтому, если включить сразу несколько мощных потребителей, общее сопротивление цепи существенно уменьшится, соответственно значительно увеличится сила тока в цепи.

Резко увеличивается сила тока в цепи и в случае короткого замыкания — соединения концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением данного участка. Так, короткое замыкание может возникнуть при нарушении изоляции проводов или во время ремонта элементов электрической цепи, находящихся под напряжением (напомним, что это смертельно опасно!).

Предохранители

Чтобы избежать пожара в случае короткого замыкания или перегрузки электрической цепи, а также не допустить порчи потребителей электрической энергии при опасном увеличении силы тока, используют предохранители — устройства, которые размыкают цепь, если сила тока в ней увеличится сверх нормы (рис. 35.5, 35.6).

Рис. 35.5. Автоматические предохранители. Рабочая часть автоматического предохранителя — биметаллическая пластина. В случае увеличения силы тока сверх нормы биметаллическая пластина выгибается, в результате чего цепь размыкается. После охлаждения предохранитель снова можно вернуть в рабочее состояние

Рис. 35.6. Плавкие предохранители, применяемые в радиотехнике. Внутри стеклянной трубочки с металлическими наконечниками натянут тонкий провод из легкоплавкого материала

Внимание! Очень опасно применять неисправные предохранители или самодельные предохранительные устройства. Если при увеличении силы тока сверх нормы цепь вовремя не разомкнется, возникнет пожар.

Пример №13

Автоматический предохранитель в квартирном электросчетчике рассчитан на силу тока 10 А. Сработает ли предохранитель, если одновременно включить лампу мощностью 200 Вт, стиральную машину мощностью 800 Вт, электрический чайник мощностью 1400 Вт?

Анализ физической проблемы. Для решения задачи нужно определить общую мощность включенных потребителей. Если потребителей меньше максимально возможной мощности тока , на которую рассчитан предохранитель, то предохранитель не сработает, если больше — предохранитель разомкнет цепь. Максимально возможную мощность тока определим, зная напряжение в сети (220 В) и силу тока, на которую рассчитан предохранитель.

Дано:

Найти:

Решение:

При любом соединении потребителей их общая мощность равна сумме мощностей отдельных потребителей:

Согласно формуле для расчетов мощности:

Проверим единицу, найдем значения искомых величин:

Анализ результатов. Сравнив общую мощность подключенных потребителей ( =2400 Вт) и мощность, на которую рассчитан предохранитель ( =2200 Вт), видим, что нагрузка в цепи превысит максимально возможное значение. Следовательно, предохранитель сработает, и цепь разомкнется.

Ответ: предохранитель разомкнет цепь.

Итоги:

Работа различных электронагревательных устройств основана на тепловом действии тока.

Во время работы электронагревательных устройств некоторое количество теплоты выделяется и в подводящих проводах. Значительное нагревание проводов может стать причиной пожара, поэтому, если есть опасность чрезмерного увеличения силы тока, к электрической цепи присоединяют предохранитель. Предохранитель представляет собой устройство, которое размыкает электрическую цепь, если сила тока превысит значение, допустимое для этой цепи.

Электрический ток в металлах

Электрический ток могут проводить жидкости и твердые вещества, при определенных условиях электрический ток проводят и газы. Изучение электрического тока в разных средах мы начнем с изучения тока в металлах. Во-первых, все без исключения металлы хорошо проводят электрический ток, а во-вторых, именно с проводимостью металлов связано широкое применение электрической энергии в жизни человека.

Из курса химии вы знаете, что валентные электроны в металлах легко покидают «свой» атом и становятся свободными, а в узлах кристаллической решетки остаются положительные ионы. При отсутствии электрического поля свободные электроны внутри металлического проводника движутся хаотично. Их движение напоминает движение молекул газа, поэтому свободные электроны в металлах называют электронным газом (рис. 36.1).

Рис. 36.1. При отсутствии электрического поля свободные электроны в металлах движутся хаотично

Если же в проводнике создано электрическое поле, то электроны, не прекращая хаотичного движения, начинают смещаться в сторону положительного полюса источника тока. Движение электронов становится направленным — в металле возникает электрический ток.

Электрический ток в металлах представляет собой направленное движение свободных электронов.

Природа тока в металлах экспериментально установлена известными учеными Леонидом Исааковичем Мандельштамом и Николаем Дмитриевичем Папалекси (1913 г.) во время работы в Страсбургском университете; методику опытов усовершенствовали американские физики Ричард Толмен и Томас Стюарт (1916 г.).

Рис. 36.2. Схема устройства для изучения природы электрического тока в металлах: 1 — катушка с металлическим проводом; 2 — скользящие контакты; 3 — чувствительный гальванометр. Катушке придают быстрое вращение и резко останавливают. В результате в цепи возникает электрический ток, который регистрируется гальванометром

Ученые рассуждали примерно так. Если металлический провод привести в быстрое движение (рис. 36.2), а потом резко остановить, то свободные заряженные частицы в проводе будут двигаться по инерции (так в случае резкой остановки транспорта в нем продолжают движение незакрепленные предметы). В результате в проводе возникнет кратковременный ток — его зафиксирует гальванометр; по направлению отклонения стрелки гальванометра можно узнать знак заряда частиц, движение которых послужило причиной появления тока.

Сопротивление металлов зависит от температуры.

Проведем опыт. Соединим стальную спираль с источником постоянного напряжения и будем подогревать ее в пламени спиртовки (рис. 36.3).

Рис. 36.3. Опыт, демонстрирующий зависимость сопротивления металлов от температуры. Во время нагревания спирали сила тока в ней уменьшается, следовательно, сопротивление спирали возрастает

Опыт покажет, что по мере нагревания спирали сила тока в ней уменьшается, а это значит, что сопротивление спирали возрастает. Проведя подобные опыты со спиралями, изготовленными из других металлов, увидим, что с увеличением температуры сопротивление всех спиралей увеличивается, но изменение сопротивления каждый раз будет иным.

Сопротивление металлического проводника увеличивается при повышении температуры и уменьшается при ее снижении. Изменение сопротивления зависит от материала, из которого изготовлен проводник.

Зная, как зависит сопротивление металлического проводника от температуры, можно, измерив сопротивление проводника, определить его температуру. Этот факт положен в основу работы термометров сопротивления. Датчик — чаще всего платиновый провод — размещают в среде, температуру которой нужно измерить. Сопротивление провода измеряется специальным прибором, и по этому сопротивлению определяют температуру среды. На практике шкалу прибора сразу градуируют в единицах температуры.

Явление сверхпроводимости

Рис. 36.4. Гейке Камерлинг-Оннес (1853–1926) — нидерландский физик, лауреат Нобелевской премии (1913 г.). Открыл явление сверхпроводимости металлов

В 1911 г. нидерландский ученый Г. Камерлинг-Оннес (рис. 36.4), исследуя, как ведет себя ртуть при температурах, близких к абсолютному нулю (–273 °С), заметил странное явление: при снижении температуры ртути до 4,15 К (–269 °С) ее удельное сопротивление скачком падало до нуля. Подобное происходило с оловом, свинцом и другими металлами. Это явление назвали сверхпроводимостью. Сверхпроводимость невозможно объяснить с точки зрения элементарной электронной проводимости металлов. В 1957 г. группа американских ученых (рис. 36.5) и независимо от них советский ученый Н. Н. Боголюбов (рис. 36.6) разработали квантовую теорию сверхпроводимости.

Рис. 36.5. Джон Бардин (1908–1991), Леон Нил Купер (род. в 1930 г.), Джон Роберт Шриффер (род. в 1931 г.) — лауреаты Нобелевской премии по физике (1972 г.) за разработку квантовой теории сверхпроводимости

Рис. 36.6. Боголюбов Николай Николаевич (1909–1992) — выдающийся физик-теоретик и математик. В 1929–1973 гг. работал в Академии наук. Основатель научных школ в области нелинейной механики, статистической физики и квантовой теории поля

Итоги:

Электрический ток в металлах представляет собой направленное движение свободных электронов. При отсутствии электрического поля свободные электроны в металлах движутся хаотично. Если же в металлическом проводнике создать электрическое поле, то свободные электроны, не прекращая своего хаотичного движения, начинают двигаться направленно.

Сопротивление металлических проводников зависит от температуры. Этот факт положен в основу работы термометров сопротивления.

При снижении температуры некоторых металлов до температур, близких к абсолютному нулю (–273 °С), их сопротивление скачком падает до нуля. Это явление называют явлением сверхпроводимости.

Электрический ток в электролитах

Дистиллированная вода — диэлектрик, поскольку в ней почти нет свободных заряженных частиц; диэлектриком является и поваренная соль. Но если крупинку поваренной соли бросить в дистиллированную воду, то полученный раствор хорошо будет проводить ток. Почему это так? Откуда в растворе взялись свободные частицы, имеющие электрический заряд?

Многие кристаллические вещества представляют собой положительные и отрицательные ионы, соединенные в одно целое силой электрического притяжения. Так, кристаллы натрий хлорида — поваренной соли (NaСl) — состоят из положительных ионов Натрия и отрицательных ионов Хлора (рис. 37.1), кристаллы купрум(II) сульфата — из положительных ионов Купрума и отрицательных ионов сульфата Если такие вещества растворить в воде, они могут распасться на отдельные ионы.

Рис. 37.1. Модель кристаллической решетки поваренной соли положительные ионы Натрия — желтые шарики; отрицательные ионы Хлора — зеленые шарики

Процесс распада веществ на ионы рассмотрим на примере распада поваренной соли в воде Как вы уже знаете из курса химии, молекулы воды являются полярными: атомы Гидрогена и атом Оксигена в молекуле воды расположены несимметрично, поэтому с одной стороны молекулы доминирует положительный заряд, а с другой стороны — такой же отрицательный (рис. 37.2, а). Следовательно, молекулу воды можно представить как электрический диполь (совокупность двух одинаковых по значению разноименных зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.) (рис. 37.2, б).

Рис. 37.2. Схематическое изображение молекулы воды

Когда кристаллик соли попадает в воду, диполи воды окружают ионы Натрия и ионы Хлора, ориентируясь определенным образом (рис. 37.3, а). Некоторые диполи воды попадают в промежутки между ионами и значительно ослабляют силу их притяжения. В результате данного процесса и вследствие теплового движения молекул воды ионы отделяются от кристаллика (рис. 37.3, б).

Рис. 37.3. Механизм электролитической диссоциации поваренной соли

Распад веществ на ионы в результате действия полярных молекул растворителя называют электролитической диссоциацией (от латин. dissociatio — разъединение, разделение).

В результате электролитической диссоциации в растворе появляются свободные заряженные частицы — положительные и отрицательные ионы, поэтому раствор начинает проводить ток.

Опыты показывают, что распад веществ на ионы может быть вызван не только растворителем. Некоторые соли и оксиды металлов могут распадаться на ионы в результате значительного увеличения температуры. Поэтому расплавы этих веществ тоже проводят электрический ток. Растворы и расплавы веществ, проводящие электрический ток, относят к электролитам.

Возьмем два угольных электрода и соединим их с полюсами источника тока (см. рис. 37.4).

Рис. 37.4. Схема исследования электрического тока в жидкостях. В ванну с раствором электролита погружены катод и анод. После замыкания цепи положительные ионы движутся к катоду, отрицательные ионы — к аноду

Электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, называют анодом, а электрод, соединенный с отрицательным полюсом, — катодом. Опустим электроды в сосуд с электролитом, например, с водным раствором купрум(II) хлорида и замкнем цепь. В растворе возникнет электрическое поле, из-за действия которого свободные положительные ионы Купрума направятся к катоду, а свободные отрицательные ионы Хлора — к аноду (рис. 37.4). Таким образом в растворе возникнет направленное движение свободных заряженных частиц — электрический ток.

Электрический ток в электролитах представляет собой направленное движение положительных и отрицательных ионов.

Ионный механизм проводимости имеют не только некоторые растворы и расплавы, но и некоторые твердые вещества, например аргентум(I) йодид (AgI), калий йодид (KI), аргентум(I) сульфид В твердых веществах с ионной проводимостью перемещаются ионы только одного знака — или только положительные, или только отрицательные.

Электролиты — это твердые или жидкие вещества, обладающие ионной проводимостью.

Заметим, что с увеличением температуры количество свободных ионов в электролитах увеличивается, соответственно увеличивается и сила тока. Это означает, что с увеличением температуры сопротивление электролитов уменьшается.

Определение электролиза

При прохождении тока через электролит (в отличие от прохождения тока через металл) происходит перенос химических составляющих электролита и те выделяются на электродах — оседают в виде твердого слоя или выделяются в газообразном состоянии. Например, если через водный раствор купрум(II) хлорида в течение нескольких минут пропускать ток, то поверхность катода покроет тонкий слой меди (рис. 37.5), а на аноде выделится газообразный хлор. Наличие хлора можно обнаружить по характерному запаху.

Рис. 37.5. Через несколько минут после начала прохождения тока через раствор купрум(II) хлорида поверхность катода покроется тонким слоем меди

Объясним, почему так происходит. При прохождении тока свободные положительные ионы Купрума движутся к катоду, а свободные отрицательные ионы Хлора — к аноду (см. рис. 37.4). Достигнув катода, положительные ионы Купрума «берут» с его поверхности электроны, которых им «не хватает», то есть происходит химическая реакция восстановления. В результате этой реакции ионы Купрума превращаются в нейтральные атомы; на поверхности катода оседает медь. В то же время отрицательные ионы Хлора, достигнув поверхности анода, наоборот, «отдают» ему «избыточные» электроны — происходит химическая реакция окисления; на аноде выделяется хлор.

Процесс выделения веществ на электродах, который связан с окислительно-восстановительными реакциями, происходящими на электродах при прохождении тока, называют електролизом.

Закон Фарадея

Впервые явление электролиза подробно изучил английский физик М. Фарадей (рис. 37.6).

Рис. 37.6. Майкл Фарадей (1791–1867) — английский физик, основатель учения об электромагнитном поле. Обнаружил химическое действие электрического тока, установил законы электролиза и сделал много других выдающихся открытий

Он сформулировал закон, который позже был назван законом електролиза, или первым законом Фарадея:

Масса вещества, выделяющегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит:

m = kq,

где m — масса вещества; k — коэффициент пропорциональности, который называют электрохимическим эквивалентом; q — значение электрического заряда.

Электрохимический эквивалент численно равен массе данного вещества, выделяющегося на электроде в результате прохождения через электролит заряда 1 Кл.

Единица электрохимического эквивалента в СИ — килограмм на кулон:

Электрохимические эквиваленты в миллионы раз меньше поэтому в таблицах (см. табл. 8 Приложения) их чаще выражают в миллиграммах на кулон: Так, электрохимический эквивалент серебра равен а электрохимический эквивалент алюминия

Обратите внимание: первый закон электролиза можно записать также в виде:

m = kIt,

где m — масса вещества; k — электрохимический эквивалент; I — сила тока в электролите; t — время, в течение которого длился электролиз.

Пример №14

Для определения электрохимического эквивалента меди через раствор купрум(II) сульфата в течение 30 мин пропускали ток силой 0,5 А. Какое значение электрохимического эквивалента получили, если масса катода до начала опыта была 75,20 г, а после опыта — 75,47 г?

Анализ физической проблемы. Для решения задачи воспользуемся законом электролиза. Массу меди, выделившейся на катоде, найдем как разность масс катода после опыта и до него. Электрохимические эквиваленты чаще подают в миллиграммах на кулон, поэтому массы катода выразим в миллиграммах.

Дано:

Найти: k — ?

Решение:

Согласно первому закону Фарадея имеем: следовательно, ; при этом Получаем:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Анализ результата. Сравнив полученное значение электрохимического эквивалента меди с табличным видим, что значения практически совпали. Погрешность возникла из-за неточности измерения массы. Следовательно, задача решена правильно.

Ответ:

Итоги:

Электролиты — это твердые и жидкие вещества, обладающие ионной проводимостью. Распад электролитов на ионы вследствие действия полярных молекул растворителя называют электролитической диссоциацией. В результате диссоциации в растворе появляются свободные заряженные частицы — положительные и отрицательные ионы.

Электрический ток в электролитах — это направленное движение положительных и отрицательных ионов.

При прохождении электрического тока через электролит химические составляющие электролита оседают на электродах или выделяются в газообразном состоянии — происходит электролиз. Электролиз — это процесс выделения веществ на электродах, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, происходящими на электродах при прохождении тока.

Для электролиза выполняется первый закон Фарадея (закон электролиза): масса m вещества, выделяющегося на электроде, прямо пропорциональна заряду q, который прошел через электролит: m=kq, или m = kIt . Коэффициент пропорциональности k называют электрохимическим эквивалентом.

Применение электролиза

Существует легенда, что в конце XVIII в. король Англии прислал в подарок российской императрице Екатерине II… алюминиевую кружку. Сейчас это сложно представить, но императрица была поражена таким ценным подарком! Дело в том, что в те времена алюминий был редким металлом и стоил намного дороже золота. Со временем благодаря применению электролиза алюминий стал общедоступным. О том, как с помощью электролиза получают металлы и где еще применяют электролиз.

Применяем электролиз для получения металлов

Электролиз широко используют в промышленности. С помощью электролиза из солей и оксидов получают многие металлы: медь, никель, алюминий и др. Например, чтобы получить алюминий, в качестве электролита используют алюминий оксид растворенный в расплавленном криолите при температуре 950 °С. Раствор помещают в специальные электролитические ванны; катодом обычно служат дно и стенки ванны, выложенные графитом, а анодом — погруженные в электролит угольные блоки. При прохождении тока через электролит на катоде выделяется алюминий (рис. 38.1).

Рис. 38.1. Производство алюминия (схема промышленного установки). Дно и стенки ванны служат катодом; алюминий собирается на дне ванны. Угольный блок служит анодом, на нем выделяется кислород

Получение чистых металлов

Металлы, полученные в результате электролиза (или иным способом), обычно содержат некоторое количество примесей, поскольку сырье не может быть «идеальным». Так, в расплаве всегда имеются соли и оксиды других металлов, которые тоже могут выделиться на катоде. Для очистки металлов от примесей можно снова использовать электролиз.

Способ очистки металлов с помощью электролиза называют рафинированием.

Таким способом очищают медь, алюминий, свинец, серебро и некоторые другие металлы. В качестве примера рассмотрим очищение меди.

В ванну с раствором купрум(II) сульфата опускают два электрода. Анодом служит толстая пластинка неочищенной меди, а катодом — тонкая пластинка чистой меди (рис. 38.2).

Рис. 38.2. Рафинирование меди: тонкая пластинка чистой меди является катодом, толстая пластинка неочищенной меди — анодом; ванна наполнена водным раствором купрум(II) сульфата

В растворе купрум(II) сульфат распадается на ионы Купрума и ионы сульфата Ионы Купрума движутся к катоду и оседают на нем. Ионы сульфата движутся к аноду и «забирают» у него ионы Купрума. Вновь образовавшийся купрум(II) сульфат попадает в раствор, и там распадается. В итоге чистая медь переносится с анода на катод. Анод при этом растворяется, а примеси оседают на дне или остаются в растворе.

Гальваностегия

С помощью электролиза можно нанести тонкий слой металла на поверхность изделия — сделать серебрение, золочение, никелирование, хромирование и т. д. Такой слой может защищать от коррозии, увеличивать прочность изделия или просто быть его украшением.

Электролитический способ покрытия изделия тонким слоем металла называют гальваностегией.

Изделие, которое хотят покрыть слоем какого-либо металла, опускают в ванну с раствором электролита, в состав которого входит данный металл. Изделие служит катодом, а пластинка металла, которым покрывают изделие, — анодом. Во время прохождения тока металл оседает на изделии (катоде), а анодная пластинка постепенно растворяется (рис. 38.3).

Рис. 38.3. Гальваническое серебрение. Предмет, который покрывают серебром (кружка), является катодом, серебряная пластинка — анодом; ванна наполнена раствором аргентум(I) нитрата

Гальванопластика

Гальванопластика — это получение с помощью электролиза точных копий рельефных изделий. Сначала из воска или другого пластичного материала делают слепок рельефного изделия. Чтобы поверхность слепка проводила ток, ее покрывают тонким слоем графита. Затем слепок помещают в ванну с раствором электролита. Слепок будет служить катодом, а пластинка металла — анодом. Во время электролиза на слепке образуется довольно толстый слой металла, который заполняет все неровности слепка. После прекращения электролиза восковой слепок отделяют от слоя металла и в результате получают точную копию изделия (рис. 38.4).

Рис. 38.4. Получение рельефных копий с помощью электролиза: а — схема устройства: восковой слепок, покрытый тонким слоем графита, является катодом (1), серебряная пластинка — анодом (2); ванна наполнена раствором аргентум(I) нитрата; б — полученная копия

Понятно, что применение электролиза в современной технике не ограничено рассмотренными примерами. С помощью электролиза можно осуществить полировку поверхности анода; электролиз лежит в основе зарядки и разрядки кислотных и щелочных аккумуляторов и др.

Пример №15

При никелировании на каждый 1 поверхности никелируемого изделия подают силу тока 0,4 А. За какое время на изделие будет нанесен слой никеля толщиной 0,02 мм?

Анализ физической проблемы. Время протекания электролиза вычислим, воспользовавшись первым законом Фарадея; массу вещества, выделившегося на катоде, выразим через плотность и объем слоя никеля. Электрохимический эквивалент и плотность никеля найдем соответственно в табл. 8 и 9 Приложения. Решая задачу, плотность удобно представить в граммах на кубический сантиметр, а следовательно, толщину слоя — в сантиметрах, площадь поверхности — в квадратных сантиметрах, электрохимический эквивалент — в граммах на кулон.

Дано:

Найти: t — ?

Решение:

Согласно закону Фарадея: m = kIt .

Поскольку Подставив выражение для m в закон Фарадея, имеем: Отсюда Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Ответ:

Итоги:

Электролиз широко применяют в промышленности. С помощью электролиза из солей и оксидов получают многие металлы (медь, никель, алюминий и др.), а также очищают их. Способ очистки металлов с помощью электролиза называют рафинированием.

С помощью электролиза можно нанести тонкий слой металла на поверхность изделия (осуществить серебрение, золочение, никелирование, хромирование и т. д.), изготовить точные копии рельефных изделий. Электролитический способ покрытия изделия тонким слоем металла называют гальваностегией, а получение с помощью электролиза точных копий рельефных изделий — гальванопластикой.

Электрический ток в газах

Прочитав название, некоторые из вас удивятся, ведь в начале мы говорили о том, что газы являются диэлектриками, а это значит, что в них нет свободных заряженных частиц. Так о каком электрическом токе может идти речь? Дело в том, что газы являются диэлектриками при обычных условиях. Однако существует условия, при которых газы могут становиться проводниками. Когда это происходит и что собой представляет электрический ток в газах?

Сложим электрическую цепь из мощного источника тока, гальванометра и двух металлических пластин, разделенных воздушным промежутком. Замкнув цепь, увидим, что стрелка гальванометра не отклоняется (рис. 39.1, а). А это значит, что в цепи нет электрического тока или ток настолько слабый, что даже чувствительный гальванометр его не регистрирует. Итак, делаем вывод: при обычных условиях в воздухе почти нет свободных заряженных частиц и он не проводит электрический ток.

Поместим между металлическими пластинами зажженную спиртовку — стрелка гальванометра отклонится (рис. 39.1, б). Это значит, что в воздухе появились свободные заряженные частицы и он начал проводить электрический ток. Выясним, что это за частицы, откуда и как они появились.

Рис. 39.1. Эксперимент по изучению проводимости газов: 1 — металлические пластины; 2 — воздушный промежуток; 3 — мощный источник тока; 4 — гальванометр; 5 — спиртовка. При обычных условиях воздух не проводит электрический ток (а); при внесении в воздушный промежуток зажженной спиртовки воздух становится проводником (б)

Механизм проводимости газов

В отличие от металлов и электролитов газы состоят из электрически нейтральных частиц (атомов и молекул), поэтому при обычных условиях воздух является изолятором.

Когда пламя спиртовки нагревает воздух, кинетическая энергия теплового движения частиц воздуха увеличивается настолько, что в случае их столкновения от частицы может оторваться электрон и стать свободным. Потеряв электрон, молекула (или атом) становится положительным ионом (рис. 39.2).

Рис. 39.2. Схема ионизации молекулы газа. Потеряв в результате столкновения электрон, молекула становится положительным ионом

Осуществляя тепловое движение, электрон может столкнуться с нейтральной частицей и «прилипнуть» к ней — образуется отрицательный ион (рис. 39.3).

Рис. 39.3. Схема образования отрицательных ионов в газе: электрон «прилипает» к нейтральной молекуле

Процесс образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из молекул (атомов) газа называют ионизацией.

Если ионизированный газ поместить в электрическое поле, в результате действия этого поля положительные ионы будут двигаться в направлении силовых линий поля, а электроны и отрицательные ионы — в противоположном направлении (рис. 39.4). В газе возникнет электрический ток.

Рис. 39.4. При наличии электрического поля в ионизированном газе возникает направленное движение свободных заряженных частиц — электрический ток

Электрический ток в газах представляет собой направленное движение свободных электронов, положительных и отрицательных ионов.

Электрический ток в газах иначе называют газовым разрядом. Следует обратить внимание на тот факт, что газ может стать ионизированным не только в результате повышения его температуры, но и вследствие влияния других факторов. Например, верхние слои атмосферы Земли ионизируются под действием космических лучей; сильное ионизирующее влияние на газ имеют рентгеновские лучи и т. д.

Определение несамостоятельного газового разряда

Опыты показывают: если устранить причину, которая вызвала ионизацию газа (убрать горелку, выключить источник рентгеновского излучения и т. д.), то газовый разряд обычно прекращается.

Газовый разряд, который происходит только при наличии внешнего ионизатора, называют несамостоятельным газовым разрядом.

Выясним, почему после окончания действия ионизатора газовый разряд прекращается.

Во-первых, в процессе теплового движения электронов и положительных ионов может произойти рекомбинация — объединение их в нейтральную молекулу (атом) (рис. 39.5).

Рис. 39.5. Схема рекомбинации (восстановления) молекул газа

Во-вторых, под действием поля свободные электроны движутся к положительному электроду (аноду) и поглощаются им; отрицательные ионы движутся к аноду, «отдают» ему «лишние» электроны и превращаются в нейтральные частицы; положительные ионы, достигнув отрицательного электрода (катода), «забирают» у него электроны и тоже превращаются в нейтральные частицы. Нейтральные молекулы и атомы возвращаются в газ.

Таким образом, если ионизатор «работает», в газе непрерывно появляются новые ионы; после прекращения действия ионизатора количество свободных заряженных частиц в газе быстро уменьшается и газ перестает проводить ток.

Ионизация электронным ударом

При определенных условиях газ может проводить электрический ток и после прекращения действия ионизатора.

Газовый разряд, происходящий без действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным газовым разрядом.

Рассмотрим, как происходит самостоятельный газовый разряд.

При движении в электрическом поле скорость электрона постепенно увеличивается. Однако это увеличение не может происходить бесконечно, так как электрон сталкивается с частицами газа. Если между столкновениями электрон успеет набрать достаточно большую скорость, то, столкнувшись с нейтральными атомом или молекулой, он может выбить из них электрон, иными словами, может их ионизировать. В результате ионизации образуются положительный ион и еще один электрон. Последовательность таких столкновений приводит к образованию электронной лавины (рис. 39.6).

Рис. 39.6. Схема развития электронной лавины. Свободный электрон, ускоренный электрическим полем, ионизирует молекулу или атом и высвобождает еще один электрон. Разогнавшись, два электрона высвобождают еще два. К аноду летят уже четыре электрона, и т. д. Число свободных электронов увеличивается лавинообразно до тех пор, пока они не достигнут анода

Описанный процесс называют ударной ионизацией или ионизацией электронным ударом.

Электроны, образовавшиеся вследствие ударной ионизации, движутся к аноду и в конце концов поглощаются им. Но газовый разряд не прекратится, если будут появляться новые электроны. Одним из источников новых электронов может быть поверхность катода. Дело в том что положительные ионы движутся к катоду и выбивают из него новые электроны. Другими словами, вследствие бомбардировки катода положительными ионами происходит эмиссия (испускание) электронов с поверхности катода.

Таким образом, самостоятельный газовый разряд поддерживается за счет ударной ионизации и за счет эмиссии электронов с поверхности катода.

Когда возможна ионизация электронным ударом

Чтобы электрон смог при столкновении выбить электрон из нейтральных атома или молекулы, он должен приобрести достаточную кинетическую энергию. Это может произойти в двух случаях: если электрон будет очень долго разгоняться или если он будет разгоняться очень быстро.

При нормальном давлении электроны в газах очень часто испытывают столкновения с частицами газа, поэтому электрическое поле, в котором движется электрон, должно быть достаточно сильным, чтобы электрон успел до столкновения приобрести энергию, необходимую для ионизации.

Если же давление газа очень мало, то есть газ достаточно разрежен, то время между столкновениями значительно увеличивается и электрон может приобрести энергию, необходимую для ионизации молекулы (атома), в более слабом поле.

Итоги:

При обычных условиях газ практически не содержит свободных заряженных частиц, поэтому не проводит электрический ток. Чтобы газ начал проводить ток, его необходимо ионизировать. Ионизацией газа называют процесс образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул.

Электрический ток в газах представляет собой направленное движение свободных электронов, положительных и отрицательных ионов.

Газовый разряд, происходящий только при наличии внешнего ионизатора, называют несамостоятельным газовым разрядом. Разряд в газе, происходящий без действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным газовым разрядом — он возможен за счет ионизации электронным ударом и за счет эмиссии электронов с поверхности катода.

Виды самостоятельных газовых разрядов

Яркие, а порой и опасные явления: молния, полярное сияние, пугающие неосведомленного человека «огни святого Эльма», разноцветное свечение газоразрядных трубок, ослепительный свет при сварке металла — всё это примеры различных самостоятельных газовых разрядов.

Искровый газовый разряд

При атмосферном давлении и большом напряжении между электродами возникает искровой газовый разряд. Искорки, появляющиеся, когда вы снимаете синтетический свитер; молния во время грозы; искра, возникающая между заряженными кондукторами электрофорной машины (рис. 40.1), — все это примеры искрового разряда.

Рис. 40.1. Искровой разряд между заряженными кондукторами электрофорной машины

Искровой разряд выглядит как яркие разветвляющиеся зигзагообразные полоски Он длится всего несколько десятков микросекунд и обычно сопровождается характерными звуковыми эффектами (потрескивание, треск, гром и т. п.). Дело в том, что температура газа, а следовательно, и давление в области разряда резко повышаются, в результате чего воздух быстро расширяется и возникают звуковые волны.

В технике искровой разряд используют, например, в свечах зажигания бензиновых двигателей (рис. 40.2), для обработки особо прочных металлов.

Рис. 40.2. Электрическое напряжение между электродами свечи зажигания составляет 12–15 тыс. вольт

Пример грандиозного искрового разряда в природе — молния.

Было установлено, что во время грозы происходит перераспределение зарядов в грозовой туче, поэтому разные части тучи заряжаются зарядами противоположных знаков. Обычно нижние слои тучи имеют отрицательный заряд, а верхние — положительный.

Напряжение между двумя тучами, обращенными друг к другу разноименно заряженными частями, или напряжение между тучей и Землей достигают нескольких сотен миллионов вольт. Благодаря ударной ионизации, а далее — ионизации излучением, которое сопровождает разряд, в электрическом поле между тучами появляются лавины свободных ионов и электронов, то есть возникает кратковременный самостоятельный газовый разряд — молния. Сила тока в канале молнии достигает сотен тысяч ампер.

Электрические свойства молнии первыми начали изучать независимо друг от друга российский ученый М. В. Ломоносов (рис. 40.3) и американский исследователь Б. Франклин (рис. 40.4).

Рис. 40.3. Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) — выдающийся российский ученый; один из основателей физической химии; поэт, художник, историк

Рис. 40.4. Бенджамин Франклин (1706–1790) — американский ученый, выдающийся государственный деятель. Один из первых исследователей атмосферного электричества; предложил конструкцию молниеотвода

Защита от удара молнией

Подсчитано, что в атмосфере земного шара каждую секунду проскакивает около 100 молний, и каждая двадцатая из них ударяет в землю, принося порой немалый вред. Удар молнии может вызвать лесные пожары, вывести из строя линии электропередачи и даже привести к гибели людей.

Чтобы не стать жертвой удара молнии, следует помнить, что молния чаще ударяет в относительно высокие предметы. Во время грозы нужно соблюдать следующие основные правила.

• Оказавшись во время грозы в поле, нельзя бежать, — наоборот, нужно лечь, чтобы не возвышаться над местностью.
• Во время грозы в лесу нельзя прятаться под высокими деревьями, а в поле — под одиночно стоящим деревом, копной сена и т. п.
• Во время грозы нельзя купаться в открытых водоемах, а находясь высоко в горах, лучше прятаться в пещере или под глубоким уступом.
• Если гроза застала в автомобиле, не нужно выходить из него; следует закрыть окна и двери и переждать непогоду.
• Во время грозы нельзя запускать воздушного змея: мокрая веревка становится проводником электричества, и молния может ударить в змея. При этом заряды пройдут через руку и тело человека в землю. Именно так во время эксперимента погиб друг и коллега М. В. Ломоносова российский ученый Георг Рихман (1711–1753) (рис. 40.5).

Рис. 40.5. Трагическая гибель Георга Вильгельма Рихмана 6 августа 1753 г. (гравюра)

Рис. 40.6. «Огни святого Эльма» — коронный разряд около острых концов корабельных мачт — много веков вызывали ужас у мореплавателей, которые не могли правильно объяснить их природу

Рис. 40.7. Молниеотвод (громоотвод): 1 — заостренный металлический стержень; 2 — проводник — толстый соединительный провод; 3 — металлический предмет, закопанный глубоко в землю

Коронный газовый разряд:

Перед грозой или во время грозы у острых выступов предметов иногда можно наблюдать слабое фиолетовое свечение в виде короны, охватывающей острие. Исследования показывают, что причина этого явления — самостоятельный газовый разряд, который назвали коронным (рис. 40.6). Выясним, почему и как возникает коронный газовый разряд.

На поверхности Земли под действием электрического поля грозовой тучи скапливаются (индуцируются) заряды, по знаку противоположные заряду нижнего слоя тучи. Особенно плотно такие заряды расположены на острых частях предметов. В результате электрическое поле у острия оказывается настолько сильным, что заряд стекает с заостренного предмета, ионизируя окружающий воздух. Поле является сильным только около острия, поэтому коронные разряды наблюдаются лишь возле острых частей предметов.

На возникновении коронного разряда основано действие молниеотвода. Молниеотвод представляет собой заостренный металлический стержень, соединенный толстым проводником с металлическим предметом (см. рис. 40.7). Стержень устанавливают выше самой высокой точки защищаемого дома, а металлический предмет закапывают глубоко в землю (на уровне грунтовых вод). Во время грозы на конце молниеотвода возникает коронный разряд. В результате заряд не скапливается на доме, а стекает с острия молниеотвода.

Считается, что молниеотвод изобрел Б. Франклин в 1752 г. Однако подобные конструкции существовали и раньше. Так, для защиты от молнии моряки Древней Греции привязывали веревку к лезвию меча, сам меч прикрепляли к мачте, а конец веревки опускали в море.

Дуговой газовый разряд:

В 1802 г. российский физик Василий Владимирович Петров (1761–1834) провел следующий опыт. Он присоединил два угольных электрода к полюсам большой электрической батареи, соединил электроды друг с другом, а потом немного раздвинул. Между кончиками электродов ученый наблюдал яркое дугообразное пламя, а сами кончики накалялись, излучая ослепительный белый свет. Так был получен еще один вид самостоятельного газового разряда — дуговой газовый разряд (электрическая дуга) (рис. 40.8). Какова же причина его возникновения?

Рис. 40.8. Дуговой газовый разряд

Когда электроды соединены, электрическая цепь замкнута и в ней идет достаточно сильный электрический ток. В месте соединения сопротивление цепи наибольшее, следовательно, именно здесь, согласно закону Джоуля — Ленца, выделяется наибольшее количество теплоты. Концы электродов накаляются до 4000–7000 °С, и с поверхности катода начинают «испаряться» электроны.

Теперь, даже если электроды развести, через газовый промежуток между ними будет проходить ток, так как в газе между электродами будет достаточное количество свободных заряженных частиц (свободные электроны, «испарившиеся» с катода, а также свободные электроны и ионы, появившиеся в результате ионизации газа из-за высокой температуры). В дальнейшем высокая температура катода и анода поддерживается бомбардировкой электродов положительными и отрицательными ионами и электронами, ускоренными электрическим полем.

Высокая температура ионизированного газа при дуговом разряде, а также излучение света, сопровождающее такой разряд, обеспечили широкое применение электрической дуги в науке, технике, промышленности. Электрическая дуга «работает» как мощный источник света в прожекторах. В металлургии применяют электропечи, в которых используют дуговой разряд; жаром электрической дуги сваривают металлы и т. д. (рис. 40.9).

Рис. 40.9. Применение дугового газового разряда для плавки (а) и сварки (б) металлов

Условия возникновения тлеющего газового разряда:

При низком давлении, составляющем десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба, можно наблюдать свечение разреженного газа — тлеющий газовый разряд. Напомним, что при низком давлении расстояние между частицами настолько велико, что даже в слабом электрическом поле электроны успевают за время между столкновениями с частицами газа приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации.

Тлеющий разряд используют в лампах дневного света (люминесцентных трубках), в квантовых источниках света — газовых лазерах. Кроме того, его применяют в цветных газоразрядных трубках: цвет свечения при тлеющем разряде определяется природой газа, а следовательно, может быть разным.

Итоги:

Различают четыре основных вида самостоятельных газовых разрядов.

Искровой газовый разряд возникает при атмосферном давлении и большом напряжении между электродами. Он представляет собой яркие разветвленные зигзагообразные полоски. Пример гигантского искрового разряда — молния. Удар молнии может привести к гибели, поэтому во время грозы необходимо строго соблюдать правила безопасности.

Самостоятельный газовый разряд, образующийся в сильном электрическом поле вблизи острых выступов предметов, называют коронным газовым разрядом.

При температуре 4000–7000 °С между электродами, разведенными на небольшое расстояние, возникает газовый разряд, сопровождающийся очень ярким свечением в форме дуги, — дуговой газовый разряд.

При низком давлении (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) можно наблюдать свечение разреженного газа вследствие тлеющего разряда.