План на урока. Тема Електрически ток Електрическа проводимост. Разновидности на електрически ток: електронна теория на структурата, електрически ток в проводник, ток на проводимост, плътност на тока, електрическо напрежение, величина, единици
Скоростта на разпространение на електрически ток .. Скоростта на движение на носителите на заряд в електрическо поле .. Какво определя скоростта на дрейфа на носителите на заряд? .. Топлинен ефект на тока ..
При изучаване на електрически ток често възникват трудности при разбирането на процесите, които се случват на атомно ниво и са недостъпни за сетивата ни - електричество не може да се види, чуе или докосне. Това поражда редица въпроси, по-специално: защо проводниците се нагряват? Каква е скоростта на електроните в проводник и от какво зависи? Защо, когато натиснем превключвателя, светлината се включва почти мигновено? Нека се опитаме да го разберем заедно и да отговорим на тези и други въпроси, които ви интересуват.
Защо крушката светва почти моментално?
На първо място, трябва да разграничавате и да не бъркате понятия « скорост на разпространение на електрически ток"И" скорост на носителя"Не са едно и също нещо.
Когато говорим за скоростта на разпространение на електрически ток в проводник, това означава скоростта на разпространение по проводника електрическо полекоето е равно на скоростта на светлината (≈ 300 000 км / сек).
Това обаче не означава, че движението на носители на заряд в проводник се осъществява с тази огромна скорост. Въобще не.
Движението на носители на заряд (в проводника това са свободни електрони) винаги е доста бавно, със скоростта на насочен дрейф от фракции от милиметър преди няколко милиметра в секунда, тъй като електрическите заряди, сблъсквайки се с атомите на веществото, преодоляват повече или по-малко съпротивление на тяхното движение в електрическо поле.
Но въпросът е в товаче в проводника има много, много свободни електрони (ако всеки меден атом има един свободен електрон, тогава в проводника има толкова много подвижни електрони, колкото медни атоми). Налични са свободни електрони навсякъде в електрическа веригавключително, но не само, нажежаемата жичка на крушката, която е част от тази верига.
При свързване на проводник към източник електрическа енергия в него се разпространява електрическо поле (със скоростта на светлината), което започва да действа върху ВСИЧКИ свободни електрони почти едновременно.
Следователно не наблюдаваме никакво забавяне между затварянето на контактите на превключвателя и началото на сиянието на крушка, разположена на десетки или стотици километри от електроцентралата. Включихме напрежението, свободните електрони започнаха да се движат (в цялата верига едновременно), прехвърляха заряда, прехвърляха кинетична енергия към атомите на волфрама (нажежаема жичка), последният се нагряваше до светене - и крушката е включена.
Кога променлив ток за да се получи необходимата топлина (разсейване на мощността на нажежаемата жичка), посоката на тока няма значение. Свободните електрони трептят в съответствие с промените в електрическото поле и носят заряд напред-назад. В този случай електроните се сблъскват с атомите на кристалната решетка на волфрам, прехвърляйки енергията си към тях. Това кара нишката на крушката да се нагрява и свети.
Какво определя скоростта на дрейфа на носителите на заряд?
Относно скоростта на носителите на заряд също засяга съпротивление на проводника ... Тънкият проводник има повече съпротива, проводникът с голям диаметър има по-малко съпротивление. Съответно, в тънък проводник скоростта на потока на свободните електрони ще бъде по-голяма, отколкото в дебелия проводник (при същия ток).
Материалът на проводника също има значение:в алуминиев проводник скоростта на електронния поток ще бъде по-голяма, отколкото в меден проводник със същото сечение. Това означава, наред с други неща, че същият ток ще загрява алуминиевия проводник повече от медния.
Топлинен ефект на тока
При липса на електрическо поле свободните електрони се движат хаотично в металния кристал. Под действието на електрическо поле, свободните електрони, освен хаотично движение, придобиват подредено движение в една посока и в проводника възниква електрически ток.
Свободни електрони се сблъскват с йоните на кристалната решетка, придавайки им при всяко сблъсък кинетичната енергия, придобита по време на свободен път под действието на електрическо поле. В резултат на това подреденото движение на електрони в метал може да се разглежда като равномерно движение с определена постоянна скорост.
Тъй като кинетичната енергия на електроните, придобити под действието на електрическо поле прехвърлени в решетъчни йони в случай на сблъсък, проводникът се загрява по време на преминаването на постоянен ток.
В случай на променлив ток има същия ефект. Единствената разлика е, че електроните не се движат в една посока, но под действието на променливо електрическо поле те се колебаят напред и назад с мрежовата честота (50/60 Hz), оставайки практически на място.
В този случай електроните също се сблъскват с атомите на кристалната решетка на метала, предават своята кинетична енергия и това води до нагряване на кристалната решетка. С достатъчно големи стойности ток, силно нагрятата решетка може дори да загуби постоянни връзки (металът ще започне да се топи).
Постоянният ток е ток, чиято посока и величина не се променят с течение на времето.
Променлив ток е ток, чиято величина и посока се променят с времето. В широк смисъл под променлив ток се разбира всеки ток, който не е постоянен. Сред променливите токове основният е токът, чиято стойност се променя съгласно синусоидален закон. В този случай потенциалът на всеки край на проводника се променя по отношение на потенциала на другия край на проводника последователно от положителен към отрицателен и обратно, преминавайки през всички междинни потенциали (включително нулев потенциал). В резултат възниква ток, който непрекъснато променя посоката: когато се движи в една посока, той се увеличава, достигайки максимум, наречен амплитудна стойност, след това намалява, за момент става равен на нула, след това отново се увеличава, но в другата посока и също достига максималната стойност , пада, след което отново преминава през нула, след което цикълът на всички промени се възобновява.
Квазистационарен ток - „относително бавно променлив променлив ток, за моментните стойности на които законите на постоянните токове се изпълняват с достатъчна точност“ (TSB). Тези закони са закон на Ом, правила на Кирххоф и други. Квазистационарен ток, подобно на постоянен ток, има еднаква сила на тока във всички секции на неразклонена верига. При изчисляване на веригите на квазистационарен ток поради възникващия e. и т.н. с. индукциите на капацитет и индуктивност се вземат предвид като съчетани параметри. Обикновените индустриални токове са квазистационарни, с изключение на токове в далекопроводи, при които условието за квазистационарност по линията не е изпълнено.
Скоростта на насоченото движение на частиците в проводниците зависи от материала на проводника, масата и заряда на частиците, околната температура, приложената потенциална разлика и е много по-малка от скоростта на светлината. За 1 секунда електроните в проводника се движат поради подредено движение с по-малко от 0,1 mm. Въпреки това скоростта на разпространение на самия електрически ток е равна на скоростта на светлината (скоростта на разпространение на фронта на електромагнитната вълна). Тоест мястото, където електроните променят скоростта си на движение след промяна на напрежението, се движи със скоростта на разпространение електромагнитни вълни.
Сила и плътност на тока
Електрическият ток има количествени характеристики: скаларна - сила на тока и вектор - плътност на тока.
Радиационното съпротивление се причинява от генерирането на електромагнитни вълни около проводника. Това съпротивление е в сложна зависимост от формата и размера на проводника, от дължината на излъчената вълна. За единичен прав проводник, при който навсякъде токът с една и съща посока и сила и дължината на който L е много по-малка от дължината на излъчваната от него електромагнитна вълна λ (\\ displaystyle \\ lambda), зависимостта на съпротивлението от дължината на вълната и проводника е относително проста:
R \u003d 3200 (L λ) (\\ displaystyle R \u003d 3200 \\ ляво ((\\ frac (L) (\\ lambda)) \\ дясно))Най-често използваният електрически ток със стандартна честота 50 Hz съответства на вълна с дължина около 6 хиляди километра, поради което мощността на лъчението обикновено е незначителна в сравнение с мощността на топлинните загуби. С увеличаване на честотата на тока обаче дължината на излъчената вълна намалява и мощността на излъчване съответно се увеличава. Проводник, способен да излъчва забележима енергия, се нарича антена.
Честота
Честотата се отнася до променлив ток, който периодично се променя в силата и / или посоката. Това включва и най-често използвания синусоидален ток.
Периодът на променлив ток е най-малкото време (изразено в секунди), след което промените в тока (и напрежението) се повтарят. Броят на периодите, изпълнявани от тока за единица време, се нарича честота. Честотата се измерва в херци, един херц (Hz) съответства на един цикъл в секунда.
Ток на отклонение
Понякога, за удобство, се въвежда концепцията за ток на изместване. В уравненията на Максуел токът на изместване присъства наравно с тока, причинен от движението на зарядите. Интензивност магнитно поле зависи от общия електрически ток, равен на сумата от тока на проводимост и тока на изместване. По дефиниция плътността на тока на отклонение j D → (\\ displaystyle (\\ vec (j_ (D)))) е векторна величина, пропорционална на скоростта на промяна на електрическото поле E → (\\ displaystyle (\\ vec (E))) на време:
j D → \u003d ∂ E → ∂ t (\\ displaystyle (\\ vec (j_ (D))) \u003d (\\ frac (\\ частичен (\\ vec (E))) (\\ частичен t)))Факт е, че когато се променя електрическото поле, както и когато тече ток, се генерира магнитно поле, което прави тези два процеса сходни помежду си. В допълнение, промяната в електрическото поле обикновено се придружава от трансфер на енергия. Например, когато зареждате и разреждате кондензатор, въпреки факта, че между неговите плочи няма движение на заредени частици, те говорят за протичащ през него ток на изместване, носещ малко енергия и затварящ електрическата верига по особен начин. Ток на отклонение I D (\\ displaystyle I_ (D)) в кондензатора се определя по формулата:
ID \u003d d Q dt \u003d - C d U dt (\\ displaystyle I_ (D) \u003d (\\ frac ((\\ rm (d)) Q) ((\\ rm (d)) t)) \u003d - C (\\ frac ( (\\ rm (d)) U) ((\\ rm (d)) t))),където Q (\\ displaystyle Q) - зареждане на кондензаторни плочи, U (\\ displaystyle U) - потенциалната разлика между плочите, C (\\ displaystyle C) - капацитетът на кондензатора.
Токът на изместване не е електрически ток, тъй като не е свързан с движението на електрически заряд.
Основни видове проводници
За разлика от диелектриците, проводниците имат свободни носители на некомпенсирани заряди, които под действието на сила, като правило, чрез разлика в електрическите потенциали, задействат и създават електрически ток. Волт-амперната характеристика (зависимост на силата на тока от напрежението) е най-важната характеристика на проводник. За метални проводници и електролити той има най-простата форма: силата на тока е право пропорционална на напрежението (закон на Ом).
Метали - тук носителите на тока са проводими електрони, които обикновено се разглеждат като електронен газ, ясно показващ квантовите свойства на изроден газ.
Плазмата е йонизиран газ. Електрическият заряд се носи от йони (положителни и отрицателни) и свободни електрони, които се образуват под действието на радиация (ултравиолетово, рентгеново и други) и (или) нагряване.
Електролитите са „течни или твърди вещества и системи, в които йоните присъстват във всякаква забележима концентрация, която причинява преминаването на електрически ток“. В процеса се образуват йони електролитна дисоциация... При нагряване съпротивлението на електролитите намалява поради увеличаване на броя на молекулите, разложени на йони. В резултат на преминаването на ток през електролита, йоните се доближават до електродите и се неутрализират, утаявайки се върху тях. Законите на Фарадей за електролиза определят масата на веществото, отделено върху електродите.
Има и електрически ток на електрони във вакуум, който се използва в катодно-лъчеви устройства.
Електрически токове в природата
Електрическият ток се използва като носител на сигнали с различна сложност и видове в различни области (телефон, радио, контролен панел, бутон за заключване на вратата и т.н.).
В някои случаи се появяват нежелани електрически токове, като бездомни или късо съединение.
Използване на електрически ток като носител на енергия
- получаване на механична енергия във всички видове електродвигатели,
- получаване на топлинна енергия в отоплителни устройства, електрически пещи, по време на електрическо заваряване,
- получаване на светлинна енергия в осветителни и сигнални устройства,
- възбуждане на електромагнитни трептения на високочестотни, свръхвисоки честоти и радиовълни,
- получаване на звук,
- получаване различни вещества чрез електролиза, зареждане на електрически батерии. Тук електромагнитната енергия се превръща в химическа енергия,
- създаване на магнитно поле (в електромагнити).
Използването на електрически ток в медицината
- диагностика - биотоковете на здрави и болни органи са различни, докато е възможно да се определи заболяването, причините за него и да се предпише лечение. Физиология секция изучаване електрически явления в тялото се нарича електрофизиология.
- Електроенцефалографията е метод за изследване на функционалното състояние на мозъка.
- Електрокардиографията е техника за записване и изучаване на електрически полета по време на работата на сърцето.
- Електрогастрографията е метод за изследване на двигателната активност на стомаха.
- Електромиографията е метод за изследване на биоелектрическите потенциали, възникващи в скелетните мускули.
- Лечение и реанимация: електрическа стимулация на определени области на мозъка; лечение на болестта на Паркинсон и епилепсия, също и за електрофореза. Пейсмейкър, който стимулира сърдечния мускул с импулсен ток, се използва при брадикардия и други сърдечни аритмии.
електрическа безопасност
Той включва правни, социално-икономически, организационни и технически, санитарно-хигиенни, лечебно-профилактични, рехабилитационни и други мерки. Правилата за електрическа безопасност се регулират от правни и технически документи, нормативна и техническа база. Познаването на основите на електрическата безопасност е задължително за персонала, обслужващ електрически инсталации и електрическо оборудване. Човешкото тяло е проводник на електрически ток. Човешката устойчивост със суха и непокътната кожа варира от 3 до 100 kΩ.
Токът, преминал през човешкото или животинското тяло, произвежда следните действия:
- термична (изгаряния, нагряване и увреждане на кръвоносните съдове);
- електролитни (разлагане на кръв, нарушение на физическия и химичния състав);
- биологични (дразнене и възбуда на телесните тъкани, конвулсии)
- механично (разкъсване на кръвоносни съдове под въздействието на парно налягане, получено при нагряване с кръвен поток)
Основният фактор, определящ резултата от токов удар, е количеството ток, преминаващо през човешкото тяло. От съображения за безопасност електрическият ток се класифицира, както следва:
- безопасно се счита ток, чието продължително преминаване през човешкото тяло не му вреди и не предизвиква никакви усещания, стойността му не надвишава 50 μA (променлив ток 50 Hz) и 100 μA постоянен ток;
- минимално доловим човешкият променлив ток е около 0.6-1.5mA (AC 50Hz) и 5-7mA DC;
- праг не пускай се нарича минимален ток на такава сила, при която човек вече не е в състояние да откъсне ръцете си от живата част с усилие на волята. За променлив ток той е около 10-15 mA, за постоянен - \u200b\u200b50-80 mA;
- праг на мъждене се нарича променлив ток (50 Hz) от около 100 mA и 300 mA постоянен ток, чието въздействие за повече от 0,5 s е вероятно да причини фибрилация на сърдечните мускули. Този праг едновременно се счита за условно фатален за хората.
В Русия, в съответствие с Правилата за техническа експлоатация на електрическите инсталации на потребителите и Правилата за защита на труда по време на експлоатацията на електрическите инсталации, са установени 5 квалификационни групи за електрическа безопасност в зависимост от квалификацията и опита на служителя и напрежението на електрическите инсталации.
Вижте също
- Ток на утечка
Бележки
Литература
- Баумгарт К.К.,. // Енциклопедичен речник на Брокхаус и Ефрон: в 86 тома (82 тома и 4 допълнителни). - SPb. , 1890-1907.
". Днес искам да засегна такава тема като електрически ток. Какво е? Нека се опитаме да си припомним училищната програма.
Електрическият ток е нареденото движение на заредени частици в проводник
Ако си спомняте, за да се движат заредените частици, (има електрически ток) трябва да създадете електрическо поле. За да възникне електрическо поле, човек може да проведе такива елементарни експерименти като триене на пластмасова дръжка върху вълна и това ще привлича леки предмети за известно време. Телата, способни да привличат предмети след триене, се наричат \u200b\u200bнаелектризирани. Можем да кажем, че тялото в това състояние има електрически заряди, а самите тела се наричат \u200b\u200bзаредени. От училищната програма знаем, че всички тела са съставени от най-малките частици (молекули). Молекулата е частица от материя, която може да се отдели от тялото и тя ще притежава всички свойства, присъщи на това тяло. Молекули на сложни тела се образуват от различни комбинации от атоми на прости тела. Например, водната молекула се състои от две прости: кислороден атом и един водороден атом.
Атоми, неутрони, протони и електрони - какви са те?
На свой ред атомът се състои от ядро \u200b\u200bи се върти около него 
електрони. Всеки електрон в атома има малък електрически заряд. Например водородният атом се състои от ядрото на електрон, въртящ се около него. 
Ядрото на атома от своя страна се състои от протони и неутрони. Ядрото на атома от своя страна има електрически заряд. Протоните, изграждащи ядрото, имат еднакви електрически заряди и електрони. Но протоните, за разлика от електроните, са неактивни, но тяхната маса е в пъти по-голяма от масата на електрон. 
Частицата неутрон, която е част от атома, няма електрически заряд, е неутрална. Електроните, които се въртят около ядрото на атома и протоните, които изграждат ядрото, са носители на равни електрически заряди. Сила на взаимно привличане винаги действа между електрон и протон, а между самите електрони и между протоните има сила на взаимно отблъскване. Поради това електронът има отрицателен електрически заряд, а протонът е положителен. От това можем да заключим, че има 2 вида електричество: положително и отрицателно. Наличието на еднакво заредени частици в атома води до факта, че силите на взаимно привличане действат между положително зареденото ядро \u200b\u200bна атома и електроните, въртящи се около него, задържайки атома заедно. Атомите се различават един от друг по броя на неутроните и протоните в ядрата, поради което положителният заряд на ядрата на атомите на различни вещества не е еднакъв. За атомите на различни вещества броят на въртящите се електрони не е еднакъв и се определя от величината на положителния заряд на ядрото. Атомите на някои вещества са здраво свързани с ядрото, докато в други тази връзка може да е много по-слаба. Това обяснява различната сила на телата. Стоманената тел е много по-здрава от медта, което означава, че частиците на стоманата са по-привлечени един от друг, отколкото частиците от мед. Привличането между молекулите е особено забележимо, когато те са близо една до друга. Повечето ярък пример - две капки вода се сливат в една при контакт.
Електрически заряд
В атома 
на всяко вещество броят на електроните, въртящи се около ядрото, е равен на броя на протоните, съдържащи се в ядрото. Електрическият заряд на електрон и протон са равни по големина, което означава, че отрицателният заряд на електроните е равен на положителния заряд на ядрото. Тези заряди взаимно се балансират и атомът остава неутрален. В атома електроните създават електронна обвивка около ядрото. Електронната обвивка и ядрото на атома са в непрекъснато колебателно движение. Докато атомите се движат, те се сблъскват помежду си и от тях се излъчват един или повече електрони. Атомът престава да бъде неутрален, става положително зареден. Тъй като положителният му заряд е станал по-отрицателен (слаба връзка между електрона и ядрото - метал и въглища). Други тела (дърво и стъкло) имат нарушение електронни черупки няма да се случи. След като откъснат атомите, свободните електрони се движат произволно и могат да бъдат уловени от други атоми. Процесът на поява и изчезване в тялото протича непрекъснато. С повишаване на температурата скоростта на вибрационното движение на атомите се увеличава, сблъсъците стават по-чести, стават по-силни, броят на свободните електрони се увеличава. Тялото обаче остава електрически неутрално, тъй като броят на електроните и протоните в тялото не се променя. Ако премахнете определено количество свободни електрони от тялото, тогава плюс зарядът става по-голям от общия заряд. Тялото ще се зарежда положително и обратно. Ако в тялото се създаде липса на електрони, то то се зарежда допълнително. Ако излишъкът е отрицателен. Колкото повече е този дефицит или излишък, толкова повече електрически заряд... В първия случай (по-положително заредени частици) телата се наричат \u200b\u200bпроводници (метали, водни разтвори соли и киселини), а във втория (липса на електрони, отрицателно заредени частици) диелектрици или изолатори (кехлибар, кварц, ебонит). За продължителното съществуване на електрически ток в проводника трябва постоянно да се поддържа потенциална разлика.
Е, ето малко курс по физика приключи. Мисля, че с моя помощ си спомнихте училищната програма за 7 клас и каква е потенциалната разлика, която ще анализираме в следващата ми статия. До следващия път на сайта.
И др. За посоката на тока вземете посоката на движение на положително заредени частици; ако токът се създава от отрицателно заредени частици (например електрони), тогава посоката на тока се счита противоположна на посоката на движение на частиците.
Разграничете електрическия ток на проводимост, свързан с движението на заредени частици спрямо определена среда (т.е. вътре в макроскопични тела), и конвекционния ток - движението на макроскопичните заредени тела като цяло (например заредени дъждовни капки).
Ако във веригата е установен електрически ток, това означава, че през напречното сечение на проводника постоянно се пренася електрически заряд. Зарядът, прехвърлен за единица време, служи като основна количествена характеристика на тока, наречена сила на тока. Силата на тока е равна на съотношението на количеството заряд, прехвърлено през напречното сечение на проводника за определен интервал от време към продължителността на този интервал. Ако силата на тока и неговата посока не се променят с течение на времето, тогава токът се нарича постоянен ток.
За появата и съществуването на електрически ток е необходимо да има свободни положително или отрицателно заредени частици, които не са свързани в една електрически неутрална система, и сила, която създава и поддържа тяхното подредено движение. Обикновено силата, предизвикваща това движение, е силата от електрическото поле в проводника, която се определя от електрическото напрежение в краищата на проводника.
Най-важната характеристика на проводник е зависимостта на силата на тока от напрежението - характеристиката на тока и напрежението. Той има най-простата форма за метални проводници и електролити: токът е право пропорционален на напрежението (закон на Ом).
Протичайки през вещество, електрическият ток може да осигури магнитни, топлинни, химическа атака... Магнитното действие се състои в появата на магнитно поле, това действие е универсално, проявява се във всички проводници без изключение. Термичният ефект на електрическия ток се състои в нагряване на веществото, през което протича токът (с изключение на свръхпроводниците , при които няма отделяне на топлина). Химичното действие се наблюдава главно в електролитите и се състои в възникването на химични реакции под въздействието на електрически ток (например по време на електролиза).
Максуел въвежда концепцията за общия ток, който, в съответствие с неговата теория, винаги е затворен: само проводящият ток се отчупва в краищата на проводника, а в диелектрика (вакуум) има изместващ ток между краищата на проводника, който затваря тока на проводимост. Следователно, плътността на общия електрически ток j е равна на сумата от плътността на тока на проводимост j и плътност на тока на отклонение j см, и определя създаденото от него магнитно поле.
J пълен \u003d j +? D /? T
Способността на веществата да провеждат електрически ток варира значително за различните материали и се характеризира с електрическа проводимост. Проводниците, поради наличието в тях на голям брой подвижни заредени частици - носители на заряд, провеждат добре електрически ток. Концентрацията на носители на заряд в диелектриците е изключително ниска и дори при високи напрежения те служат като добри изолатори. В металите свободните заредени частици - носители на ток - са проводими електрони, чиято концентрация практически не зависи от температурата и е 10 22 -10 23 cm -3. В електролитите електрическият ток се дължи на насоченото движение на положителни и отрицателни йони, образувани в резултат на електролитна дисоциация.
Газовете от неутрални молекули са диелектрици. Само йонизирани газове - плазма - провеждат електрически ток. Носителите на плазмен ток са положителни и отрицателни йони (както в електролитите) и свободни електрони (както в металите).
Глава V1. DC ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ТОК
В 7-ми клас фантазирахме какво ще се случи, ако силата на триене изчезне, което между другото се дължи на електрическите взаимодействия между молекулите и атомите на различни тела.
Сега си представете, че всички устройства, които използват електрически взаимодействия, са изключени за няколко минути. Би било катастрофа. Асансьорът, влаковете на метрото, електрическите влакове ще спрат, подаването на вода до къщите и въздух към мините ще спре. Самолетите няма да могат да кацат, радиото и телевизията ще спрат да работят, телефоните ще бъдат заглушени и т.н.
И създаването на всички тези устройства започна с най-простото наблюдение на това как малки частици се придържат към кехлибар, носени върху коприна. Съвременното общество не може да си представи живота без електричество.
§53 Преобразуване на енергия, когато зарядът се движи в електрическо поле.
Поради електрическите взаимодействия тялото с заряд може да промени енергията си. Помислете за няколко мисловни експеримента. Нека на върха на планината има заряд, който създава електрическо поле
В подножието на планината ще сложим каруца със заряд от противоположния знак. Електрическото поле ще кара количката нагоре по хълма. Ще приемем, че полето, зарядът и масата на количката са такива, че това движение е възможно.
Какво виждаме? В резултат на работата, извършена от електрическото поле, потенциалната енергия на количката се увеличава.
Нека измислим мисловен експеримент, който ще демонстрира превръщането на енергията на електрическо поле в кинетичната енергия на заредена количка.
Когато отрицателно заредена количка се движи по хоризонтална повърхност, нейната скорост ще се увеличи под въздействието на електрическо поле. (Можем психически да направим триенето много малко.)
В същото време кинетичната енергия на количката E k \u003d mv 2/2 се увеличава. Ако създадете триене, така че количката да се движи по хоризонтална повърхност, без да увеличава скоростта си, количката и повърхността, по която се движи, ще се нагреят, т.е. енергията на електрическото поле може да се превърне във вътрешна енергия.
В трите разгледани случая енергията на електрическото поле намалява, тъй като когато заредената количка се приближава към заряда, създаващ полето, силата зад количката намалява. Нека си представим, че капка вода със същата величина, но противоположна по знак, е привлечена към положително заредена топка. Между тях има поле, изгледът на който е показан в
С наближаването на падането до топката, скоростта му, а оттам и кинетичната енергия, се увеличава. В момента на контакт на капката с топката зарядът им ще бъде равен на нула. Полето ще изчезне, тоест цялата енергия на полето ще се превърне в механична и термична.
За пореден път подчертаваме, че работата от електрическо поле се извършва само при движение на заредено тяло. Освен това, колкото повече заряд се е преместил, толкова повече работа се извършва от полето. В този случай самото поле се променя и неговата енергия намалява, ако общата енергия на движещия се заряд на заряда се увеличи.
Колкото по-кратко е времето за пътуване на заряда, толкова по-голяма е мощността на полето. Например, когато мълния се появи между два облака
Електрическото поле може да работи, когато заредено тяло се движи.
Поради извършването на работа от електрическо поле, потенциалът, кинетичната и вътрешната енергия на тялото могат да се променят.
Упражнение 53.
- Количката е в поле с напрежение 10 000 V / m. Каква е силата, действаща върху количката, ако зарядът й е 5 μC? Каква работа ще свърши електрическото поле, когато количката се движи на 10 см по силовите линии?
Заредената топка, движеща се под действието на силите на електрическото поле, увеличи кинетичната енергия с 3 J. Каква работа свърши електрическото поле?
Когато заряд от 6 μC се движеше в еднородно електрическо поле на разстояние 0,5 m, скоростта му се увеличава от 0 до 2 m / s. Каква е силата на електрическото поле, ако масата на заряда е 4g?
В топлоизолирана тръба с дестилирана вода лека светлинна топка със заряд 10 μC се движи на разстояние 1 m под действието на електрическо поле със сила 10 000 V / m. С колко ще се повиши температурата на водата, ако нейната маса е 20 g? Масата на топката може да бъде пренебрегната. Помислете, че цялата работа е насочена към увеличаване на вътрешната енергия на водата. Специфична топлина вода 4200 J / kg град.
§54 Електрически ток. Сила на тока.
Представете си лъч протони, т.е. огромен брой протони, летящи в една посока. (Такива лъчи се създават от учени в лаборатории и в производството.)
По същия начин, както движението на автомобили по магистрала в една посока се нарича товарен поток. Ако стоите отстрани на пътя, можете да изчислите каква е масата на товара, преминаващ покрай вас за един час. Тази стойност характеризира интензивността на движението на товара. Можете да сравните по кой път се движат повече стоки.
И така, ако 10 19 протона прелитат покрай наблюдателя в една посока за една секунда, тогава общият им заряд е 1,6 C ампераж 1,6 Cl / s.
Електрическият ток има посока. Посоката на движение се приема като посока на електрическия ток положителни заряди, в нашия случай - протони. Ако отрицателно заредените частици се движат насочено, тогава посоката на електрическия ток е обратна на движението на тези частици.
Не само положително и отрицателно заредени частици (например електрони) могат да участват едновременно в движението на зарядите. Ако положително и отрицателни заряди движат се в една посока, таксите им се изваждат; ако в обратното, тогава таксите им се сумират.
Например, ако 12 частици със заряд от +2 С прелетяха покрай наблюдателя в кошницата за 1 секунда, а 4 частици със заряд от –1 С прелетяха в същата кошница, тогава ампераж 20 C / s. (Зарядът на кошницата, в която са попаднали тези частици, се увеличава с 20 С в секунда).
Ако положителните частици летят в кошницата, а отрицателните излитат от нея, тогава зареждането на кошницата се увеличава с 28 C за 1 секунда. Например 4 частици със заряд –1 C, излъчени от кошницата, увеличават заряда си с 4 C. Силата на тока е 28 C / s.
Посоката на тока съвпада със скоростта на положителните частици и срещуобратната скорост е отрицателна.
Силата на тока се измерва в ампери (A). Тази единица е кръстена на френския физик А. Ампер (1775 - 1836). С ток от един ампер, заряд от един кулон преминава през напречното сечение на проводника всяка секунда.
Използват се дробни и множество единици mA, μA, kA.
Нажежаемата жичка на електрическата крушка се загрява поради факта, че под действието на електрическо поле в нея възниква насочено движение на електрони. При това ампераж в нишка около 0,5 А. Какво означава това? Ако мислено пресечем нишката с равнина
и изчисляваме какъв заряд е преминал през тази равнина (нарича се напречно сечение), тогава откриваме, че за една секунда този заряд е 0,5 C, за 5 секунди - 2,5 C.
Аз
Аз = q/ т
За измерване на силата на тока се използват устройства, наречени амперметри.
За измерване на силата на тока се използват устройства, наречени амперметър.
Насоченото движение на заредените частици се нарича електрически ток.
Големината на заряда на всички частици, прелитащи покрай наблюдателя за 1 секунда, се нарича текуща сила.
Електрическият ток има посока.
Посоката на движение на положителните заряди се приема като посока на електрическия ток.
Силата на тока се измерва в ампери (1 A)
С ток от един ампер, заряд от един кулон преминава през напречното сечение на проводника всяка секунда.
Текущата сила се обозначава с букватаАз
Упражнение 54.
Електронният пистолет "изстрелва" 10 18 електрона в секунда. Каква е текущата сила на електронния лъч?
В разтопената готварска сол хлорните йони се движат със заряд -1,6 10 -19 ° С, а натриевите йони със заряд +1,6 10 -19 ° С. 10 19 натриеви йони преминаха през напречното сечение отдясно наляво за 1 секунда и 2 10 19 хлорни йони отляво надясно през същата секунда. Каква е текущата сила?
Електронен лъч с ток 1 μA е насочен към незаредена метална топка. Какъв ще бъде зарядът на топката след 5 s?
Каква ще бъде силата на полето на повърхността на топката (вж. Задача 3), ако радиусът й е 1 см?
Капки със заряд от 0,1 μC падат от пипетата. 10 капки паднаха за 10 секунди. Колко се е променил зарядът на пипетата с останалата течност? Каква е средната сила на тока (съотношението на общия заряд, преминал към времето, през което този заряд е преминал)?
Задачи
1. Вземете пластмасова бутилка, напълнете я с вода. Направете дупка на капака. Дупката трябва да е достатъчно голяма, за да могат въздушните мехурчета да проникнат в бутилката. Запушете бутилката. Обърнете бутилката с главата надолу върху мивка или вана.
Какво трябва да се направи, за да не се движат мехурчетата? Внимавайте за покачването на въздушните мехурчета. Представете си, че всеки балон носи заряд от -10 mC. Определете средния "ток". Каква е посоката на течението?
2. Потопете двадесет малки (по-малки от главата на кибрит) парченца пластилин с неправилна форма в същата бутилка. Обърнете рязко бутилката с главата надолу. Измерете времето, необходимо на всички парчета да достигнат тапата. Определете средната сила на тока, като приемете, че всяко парче носи заряд от + 30 mC. Как ще се промени текущата сила на сила, ако вместо вода в бутилката имаше желе?
*** За заинтересованите
По време на експерименти с електрическа машина физиците забелязали, че електричеството се прехвърля от втрит стъклен кръг към проводник. Много пъти те се опитваха да изхвърлят Лейденския буркан през дълга редица хора, хванати за ръце. Но никой не изрази ясна мисъл за възможността за дълъг поток на електричество през проводници. Понятието електрически ток е въведено в науката по-късно от италианския физик Волта.
Откриването на течението е предшествано от експериментите на италианския анатом Луиджи Галвани (1737-1798), който изследва ефекта на електрически разряд върху мускулите и нервите на мъртва жаба. Разтоварване на проводника електрическа машина през нерва на жабешки крак, свързан с метална жица към земята, той наблюдава конвулсивни мускулни контракции. В това още нямаше нищо неочаквано. Конвулсивни мускулни контракции са наблюдавани и при изписване лайденски буркан„Чрез верига от хора, държащи се за ръце. Но случайността позволи на експериментатора да наблюдава удивителен феномен.
Върху металната пластмаса лежеше жабешки крак. За да не вземе крака с ръце, Галвани го закачи с медна кука. Докоснал случайно края на куката до желязната плоча, Галвани с изненада забелязал, че мускулите на крака на жабата се свиват, сякаш от електрически разряд. Размишлявайки върху причината за това явление, Галвани решава, че в мускулите на жабата се съдържа "животинско електричество". Следователно, когато нервът е свързан с мускулите чрез проводници (медна кука и желязна плоча), се получава разряд.
Откритието на Галвани заинтересува италианския физик Волта, който започна да тества тези експерименти, за да провери дали наистина съществува „животинско електричество“. Поставяйки парче метално фолио на върха на езика си и сребърна монета на върха на езика си и ги свързваше с тънка тел, той вкуси кисело. Волта предполага, че причината за явлението, наблюдавано от Галвани, е наличието на два метала (медна кука и желязо). Воден от тази мисъл, той организира много експерименти и накрая прави важно откритие, както се съобщава през 1800 г. в Лондон кралско общество... Волта пише, че е намерил нов източник на електричество. Устройството се зарежда само и се разрежда непрекъснато. В същото време той даде и описание на устройството си, подредено по следния начин.
Волта взе няколко десетки цинкови и медни халби. Той сложи халбите в колона, редувайки мед и цинк, и ги подреди с картонени халби, напоени с разтвор на натриев хлорид. Когато Волта докосна долната медна халба с едната ръка и горната цинкова халба с другата, той преживя силен токов удар. В този случай устройството не беше разредено и без значение колко пъти експериментаторът докосваше кръговете, въздействието се повтаряше, т.е.зарядът на електричество се появяваше непрекъснато.
Това беше нов източник на електричество - „волтовият полюс“, който физиците веднага започнаха да използват.
Руският физик В. В. Петров (1761-1834) построи за своите експерименти батерия от 4200 медни и цинкови кръга, опаковани в четири дървени кутии. За изолация той покри вътрешните стени на кутиите с восъчен лак. След като свърза два въглеродни пръта (електроди) с меден проводник (към горния и долния кръг) на стълбовете на батерията и приближи краищата им, В. В. Петров видя, че между тях се появява ярка дъга. Тя освети лабораторията и когато физикът започна да вкарва парчета метали в нея, те се разтопиха много бързо. Това беше така наречената волтова дъга.
Така беше открито ново явление - електрически ток.
§55 Топлинен ефект на електрически ток
Това, което отличава проводниците от диелектриците, е, че заредените частици могат да се движат насочено в тях.
В металите такива частици са електрони, в проводящи течности (електролити) - йони, в плазмата - йони и електрони.
При липса на електрическо поле всички частици се движат хаотично. Средната кинетична енергия на всички частици е еднаква.
Когато в проводника се появи електрическо поле, заредените частици започват да се движат по силовите линии.
Поддържане на хаотично топлинно движение. Фигурата показва скоростите на топлинно движение на частиците.
Положително заредените частици се движат по посока на силата на полето, отрицателно - към него възниква електрически ток. Частиците, движейки се, придобиват допълнителна енергия, която се прехвърля върху незаредени частици поради хаотични сблъсъци. В резултат на това кинетичната енергия на всички частици се увеличава, т.е. повишава се температурата и вътрешната енергия на тялото.
Следователно електрическият ток в веществото го кара да се нагрява. Това явление се нарича топлинен ефект на електрически ток.
Топлинен ефект на електрически ток използва се в електрически нагреватели.
В ежедневието се използват много различни електрически отоплителни устройства. Те включват: електрическа камина, която осигурява допълнителна топлина в мястото на стаята, където имате нужда; електрически кана, тенджери за кафе се използват за нагряване на вода; храната се приготвя бързо на електрически печки; мократа коса може бързо да се изсуши с поток сух горещ въздух, създаден от електрически сешоар; Домакините гладят измитото бельо с електрическа ютия. Този списък може да бъде продължен. Нека се спрем подробно на отделни устройства.
В модерните апартаменти в кухните са инсталирани електрически печки. Те замениха печки на твърдо гориво и газови печки, тъй като те са по-екологични: няма продукти от горенето на твърдо гориво / пепел, шлака, дим /, няма замърсяване на околната среда. Електрическите печки имат и технически предимства: те са оборудвани с автоматична система за контрол на температурата, която дава възможност за автоматично изключване от електрическа мрежа целия или част от уреда / електрически нагревателен елемент на фурната или котлона /. Когато електрическият нагревател се охлади, той автоматично се свързва отново към мрежата.
Домашно строителство електрически печки много разнообразни.
Фигура 187 показва един от тях. На горната повърхност на печката има две плочки (горелки). Нагревателният елемент на плочката, изработен от нихром (нихром е сплав от два метала никел и хром), се притиска в топлоустойчива керамична основа във формата на пръстен. (Изборът на нихром се определя от факта, че той има висока точка на топене и не се окислява при високи температури... Освен това свойствата на нихрома са такива, че при малка сила на тока в него се отделя голямо количество топлина).
На предната стена на печката има специални превключватели за регулиране степента на нагряване на плочите и фурната.
2. Топлинен ефект на тока използвани не само в ежедневието, но и в технологиите.
Пример за това е контактно електрическо заваряване. Този тип електрическо заваряване се основава на използването на топлина, отделена в точката на контакт (контакт) на две метални парчета, в точката на техния контакт, когато през тях преминава електрически ток.
Частите, които трябва да бъдат заварени, са фиксирани между скобите, приведени в контакт и през тях се прокарва електрически ток.
В точката на контакт най-много голямо количество топлина, в резултат на което металът става много горещ. Когато стане пластмасов поради нагряване, токът автоматично се изключва и машината компресира омекотените части на частите толкова силно, че те са здраво свързани.
Контактното електрическо заваряване се извършва автоматично от автоматични машини.
3. В селско стопанство термичнатекущо действие също намери приложение, например, за сушене на купища напоено с дъждо сено.
Струите нагрят въздух от вентилатора и нагревателя се носят по тръбата отдолу до самата среда на стека и бързо го изсушават. В животновъдните ферми се използват специални устройства, при които електрическите нагреватели поддържат най-добрата температура за новородените животни.
В кувьозите от яйцата се излюпват стотици и хиляди пилета. В тези "електрически кокошки" се поддържа определена температура (около 38 ° C) с голяма точност, която е най-благоприятна за развитието на ембриони в яйцата. И специален механизъм обръща яйцата, така че те да се затоплят равномерно от всички страни.
Електрическият ток в дадено вещество го кара да се нагрява. Това явление се нарича топлинен ефект на електрически ток.
Колкото повече заряд преминава през проводника, толкова повече проводникът се нагрява и толкова повече се увеличава неговата енергия.
Упражнение 55.
Каква е основната част на всички електрически нагреватели? Какъв ефект от тока се използва в тях?
Защо електрическа лампа нажежаема жичка може да се използва като електрически нагревател? Как работи лампата с нажежаема жичка? Каква част от лампата с нажежаема жичка е основната част?
Какви електрически нагреватели използвате?
Защо нихромовият проводник се използва за нагревателни елементи на електрически печки?
Нагревателният елемент на електрическите печки може да се включи за няколко степени на нагряване. Как се постига това?
§56 Химично действие на тока.
Под въздействието на електрическо поле е възможна не само промяна във вътрешната енергия на проводник (неговото нагряване), но и други явления.
Нека поставим две въглеродни плочи в разтопената сол, едната от които - анодът - е положително заредена (в нея липсват електрони), а другата - катодът - е отрицателна (има излишък на електрони). Анодът и катодът се наричат \u200b\u200bелектроди.
Електрическото поле между плочите ще накара положителните натриеви йони да се движат към отрицателната плоча - катод, и отрицателно заредени хлорни йони - към положително заредена плоча - анод. Следователно, положително зареден йон, движещ се под действието на електрическо поле към катода, се нарича катион, а отрицателно зареден йон, който се движи към анода, се нарича анион.
На повърхността на плочите натриевите йони ще улавят електрон, тъй като отрицателната плоча има излишък от тях и ще се превърне в неутрален натриев атом. На другата плоча хлорният йон ще отдаде електрон, който също ще се превърне в неутрален хлорен атом.
На повърхността аноди натрият ще се освободи, катод - хлор. Под действието на електрическо поле натриевият хлорид се превръща в натрий и хлор, т.е. възниква химическа реакция.
По-точно определение електролизаи е даден в химията.
Количеството вещество, отделено на електрода, колкото по-голямо е, толкова повече йони идват към него. Всеки йон има заряд. Това означава, че колкото повече заряд се придвижва към електрона, толкова повече материя се отделя върху него.
Химична реакция, която се получава под въздействието на електрическо поле, е придружена от насоченото движение на йони, т.е. токов удар. Понятието често се използва химично действие на тока... Според нас би било по-правилно да се говори за появата на ток при химическа реакция.
В резултат на излагане на електрическо поле са възможни химични реакции, които не са свързани с получаването или освобождаването на електрони в електродите. Така че, когато възникне искра между топчетата на електрофорна машина (в урока) или мълния (в природата), се образуват голям брой нови вещества: озон, азотни съединения и т.н.
Ефектът на електрическото поле върху химичните реакции може да бъде използван.
Например ъ-ъ електролиза Използва се за нанасяне на най-тънкия слой от друг метал върху металните повърхности на продукт с всякаква конфигурация: злато, сребро, хром, никел и др. Покритията са здрави, еднакви по дебелина и трайни. Те не само предпазват метала от корозия, но и придават красив декоративен вид на металните изделия. Тази индустрия се нарича галванопластика.
Друга индустрия, използваща електролиза, се нарича g алванопластикоти. Метод електроформоване правете метални копия от различни предмети. От релефния предмет се прави восъчен печат / матрица /. За да провежда ток, повърхността му е покрита с тънък слой графит. Този графит катод потопени във вана с разтвор на меден сулфат ; анод служи като мед. Кога анод за електролизасе разтваря и нататък катод утаява се медта. По този начин се получава точно медно копие на предмета.
Електротип е изобретен през 1838 г. от руския учен B.S. Якоби. (1801 - 1874). Използване на r алванопластикаи правят клишета за печат, грамофонни плочи и др.
Електролитиот разтвор на меден сулфат (меден сулфат / СuSО 4 /) е придружен от прехвърляне на мед от положителния електрод / анод/ на отрицателния електрод / катод /, докато на к atode освобождава се чиста мед. Това се използва широко за пречистване / рафиниране / мед от примеси. На
изобразява инсталация за пречистване на мед. Рафиниране с e електролиза солевите разтвори също се използват за получаване на сребро, злато и други метали.
Електролиза разтвори се използват в химическата промишленост и за получаване на чисти вещества. Например чрез електролизаразтвор на натриев хлорид се получава хлор, водород и натриев хидроксид.
От голямо значение е д електролиза топи се. Натрият се извлича от разтопената сода каустик. Берилий, магнезий и други метали се получават по същия начин. За получаване на алуминий от боксит (специален вид глина) Чрез обработка се получава алуминиев оксид / алуминиев триоксид /, който в смес с ниско топящи се соли се разтопява в електрическа пещ и след това в същата пещ се подлага на електролиза. В този случай алуминият се отделя на катода / в дъното на електрическата вана /.
Положително заредената плоча (в нея липсват електрони) се нарича анод, а отрицателно заредената (има излишък от електрони) катод.
Анодът и катодът се наричат \u200b\u200bелектроди.
Химичната реакция, която протича на повърхността на електрода, се нарича електролиза.
Количеството вещество, отделено на електрода, колкото по-голямо е, толкова повече йони идват към него.
Всеки йон има заряд. Това означава, че колкото повече заряд се придвижва към електрона, толкова повече материя се отделя върху него.
Упражнение # 56
Какво представляват подвижните заредени частици в разтвори на соли, киселини и основи?
Какво е името на положително зареден електрод? Отрицателно таксуван?
Вятърът духа на север. Каква е посоката на вятъра?
Хлорните йони се движат от запад на изток. Каква е посоката на течението?
* Какъв заряд трябва да се прехвърли върху електрода, за да се освободи един мол натрий върху него. Зарядът на натриевия йон е равен по модул на електронния заряд q \u003d 1.6 10 -19 C. Номер на Avagadro N A \u003d 6 10 -23 1 / mol. Реалистично ли е да се натрупва такъв заряд върху изолиран електрод?
Задачи
Вземете батерия KBS или "коронка". Поставете контактите на батерията върху прясно картофи. След няколко минути разгледайте контактните марки на картофите. Опишете наблюдаваната картина.
Поставете контактите на батерията върху езика. Ще вкусите кисел вкус. Промяната във вкуса показва появата на ново вещество, т.е. химическа реакция. Вземете два различни метални предмета, като алуминиево фолио и стоманен ключ, или медна тел и сребърна вилица. Основното е, че металите са различни. Опитайте всеки артикул поотделно. След това свържете краищата на тези предмети и едновременно опитайте свободните краища. Разкажете ни за чувствата си.
*** За заинтересованите
За поддържане на електрически ток в проводниците се използват устройства, които се наричат \u200b\u200bизточници на ток. Нека разгледаме източници на ток, в които химическата енергия, необходима за тяхното действие, се подновява чрез електролиза. Такива клетки се наричат \u200b\u200bбатерии / складови единици /, а процесът на натрупване на енергия в тях чрез електролиза се нарича зареждане на батерията. Когато батериите се зареждат, през тях се предава ток от някакъв чужд източник в посока, обратна на посоката на тока, който те дават.
Има два вида батерии: киселинни и алкални. Киселинните батерии се състоят от плочи, потопени в разтвор на сярна киселина
Отрицателните плочи са направени от чисто олово със силно разхлабена повърхност; положителните плочи са покрити с оловен пероксид. Когато батерията се изтощи, и двете плочи постепенно се покриват с оловен сулфат. Когато батериите се зареждат, разликата в състава на положителните и отрицателните плочи се възстановява чрез електролиза. В процеса на зареждане на батерията водородните йони / H / се движат в същата посока, в която протича токът, а образуваните в резултат на разлагането на сярна киселина / SO 4 / йони отиват в обратна посока.
В алкалните батерии плочите и съдовете са направени от желязо. Железните плочи се потапят в разтвор на разяждащ калий / КОН / или разяждащ натрий / NaOH / в дестилирана вода. И двете решения са алкални, поради което батериите се наричат \u200b\u200bалкални.
Алкалните батерии са лесни за транспортиране, тъй като са устойчиви на удар. Те се отличават със своята структурна здравина, не отделят вредни газове по време на работа и при зареждане не се страхуват от претоварване и могат да останат в полуразредено или разредено състояние дълго време.
В сравнение с алкалните батерии, киселинните батерии имат по-високо работно напрежение и по-висок коефициент полезно действие. Вътрешно съпротивление повече алкални батерии от
кисела.
Батериите се използват най-често в автомобили, самолети, влакове с електрически светлини, телефонни централи, подводници и др.