biathlonmordovia.ru → Интересное

План урока. Тема Электрический ток Электропроводность. Разновидности электрического тока: электронная теория строения, электрический ток в проводнике, ток проводимости, плотность тока, электрическое напряжение, величина, единицы измерения

Скорость распространения электрического тока.. Скорость движения носителей зарядов в электрическом поле.. От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов?.. Тепловое действие тока..

При изучении электрического тока часто возникают трудности понимания процессов, которые происходят на атомарном уровне и недоступны нашим органам чувств - электрический ток нельзя увидеть, услышать или пощупать. Это порождает целый ряд вопросов, в частности: почему проводники нагреваются? Какова скорость электронов в проводнике и от чего она зависит? Почему, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно? Попробуем вместе разобраться и ответить на эти и другие интересующие вас вопросы.

Почему лампочка загорается практически мгновенно?

Прежде всего, нужно различать и не смешивать понятия «скорость распространения электрического тока » и «скорость движения носителей заряда » - это не одно и то же.

Когда мы говорим о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеется в виду скорость распространения по проводнику электрического поля, которая равна скорости света (≈ 300 000 км/сек) .
Однако это не означает, что движение носителей зарядов в проводнике происходит с этой огромной скоростью. Совсем нет.

Движение носителей заряда (в проводнике - это свободные электроны) происходит всегда довольно медленно , со скоростью направленного дрейфа от долей миллиметра до нескольких миллиметров в секунду , поскольку электрические заряды, сталкиваясь с атомами вещества, преодолевают большее или меньшее сопротивление своему движению в электрическом поле.

Но дело в том , что свободных электронов в проводнике очень, очень много (если каждый атом меди имеет один свободный электрон, то в проводнике столько подвижных электронов, сколько и атомов меди). Свободные электроны имеются везде в электрической цепи, включая, в том числе, и нить накаливания лампочки, которая является частью этой цепи.
При присоединении проводника к источнику электрической энергии в нем распространяется электрическое поле (со скоростью света), которое начинает действовать на ВСЕ свободные электроны практически одновременно.

Поэтому мы не наблюдаем никакого запаздывания между замыканием контактов выключателя и началом свечения лампочки, находящейся за десятки или сотни километров от электростанции. Включили напряжение, свободные электроны начали движение (во всей цепи одновременно), перенесли заряд, передали кинетическую энергию атомам вольфрама (нить накаливания), последняя нагрелась до свечения - вот и горит лампочка.

В случае переменного тока для получения требуемого тепла (рассеиваемой мощности нити накаливания) направление тока не имеет значения. Свободные электроны совершают колебания в соответствии с изменениями электрического поля и переносят заряд туда-обратно. При этом электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки вольфрама, передавая им свою энергию. Это приводит к нагреву нити накаливания лампочки и ее свечению.

От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов?

Скорость направленного дрейфа носителей зарядов в электрическом поле пропорциональна величине электрического тока : небольшой ток означает медленную скорость потока зарядов, большой ток означает бо льшую скорость.

На скорость носителей заряда влияет также сопротивление проводника . Тонкий проводник имеет большее сопротивление, проводник большого диаметра имеет меньшее сопротивление. Соответственно, в тонком проводнике скорость потока свободных электронов будет больше, чем в толстом проводнике (при одном и том же токе).

Имеет значение и материал проводника: в алюминиевом проводнике скорость потока электронов будет больше, чем в медном проводнике такого же сечения. Это означает, кроме прочего, что один и тот же ток будет нагревать алюминиевый проводник больше, чем медный.

Тепловое действие тока

Рассмотрим природу теплового действия тока более подробно .
При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток.

Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью.
Поскольку кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается ионам кристаллической решетки при столкновении, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.

В случае переменного тока имеет место тот же эффект. С той лишь разницей, что электроны не перемещаются в одном направлении, а под действием переменного электрического поля они колеблются вперед-назад с частотой сети (50/60 Гц), оставаясь практически на месте.
При этом электроны также сталкиваются с атомами кристаллической решетки металла, передают свою кинетическую энергию и это приводит к нагреву кристаллической решетки. При достаточно больших значениях тока сильно разогретая решетка может даже потерять постоянные связи (металл начнет плавиться).

alternating current , AC), постоянный (англ. direct current , DC) и пульсирующий электрические токи, а также их всевозможные комбинации. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.

Постоянный ток - ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток - ток, величина и направление которого меняются во времени. В широком смысле под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Квазистационарный ток - «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ) . Этими законами являются закон Ома , правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры , приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света . За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм . Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Сила и плотность тока

Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную - силу тока , и векторную - плотность тока .

Сопротивление излучению вызвано образованием электромагнитных волн вокруг проводника. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника, от длины излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором везде ток одного направления и силы, и длина которых L значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны λ {\displaystyle \lambda } , зависимость сопротивления от длины волны и проводника относительно проста:

R = 3200 (L λ) {\displaystyle R=3200\left({\frac {L}{\lambda }}\right)}

Наиболее применяемому электрическому току со стандартной частотой 50 Гц соответствует волна длиной около 6 тысяч километров, именно поэтому мощность излучения обычно пренебрежительно мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако, с увеличением частоты тока длина излучаемой волны уменьшается, соответственно возрастает мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной .

Частота

Понятие частоты относится к переменному току, периодически изменяющему силу и/или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону .

Период переменного тока - наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются . Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах , один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Ток смещения

Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. В уравнениях Максвелла ток смещения присутствует на равных правах с током, вызванным движением зарядов. Интенсивность магнитного поля зависит от полного электрического тока, равного сумме тока проводимости и тока смещения. По определению, плотность тока смещения j D → {\displaystyle {\vec {j_{D}}}} - векторная величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля E → {\displaystyle {\vec {E}}} во времени:

j D → = ∂ E → ∂ t {\displaystyle {\vec {j_{D}}}={\frac {\partial {\vec {E}}}{\partial t}}}

Дело в том, что при изменении электрического поля, также как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля , что делает эти два процесса похожими друг на друга. Кроме того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии . Например, при зарядке и разрядке конденсатора , несмотря на то, что между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, говорят о протекании через него тока смещения, переносящего некоторую энергию и своеобразным образом замыкающего электрическую цепь . Ток смещения I D {\displaystyle I_{D}} в конденсаторе определяется по формуле:

I D = d Q d t = − C d U d t {\displaystyle I_{D}={\frac {{\rm {d}}Q}{{\rm {d}}t}}=-C{\frac {{\rm {d}}U}{{\rm {d}}t}}} ,

где Q {\displaystyle Q} - заряд на обкладках конденсатора, U {\displaystyle U} - разность потенциалов между обкладками, C {\displaystyle C} - ёмкость конденсатора.

Ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда.

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы - здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма - ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты - «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока» . Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Электрические токи в природе

Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).

В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, например блуждающие токи или ток короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,
получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,
получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,
возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,
получения звука,
получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,
создания магнитного поля (в электромагнитах).

Использование электрического тока в медицине

диагностика - биотоки здоровых и больных органов различны, при этом бывает возможно определить болезнь, её причины и назначить лечение. Раздел физиологии , изучающий электрические явления в организме называется электрофизиология .
- Электроэнцефалография - метод исследования функционального состояния головного мозга.
- Электрокардиография - методика регистрации и исследования электрических полей при работе сердца.
- Электрогастрография - метод исследования моторной деятельности желудка.
- Электромиография - метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах.
Лечение и реанимация : электростимуляции определённых областей головного мозга; лечение болезни Паркинсона и эпилепсии , также для электрофореза . Водитель ритма , стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях .

Электробезопасность

Включает в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. Правила электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);
биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги)
механическое (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, полученного нагревом током крови)

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:

безопасным считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;
минимально ощутимый человеком переменный ток составляет около 0,6-1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5-7 мА постоянного тока;
пороговым неотпускающим называется минимальный ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это около 10-15 мА, для постоянного - 50-80 мА;
фибрилляционным порогом называется сила переменного тока (50 Гц) около 100 мА и 300 мА постоянного тока, воздействие которого дольше 0,5 с с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц . Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.

В России в соответствии Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок , установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.

См. также

Ток утечки

Примечания

Литература

Баумгарт К. К.,. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.

». Сегодня я хочу затронуть такую тему, как электрический ток. Что же это такое? Давайте попытаемся вспомнить школьную программу.

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике

Если вы помните, чтобы заряженные частицы пришли в движение, (возник электрический ток) нужно создать электрическое поле. Чтобы возникло электрическое поле можно провести такие элементарные опыты, как потереть о шерсть пластиковую ручку и она какое-то время будет притягивать легкие предметы. Тела способные после натирания притягивать предметы называются наэлектризованные. Можно сказать, что у тела в таком состоянии есть электрические заряды, а сами тела называются заряженными. Из школьной программы мы знаем, что все тела состоят из мельчайших частиц (молекул). Молекула — это частица вещества, которую можно отделить от тела и она будет обладать всеми свойствами присущими этому телу. Молекулы сложных тел образовываются из различных сочетаний атомов простых тел. Например, молекула воды состоит из двух простых: атома кислорода и одного атома водорода.

Атомы, нейтроны, протоны и электроны — что это такое?

В свою очередь, атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронами. Каждый электрон атома обладает небольшим электрическим зарядом. Например, атом водорода состоит из ядра вращающего вокруг него электрона. Ядро атома состоит, в свою очередь, из протонов и нейтронов. Ядро атома, в свою очередь, обладает электрическим зарядом. Протоны, входящие в состав ядра, имеют такие же по величине электрические заряды и электроны. Но протоны, в отличие от электронов, малоподвижны, но их масса во много раз больше массы электрона. Частица нейтрон, входящий в состав атома, не имеет никакого электрического заряда, нейтральна. Электроны, которые вращаются вокруг ядра атома и протоны, входящие в состав ядра, являются носителями равных по величине электрических зарядов. Между электроном и протоном всегда действует сила взаимного притяжения, а между самими электронами и между протонами сила взаимного отталкивания. В силу этого, электрон обладает отрицательным электрическим зарядом, а протон положительным. Из этого можно сделать вывод, что существует 2 рода электричества: положительное и отрицательное. Наличие в атоме равноименно заряженных частиц приводит к тому, что между положительно заряженным ядром атома и вращающимися вокруг него электронами действуют силы взаимного притяжения, скрепляющие атом в одно целое. Атомы отличаются друг от друга по количеству нейтронов и протонов в ядрах, из-за чего не одинаков положительный заряд ядер атомов различных веществ. У атомов различных веществ количество вращающихся электронов не одинаково и определяется величиной положительного заряда ядра. У атомов одних веществ прочно связаны с ядром, а у других эта связь может быть значительно слабее. Этим объясняется различная прочность тел. Стальная проволока значительно прочнее медной, значит, частицы стали сильнее притягиваются друг к другу, чем частицы меди. Притяжение между молекулами особо заметно, когда они находятся близко друг к другу. Самый яркий пример — две капли воды сливаются в одну при соприкосновении.

Электрический заряд

В атоме любого вещества количество электронов, вращающихся вокруг ядра, ровно количеству протонов, содержащихся в ядре. Электрический заряд электрона и протона равны по величине, значит, отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Эти заряды взаимно уравновешивают друг друга, а атом остается нейтральным. В атоме электроны создают вокруг ядра электронную оболочку. Электронная оболочка и ядро атома находятся в непрерывном колебательном движении. При движении атомы сталкиваются друг с другом и от них вылетает один или несколько электронов. Атом перестает быть нейтральным, становится положительно заряженным. Так как его положительный заряд стал больше отрицательного (слабая связь между электроном и ядром — метал и уголь). У других тел (дерево и стекло) нарушение электронных оболочек не происходит. Оторвавшись от атомов, свободные электроны беспорядочно двигаются и могут захватываться другими атомами. Процесс появлений и исчезновений в теле происходит непрерывно. С увеличением температуры, скорость колебательного движения атомов возрастает, столкновения учащаются, становятся сильнее, количество свободных электронов увеличивается. Однако тело остается электрически нейтральным, так как количество электронов и протонов в теле не меняется. Если из тела удалить некоторое количество свободных электронов, то плюсовой заряд становится больше суммарного заряда. Тело окажется заряжено положительно и наоборот. Если в теле создается недостаток электронов, то оно заряжается дополнительно. Если избыток — отрицательно. Чем больше этот недостаток или избыток, тем больше электрический заряд. В первом случае (больше положительно заряженных частиц) тела называют проводниками (металлы, водные растворы солей и кислот), а во втором (недостаток электронов, отрицательно заряженных частиц) диэлектриками или изоляторами (янтарь, кварц, эбонит). Для продолжительного существования электрического тока, в проводнике необходимо постоянно поддерживать разность потенциалов.

Ну вот и небольшой курс физики закончен. Я думаю, вы, с моей помощью, вспомнили школьную программу за 7 класс, а что такое разность потенциалов разберем в моей следующей статье. До новых встреч на страницах сайта.

И др. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц; если ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Различают электрический ток проводимости, связанный с движением заряженных частиц относительно той или иной среды (т. е. внутри макроскопических тел), и конвекционный ток - движение макроскопических заряженных тел как целого (например, заряженных капель дождя).

Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока . Сила тока равна отношению величины заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за определенный интервал времени, к продолжительности этого интервала. Если сила тока и его направление со временем не меняется, то ток называют постоянным током .

Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных положительно или отрицательно заряженных частиц, не связанных в единую электрически нейтральную систему, и силы, создающей и поддерживающей их упорядоченное движение. Обычно силой, вызывающей такое движение, является сила со стороны электрического поля внутри проводника, которая определяется электрическим напряжением на концах проводника.

Важнейшей характеристикой проводника является зависимость силы тока от напряжения - вольт-амперная характеристика . Она имеет простейший вид для металлических проводников и электролитов: сила тока прямо пропорциональна напряжению (Ома закон).

Протекая по веществу, электрический ток может оказывать магнитное, тепловое, химическое воздействие. Магнитное действие заключается в возникновении магнитного поля, это действие является всеобщим, проявляется у всех без исключения проводников. Тепловое действие электрического тока заключается в нагреве вещества, через которое протекает ток (исключение - сверхпроводники , в которых выделения теплоты не происходит). Химическое действие наблюдается преимущественно в электролитах и заключается в протекании химических реакций под действием электрического тока (например, при электролизе).

Максвеллом введено понятие полного тока, который, в соответствии с его теорией всегда замкнут: на концах проводника обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике (вакууме) между концами проводника имеется ток смещения , который замыкает ток проводимости. Поэтому плотность полного электрического тока j полн равна сумме плотности тока проводимости j и плотности тока смещения j см, и определяет создаваемое им магнитное поле.

J полн = j+ ?D/?t

Способность веществ проводить электрический ток очень сильно различается для разных материалов и характеризуется электропроводностью . Проводники , благодаря наличию в них большого количества подвижных заряженных частиц - носителей заряда, хорошо проводят электрический ток. Концентрация носителей заряда в диэлектриках крайне мала, и даже при больших напряжениях они служат хорошими изоляторами. В металлах свободными заряженными частицами - носителями тока - являются электроны проводимости, концентрация которых практически не зависит от температуры и составляет 10 22 -10 23 см -3 . В электролитах электрический ток обусловлен направленным движением положительных и отрицательных ионов, образующихся в результате электролитической диссоциации.

Газы из нейтральных молекул являются диэлектриками. Электрический ток проводят лишь ионизованные газы - плазма . Носителями тока в плазме служат положительные и отрицательные ионы (как в электролитах) и свободные электроны (как в металлах).

Глава V1. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

В 7 классе мы фантазировали на тему, что произойдет, если исчезнет сила трения, которая, кстати, обусловлена электрическими взаимодействиями между молекулами и атомами разных тел.

А сейчас представьте, что на несколько минут отказали все устройства, использующие электрические взаимодействия. Это была бы катастрофа. Остановятся лифт, поезда метро, электропоезда, прекратится подача воды в дома и воздуха в шахты. Самолеты не смогут приземлиться, прекратится работа радио и телевидения, замолчат телефоны и т.п.

А началось создание всех этих устройств с простейшего наблюдения за тем, как мелкие частицы прилипали к янтарю, потертому о шелк. Современное общество не может себе представить жизнь без электричества.

§53 Превращение энергии при движении заряда в электрическом поле.

За счет электрических взаимодействий тело, обладающее зарядом, может менять свою энергию. Рассмотрим несколько мысленных экспериментов. Пусть на вершине горы находится заряд, создающий электрическое поле

У подножья горы поставим тележку с зарядом противоположного знака. Под действием электрического поля тележка поедет вверх по горке. Будем считать, что поле, заряд и масса тележки таковы, что это движение возможно.

Что мы наблюдаем? В результате работы, совершаемой электрическим полем, увеличивается потенциальная энергия тележки.

Придумаем мысленный эксперимент, который демонстрировал бы превращение энергии электрического поля в кинетическую энергию заряженной тележки.

При движении отрицательно заряженной тележки по горизонтальной поверхности, ее скорость будет увеличиваться под действием электрического поля. (Мысленно мы можем сделать трение очень маленьким).

При этом увеличивается кинетическая энергия тележки Е к =mv 2 /2. Если создать трение, таким, чтобы тележка двигалась по горизонтальной поверхности, не увеличивая своей скорости, произойдет нагрев тележки и поверхности, по которой она движется, т.е. энергия электрического поля может превратится во внутреннюю энергию.

В трех рассмотренных случаях энергия электрического поля уменьшалась, так как по мере приближения заряженной тележки к заряду, создающему поле, уменьшалась напряженность за тележкой. Представим себе, что к положительно заряженному шарику притягивается капля воды с таким же по модулю, но противоположным по знаку зарядом. Между ними существует поле, вид которого изображен на

При приближении капли к шарику, ее скорость, а значит и кинетическая энергия, увеличиваются. В момент соприкосновения капли с шариком их заряд станет равным нулю. Поле исчезнет, то есть вся энергия поля превратится в механическую и тепловую.

Еще раз подчеркнем, что работа электрическим полем совершается только при движении заряженного тела. Причем, чем больший заряд переместился, тем большая работа совершается полем. При этом само поле изменяется и его энергия уменьшается, если полная энергия движущегося заряда заряда увеличивается.

Чем меньше время перемещения заряда, тем больше мощность поля. Например, при возникновении молнии между двумя облаками

Электрическое поле может совершать работу при перемещении заряженного тела.

За счет совершения работы электрическим полем может меняться потенциальная, кинетическая и внутренняя энергия тела.

Упражнение 53.

Заряженный шарик, двигаясь под действием сил электрического поля, увеличил кинетическую энергию на 3 Дж. Какую работу совершило электрическое поле?

При перемещении заряда 6 мкКл в однородном электрическом поле на расстояние 0,5 м его скорость увеличилась от 0 до 2 м/с. Какова напряженность электрического поля, если масса заряда 4г?

В теплоизолированной трубке с дистиллированной водой перемещается легкий шарик с зарядом 10 мкКл на расстояние 1м под действием электрического поля с напряженностью 10000 В/м. На сколько увеличится температура воды, если ее масса 20 г? Массой шарика можно пренебречь. Считать, что вся работа идет на увеличение внутренней энергии воды. Удельная теплоемкость воды 4200 Дж/ кг град.

§54Электрический ток. Сила тока.

Представим себе пучок протонов, т.е. огромное количество протонов, летящих в одном направлении. (Такие пучки создаются учеными в лабораториях и на производстве).

Аналогично тому, как движение машин по шоссе в одну сторону называют грузовым потоком. Если вы стоите на обочине, то можете подсчитать, какова масса груза, проезжающего мимо вас за один час. Эта величина характеризует интенсивность перемещения груза. Можно сравнить, по какой дороге перемещается больше грузов.

Так, если мимо наблюдателя в одном направлении за одну секунду пролетело 10 19 протонов, то их общий заряд 1,6 Кл, и сила тока 1,6 Кл/с.

Электрический ток имеет направление. За направление электрического тока принимается направление движения положительных зарядов, в нашем случае - протонов. Если направленно движутся отрицательно заряженные частицы, то направление электрического тока является противоположным движению этих частиц.

В перемещении зарядов могут участвовать одновременно не только положительно и отрицательно заряженные частицы, (например, электроны). Если положительные и отрицательные заряды движутся в одном направлении, их заряды вычитаются; если в противоположном, то их заряды складываются.

Например, если мимо наблюдателя в корзину за 1 секунду пролетело 12 частиц с зарядом +2 Кл каждая, и в ту же корзину 4 частицы с зарядом по –1Кл каждая, то сила тока 20 Кл/с. (Заряд корзины, в которую падали эти частицы, увеличивается на 20 Кл за одну секунду).

Если положительные частицы летят в корзину, а отрицательные вылетают из нее, то заряд корзины увеличивается на 28 Кл за 1 секунду. Например, 4 частицы с зарядом по –1 Кл, вылетевшие из корзины увеличивают ее заряд на 4 Кл. Сила тока равна 28 Кл/ с.

Направление тока совпадает со скоростью положительных частиц и против оположно скорости отрицательных.

Сила тока измеряется в амперах (А). Эта единица названа в честь французского физика А. Ампера (1775 - 1836). При силе тока в один ампер в каждую секунду через поперечное сечение проводника проходит заряд в один кулон.

Используются дольные и кратные единицы мА, мкА, кА.

Нить электрической лампочки нагревается за счет того, что в ней под действием электрического поля происходит направленное движение электронов. При этом сила тока в нити примерно 0,5 А. Что это значит? Если мы мысленно пересечем нить плоскостью

и подсчитаем, какой заряд прошел сквозь эту плоскость (ее называют поперечным сечением), то обнаружим, что за одну секунду этот заряд равен 0,5 Кл, за 5 секунд - 2,5 Кл.

I = q / t

Для измерения силы тока применяются приборы, называемые амперметрами.

Для измерения силы тока применяются приборы, называемые амперметром.

Направленное движение заряженных частиц называется электрическим током

Величина заряда всех частиц, пролетающих мимо наблюдателя за 1 секунду, называется силой тока.

Электрический ток имеет направление.

За направление электрического тока берется направление движения положительных зарядов.

Сила тока измеряется в амперах (1 А)

При силе тока в один ампер в каждую секунду через поперечное сечение проводника проходит заряд в один кулон.

Сила тока обозначается буквой I

Упражнение54.

Электронная пушка «выстреливает» 10 18 электронов в секунду. Какова сила тока электронного пучка?

В расплавленной поваренной соли движутся ионы хлора с зарядом -1,6 10 -19 Кл и ионы натрия с зарядом +1,6 10 -19 Кл. Через поперечное сечение справа налево прошло за 1 секунду 10 19 ионов натрия, а слева направо 2 10 19 ионов хлора за ту же секунду. Какова сила тока?

Электронный пучок с силой тока 1 мкА направлен на металлический незаряженный шарик. Каким будет заряд шарика через 5 с?

Какой будет напряженность поля у поверхности шарика (см задачу 3), если его радиус 1 см?

Из пипетки падают капли с зарядом 0,1 мкКл. За 10 с упало 10 капель. На сколько изменился заряд пипетки с оставшейся жидкостью? Какова средняя сила тока (отношение всего прошедшего заряда, ко времени, за которое этот заряд прошел)?

Задания

1.Возьмите пластмассовую бутылку, заполните ее водой. У крышки сделайте отверстие. Размер отверстия должен быть достаточным для того, чтобы пузырьки воздуха проникали в бутылку. Закройте бутылку пробкой. Переверните бутылку пробкой вниз над раковиной или ванной.

Что нужно сделать, чтобы движение пузырьков не прекращалось? Наблюдайте за подъемом пузырьков воздуха. Представьте, что каждый пузырек несет заряд -10 мКл. Определите среднюю силу «тока». Каково направление тока?

2.Опустите в ту же бутылку двадцать маленьких (меньше спичечной головки) кусочков пластилина неправильной формы. Резко переверните бутылку пробкой вниз. Измерьте время, за которое все кусочки окажутся у пробки. Определите среднюю силу тока, считая, что каждый кусочек несет заряд + 30 мКл. Как изменится сила тока, если вместо воды в бутылке был бы кисель?

*** Для интересующихся

Во время опытов с электрической машиной физики замечали, что электричество переходит с натираемого стеклянного круга на кондуктор. Много раз они пробовали разряжать «лейденскую банку» через длинную цепь взявшихся за руки людей. Но никто не высказал ясной мысли о возможности длительного течения электричества по проводникам. Понятие об электрическом токе было введено в науку позже итальянским физиком Вольта.

Открытию тока предшествовали опыты итальянского анатома Луиджи Гальвани (1737-1798), исследовавшего действие электрического разряда на мышцы и нервы мертвой лягушки. Разряжая кондуктор электрической машины через нерв лягушачьей ножки, соединенной металлической проволочкой с землей, он наблюдал судорожные сокращения мышц. В этом еще не было ничего неожиданного. Судорожные сокращения мышц наблюдались и при разряжении «лейденской банки» через цепь взявшихся за руки людей. Но случай позволил экспериментатору наблюдать удивительное явление.

На металлической пластике лежала лягушачья ножка. Чтобы не брать лапку руками, Гальвани зацепил ее медным крючком. Случайно прикоснувшись концом крючка к железной пластинке, Гальвани с удивлением увидел, что мышцы лягушачьей ножки сократились, как от электрического разряда. Размышляя над причиной этого явления, Гальвани решил, что в мускулах лягушки заключается «животное электричество». Поэтому при соединении проводниками (медный крючок и железная пластинка) нерва с мускулами происходит разряд.

Открытие Гальвани заинтересовало итальянского физика Вольта, который начал проверку этих опытов, чтобы убедиться, действительно ли существует «животное электричество». Приложив к кончику своего языка кусочек металлической фольги, а к верхней части языка серебряную монету и соединив их тонкой проволочкой, он ощутил кисловатый вкус. Вольта предположил, что причиной явления, наблюдавшегося Гальвани, служило присутствие двух металлов (медного крючка и железа). Руководствуясь этой мыслью, он поставил много опытов и, наконец, сделал важное открытие, о чем сообщил в 1800 г. Лондонскому Королевскому обществу. Вольта писал, что он нашел новый источник электричества. Прибор заряжается сам собой и разряжается непрерывно. При этом он дал и описание своего прибора, устроенного следующим образом.

Вольта взял несколько дюжин цинковых и медных кружков. Кружки он сложил в столб, чередуя медные и цинковые, и переложил их намоченными в растворе поваренной соли картонными кружками. Когда Вольта прикоснулся одной рукой к нижнему медному кружку, а другой к верхнему цинковому, то испытал сильный электрический удар. При этом прибор не разряжался, и, сколько бы раз экспериментатор не касался кружков, удар повторялся, т. е. заряд электричества возникал непрерывно.

Это был новый источник электричества -«вольтов столб», которым немедленно стали пользоваться физики.

Русский физик В. В. Петров (1761-1834) построил для своих опытов батарею из 4200 медных и цинковых кружков, уложенных в четырех деревянных ящиках. Для изоляции он покрыл внутренние стенки ящиков сургучным лаком. Присоединив медной проволокой (к верхнему и нижнему кружку) полюсам батареи два угольных стерженька (электрода) и сблизив их концы, В. В. Петров увидел, как между ними появилась яркая дуга. Она осветила лабораторию, а когда физик стал вводить в нее кусочки металлов, то они очень быстро расплавлялись. Это была так называемая вольтова дуга.

Так было открыто новое явление - электрический ток.

§55Тепловое действие электрического тока

Проводники от диэлектриков отличает то, что в них могут направленно двигаться заряженные частицы.

В металлах такими частицами являются электроны, в проводящих жидкостях (электролитах) - ионы, в плазме - ионы и электроны.

При отсутствии электрического поля все частицы движутся хаотически. Средняя кинетическая энергия всех частиц одинакова.

При возникновении электрического поля внутри проводника заряженные частицы начинают двигаться вдоль силовых линий.

Сохраняя хаотическое тепловое движение. На рисунке указаны скорости теплового движения частиц.

Положительно заряженные частицы движутся в направлении напряженности поля, отрицательно - навстречу ему, возникает электрический ток. Частицы, перемещаясь, приобретают дополнительную энергию, которая за счет хаотических соударений передается и незаряженным частицам. В результате происходит увеличение кинетической энергии всех частиц, т.е. увеличивается температура и внутренняя энергия тела.

Следовательно, электрический ток в веществе вызывает его нагрев. Это явление называется тепловым действием электрического тока.

Тепловое действие электрического тока используется в электронагревательных приборах.

В быту используется много различных электронагревательных приборов. К ним относятся: электрический камин, который дает дополнительное тепло в том месте комнаты, где оно вам необходимо; электрические чайники, кофейники служат для нагревания воды; на электроплитках быстро готовится пища; мокрые волосы можно быстро высушить потоком сухого горячего воздуха, создаваемого электрическим феном; выстиранное белье хозяйки гладят электрическим утюгом. Это перечисление можно продолжить. Остановимся подробно на отдельных приборах.

В современных квартирах на кухнях устанавливаются электрические плиты. Они заменили плиты, работающие на твердом топливе, и газовые плиты, так как являются экологически более чистыми: нет продуктов сгорания твердого топлива /золы, шлака, дыма/, не происходит загрязнения окружающей среды. Электрические плиты имеют также технические преимущества: они снабжены системой автоматического регулирования температуры, которая позволяет при достижении нужной температуры автоматически отключать от электрической сети весь прибор или его часть /электронагревательный элемент духовки или конфорки/. При остывании электронагревательного прибора он вновь автоматически включается в сеть.

Конструкция домашних электрических плит очень разнообразна.

На рисунке 187 показана одна из них. На верхней поверхности плиты две плитки (конфорки). Нагревательный элемент плитки, изготовленный из нихромовой (нихром – это сплав двух металлов никеля и хрома) проволоки, запрессован в жароупорном керамическом основании, имеющим форму кольца. (Выбор нихрома определяется тем, что он обладает высокой температурой плавления и не окисляется при высоких температурах. Кроме того свойства нихрома таковы, что при небольшой силе тока в нем выделяется большое количество теплоты).

На передней стенке плиты помещены специальные переключатели для регулирования степени нагрева плиток и духовки.

2. Тепловое действие тока используется не только в быту, но и в технике.

Примером может служить контактная электросварка. Этот вид электросварки основан на использовании теплоты, выделяющейся в месте соприкосновения (контакта) двух кусков металла, в месте их контакта при прохождении через них электрического тока.

Свариваемые детали закрепляют между зажимами, приводят в соприкосновение и пропускают через них электрический ток.

В месте контакта выделяется наибольшее количество теплоты, в результате чего металл сильно нагревается. Когда он благодаря нагреву,становится пластичным, ток автоматически выключается, и машина сжимает размягченные части деталей настолько сильно, что они прочно соединяются.

Контактная электросварка выполняется автоматически машинами - автоматами.

3. В сельском хозяйстве тепловое действие тока также нашло применение, например, для сушки стогов намоченного дождем сена.

Струи нагретого воздуха от вентилятора и нагревателя поводятся по трубе снизу в самую середину стога и быстро просушивает его. На животноводческих фермах используются специальные аппараты, в которых электрические нагреватели поддерживают температуру, наилучшую для только что родившихся животных.

В инкубаторах из яиц выводятся сотни и тысячи цыплят. В этих "электрических наседках" с большой точностью поддерживается определенная температура /около 38°С/, наиболее благоприятная для развития зародышей в яйцах. А специальный механизм переворачивает яйца, чтобы они равномерно прогревались со всех сторон.

Электрический ток в веществе вызывает его нагрев. Это явление называется тепловым действием электрического тока.

Чем больший заряд проходит через проводник, тем сильнее проводник разогревается, и тем больше увеличивается его энергия.

Упражнение 55.

Какая основная часть присутствует у всех электронагревательных приборов? Какое действие тока в них используется?

Почему электрическую лампу накаливания можно использовать как электронагревательный прибор? Как устроена лампа накаливания? Какая часть лампы накаливания является основной?

Какие электронагревательные приборы вы используете?

Почему для нагревательных элементов электроплит используется нихромовая проволока?

Нагревательный элемент электроплит может быть включен на несколько степеней нагревания. Как этого достигают?

§56Химическое действие тока.

Под действием электрического поля возможно не только изменение внутренней энергии проводника, (его нагрев), но и другие явления.

Опустим в расплав поваренной соли две угольные пластины, одна из которых – анод - заряжена положительно (в ней недостаток электронов), а другая – катод -отрицательно (в ней избыток электронов). Анод и катод называют электродами.

Электрическое поле между пластинами заставит положительные ионы натрия двигаться к отрицательной пластине - катоду , а отрицательно заряженные ионы хлора - к положительно заряженной пластине - аноду. Поэтому положительно заряженный ион, движущийся под действием электрического поля к катоду, называется катионом, а отрицательно заряженный ион, движущийся к аноду - анионом.

На поверхности пластин ионы натрия будут захватывать электрон, так как у отрицательной пластины их избыток, и превращаться в нейтральный атом натрия. На другой пластине ион хлора отдаст электрон, так же превращаясь в нейтральный атом хлора.

На поверхности анод а будет выделяться натрий, у катода - хлор. Под действием электрического поля хлористый натрий превращается в натрий и хлор, т.е. происходит химическая реакция.

Более точное определение электролиз а дается в химии.

Количество вещества, выделившегося на электроде, тем больше, чем большее количество ионов подошло к нему. Каждый ион обладает зарядом. Значит, чем больший заряд переместится к электрону, тем больше вещества выделяется на нем.

Химическая реакция, происходящая под действием электрического поля, сопровождается направленным движением ионов, т.е. электрическим током. Часто употребляют понятие химическое действие тока . На наш взгляд, правильнее было бы говорить о возникновении тока при химической реакции.

В результате воздействия электрического поля возможны химические реакции, не связанные с получением или отдачей электронов на электродах. Так, при возникновении искры между шариками электрофорной машины (на уроке) или молнии (в природе), образуется большое количество новых веществ: озон, соединения азота и др.

Влияние электрического поля на химические реакции можно использовать.

Например, электролиз применяется для нанесения на металлические поверхности изделия любой конфигурации тончайшего слоя другого металла: золота, серебра, хрома, никеля и т.д. Покрытия получаются прочными, ровными по толщине, долговечными. Они не только защищают металл от коррозии, но и придают красивый декоративный вид изделиям из него. Эта отрасль промышленности называется гальваностегией.

Другая отрасль промышленности, использующая электролиз, называется гальванопластико й. Методом гальванопластики изготавливают металлические копии с различных предметов. С рельефного предмета делают восковой отпечаток /матрицу/. Для того чтобы он проводил ток, его поверхность покрывается тонким слоем графита. Этот графитовый катод опускают в ванну с раствором сульфата меди; анодом служит медь. При электролизе анод растворяется, а на катоде осаждается медь. Таким образом, получают точную медную копию предмета.

Гальванопластика была изобретена, в 1838 г. русским ученым Б.С. Якоби. (1801 – 1874). С помощью гальванопластик и изготовляют клише для печати, грампластинки и др.

Электроли з раствора сернокислой меди (медного купороса /СuSО 4 /) сопровождается переносом меди с положительного электрода /анода / на отрицательный электрод /катод/, при этом на катоде выделяется чистая медь. Этим широко пользуются для очищения /рафинирования/ меди от примесей. На

изображена установка для очищения меди. Рафинирование посредством электролиза растворов солей также применяется для получения серебра, золота, и других металлов.

Электролиз растворов применяется в химической промышленности и для получения чистых веществ. Например, посредством электролиза раствора хлористого натрия получают хлор, водород и едкий натр.

Большое значение имеет электролиз расплавов. Из расплавленного едкого натра извлекают натрий. Таким же образом получают бериллий, магний и другие металлы. Для получения алюминия из бокситов (особого сорта глины) Путем переработки получают окись алюминия /глинозем/, которая в смеси с легкоплавкими солями расплавляется в электрической печи, а затем в той же печи подвергается электролизу. При этом на катоде /на дне электрической ванны/ выделяется алюминий.

Пластина, заряженная положительно (в ней недостаток электронов), называется анодом, а заряженная отрицательно (в ней избыток электронов), - катодом.

Анод и катод называют электродами.

Химическая реакция, происходящая на поверхности электрода, называется электролизом.

Количество вещества, выделившегося на электроде, тем больше, чем большее количество ионов подошло к нему.

Каждый ион обладает зарядом. Значит, чем больший заряд переместится к электрону, тем больше вещества выделяется на нем.

Упражнение 56

Что является подвижными заряженными частицами в растворах солей, кислот и щелочей?

Как называется положительно заряженный электрод? Отрицательно заряженный?

Ветер дует на север. Каково направление ветра?

Ионы хлора движутся с запада на восток. Каково направление тока?

*Какой заряд должен переместиться на электрод, чтобы на нем выделился один моль натрия. Заряд иона натрия равен по модулю заряду электрона q =1,6 10 -19 Кл. Число Авагадро N А =6 10 -23 1/моль. Реально ли накопить такой заряд на изолированном электроде?

Задания

Возьмите батарейку КБС или «крона». Приложите контакты батареи к свежему срезу картофеля. Через несколько минут рассмотрите следы от контактов на картофеле. Опишите наблюдаемую картину..

Приложите к языку контакты батарейки. Вы почувствуете кислый привкус. Изменение вкуса свидетельствует о появлении нового вещества, т.е. химической реакции. Возьмите два предмета из различного металла, например алюминиевую фольгу и стальной ключ, или медную проволоку и серебряную вилку. Главное, чтобы металлы были разные. Попробуйте на вкус каждый из предметов по отдельности. Затем соедините концы этих предметов и попробуйте на вкус свободные концы обязательно одновременно. Расскажите о своих ощущениях.

*** Для интересующихся

Для поддержания электрического тока в проводниках используют устройства, которые называются источниками тока. Рассмотрим источники тока, в которых необходимая для их действия химическая энергия возобновляется посредством электролиза. Такие элементы называются аккумуляторами /накопителями/, а процесс накопления в них энергии посредством электролиза - зарядкой аккумулятора. При зарядке аккумуляторов через них пропускают ток от какого-нибудь постороннего источника в направлении, противоположном направлению тока, который они дают.

Существуют два вида аккумуляторов: кислотные и щелочные. Кислотные аккумуляторы состоят из пластин, опущенных в раствор серной кислоты

Отрицательные пластины делаются из чистого свинца с сильно разрыхленной поверхностью; положительные пластины покрыты перекисью свинца. При разрядке аккумулятора обе пластины постепенно покрываются сернокислым свинцом. При зарядке аккумуляторов различие в составе положительных и отрицательных пластин восстанавливается электролизом. В процессе зарядки аккумулятора ионы водорода /Н/ перемещаются по тому же направлению, по которому идет ток, а ионы, образовавшиеся в результате разложения серной кислоты /S0 4 /, идут в противоположном направлении.

В щелочных аккумуляторах пластины и сосуды изготовляют из железа. Железные пластины опущены в раствор едкого калия /КОН/ или едкого натрия /NаОН/ в дистиллированной воде. И тот, и другой растворы являются щелочами, поэтому и аккумуляторы называются щелочными.

Щелочные аккумуляторы удобны при перевозке, так как не боятся сотрясений. Они отличаются прочностью конструкции, не выделяют в процессе работы и при зарядке вредных газов, не боятся перегрузки и могут долго оставаться в полуразряженном или разряженном состоянии.

По сравнению со щелочными аккумуляторами кислотные аккумуляторы имеют большее рабочее напряжение и больший коэффициент полезного действия. Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов больше, чем

кислотных.

Аккумуляторы наиболее часто используются на автомобилях, самолетах, поездах с электрическим освещением, телефонных станциях, подводных лодках и т.п.