План уроку. Тема Електричний струм Електропровідність. Різновиди електричного струму: електронна теорія будови, електричний струм в провіднику, струм провідності, щільність струму, електрична напруга, величина, одиниці виміру
Швидкість поширення електричного струму .. Швидкість руху носіїв зарядів в електричному полі .. Від чого залежить швидкість дрейфу носіїв зарядів? .. Теплова дія струму ..
При вивченні електричного струму часто виникають труднощі розуміння процесів, які відбуваються на атомарному рівні і недоступні нашим органам почуттів - електричний струм не можна побачити, почути або помацати. Це породжує цілий ряд питань, зокрема: чому провідники нагріваються? Яка швидкість електронів в провіднику і від чого вона залежить? Чому, коли ми натискаємо на вимикач, лампочка загоряється практично миттєво? Спробуємо разом розібратися і відповісти на ці та інші питання, що цікавлять вас питання.
Чому лампочка загоряється практично миттєво?
Перш за все, потрібно розрізняти і не змішувати поняття « швидкість поширення електричного струму»І« швидкість руху носіїв заряду" - Це не одне і те ж.
Коли ми говоримо про швидкість поширення електричного струму в провіднику, то мається на увазі швидкість поширення по провіднику електричного поля, Яка дорівнює швидкості світла (≈ 300 000 км / сек).
Однак це не означає, що рух носіїв зарядів в провіднику відбувається з цією величезною швидкістю. Зовсім немає.
Рух носіїв заряду (в провіднику - це вільні електрони) відбувається завжди досить повільно, Зі швидкістю спрямованого дрейфу від часток міліметра до декількох міліметрів в секунду, оскільки електричні заряди, стикаючись з атомами речовини, долають більший або менший опір своєму руху в електричному полі.
Але справа в тому, Що вільних електронів в провіднику дуже, дуже багато (якщо кожен атом міді має один вільний електрон, то в провіднику стільки рухомих електронів, скільки і атомів міді). Вільні електрони є всюди в електричного кола, Включаючи, в тому числі, і нитка розжарення лампочки, яка є частиною цього ланцюга.
При приєднанні провідника до джерела електричної енергії в ньому поширюється електричне поле (зі швидкістю світла), яке починає діяти на ВСЕ вільні електрони практично одночасно.
Тому ми не спостерігаємо ніякого запізнювання між замиканням контактів вимикача і початком світіння лампочки, що знаходиться за десятки або сотні кілометрів від електростанції. Включили напруга, вільні електрони почали рух (у всій ланцюга одночасно), перенесли заряд, передали кінетичну енергію атомам вольфраму (нитка розжарення), остання нагрілася до світіння - ось і горить лампочка.
В разі змінного струму для отримання необхідного тепла (розсіюється нитки розжарювання) напрямок струму не має значення. Вільні електрони роблять коливання відповідно до змін електричного поля і переносять заряд туди-назад. При цьому електрони зіштовхуються з атомами кристалічної решітки вольфраму, передаючи їм свою енергію. Це призводить до нагрівання нитки розжарювання лампочки і її світіння.
Від чого залежить швидкість дрейфу носіїв зарядів?
На швидкість носіїв заряду впливає також опір провідника . Тонкий провідник має більший опір, Провідник великого діаметру має менший опір. Відповідно, в тонкому провіднику швидкість потоку вільних електронів буде більше, ніж в товстому провіднику (при одному і тому ж струмі).
Має значення і матеріал провідника:в алюмінієвому провіднику швидкість потоку електронів буде більше, ніж в мідному провіднику такого ж перетину. Це означає, крім іншого, що один і той же струм буде нагрівати алюмінієвий провідник більше, ніж мідний.
Теплова дія струму
При відсутності електричного поля вільні електрони переміщаються в кристалі металу хаотично. Під дією електричного поля вільні електрони, крім хаотичного руху, набувають впорядкований рух в одному напрямку, і в провіднику виникає електричний струм.
вільні електрони стикаються з іонами кристалічної решітки, віддаючи їм при кожному зіткненні кінетичну енергію, придбану при вільному пробігу під дією електричного поля. В результаті впорядкований рух електронів в металі можна розглядати як рівномірний рух з деякою постійною швидкістю.
Оскільки кінетична енергія електронів, що купується під дією електричного поля, передається іонам кристалічної решітки при зіткненні, то при проходженні постійного струму провідник нагрівається.
У разі змінного струму має місце той же ефект. З тією лише різницею, що електрони не переміщаються в одному напрямку, а під дією змінного електричного поля вони коливаються вперед-назад з частотою мережі (50/60 Гц), залишаючись практично на місці.
При цьому електрони також стикаються з атомами кристалічної решітки металу, передають свою кінетичну енергію і це призводить до нагрівання кристалічної решітки. при досить великих значеннях струму сильно розігріта решітка може навіть втратити постійні зв'язки (метал почне плавитися).
Постійний струм - струм, напрямок і величина якого не змінюються в часі.
Змінний струм - струм, величина і напрямок якого змінюються в часі. У широкому сенсі під змінним струмом розуміють будь-який струм, який не є постійним. Серед змінних струмів основним є струм, величина якого змінюється за синусоїдальним законом. У цьому випадку потенціал кожного кінця провідника змінюється по відношенню до потенціалу іншого кінця провідника поперемінно з позитивного на негативний і навпаки, проходячи при цьому через всі проміжні потенціали (включаючи і нульовий потенціал). В результаті виникає струм, безперервно змінює напрямок: при русі в одному напрямку він зростає, досягаючи максимуму, іменованого амплітудним значенням, потім спадає, на якийсь момент стає рівним нулю, потім знову зростає, але вже в іншому напрямку і також досягає максимального значення , спадає, щоб потім знову пройти через нуль, після чого цикл всіх змін поновлюється.
квазістаціонарний ток - «відносно повільно змінюється змінний струм, для миттєвих значень якого з достатньою точністю виконуються закони постійних струмів» (Вікіпедія). Цими законами є закон Ома, правила Кірхгофа та інші. Квазістаціонарний струм, так само як і постійний струм, має однакову силу струму у всіх перетинах нерозгалужене ланцюга. При розрахунку ланцюгів квазістаціонарного струму через що виникає е. д. з. індукції ємності і індуктивності враховуються як зосереджені параметри. Квазістаціонарними є звичайні промислові струми, крім струмів в лініях дальніх передач, в яких умова квазістаціонарності уздовж лінії не виконується.
Швидкість спрямованого руху часток в провідниках залежить від матеріалу провідника, маси і заряду частинок, навколишньої температури, прикладеної різниці потенціалів і становить величину, набагато меншу швидкості світла. За 1 секунду електрони в провіднику переміщаються за рахунок упорядкованого руху менше ніж на 0,1 мм. Незважаючи на це, швидкість поширення власне електричного струму дорівнює швидкості світла (швидкості поширення фронту електромагнітної хвилі). Тобто те місце, де електрони змінюють швидкість свого руху після зміни напруги, переміщається зі швидкістю поширення електромагнітних коливань.
Сила і густина струму
Електричний струм має кількісні характеристики: скалярную - силу струму, і векторну - щільність струму.
Опір випромінювання викликано утворенням електромагнітних хвиль навколо провідника. Це опір знаходиться в складній залежності від форми і розмірів провідника, від довжини випромінюваної хвилі. Для одиночного прямолінійного провідника, в якому всюди ток одного напрямку і сили, і довжина яких L значно менше довжини випромінюваної їм електромагнітної хвилі λ (\\ displaystyle \\ lambda), Залежність опору від довжини хвилі і провідника відносно проста:
R \u003d 3200 (L λ) (\\ displaystyle R \u003d 3200 \\ left ((\\ frac (L) (\\ lambda)) \\ right))Найбільш вживаним електричного струму зі стандартною частотою 50 Гц відповідає хвиля довжиною близько 6 тисяч кілометрів, саме тому потужність випромінювання зазвичай зневажливо мала в порівнянні з потужністю теплових втрат. Однак, зі збільшенням частоти струму довжина випромінюваної хвилі зменшується, відповідно зростає потужність випромінювання. Провідник, здатний випромінювати помітну енергію, називається антеною.
частота
Поняття частоти відноситься до змінного струму, періодично зраджує силу і / або напрямок. Сюди ж відноситься найбільш часто вживаний струм, що змінюється за синусоїдальним законом.
Період змінного струму - найменший проміжок часу (виражений в секундах), через який зміни сили струму (і напруги) повторюються. Кількість періодів, що здійснюється струмом за одиницю часу, носить назву частота. Частота вимірюється в герцах, один герц (Гц) відповідає одному періоду в секунду.
струм зміщення
Іноді для зручності вводять поняття струму зміщення. У рівняннях Максвелла струм зміщення присутній на рівних правах з струмом, викликаним рухом зарядів. інтенсивність магнітного поля залежить від повного електричного струму, що дорівнює сумі струму провідності і струму зміщення. За визначенням, щільність струму зміщення j D → (\\ displaystyle (\\ vec (j_ (D)))) - векторна величина, пропорційна швидкості зміни електричного поля E → (\\ displaystyle (\\ vec (E))) в часі:
j D → \u003d ∂ E → ∂ t (\\ displaystyle (\\ vec (j_ (D))) \u003d (\\ frac (\\ partial (\\ vec (E))) (\\ partial t)))Справа в тому, що при зміні електричного поля, також як і при протіканні струму, відбувається генерація магнітного поля, що робить ці два процеси схожими один на одного. Крім того, зміна електричного поля зазвичай супроводжується перенесенням енергії. Наприклад, при зарядці і розрядці конденсатора, незважаючи на те, що між його обкладинками не відбувається руху заряджених частинок, кажуть про протікання через нього струму зміщення, що переносить деяку енергію і своєрідним чином замикає електричний ланцюг. струм зміщення I D (\\ displaystyle I_ (D)) в конденсаторі визначається за формулою:
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))),де Q (\\ displaystyle Q) - заряд на обкладинках конденсатора, U (\\ displaystyle U) - різниця потенціалів між обкладинками, C (\\ displaystyle C) - ємність конденсатора.
Струм зміщення не є електричним струмом, оскільки не пов'язаний з переміщенням електричного заряду.
Основні типи провідників
На відміну від діелектриків в провідниках є вільні носії не компенсуються зарядів, які під дією сили, як правило різниці електричних потенціалів, приходять в рух і створюють електричний струм. Вольтамперная характеристика (залежність сили струму від напруги) є найважливішою характеристикою провідника. Для металевих провідників і електролітів вона має найпростіший вид: сила струму прямо пропорційна напрузі (закон Ома).
Метали - тут носіями струму є електрони провідності, які прийнято розглядати як електронний газ, чітко виявляє квантові властивості виродженого газу.
Плазма - іонізований газ. Електричний заряд переноситься іонами (позитивними і негативними) і вільними електронами, які утворюються під дією випромінювання (ультрафіолетового, рентгенівського та інших) і (або) нагрівання.
Електроліти - «рідкі або тверді речовини і системи, в яких присутні в скільки-небудь помітної концентрації іони, що зумовлюють проходження електричного струму». Іони утворюються в процесі електролітичноїдисоціації. При нагріванні опір електролітів падає через збільшення числа молекул, що розклалися на іони. В результаті проходження струму через електроліт іони підходять до електродів і нейтралізуються, осідаючи на них. Закони Фарадея визначають масу речовини, яка виділяється на електродах.
Існує також електричний струм електронів у вакуумі, який використовується в електронно-променевих приладах.
Електричні струми в природі
Електричний струм використовується як носій сигналів різної складності і видів в різних областях (телефон, радіо, пульт управління, кнопка дверного замка і так далі).
У деяких випадках з'являються небажані електричні струми, наприклад блукаючі струми або струм короткого замикання.
Використання електричного струму як носія енергії
- отримання механічної енергії у всіляких електродвигунах,
- отримання теплової енергії в нагрівальних приладах, електропечах, при електрозварювання,
- отримання світлової енергії в освітлювальних і сигнальних приладах,
- збудження електромагнітних коливань високої частоти, надвисокої частоти і радіохвиль,
- отримання звуку,
- отримання різних речовин шляхом електролізу, зарядка електричних акумуляторів. Тут електромагнітна енергія перетворюється в хімічну,
- створення магнітного поля (в електромагнітах).
Використання електричного струму в медицині
- діагностика - біоструми здорових і хворих органів різні, при цьому буває можливо визначити хворобу, її причини та призначити лікування. Розділ фізіології, що вивчає електричні явища в організмі називається електрофізіологія.
- Електроенцефалографія - метод дослідження функціонального стану головного мозку.
- Електрокардіографія - методика реєстрації та дослідження електричних полів при роботі серця.
- Електрогастрографія - метод дослідження моторної діяльності шлунка.
- Електроміографія - метод дослідження біоелектричних потенціалів, що виникають в скелетних м'язах.
- Лікування і реанімація: електростимуляції певних областей головного мозку; лікування хвороби Паркінсона і епілепсії, також для електрофорезу. Водій ритму, стимулюючий серцевий м'яз імпульсним струмом, використовують при брадикардії та інших серцевих аритміях.
Електробезпека
Включає в себе правові, соціально-економічні, організаційно-технічні, санітарно-гігієнічні, лікувально-профілактичні, реабілітаційні та інші заходи. Правила електробезпеки регламентуються правовими і технічними документами, нормативно-технічною базою. Знання основ електробезпеки обов'язково для персоналу, що обслуговує електроустановки та електрообладнання. Тіло людини є провідником електричного струму. Опір людини при сухій і непошкодженій шкірі коливається від 3 до 100 кОм.
Струм, пропущений через організм людини або тварини, виробляє такі дії:
- термічне (опіки, нагрів і пошкодження кровоносних судин);
- електролітичне (розкладання крові, порушення фізико-хімічного складу);
- біологічне (роздратування і збудження тканин організму, судоми)
- механічне (розрив кровоносних судин під дією тиску пара, отриманого нагріванням струмом крові)
Основним чинником, що обумовлює результат ураження струмом, є величина струму, що проходить через тіло людини. За технікою безпеки електричний струм класифікується наступним чином:
- безпечним вважається струм, тривалий шлях якого через організм людини не заподіює йому шкоди і не викликає ніяких відчуттів, його величина не перевищує 50 мкА (змінний струм 50 Гц) і 100 мкА постійного струму;
- мінімально відчутний людиною змінний струм складає близько 0,6-1,5 мА (змінний струм 50 Гц) і 5-7 мА постійного струму;
- пороговим неотпускающим називається мінімальний струм такої сили, при якій людина вже нездатний зусиллям волі відірвати руки від струмоведучих частини. Для змінного струму це близько 10-15 мА, для постійного - 50-80 мА;
- фібрілляціонние порогом називається сила змінного струму (50 Гц) близько 100 мА і 300 мА постійного струму, вплив якого довше 0,5 с з великою ймовірністю викликає фібриляцію серцевих м'язів. Цей поріг одночасно вважається умовно смертельним для людини.
У Росії відповідно Правилами технічної експлуатації електроустановок споживачів і Правилами з охорони праці при експлуатації електроустановок, встановлено 5 кваліфікаційних груп з електробезпеки в залежності від кваліфікації та стажу працівника і напруги електроустановок.
Див. також
- струм витоку
Примітки
література
- Баумгарт К. К.,. // Енциклопедичний словник Брокгауза і Ефрона: в 86 т. (82 т. І 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
». Сьогодні я хочу торкнутися таку тему, як електричний струм. Що ж це таке? Давайте спробуємо згадати шкільну програму.
Електричний струм - це впорядкований рух заряджених частинок в провіднику
Якщо ви пам'ятаєте, щоб заряджені частинки прийшли в рух, (виник електричний струм) потрібно створити електричне поле. Щоб виникло електричне поле можна провести такі елементарні досліди, як потерти про шерсть пластикову ручку і вона якийсь час буде притягати легкі предмети. Тіла здатні після натирання притягати предмети називаються наелектризовані. Можна сказати, що у тіла в такому стані є електричні заряди, а самі тіла називаються зарядженими. Зі шкільної програми ми знаємо, що всі тіла складаються з найдрібніших частинок (молекул). Молекула - це частинка речовини, яку можна відокремити від тіла і вона буде мати всі властивості притаманними цьому тілу. Молекули складних тел утворюються з різних поєднань атомів простих тел. Наприклад, молекула води складається з двох простих: атома кисню і одного атома водню.
Атоми, нейтрони, протони і електрони - що це таке?
У свою чергу, атом складається з ядра і що обертаються навколо нього 
електронами. Кожен електрон атома володіє невеликим електричним зарядом. Наприклад, атом водню складається з ядра, що обертає навколо нього електрона. 
Ядро атома складається, в свою чергу, з протонів і нейтронів. Ядро атома, в свою чергу, володіє електричним зарядом. Протони, що входять до складу ядра, мають такі ж по величині електричні заряди і електрони. Але протони, на відміну від електронів, малорухливі, але їх маса в багато разів більше маси електрона. 
Частка нейтрон, що входить до складу атома, не має ніякого електричного заряду, нейтральна. Електрони, які обертаються навколо ядра атома і протони, що входять до складу ядра, є носіями рівних за величиною електричних зарядів. Між електронів і протонів завжди діє сила взаємного тяжіння, а між самими електронами і між протонами сила взаємного відштовхування. В силу цього, електрон має негативний електричний заряд, а протон позитивним. З цього можна зробити висновок, що існує 2 роду електрики: позитивне і негативне. Наявність в атомі равноіменно заряджених частинок призводить до того, що між позитивно зарядженим ядром атома і обертаються навколо нього електронами діють сили взаємного тяжіння, що скріплюють атом в одне ціле. Атоми відрізняються один від одного за кількістю нейтронів і протонів в ядрах, через що не однаковий позитивний заряд ядер атомів різних речовин. У атомів різних речовин кількість обертових електронів не однаково і визначається величиною позитивного заряду ядра. У атомів одних речовин міцно пов'язані з ядром, а у інших цей зв'язок може бути значно слабкіше. Цим пояснюється різна міцність тел. Сталевий дріт значно міцніше мідної, значить, частинки стали сильніше притягуються один до одного, ніж частки міді. Тяжіння між молекулами особливо помітно, коли вони знаходяться близько один до одного. самий яскравий приклад - дві краплі води зливаються в одну при зіткненні.
Електричний заряд
В атомі 
будь-якої речовини кількість електронів, що обертаються навколо ядра, рівно кількості протонів, що містяться в ядрі. Електричний заряд електрона і протона рівні за величиною, значить, негативний заряд електронів дорівнює позитивному заряду ядра. Ці заряди взаємно врівноважують один одного, а атом залишається нейтральним. В атомі електрони створюють навколо ядра електронну оболонку. Електронна оболонка і ядро \u200b\u200bатома знаходяться в безперервному коливальному русі. При русі атоми стикаються один з одним і від них вилітає один або кілька електронів. Атом перестає бути нейтральним, стає позитивно зарядженим. Так як його позитивний заряд став більше негативного (слабкий зв'язок між електроном і ядром - метал і вугілля). У інших тіл (дерево і скло) порушення електронних оболонок не відбувається. Відірвавшись від атомів, вільні електрони безладно рухаються і можуть захоплюватися іншими атомами. Процес появ і зникнень в тілі відбувається безперервно. Зі збільшенням температури, швидкість коливального руху атомів зростає, зіткнення частішають, стають сильнішими, кількість вільних електронів збільшується. Однак тіло залишається електрично нейтральним, так як кількість електронів і протонів в тілі не змінюється. Якщо з тіла видалити деяку кількість вільних електронів, то плюсовій заряд стає більше сумарного заряду. Тіло виявиться заряджена позитивно і навпаки. Якщо в тілі створюється недолік електронів, то воно заряджається додатково. Якщо надлишок - негативно. Чим більше цей недолік або надлишок, тим більше електричний заряд. У першому випадку (більше позитивно заряджених частинок) тіла називають провідниками (метали, водні розчини солей і кислот), а в другому (недолік електронів, негативно заряджених частинок) діелектриками або ізоляторами (бурштин, кварц, ебоніт). Для тривалого існування електричного струму, в провіднику необхідно постійно підтримувати різницю потенціалів.
Ну ось і невеликий курс фізики закінчений. Я думаю, ви, з моєю допомогою, згадали шкільну програму за 7 клас, а що таке різниця потенціалів розберемо в моїй наступній статті. До нових зустрічей на сторінках сайту.
І ін. За напрямок струму беруть напрямок руху позитивно заряджених частинок; якщо струм створюється негативно зарядженими частинками (наприклад, електронами), то напрям струму вважають протилежним напрямку руху частинок.
Розрізняють електричний струм провідності, пов'язаний з рухом заряджених частинок щодо тієї чи іншої середовища (т. Е. Усередині макроскопічних тіл), і конвекційний струм - рух макроскопічних заряджених тіл як цілого (наприклад, заряджених крапель дощу).
Якщо в ланцюзі встановлюється електричний струм, то це означає, що через поперечний переріз провідника весь час переноситься електричний заряд. Заряд, перенесений в одиницю часу, є основною кількісною характеристикою струму, званої силою струму. Сила струму дорівнює відношенню величини заряду, що переноситься через поперечний переріз провідника за певний інтервал часу, до тривалості цього інтервалу. Якщо сила струму і його напрям з часом не змінюється, то струм називають постійним струмом.
Для виникнення і існування електричного струму необхідна наявність вільних позитивно або негативно заряджених частинок, не пов'язаних в єдину електрично нейтральну систему, і сили, що створює і підтримує їх впорядкований рух. Зазвичай силою, що викликає такий рух, є сила з боку електричного поля усередині провідника, яка визначається електричною напругою на кінцях провідника.
Найважливішою характеристикою провідника є залежність сили струму від напруги - вольт-амперна характеристика. Вона має найпростіший вид для металевих провідників і електролітів: сила струму прямо пропорційна напрузі (Ома закон).
Протікаючи по речовині, електричний струм може надавати магнітне, теплове, хімічний вплив. Магнітна дія полягає у виникненні магнітного поля, ця дія є загальним, виявляється у всіх без винятку провідників. Теплова дія електричного струму полягає в нагріванні речовини, через яке протікає струм (виняток - надпровідники , в яких виділення теплоти не відбувається). Хімічна дія спостерігається переважно в електролітах і полягає в протіканні хімічних реакцій під дією електричного струму (наприклад, при електролізі).
Максвеллом введено поняття повного струму, який, відповідно до його теорією завжди замкнутий: на кінцях провідника обривається лише струм провідності, а в діелектрику (вакуумі) між кінцями провідника є струм зміщення, який замикає струм провідності. Тому щільність повного електричного струму j повн дорівнює сумі щільності струму провідності j і щільності струму зміщення j см, і визначає створюване їм магнітне поле.
J повн \u003d j +? D /? T
Здатність речовин проводити електричний струм дуже сильно розрізняється для різних матеріалів і характеризується електропровідністю. Провідники, завдяки наявності в них великої кількості рухомих заряджених частинок - носіїв заряду, добре проводять електричний струм. Концентрація носіїв заряду в діелектриках украй мала, і навіть при великій напрузі вони служать хорошими ізоляторами. В металах вільними зарядженими частинками - носіями струму - є електрони провідності, концентрація яких практично не залежить від температури і складає 10 22 -10 23 см -3. В електролітах електричний струм обумовлений спрямованим рухом позитивних і негативних іонів, що утворюються в результаті електролітичноїдисоціації.
Гази з нейтральних молекул є діелектриками. Електричний струм проводять лише іонізованниє гази - плазма. Носіями струму в плазмі служать позитивні і негативні іони (як в електролітах) і вільні електрони (як в металах).
Глава V1. ПОСТІЙНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ
У 7 класі ми фантазували на тему, що станеться, якщо зникне сила тертя, яка, до речі, обумовлена \u200b\u200bелектричними взаємодіями між молекулами і атомами різних тел.
А зараз уявіть, що на кілька хвилин відмовили всі пристрої, що використовують електричні взаємодії. Це була б катастрофа. Зупиняться ліфт, поїзди метро, \u200b\u200bелектропоїзди, припиниться подача води в будинки і повітря в шахти. Літаки не зможуть приземлитися, припиниться робота радіо і телебачення, замовкнуть телефони і т.п.
А почалося створення всіх цих пристроїв з найпростішого спостереження за тим, як дрібні частинки прилипали до янтарю, потертому про шовк. Сучасне суспільство не може собі уявити життя без електрики.
§53 Перетворення енергії при русі заряду в електричному полі.
За рахунок електричних взаємодій тіло, що володіє зарядом, може змінювати свою енергію. Розглянемо кілька уявних експериментів. Нехай на вершині гори знаходиться заряд, що створює електричне поле
У підніжжя гори поставимо візок з зарядом протилежного знака. Під дією електричного поля візок поїде вгору по гірці. Будемо вважати, що поле, заряд і маса візка такі, що цей рух можливо.
Що ми спостерігаємо? В результаті роботи, яку здійснюють електричним полем, збільшується потенційна енергія візки.
Придумаємо уявний експеримент, який демонстрував би перетворення енергії електричного поля в кінетичну енергію зарядженої візки.
При русі негативно зарядженої візки по горизонтальній поверхні, її швидкість буде збільшуватися під дією електричного поля. (Подумки ми можемо зробити тертя дуже маленьким).
При цьому збільшується кінетична енергія візки Е к \u003d mv 2/2. Якщо створити тертя, таким, щоб візок рухалася по горизонтальній поверхні, не збільшуючи свою швидкість, відбудеться нагрів візки і поверхні, по якій вона рухається, тобто енергія електричного поля може перетвориться у внутрішню енергію.
У трьох розглянутих випадках енергія електричного поля зменшувалася, так як у міру наближення зарядженої візки до заряду, що створює поле, зменшувалася напруженість за візком. Уявімо собі, що до позитивно зарядженого кульці притягається крапля води з таким же по модулю, але протилежним за знаком зарядом. Між ними існує поле, вид якого зображений на
При наближенні краплі до кульки, її швидкість, а значить і кінетична енергія, збільшуються. У момент зіткнення краплі з кулькою їх заряд стане рівним нулю. Поле зникне, тобто вся енергія поля перетвориться в механічну і теплову.
Ще раз підкреслимо, що робота електричним полем відбувається тільки при русі зарядженого тіла. Причому, чим більший заряд перемістився, тим більша робота здійснюється полем. При цьому саме поле змінюється і його енергія зменшується, якщо повна енергія рухомого заряду заряду збільшується.
Чим менше час переміщення заряду, тим більше потужність поля. Наприклад, при виникненні блискавки між двома хмарами
Електричне поле може здійснювати роботу при переміщенні зарядженого тіла.
За рахунок здійснення роботи електричним полем може змінюватися потенційна, кінетична і внутрішня енергія тіла.
Вправа 53.
- Візок знаходиться в полі напруженістю 10000 В / м. Яка сила діє на візок, якщо її заряд 5 мкКл? Яку роботу здійснить електричне поле при переміщенні візка на відстань 10 см уздовж силових ліній?
Заряджений кулька, рухаючись під дією сил електричного поля, збільшив кінетичну енергію на 3 Дж. Яку роботу вчинила електричне поле?
При переміщенні заряду 6 мкКл в однорідному електричному полі на відстань 0,5 м його швидкість збільшилася від 0 до 2 м / с. Яка напруженість електричного поля, якщо маса заряду 4г?
У теплоизолированной трубці з дистильованою водою переміщується легкий кульку з зарядом 10 мкКл на відстань 1м під дією електричного поля з напруженістю 10000 В / м. На скільки збільшиться температура води, якщо її маса 20 г? Масою кульки можна знехтувати. Вважати, що вся робота йде на збільшення внутрішньої енергії води. Питома теплоємність води 4200 Дж / кг град.
§54Електріческій струм. Сила струму.
Уявімо собі пучок протонів, тобто величезну кількість протонів, що летять в одному напрямку. (Такі пучки створюються вченими в лабораторіях і на виробництві).
Аналогічно тому, як рух машин по шосе в одну сторону називають вантажним потоком. Якщо ви стоїте на узбіччі, то можете підрахувати, яка маса вантажу, що проїжджав повз вас за одну годину. Ця величина характеризує інтенсивність переміщення вантажу. Можна порівняти, якою дорогою переміщається більше вантажів.
Так, якщо повз спостерігача в одному напрямку за одну секунду пролетіло 10 19 протонів, то їх загальний заряд 1,6 Кл, і сила струму 1,6 Кл / с.
Електричний струм має напрямок. За направлення електричного струму приймається напрямок руху позитивних зарядів, В нашому випадку - протонів. Якщо направлено рухаються негативно заряджені частинки, то напрямок електричного струму є протилежним руху цих частинок.
У переміщенні зарядів можуть брати участь одночасно не тільки позитивно і негативно заряджені частинки, (наприклад, електрони). Якщо позитивні і негативні заряди рухаються в одному напрямку, їх заряди віднімаються; якщо в протилежному, то їх заряди складаються.
Наприклад, якщо повз спостерігача в кошик за 1 секунду пролетіло 12 частинок із зарядом +2 Кл кожна, і в ту ж корзину 4 частки з зарядом по -1Кл кожна, то сила струму 20 Кл / с. (Заряд кошика, в яку падали ці частинки, збільшується на 20 Кл за одну секунду).
Якщо позитивні частинки летять в корзину, а негативні вилітають з неї, то заряд кошика збільшується на 28 Кл за 1 секунду. Наприклад, 4 частки з зарядом по -1 Кл, що вилетіли з кошика збільшують її заряд на 4 Кл. Сила струму дорівнює 28 Кл / с.
Напрямок струму збігається зі швидкістю позитивних частинок і протиоположно швидкості негативних.
Сила струму вимірюється в амперах (А). Ця одиниця названа на честь французького фізика А. Ампера (1775 - 1836). При силі струму в один ампер в кожну секунду через поперечний переріз провідника проходить заряд в один кулон.
Використовуються частинні і кратні одиниці мА, мкА, кА.
Нитка електричної лампочки нагрівається за рахунок того, що в ній під дією електричного поля відбувається спрямований рух електронів. При цьому сила струму в нитки приблизно 0,5 А. Що це означає? Якщо ми подумки перетнемо нитка площиною
і підрахуємо, який заряд пройшов крізь цю площину (її називають поперечним перерізом), то виявимо, що за одну секунду цей заряд дорівнює 0,5 Кл, за 5 секунд - 2,5 Кл.
I
I = q/ t
Для вимірювання сили струму застосовуються прилади, які називаються амперметрами.
Для вимірювання сили струму застосовуються прилади, які називаються амперметром.
Направлений рух заряджених частинок називається електричним струмом
Величина заряду всіх частинок, що пролітають повз спостерігача за 1 секунду, називається силою струму.
Електричний струм має напрямок.
За направлення електричного струму береться напрямок руху позитивних зарядів.
Сила струму вимірюється в амперах (1 А)
При силі струму в один ампер в кожну секунду через поперечний переріз провідника проходить заряд в один кулон.
Сила струму позначається буквоюI
Упражненіе54.
Електронна гармата «вистрілює» 10. 18 електронів в секунду. Яка сила струму електронного пучка?
У розплавленої кухонної солі рухаються іони хлору з зарядом -1,6 10 -19 Кл і іони натрію з зарядом +1,6 10 -19 Кл. Через поперечний переріз справа наліво пройшло за 1 секунду 10 19 іонів натрію, а зліва направо 2 10 19 іонів хлору за ту ж секунду. Яка сила струму?
Електронний пучок з силою струму 1 мкА спрямований на металевий незаряджений кульку. Яким буде заряд кульки через 5 с?
Якою буде напруженість поля у поверхні кульки (див задачу 3), якщо його радіус 1 см?
З піпетки падають краплі з зарядом 0,1 мкКл. За 10 з впало 10 крапель. На скільки змінився заряд піпетки з залишилася рідиною? Яка середня сила струму (відношення всього минулого заряду, до часу, за який цей заряд пройшов)?
завдання
1.Возьміте пластмасову пляшку, заповніть її водою. У кришки зробіть отвір. Розмір отвору повинен бути достатнім для того, щоб бульбашки повітря проникали в пляшку. Закрийте пляшку пробкою. Переверніть пляшку пробкою вниз над раковиною або ванною.
Що потрібно зробити, щоб рух бульбашок не припинялося? Спостерігайте за підйомом бульбашок повітря. Уявіть, що кожен пухирець несе заряд -10 мКл. Визначте середню силу «струму». Який напрям струму?
2.Опустіте в ту ж пляшку двадцять маленьких (менше сірникової головки) шматочків пластиліну неправильної форми. Різко переверніть пляшку пробкою вниз. Виміряйте час, за яке все шматочки виявляться у пробки. Визначте середню силу струму, вважаючи, що кожен шматочок несе заряд + 30 мКл. Як зміниться сила струму, якщо замість води в пляшці був би кисіль?
*** для зацікавлених
Під час дослідів з електричною машиною фізики помічали, що електрику переходить з натирати скляного круга на кондуктор. Багато разів вони пробували розряджати «лейденську банку» через довгий ланцюг взялися за руки людей. Але ніхто не висловив ясної думки про можливість тривалого перебігу електрики по провідникам. Поняття про електричний струм було введено в науку пізніше італійським фізиком Вольта.
Відкриттю струму передували досліди італійського анатома Луїджі Гальвані (1737-1798), що досліджував дію електричного розряду на м'язи і нерви мертвої жаби. розряджаючи кондуктор електричної машини через нерв жаб'ячої ніжки, з'єднаної металевої дротиком з землею, він спостерігав судомні скорочення м'язів. У цьому ще не було нічого несподіваного. Судомні скорочення м'язів спостерігалися і при розрядження « лейденськоїбанки»Через ланцюг взялися за руки людей. Але випадок дозволив експериментатору спостерігати дивне явище.
На металевій пластиці лежала жаб'яча ніжка. Щоб не брати лапку руками, Гальвані зачепив її мідним гачком. Випадково доторкнувшись кінцем гачка до залізної платівці, Гальвані з подивом побачив, що м'язи жаб'ячої ніжки скоротилися, як від електричного розряду. Розмірковуючи над причиною цього явища, Гальвані вирішив, що в м'язах жаби полягає «тварина електрику». Тому при з'єднанні провідниками (мідний гачок і залізна пластинка) нерва з м'язами відбувається розряд.
Відкриття Гальвані зацікавило італійського фізика Вольта, який почав перевірку цих дослідів, щоб переконатися, чи дійсно існує «тварина електрику». Приклавши до кінчика свого язика шматочок металевої фольги, а до верхньої частини мови срібну монету і з'єднавши їх тонким дротиком, він відчув кислуватий смак. Вольта припустив, що причиною явища, що спостерігалося Гальвані, служило присутність двох металів (мідного гачка і заліза). Керуючись цією думкою, він поставив багато дослідів і, нарешті, зробив важливе відкриття, про що повідомив в 1800 р Лондонському королівському товариству. Вольта писав, що він знайшов нове джерело електрики. Прилад заряджається сам собою і розряджається безперервно. При цьому він дав і опис свого приладу, влаштованого в такий спосіб.
Вольта взяв кілька дюжин цинкових і мідних гуртків. Гуртки він склав в стовп, чергуючи мідні і цинкові, і переклав їх намоченими в розчині кухонної солі картонними кружками. Коли Вольта доторкнувся однією рукою до нижнього мідному кухоль, а інший до верхнього цинковому, то відчув сильний електричний удар. При цьому пристрій не розряджався, і, скільки б раз експериментатор не торкався гуртків, удар повторювався, т. Е. Заряд електрики виникав безперервно.
Це був новий джерело електрики - «вольтів стовп», яким негайно стали користуватися фізики.
Російський фізик В. В. Петров (1761-1834) побудував для своїх дослідів батарею з 4200 мідних і цинкових гуртків, покладених в чотирьох дерев'яних ящиках. Для ізоляції він покрив внутрішні стінки ящиків сургучною лаком. Приєднавши мідним дротом (до верхнього і нижнього кухоль) полюсів батареї два вугільних стерженька (електрода) і зблизивши їх кінці, В. В. Петров побачив, як між ними з'явилася яскрава дуга. Вона висвітлила лабораторію, а коли фізик став вводити в неї шматочки металів, то вони дуже швидко розплавляється. Це була так звана вольтова дуга.
Так було відкрито нове явище - електричний струм.
§55Тепловое дію електричного струму
Провідники від діелектриків відрізняє те, що в них можуть направлено рухатися заряджені частинки.
В металах такими частинками є електрони, в які проводять рідинах (електролітах) - іони, в плазмі - іони і електрони.
При відсутності електричного поля всі частинки рухаються хаотично. Середня кінетична енергія всіх частинок однакова.
При виникненні електричного поля всередині провідника заряджені частинки починають рухатися уздовж силових ліній.
Зберігаючи хаотичний тепловий рух. На малюнку вказані швидкості теплового руху частинок.
Позитивно заряджені частинки рухаються в напрямку напруженості поля, негативно - назустріч йому, виникає електричний струм. Частинки, переміщаючись, набувають додаткову енергію, яка за рахунок хаотичних зіткнень передається і незарядженим часткам. В результаті відбувається збільшення кінетичної енергії всіх часток, тобто збільшується температура і внутрішня енергія тіла.
Отже, електричний струм в речовині викликає його нагрівання. Це явище називається тепловим дією електричного струму.
Теплова дія електричного струму використовується в електронагрівальних приладах.
У побуті використовується багато різних електронагрівальних приладів. До них відносяться: електричний камін, який дає додаткове тепло в тому місці кімнати, де воно вам необхідно; електричні чайники, кавники служать для нагрівання води; на електроплитках швидко готується їжа; мокре волосся можна швидко висушити потоком сухого гарячого повітря, створюваного електричним феном; випрану білизну господарки гладять електричним праскою. Це перерахування можна продовжити. Зупинимося детальніше на окремих приладах.
У сучасних квартирах на кухнях встановлюються електричні плити. Вони замінили плити, що працюють на твердому паливі, і газові плити, Так як є екологічно чистішими: немає продуктів згоряння твердого палива / золи, шлаку, диму /, не відбувається забруднення навколишнього середовища. Електричні плити мають також технічні переваги: \u200b\u200bвони забезпечені системою автоматичного регулювання температури, яка дозволяє при досягненні потрібної температури автоматично відключати від електричної мережі весь прилад або його частина / електронагрівальний елемент духовки або конфорки /. При охолодженні електронагрівального приладу він знову автоматично включається в мережу.
конструкція домашніх електричних плит дуже різноманітна.
На малюнку 187 показано одну з них. На верхній поверхні плити дві плитки (конфорки). Нагрівальний елемент плитки, виготовлений з ніхромового (ніхром - це сплав двох металів нікелю і хрому) дроту, запресований в жаротривким керамічному підставі, що має форму кільця. (Вибір нихрома визначається тим, що він має високу температуру плавлення і не окислюється при високих температурах. Крім того властивості ніхрому такі, що при невеликій силі струму в ньому виділяється велика кількість теплоти).
На передній стінці плити поміщені спеціальні перемикачі для регулювання ступеня нагріву плиток і духовки.
2. Теплова дія струму використовується не тільки в побуті, але і в техніці.
Прикладом може служити контактна електрозварювання. Цей вид електрозварювання заснований на використанні теплоти, що виділяється в місці зіткнення (контакту) двох шматків металу, в місці їх контакту при проходженні через них електричного струму.
Зварюються деталі закріплюють між зажимами, призводять до зіткнення і пропускають через них електричний струм.
У місці контакту виділяється наи більша кількість теплоти, в результаті чого метал сильно нагрівається. Коли він завдяки нагріванню, стає пластичним, ток автоматично вимикається, і машина стискає розм'якшені частини деталей настільки сильно, що вони міцно з'єднуються.
Контактна електрозварювання виконується автоматично машинами - автоматами.
3. В сільському господарстві тепловедію струму також знайшло застосування, наприклад, для сушки стогів намоченого дощем сіна.
Струмені нагрітого повітря від вентилятора і нагрівача поводятся по трубі знизу в саму середину стоги і швидко просушує його. На тваринницьких фермах використовуються спеціальні апарати, в яких електричні нагрівачі підтримують температуру, найкращу для новонароджених тварин.
В інкубаторах з яєць виводяться сотні і тисячі курчат. У цих "електричних квочки" з великою точністю підтримується певна температура / близько 38 ° С /, найбільш сприятлива для розвитку зародків в яйцях. А спеціальний механізм перевертає яйця, щоб вони рівномірно прогрівалися з усіх боків.
Електричний струм в речовині викликає його нагрівання. Це явище називається тепловим дією електричного струму.
Чим більший заряд проходить через провідник, тим сильніше провідник розігрівається, і тим більше збільшується його енергія.
Вправа 55.
Яка основна частина присутня у всіх електронагрівальних приладів? Яке дію струму в них використовується?
чому електричну лампу розжарювання можна використовувати як електронагрівальний прилад? Як влаштована лампа розжарювання? Яка частина лампи розжарювання є основною?
Які електронагрівальні прилади ви використовуєте?
Чому для нагрівальних елементів електроплит використовується нихромовая дріт?
Нагрівальний елемент електроплит може бути включений на кілька ступенів нагрівання. Як цього досягають?
§56Хіміческое дію струму.
Під дією електричного поля можливо не тільки зміна внутрішньої енергії провідника, (його нагрівання), а й інші явища.
Опустимо в розплав кухонної солі дві вугільні пластини, одна з яких - анод - заряджена позитивно (в ній недолік електронів), а інша - катод-негативних (в ній надлишок електронів). Анод і катод називають електродами.
Електричне поле між пластинами змусить позитивні іони натрію рухатися до негативної пластини - катода, А негативно заряджені іони хлору - до позитивно зарядженої пластини - анода. Тому позитивно заряджений іон, що рухається під дією електричного поля до катода, називається катіоном, а негативно заряджений іон, що рухається до анода - аніоном.
На поверхні пластин іони натрію будуть захоплювати електрон, так як у негативної пластини їх надлишок, і перетворюватися в нейтральний атом натрію. На іншій пластині іонхлору віддасть електрон, так само перетворюючись в нейтральний атом хлору.
На поверхні анода буде виділятися натрій, у катода - хлор. Під дією електричного поля хлористий натрій перетворюється в натрій і хлор, тобто відбувається хімічна реакція.
Більш точне визначення електроліза дається в хімії.
Кількість речовини, яка виділяється на електроді, тим більше, чим більша кількість іонів підійшло до нього. Кожен іон володіє зарядом. Значить, чим більший заряд переміститься до електрону, тим більше речовини виділяється на ньому.
Хімічна реакція, яка відбувається під дією електричного поля, супроводжується спрямованим рухом іонів, тобто електричним струмом. Часто вживають поняття хімічне дію струму. На наш погляд, правильніше було б говорити про виникнення струму при хімічної реакції.
В результаті впливу електричного поля можливі хімічні реакції, не пов'язані з отриманням або віддачею електронів на електродах. Так, при виникненні іскри між кульками електрофорної машини (на уроці) або блискавки (в природі), утворюється велика кількість нових речовин: озон, сполуки азоту і ін.
Вплив електричного поля на хімічні реакції можна використовувати.
Наприклад, е лектроліз застосовується для нанесення на металеві поверхні виробу будь-якої конфігурації найтоншого шару іншого металу: золота, срібла, хрому, нікелю і т.д. Покриття виходять міцними, рівними по товщині, довговічними. Вони не тільки захищають метал від корозії, але і надають гарний декоративний вигляд виробам з нього. Ця галузь промисловості називається гальваностегія.
Інша галузь промисловості, яка використовує електроліз, називається г альванопластікой. методом гальванопластики виготовляють металеві копії з різних предметів. З рельєфного предмета роблять воскової відбиток / матрицю /. Для того щоб він проводив струм, його поверхня покривається тонким шаром графіту. цей графітовий катод опускають в ванну з розчином сульфату міді ; анодом служить мідь. при електролізі анодрозчиняється, а на катоді осідає мідь. Таким чином, отримують точну мідну копію предмета.
Гальванопластика була винайдена, в 1838 р російським ученим Б.С. Якобі. (1801 - 1874). За допомогою г альванопластікі виготовляють кліше для друку, грамплатівки та ін.
електролітівз розчину сірчанокислої міді (мідного купоросу / СuSО 4 /) супроводжується перенесенням міді з позитивного електрода / анода/ На анод / катод /, при цьому на до атоде виділяється чиста мідь. Цим широко користуються для очищення / рафінування / міді від домішок. на
зображена установка для очищення міді. Рафінування за допомогою е лектроліза розчинів солей також застосовується для отримання срібла, золота, і інших металів.
електроліз розчинів застосовується в хімічній промисловості і для отримання чистих речовин. Наприклад, за допомогою електролізурозчину хлористого натрію отримують хлор, водень і їдкий натр.
Велике значення має е лектроліз розплавів. З розплавленого їдкого натру витягають натрій. Таким же чином отримують берилій, магній і інші метали. Для отримання алюмінію з бокситів (особливого сорту глини) Шляхом переробки отримують глинозем / глинозем /, яка в суміші з легкоплавкими солями розплавляється в електричній печі, а потім в тій же печі піддається електролізу. При цьому на катоді / на дні електричної ванни / виділяється алюміній.
Пластина, заряджена позитивно (в ній недолік електронів), називається анодом, а заряджена негативно (в ній надлишок електронів), - катодом.
Анод і катод називають електродами.
Хімічна реакція, яка відбувається на поверхні електрода, називається електролізом.
Кількість речовини, яка виділяється на електроді, тим більше, чим більша кількість іонів підійшло до нього.
Кожен іон володіє зарядом. Значить, чим більший заряд переміститься до електрону, тим більше речовини виділяється на ньому.
Вправа 56
Що є рухомими зарядженими частинками в розчинах солей, кислот і лугів?
Як називається позитивно заряджений електрод? Негативно заряджений?
Вітер дме на північ. Який напрям вітру?
Іони хлору рухаються із заходу на схід. Який напрям струму?
* Який заряд має переміститися на електрод, щоб на ньому виділився один моль натрію. Заряд іона натрію дорівнює по модулю заряду електрона q \u003d 1,6 10 -19 Кл. Число Авагадро N А \u003d 6 10 -23 1 / моль. Чи реально накопичити такий заряд на ізольованому електроді?
завдання
Візьміть батарейку КБС або «крона». Прикладіть контакти батареї до свіжого зрізу картоплі. Через кілька хвилин розгляньте сліди від контактів на картоплі. Опишіть спостережувану картину ..
Прикладіть до мови контакти батарейки. Ви відчуєте кислий присмак. Зміна смаку свідчить про появу нового речовини, тобто хімічної реакції. Візьміть два предмета з різного металу, наприклад алюмінієву фольгу і сталевий ключ, або мідний дріт і срібну вилку. Головне, щоб метали були різні. Спробуйте на смак кожен з предметів окремо. Потім з'єднайте кінці цих предметів і спробуйте на смак вільні кінці обов'язково одночасно. Розкажіть про свої відчуття.
*** для зацікавлених
Для підтримки електричного струму в провідниках використовують пристрої, які називаються джерелами струму. Розглянемо джерела струму, в яких необхідна для їх дії хімічна енергія відновлюється за допомогою електролізу. Такі елементи називаються акумуляторами / накопичувачами /, а процес накопичення в них енергії за допомогою електролізу - зарядкою акумулятора. При зарядці акумуляторів через них пропускають струм від якого-небудь стороннього джерела в напрямку, протилежному напрямку струму, який вони дають.
Існують два види акумуляторів: кислотні та лужні. Кислотні акумулятори складаються з пластин, опущених в розчин сірчаної кислоти
Негативні пластини робляться з чистого свинцю з сильно розпушеному поверхнею; позитивні пластини покриті перекисом свинцю. При розрядці акумулятора обидві пластини поступово покриваються сірчанокислим свинцем. При зарядці акумуляторів відмінність в складі позитивних і негативних пластин відновлюється електролізом. В процесі зарядки акумулятора іони водню / Н / переміщаються по тому ж напрямку, по якому йде струм, а іони, що утворилися в результаті розкладання сірчаної кислоти / S0 4 /, йдуть в протилежному напрямку.
У лужних акумуляторах пластини і судини виготовляють із заліза. Залізні пластини опущені в розчин їдкого калію / КОН / або їдкого натрію / NаОН / в дистильованої воді. І той, і інший розчини є лугами, тому і акумулятори називаються лужними.
Лужні акумулятори зручні при перевезенні, так як не бояться струсів. Вони відрізняються міцністю конструкції, не виділяють в процесі роботи і при зарядці шкідливих газів, не бояться перевантаження і можуть довго залишатися в полуразряженного або розрядженому стані.
У порівнянні з лужними акумуляторами кислотні акумулятори мають більшу робочу напругу і більший коефіцієнт корисної дії. внутрішній опір лужних акумуляторів більше, ніж
кислотних.
Акумулятори найбільш часто використовуються на автомобілях, літаках, поїздах з електричним освітленням, телефонних станціях, підводних човнах і т.п.