Что относится к электрическим явлениям в физике примеры

Физика

Именная карта банка для детей
с крутым дизайном, +200 бонусов

Закажи свою собственную карту банка и получи бонусы

План урока:

Электризация тел. Два рода электрических зарядов

«Солнечным камнем» называли в Древней Греции янтарь – затвердевшую сосновую смолу. Греки очень любили изделия из янтаря за его блеск и солнечный цвет.

Янтарная смола

Давно превратилась в легенду история открытия способности янтаря после трения о что-нибудь притягивать к себе другие тела. Вот о чем она говорит:

Природу этих явлений удалось объяснить только во второй половине двадцатого века, а сами явления, названные в честь янтаря электрическими, уже давно служили человеку. Электрических явлений очень много. Среди них, электризация – получение телом способности к притяжению после трения, касания или влияния.

Электризация наблюдается не только у двух твердых тел. Это происходит, когда жидкость течет по металлу или разбрызгивается на множество капель при ударе о твердое тело.

Зафиксированы случаи, когда в темное ночное время были не только слышны, но и видны сходящие снежные лавины. Их движение сопровождалось зеленоватым свечением.

Н. Тенсинг, покоритель Гималаев, наблюдал интересное явление, происходящее с его палатками. Они были вставлены друг в друга для сохранения тепла. Во время сильного сухого ветра пространство между палатками заполнялось мелкими искрами. Происходила электризация обледеневших палаток.

Тела, испытавшие на себе электризацию, называются наэлектризованными.

Такие тела могут повлиять на состояние других тел таким образом, что те тоже становятся наэлектризованными.

Объясняется это передачей электрического заряда от наэлектризованного тела нейтральному. Заряд характеризует величину наэлектризованности тел.

Зарядов существует два вида: отрицательные и положительные. Это деление условное. За положительный принято считать заряд, полученный при натирании шелком стеклянного тела. Тот заряд, который получает эбонитовая палочка, потертая о шерсть или мех, получил статус отрицательного заряда. Некоторые тела электризуются, как стекло, и приобретают положительные заряды. Другие, как эбонит, при электризации получают отрицательные заряды.

Наэлектризованные тела или заряды влияют друг на друга. Заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков – притягиваются.

Электроскоп и электрометр – это одно и то же?

Внешний вид приборов тоже имеет отличия.

Электроскоп

Электроскоп состоит из металлического корпуса, внутри которого металлический стержень. Сверху стержень выходит наружу. К нему можно прикрепить полый шар или плоскую пластину. Внизу к стержню прикреплены два тонких бумажных или металлических лепестка.

Если коснуться стержня заряженным телом, лепестки разойдутся в разные стороны.

Это происходит следующим образом. Металлы являются проводниками электрического заряда. Когда заряженное тело касается металлического стержня, заряд по нему проходит до лепестков. Но ведь этот заряд одного знака, значит, оба лепестка заряжаются одинаково, и происходит отталкивание.

Электрометры

Электрометр также имеет металлический корпус, металлический стержень, но в отличие от электроскопа на нижнем конце стержня нет лепестков. К средней части стержня крепится стрелка, а к корпусу небольшая шкала.

Электрометр может показать не только наличие заряда. Он выполняет несложные измерения.

Получается, что электроскоп и электрометр немного отличаются по своей конструкции и назначению.

Передача (проведение) электричества

Все ли вещества могут одинаково передавать электрический заряд? Ответ можно получить с помощью двух электрометров, металлического стержня и эбонитовой палочки. Стержень и палочка крепятся к пластмассовой ручке.

Вещества, способные проводить электрические заряды, как в случае под буквой б, называются проводниками (металлы, кислотные, щелочные и солевые растворы). Вещества, с помощью которых нельзя передать заряды, называются диэлектриками (изоляторами). Хорошие диэлектрики – это резина, стекло, эбонит, фарфор, пластмассы, воздух и др.

Делимость электрического заряда. Электрон

В эксперименте с электрометрами металлическим стержнем часть заряда переносится от одного электрометра на другой. Из опыта видно, что заряд делится. Если коснуться стержня второго электрометра рукой, то заряд с него снимется, и распределится по всему телу (человеческое тело является хорошим проводником электричества). Если снова соединить приборы стержнем из металла, оставшийся заряд опять разделится. При повторении тех же шагов заряд каждый раз будет делиться. Кажется, что этот процесс будет происходить до бесконечности.

Заряды постепенно настолько уменьшаются, что электрометр уже не в состоянии их измерить. Уже очень точные опыты показали, что делить заряд до бесконечности нельзя, существует наименьший электрический заряд, который поделить уже нельзя. Называют его элементарным зарядом с абсолютной величиной e. Заряды измеряют в кулонах (Кл) в честь Шарля Кулона, французского физика.

Элементарным электрическим зарядом с отрицательным знаком обладает частица электрон (греч. «еlectron» – «янтарь»).

Электрическое поле

Механически действовать друг на друга тела могут лишь при касании (удар, толчок, соприкосновение). Подействовать первое тело на второе может с помощью посредника, третьего тела. Например, звучание музыкального инструмента барабанная перепонка уха воспринимает через посредника, которым является воздух. Для электрических зарядов ситуация другая. Они взаимодействуют без касания и без посредника. Взаимодействие это определяется электрическим полем, которое существует вокруг любого электрического заряда.

Поле невидимо. Его наличие подтверждается приборами или действием на тела или заряды.

Английский ученый Майкл Фарадей, введя понятие электрического поля, предложил его схематическое изображение с помощью линий со стрелками. Стрелки были названы силовыми линиями. Силовые линии поля отрицательного заряда направлены к заряду, у положительного – от заряда.

При сближении двух зарядов на близкие расстояния электрические поля изображаются следующим образом:

Силовые линии одноименных зарядов отталкиваются, разноименных – притягиваются. Как результат такого поведения полей, отталкивание или притяжение электрических зарядов.

При попадании в электрическое поле тело или частица испытывает на себе действие некоторой силы. Это главное свойство электрического поля.

Направление действия электрической силы зависит от знака заряда и расстояния от заряженного тела.

Как тела электризуются?

В восемнадцатом веке американский ученый Франклин (1706-1790) высказал предположение, что электричество – это особая невесомая жидкость, столь тонкая, что она пропитывает все тела. Электризация же, по его мнению, основана на том, что электричество переплывает с одного тела на другое. Эта теория не нашла поддержки, так как правильность ее не удалось подтвердить на опытах.

Наэлектризованные волосы

Известно, что молекулы вещества состоят из более мелких частиц – атомов. Объяснить, почему тела электризуются, удалось лишь после изучения строения атомов. Оказалось, что атомы представляют сложную систему элементарных частиц:

Все эти мельчайшие частицы обладают элементарным зарядом. У протона заряд с плюсом, у нейтрона заряда нет, значит, ядро в сумме является положительно заряженным. В атоме электронов столько же, сколько и протонов. В результате атом в целом электрически нейтрален, то есть не имеет заряда.

В обычных условиях вещества, состоящие из таких атомов, тоже электрически нейтральны.

В результате трения часть электронов может переместиться с одного тела на другое. Это происходит на расстояниях, очень близких к межмолекулярным. Но, когда после трения тела разъединить, электроны, покинувшие свои атомы, оказываются на другом теле. Получается на одном теле не хватает электронов (недостаток), а на другом электронов стало больше (избыток). Там, где избыток, тело отрицательно заряжено. Там, где недостаток, тело заряжается положительно.

Полезное и вредное действие электризации

Если подробно изучить и правильно использовать электризацию, то она может стать полезным физическим явлением.

Существуют электрофильтры, которые применяются в дымовых трубах. Частицы сажи при трении о трубу электризуются и оседают на ее стенках. В воздух попадает уже меньшее количество вредных веществ.

Чтобы покрасить автомобиль, его корпус заряжают положительно, а краску – отрицательно. Частицы краски друг от друга отталкиваются и одновременно притягиваются к деталям автомобиля, что способствует равномерному, плотному и тонкому окрашиванию.

На хлебокомбинатах легче получить хорошо перемешанное тесто, если зарядить муку положительно, а воду – отрицательно, крупинки муки устремятся к каплям воды. В такой ситуации тесто превратится в однородную массу быстрее, что значительно увеличит производительность предприятия.

Используется электризация при копчении рыбы. Тушки рыбы соединяют с отрицательно заряженными стержнями, а коптильный дым заряжают положительно. Дым прилипает к поверхности рыбы и проникает в нее. Электрокопчение происходит равномерно и быстро. Прокопченный слой придает продукту особый вкус и одновременно защищает рыбу от порчи.

Электрофильтры, притягивающие к себе пыль, используют на крупных птицефабриках. Они очищают воздух от запыленности, что положительно сказывается на яйценоскости куриц и развитии молодняка.

Электризация может принести и большой вред.

В работающих типографских машинах от трения электризуется бумага, что может привести к ее воспламенению и пожару. Часто и в домашних принтерах при долгом печатании замечается слипание листов бумаги. Это тоже электризация.

В текстильной промышленности страдают от электризации чесальные машины, подстригающие ворс специальные ножницы. Все это приводит к запутыванию нитей, их обрыву и, как результат, поломкам станков.

При производстве резины электризуется каучук, проходящий между двумя вращающимися валами. Приближение к такому каучуку любого проводящего тела может вызвать искру и пожар.

И, конечно же, человек испытывает на себе неприятные ощущения от электризации одежды, волос, синтетических покрывал и ковров. Это происходит чаще в зимнее время, когда воздух более сухой. При трении во время ходьбы по синтетическим покрытиям или снятии одежды электроны «не могут найти» капельки воды в воздухе и оседают на коже человека, электризуя ее. Вместо антистатических веществ, проведя влажной рукой по одежде, накопленные на ней заряды снимаются. Одежда перестает прилипать к телу. Другой причиной электризации является неправильное сочетание одежды. Разные ткани через трение друг о друга электризуются и передают заряды человеку. Реакция людей на эти явления различна, потому что у каждого человека электрическая проводимость тела индивидуальна. Кто-то не заметит электризации, а кого-то сильно тряхнет в момент возникновения зарядов. Проветривание комнат для увлажнения воздуха, грамотный подход к выбору одежды и уходу за ней повлияют на снижение проявлений электризации человеческого тела.

Эффективно защищает от электризации заземление. Заряд уходит по проводнику в землю и распределяется в ней, предотвращая большие и малые неприятности.

Материалы

1. Органическое стекло – твердый, прозрачный синтетический материал, хорошо плавится, с пониженной хрупкостью.

2. Сургуч – легко плавящаяся и затвердевающая смесь, состоящая из твердой смолы, воска, мела, гипса.

3. Эбонит – черного или темно-коричневого цвета резина с высоким содержанием в своем составе серы (30-40%).

Источник

Электрические явления в природе: простые и познавательные примеры

Содержание:

Мы живём в море энергии; нас окружают устройства и агрегаты, работающие благодаря электрической энергии. С её помощью готовится пища, светится лампочка, работают вычислительные устройства (телефон, компьютер), электрические моторы и т. д. Мир без техники и электроники полон проявлений, основанных на переносе электрических зарядов. Приведём примеры и объяснение электрических явлений в природе. Благодаря им человечество освоило этот вид энергии.

Примеры электрических явлений в природе

Какова естественная причина пожаров в степях и саваннах кроме извержения вулканов? Молния. Это слабоизученное и малопонятные человеку явление. Молния – самостоятельный электрический разряд, возникающий в нижних слоях атмосферы во время грозы.

Самостоятельный разряд между облаками и поверхностью планеты самопроизвольно возникает и быстро прекращается, ведь избыточные заряды тучи нейтрализуют электрический ток, пробегающий по каналу молнии.

Природа явления следующая. Молекулы жидкости в облаке передвигаются, между частицами тучи и поверхностью планеты возникает разность потенциалов. Свободные электроны – носители электричества – стремятся к земле по пути с минимальным сопротивлением, попутно ионизируя молекулы воздуха. Так образуется путь для прохождения тока, сила которого в канале достигает десятков тысяч ампер, продолжительность разряда – десятки миллисекунд. Разница давления в плазменном канале молнии с ростом силы тока при прекращении разряда сопровождается ударной волной – громом. Температура внутри канала может повыситься до десятков тысяч °C.

В природе полно примеров иных электрических явлений. Еще одно из них – полярное сияние, порой называемое северным. Представлено свечением атмосферы планеты при взаимодействии её молекул с солнечным ветром.

Огни святого Эльма, перед которым поклонялись предки-мореплаватели. После изучения они оказались коронными разрядами в виде кисточек, образовывающихся на вершинах высоких предметов. К ним относятся мачты, деревья, маяки, башни, вершины одиноких скал. Возникают при напряженности электрического поля атмосферы у острого конца не менее 500 В/м. Наблюдаются при приближении грозового фронта или шторма в море, в метель.

Названы в честь католического покровителя моряков.

Свистящие атмосферики – электромагнитные колебания низкой частоты. Распространяются в созданном ионосферой и поверхностью планеты волноводе. Источник – электрические разряды газовой оболочки Земли. Могут пару раз пройти вокруг планеты от полюса к полюсу. Названы из-за возникающего в радиоэфире характерного свиста.

«Грязные грозы» – формируются при извержении вулкана. Природа явления не изучена, массово оно наблюдалось в Чили, в 2011 г.

Триболюминесценция – свет, испускаемый кристаллом во время его разрушения за счёт прохождения через него электрического тока. Он вызывает эффект свечения. Раздавите в темноте кристаллики сахара или соли, заметите едва видные вспышки синеватого цвета.

Отдельно отметим молнии Кататумбо – продолжительные вспышки в месте впадения одноимённой реки в озеро. Необычность явления заключается в продолжительности и массовости вспышек на протяжении значительного времени. Сочетание ветра с Анд и испаряющегося с болот метана вызывают благоприятные условия для вспышек, которые порой длятся до 10 часов.

Каждая клетка живого организма функционирует благодаря электрической энергии. Например, мембраны клетки поляризованы: внутри они заряжены отрицательно, снаружи – положительно. Известный морской обитатель скат парализует жертв благодаря электрическим разрядам. Есть растения, вырабатывающие электричество вследствие фотосинтеза, такие как arabidopsis thaliana.

Приведите примеры электрических явлений в физике, которые наблюдали сами, видели по телевизору или в интернете.

Источник

Содержание:

Электромагнитные явления:

Трудно и даже невозможно представить сегодняшнюю жизнь без электричества. Каждый день мы почти автоматически нажимаем кнопки и включаем самые разнообразные приборы и технические устройства, делающие нашу жизнь комфортной. Электролампы освещают квартиры и улицы, электроплита греет, а холодильник охлаждает. Станки, компьютеры, радиоприемники, телевизоры, телефоны и др. — все эти устройства используют электричество. Электричество связано с магнетизмом. С этими интересными и очень важными электромагнитными явлениями мы познакомимся в этой главе.

Электризация тел и взаимодействие зарядов

С электричеством связана не только работа современных приборов и технических устройств. Оно играет гораздо более важную роль. Электрические силы взаимодействия атомов и молекул ответственны за обмен веществ в человеческом организме. Что же представляют собой электрические явления?

Слово «электричество» происходит от греческого названия янтаря (electron — янтарь). Еще древние греки заметили, что янтарь, потертый о ткань, притягивает легкие тела.

Проведем опыт. Потрем о сухую бумагу пластмассовое тело (линейку, расческу). Оно начнет притягивать другие тела: крошки пенопласта, мелко нарезанную бумагу (рис. 78), пух, станиолевую гильзу (рис. 79).

Говорят, что тело (из пластмассы, стекла, фарфора и т. д.) при трении электризуется, или приобретает электрический заряд.

В ряде случаев действие наэлектризованных тел может быть весьма значительным. Например, при поднесении наэлектризованной палочки искривляется струя воды (рис. 80), поворачивается деревянная рейка (линейка) (рис. 81).

В XVIII в. были установлены два важных свойства электризации.

Свойства электризации

1. При трении электризуются, или приобретают электрический заряд, оба тела (янтарь и ткань, пластмассовая линейка и бумага). Само трение малосущественно, оно лишь увеличивает площадь соприкосновения тел.

Подтвердим сказанное опытом. Потрем друг о друга чистые и сухие кусок резинового шланга А и стеклянную палочку В (рис. 82, а). И шланг, и палочка после этого притягивают к себе легкую гильзу (рис. 82, б, в). Значит, электрические заряды появились у обоих тел.

2. Появляющиеся на телах заряды принципиально отличаются друг от друга. Они разноименны.

В том, что эти заряды неодинаковы, легко убедиться на опыте. Подвесим на шелковой нити наэлектризованную стеклянную палочку В. Поднесем к ней наэлектризованный кусок шланга А. Стеклянная палочка В к нему притягивается (рис. 83, а). Но если поднести к стеклянной палочке В потертую о резину стеклянную палочку С, то палочка В уже отталкивается (рис. 83, б). Значит, электрические заряды, возникающие на стекле и резине, разноименны, и они притягиваются. А заряды, возникающие на стеклянных палочках, одноименны, и они отталкиваются.

Продолжим опыт. Сложим вместе потертые друг о друга кусок шланга и стеклянную палочку и поднесем их к подвешенной гильзе (рис. 83, в). Действия нет! Хотя заряды были на обоих телах (шланге и палочке), при соприкосновении они нейтрализовали друг друга. Именно этим объясняются названия электрических зарядов: положительный (у стекла) и отрицательный (у резины). Вспомните математику: результат сложения двух равных по модулю чисел противоположных знаков равен нулю (-5 + 5 = 0).

Итак, электрическое взаимодействие — это притяжение разноименно заряженных тел и отталкивание одноименно заряженных тел.

Отталкивание одноименно заряженных тел лежит в основе устройства прибора для оценки и сравнения величины электрического заряда (количества электричества) — электроскопа (рис. 84, а). Он представляет собой стеклянный баллон, внутри которого сквозь пробку вставлен металлический стержень. К концу стержня прикреплены легкие бумажные листочки. Снаружи к стержню прикреплен металлический шарик. При передаче шарику электроскопа, например, отрицательного заряда мы заряжаем этим зарядом листочки электроскопа. Одноименно заряженные листочки расходятся на некоторый угол, тем больший, чем больше переданный электроскопу заряд.

Более совершенным прибором является электрометр (рис. 84, б). Сообщенный шарику, а через него стержню и стрелке заряд вызывает отталкивание стрелки от заряженного стержня. Нижний конец стрелки перемещается при этом по шкале с делениями.

Главные выводы:

Проводники и диэлектрики

Можно ли имеющийся на наэлектризованном теле заряд передать другому телу? Перейдет ли, например, заряд от заряженного электроскопа А к незаряженному электроскопу В (рис. 87), если их соединить перемычкой?

Проверим это на опыте, используя для соединения заряженного А и незаряженного В электроскопов перемычки из разных веществ. Опыт показывает, что через перемычку из таких веществ, как стекло, резина, различные пластмассы, заряд с заряженного электроскопа А на незаряженный В не переходит (рис. 88, а). Эти вещества являются диэлектриками (их часто называют изоляторами). Именно из таких веществ изготовлены оболочки проводов, розетки, выключатели, ручки отверток (рис. 89) и т. д. Диэлектриком является и сухой воздух.

Если же соединить электроскопы А и В перемычкой из любого металла, часть электрического заряда переходит к электроскопу В (рис. 88, б). Эго значит, что металлы (и в твердом, и в жидком состояниях) — типичные представители проводников. К проводникам относится также большинство жидкостей: растворы кислот, солей, включая обычную питьевую воду. Проводником является и тело человека, состоящее более чем на две трети из жидкости.

Очень важно понимать, что идеальных диэлектриков нет. У любого диэлектрика можно обнаружить хотя бы малую проводимость. Так, если оставить на несколько часов заряженный электроскоп (рис. 90, а, б), то его заряд уменьшится, что говорит о наличии некоторой проводимости у воздуха.

Все вы неоднократно наблюдали молнию (рис. 91). Молния, электрическая дуга при сварке металлов (рис. 92) свидетельствуют о том, что воздух при определенных условиях становится очень хорошим проводником.

Даже такие отличные диэлектрики, как фарфор и стекло, могут превратиться в проводники. Именно поэтому в линиях электропередач применяются целые гирлянды изоляторов (рис. 93).

Для любознательных:

Существует еще одна группа веществ — полупроводники. У этих веществ (например, германия Ge, кремния Si) способность проводить заряд (проводимость) во много раз хуже, чем у проводников (металлов). Очень важно, что проводимость полупроводников можно значительно увеличивать различными воздействиями: нагреванием, освещением, радиационным облучением. Это связано с особенностью строения веществ этой группы. Именно полупроводники позволили создать сложнейшие устройства: солнечные батареи для спутников, компьютер, калькулятор, мобильный телефон (рис. 94) и многое другое. С этой группой веществ вы познакомитесь подробнее при изучении физики в 10-м классе.

Главные выводы:

Электризация через влияние

Мы уже знаем, что заряженное тело притягивает к себе другое заряженное тело, если их заряды разноименны. Но почему к заряженному телу притягиваются незаряженные тела (пух, кусочки бумаги, струя воды, подвешенная гильза) (см. рис. 78—80)?

Для ответа на поставленный вопрос проведем опыт. Поднесем к шарику незаряженного электроскопа (электрометра), не касаясь его, наэлектризованную палочку. Электроскоп фиксирует появление на листочках заряда (рис. 99, а). Уберем палочку — листочки спадают (рис. 99, б). Значит, заряд от палочки на листочки электроскопа через воздух не перешел, а появился под влиянием заряда палочки.

Зная, что заряд может перемещаться в теле, мы можем объяснить произошедшее. В любом незаряженном теле всегда имеются равные количества зарядов противоположных знаков, равномерно распределенных по всему телу (рис. 100, а). Заряд на поднесенной к электроскопу палочке притягивает к себе разноименный и отталкивает одноименный заряд на стержне и листочках электроскопа (рис. 100, б), что и объясняет появление заряда на листочках.

Это можно подтвердить более наглядным опытом. Поднесем наэлектризованную палочку к одному из двух незаряженных электроскопов, соединенных проводящей перемычкой. Оба прибора фиксируют появление заряда (рис. 101, а). Нс отдаляя палочку, уберем сначала перемычку, а затем палочку. Заряды остаются на обоих приборах (рис. 101, б). Эти заряды равны по модулю и противоположны по знаку. В этом можно убедиться, соединив приборы вновь перемычкой, — заряды нейтрализуют друг друга (рис. 101, в).

Перераспределение заряда в теле, вызываемое воздействием другого заряженного тела, называется электризацией через влияние.

Теперь ясно, почему к заряженному телу притягиваются незаряженные тела. В незаряженном теле (станиолевой гильзе) (рис. 102) под действием заряженного тела (палочки) происходит перераспределение зарядов, и на противоположных его сторонах возникают два равных разноименных заряда. Это создает и силу притяжения и силу отталкивания Так как заряд противоположного знака расположен ближе к палочке, то модуль силы притяжения больше модуля силы отталкивания В итоге незаряженная гильза притягивается к заряженной палочке. Докажите самостоятельно, что такой же результат будет, если к гильзе поднести не стеклянную, а эбонитовую наэлектризованную палочку.

Электризация через влияние происходит чрезвычайно часто. Например, следствием электризации через влияние является молния (грозовой разряд). Нижняя часть облака, заряженная отрицательно (рис. 103), вызывает перераспределение заряда в почве, деревьях, домах и т. д. При большой величине заряда между облаком и поверхностью Земли происходит разряд (молния).

Электризация через влияние играет важную роль во многих технических устройствах, с которыми вы познакомитесь при последующем изучении физики. В кабинетах физики часто применяют изобретенную еще в XVIII в. электрофор-ную машину (рис. 104), в которой используется как электризация трением, так и электризация через влияние, что позволяет создавать на шариках А и В прибора значительные разноименные электрические заряды.

Главные выводы:

Электрический заряд и элементарный заряд

Рассматривая взаимодействие электрических зарядов, их перемещение в телах, мы не затрагивали очень важные вопросы. Например, что такое электрический заряд? Что происходит при электризации тел? Может ли электрический заряд иметь любое, даже сколь угодно малое, значение?

Впервые мысль о том, что существует предельная, неделимая более «порция» электрического заряда, была выдвинута выдающимся английским ученым М. Фарадеем (XIX в.), которому, кстати, принадлежит и сам термин электрический заряд. Другой английский ученый Дж. Дж. Томсон открыл, что в атомах всех веществ содержится частица, обладающая отрицательным зарядом. Эту частицу назвали электрон. У ряда веществ (особенно у металлов) электроны могут достаточно легко покидать атом. Сложными опытами было доказано, что заряд любого электрона имеет всегда одно и то же значение и является наименьшим, неделимым более. Эта самая малая «порция электричества» была названа элементарным зарядом.

В составе атома была найдена и частица, обладающая элементарным положительным зарядом. Это — протон. Открытие электрона и протона позволило просто объяснить электризацию тел. В ненаэлектризованном (электронейтральном) теле суммарный отрицательный заряд всех электронов равен по модулю суммарному положительному заряду всех протонов. При контакте тел, например стекла и бумаги (рис. 108), значительное число электронов покидают стекло, переходя к бумаге. Бумага приобретает отрицательный заряд. Стекло при этом заряжается положительным зарядом. Это обусловлено тем, что суммарный заряд всех протонов стекла становится больше суммарного заряда оставшихся электронов.

Важно понять, что электрический заряд частиц (электрона, протона) не есть нечто, добавленное к ним. Электрический заряд —
это величина, характеризующая неотъемлемое свойство электрона и протона к электрическому взаимодействию с любыми заряженными частицами. Можно ли отнять у частицы (электрона, прогона) заряд? Нет. При электризации трением от тела к телу переходит не свойство частиц, а сами частицы — в большинстве случаев это электроны.

Как и всякую физическую величину, электрический заряд, который называют еще количеством электричества, необходимо измерять, т. е. нужно ввести единицу заряда. Такая единица в СИ носит название кулон (сокращенно Кл) в честь французского ученого Ш. О. Кулона. Строгое определение этой единицы мы приведем несколько позже. Один кулон — очень большой заряд. Во всех описанных опытах заряд тела составлял в лучшем случае миллионные доли кулона. Элементарный заряд равен что удобно записывать в стандартном виде

Для выражения значений электрических зарядов используют дольные единицы кулона:

Обратите внимание, что любой, даже самый малый, заряд тела содержит целое число элементарных зарядов. Заряд тела обозначается буквой q. Тогда

Для любознательных:

Опыты, позволившие найти «наименьшую порцию электричества», т. е. элементарный заряд, были проведены в 1910—1913 гг.

Р. Э. Милликеном в США и А. Ф. Иоффе в России. В этих опытах заряженная очень малая капелька масла (в опытах Р. Э. Милликена) или пылинка цинка (в опытах А. Ф. Иоффе) «зависала» между заряженными пласти-
нами (рис. 109). Электрическая сила компенсирующая силу тяжести зависела от заряда капельки (пылинки), что позволило ученым судить о значении этого заряда. В обоих опытах были получены одинаковые результаты. Заряд капельки масла (пылинки) не мог принимать любое значение. Это значение всегда было кратно одному и тому же числу —

Главные выводы:

Строение атома и ионы

В начале XX в. было достоверно известно, что в состав атомов всех веществ входят отрицательно заряженные частицы — электроны. Было известно, что электроны не связаны жестко в атоме и могут даже покидать атом. Так как атом нейтрален, то в нем, безусловно, должен быть и положительный заряд. Но где находится положительный заряд в атоме?

Фундаментальный, сыгравший принципиальную роль в науке опыт по изучению строения атома был проведен в 1911 г. английским ученым Э. Резерфордом (см. форзац 1).

В опытах Резерфорда (рис. 111) тончайшая пленка из золота П обстреливалась положительно заряженными частицами, затем оценивались траектории их движения после прохождения пленки. Опыты Резерфорда (более подробно о них пойдет речь в 11-м классе) убедительно показали, что атом неоднороден. Иначе, как объяснить, что некоторые положительно заряженные частицы изменяли направление движения, хотя число таких частиц было чрезвычайно малым. Опыт позволил утверждать, что более 99,96 % массы атома и весь положительный заряд сосредоточены в чрезвычайно малой области в центре атома, которую назвали ядром атома. Резерфорд оценил размер ядра атома. Его диаметр примерно в раз меньше диаметра самого атома. Соотношение этих размеров примерно такое же, как соотношение размеров рисового зернышка и футбольного ноля.

Позже (в 1919 г.) экспериментально были обнаружены носители положительного заряда ядра — протоны (от греч. protos — первичный, основной). Протоны являются основой (базой) ядер всех атомов. Кроме протонов, в ядре находятся незаряженные частицы — нейтроны. (рис. 112).

Вокруг ядра, удерживаемые электрическим притяжением к нему, на очень большом расстоянии по сравнению с размерами ядра непрерывно движутся отрицательно заряженные электроны. Однако приписать какую-то конкретную орбиту электрону в атоме невозможно. Он как бы размыт в определенном объеме пространства, поэтому мы можем говорить лишь об электронных оболочках атома (см. рис. 112).

В непроводящих средах (диэлектриках) электроны достаточно сильно «связаны» с ядром и редко покидают атом. В проводниках (металлах) один или несколько электронов покидают атом и свободно перемещаются внутри проводника. Число протонов в ядре атома равно числу электронов на оболочках (см. рис. 112), что и обеспечивает электронейтральность атома.

При уходе из атома одного или нескольких электронов атом становится положительно заряженной частицей — ионом (рис. 113). Возможен и обратный процесс, при котором атомы некоторых веществ присоединяют «лишние» электроны и превращаются в отрицательные ионы. Например, обычная поваренная соль состоит не из нейтральных атомов натрия и хлора, а из положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора, образующих определенную структуру (рис. 114). При растворении в воде поваренной соли эти ионы отделяются друг от друга, что делает жидкость хорошим проводником. Небольшое число ионов обоих знаков всегда есть и в газах — вспомните опыт с медленной потерей заряда электроскопом!

Для любознательных:

Американский ученый Б. Франклин предполагал, что электричество представляет собой жидкую субстанцию, находящуюся во всех веществах. Франклин был бухгалтером. Пользуясь бухгалтерской терминологией, он использовал знак «+» для обозначения избытка электрической жидкости в телах. Такие тела он назвал положительно заряженными. Знак «-» использовался Франклином для обозначения недостатка электрической жидкости по сравнению с ее нормальным количеством в веществе. Вещества, которые имели недостаток этой жидкости, он назвал отрицательно заряженными. Вещества же, в которых не было ни недостатка, ни избытка электрической жидкости, были названы им нейтральными.

Затем Франклин высказал утверждение, что если привести в соприкосновение тело с избытком и тело с недостатком электрической жидкости, то жидкость будет перетекать от тела с избытком к телу с ее недостатком. Иными словами, он предположил, что электрическая жидкость должна течь от положительно заряженного к отрицательно заряженному веществу, т. е. от «+» к «-». Видите ли вы, в чем слабость теории Франклина?

Главные выводы:

Электрическое поле и электрическое напряжение

Каким образом два заряженных тела действуют друг на друга? Будут ли взаимодействовать заряженные тела в пустоте (при отсутствии среды)? Все опыты показывают, что заряженные тела могут взаимодействовать даже в пустоте (рис. 115). Почему это возможно?

С передачей действия без среды мы уже знакомы — это всемирное тяготение. Именно благодаря нолю тяготения, о котором говорилось в учебном пособии «Физика, 7», Солнце удерживает на орбите нашу Землю, удаленную от него на 150 млн км. Поле тяготения Земли заставляет падать тела на ее поверхность, удерживает на орбитах Луну и искусственные спутники Земли.

Аналогично этому вокруг тел, обладающих электрическим зарядом, также существует особое состояние пространства — электрическое поле.

Это поле не действует на известные вам приборы: динамометр, термометр, барометр — и на наши органы чувств: зрение, осязание, обоняние, слух. Может возникнуть сомнение: а существует ли электрическое поле вообще? Да, оно существует реально и независимо от того, что мы о нем знаем. Реальность существования электрического поля подтверждается его конкретным действием: оно действует на внесенный заряд с определенной силой F (рис. 116).

В науке все то, что реально существует в окружающем мире независимо от нашего сознания, называется материей. Значит, электрическое поле — это особая форма материи.

Именно электрическое поле, создаваемое заряженной тучей (рис. 117), вызывает появление разноименного заряда (электризация через влияние) на поверхности Земли (под тучей).

Для любознательных:

Человек научился защищаться от вредных действий электрического поля и использовать его в своих целях. Установив над зданиями и сооружениями заостренную проволоку, другой конец которой соединен с землей (молниеотвод) (см. рис. 117), мы создаем условия для медленного перетекания заряда тучи на землю и таким образом можем постепенно «разрядить» ее.

Электрическое поле заставляет наэлектризованные частички черной краски попадать в нужные участки бумаги, на чем основано ксерокопирование (рис. 118).

Сравним поле тяготения планеты (Земли) (рис. 119, а) и электрическое поле, создаваемое, например, шаром с отрицательным зарядом (рис. 119, б).

Оба поля проявляют себя в конкретных действиях. Поле тяготения Земли заставляет падать любое тело массой m, выпущенное, например, в точке А (см. рис. 119, а). Электрическое поле приводит в движение заряженную частицу (протон, положительный ион) или тело, обладающее зарядом +q, помещенные в точку А (см. рис. 119, б).

В обоих случаях силы ноля будут совершать положительную работу по разгону тела (частицы). В обоих случаях значение совершенной работы будет зависеть от положения начальной и конечной точек: А и В или А и С.

Для расчета работы в электрическом иоле вводят особую величину — электрическое напряжение, или просто напряжение. Чем большую работу совершают силы электрического поля при переносе заряда между двумя точками поля, тем больше напряжение между этими точками. Так, напряжение между точками А и В меньше напряжения между точками А и С (см. рис. 119, б).

Если электрическое напряжение обозначить латинской буквой (7, то сказанное можно выразить математически так:

О физическом смысле напряжения вы узнаете в следующем параграфе.

Главные выводы:

Единица электрического напряжения и расчет работы в электрическом поле

Каждый из вас, конечно, видел строгое предупреждение: «Внимание!

Высокое напряжение! Опасно для жизни!». Возникают вопросы. Во-первых, почему используют слово «высокое»? А во-вторых (что самое главное), почему высокое напряжение опасно для жизни?

Для ответа на эти вопросы познакомимся с единицей электрического напряжения в СИ. Она называется вольтом (В) в честь итальянского ученого А. Вольта (см. форзац 1), впервые создавшего химический источник электрического тока, называемый в быту элементом питания или батарейкой.

1 вольт (1 В) — это напряжение между двумя точками электрического поля, при переносе между которыми заряда 1 Кл совершается работа 1 Дж.

Теперь вы можете объяснить смысл надписи «4,5 В» или «9 В» на круглой или плоской батарейке (рис. 120). Смысл в том, что при переносе с одного полюса источника на другой (через спираль лампочки или другой проводник) заряда 1 Кл силами электрического поля может быть совершена работа соответственно 4,5 Дж или 9 Дж.

Таким образом, напряжение — характеристика работоспособности электрического ноля на рассматриваемом участке. С точки же зрения математики можно говорить о прямой пропорциональной зависимости произведенной работы от напряжения. А если в рассмотренных случаях будет перемещаться не единичный заряд в 1 Кл, а заряд в 2, 3, 5 раз больше? Во столько же раз будет больше и произведенная работа. Значит, работа сил электрического поля может быть найдена как произведение значений перенесенного между точками заряда и напряжения:

Вернемся к аналогии поля тяготения и электрического поля и рисунку 119. Напряжение в определенной мере можно сравнить с изменением высоты, с которой падает (на которую поднимается) тело. Чем выше поднято тело, тем большую работу при его падении совершит сила тяжести. Неудивительно поэтому, что часто вместо того, чтобы говорить «маленькое напряжение», говорят «низкое напряжение», вместо «большое напряжение» — «высокое напряжение». Например: «высоковольтная линия», «низковольтный источник тока», «высокое напряжение опасно для жизни».

Обратите внимание, когда говорят «большое (высокое) напряжение», то это не означает, что уже совершена большая работа. Это указание на то, что она может быть совершена. Сравните: при падении тела с большой высоты может быть совершена в зависимости от массы падающего тела (камень, песчинка) как большая, так и малая работа. Точно так же при движении зарядов в электрическом поле совершенная работа зависит не только от значения напряжения, но и от значения перенесенного заряда.

Для любознательных:

В быту электрические ноля с напряжением в несколько тысяч вольт нередко возникают между телом человека и его сухой одеждой, между рукой человека, гладящего кошку, и ее шерстью. Иногда электризация сопровождается возникновением искр и потрескиванием. Это — переход зарядов между телами через воздух, который в очень сильных нолях становится проводником. Подумайте, почему в этих случаях не возникает серьезных поражений.

Главные выводы:

Пример №1

В ускорителе разгоняют электроны, используя напряжение U = 20 кВ. Какая работа совершается при разгоне одного квадриллиона электронов?
Дано:

Полный заряд всех электронов найдем через элементарный заряд: Совершенная работа:

Ответ: А = 3,2 Дж.

Электрический ток и источники тока

Электрическое поле, действуя на хаотически движущиеся в среде заряженные частицы, может создавать их направленное движение — электрический ток. Выясним, что нужно для того, чтобы возник и длительное время протекал ток.

Во-первых, в среде должны быть свободные заряженные частицы: электроны, ионы, т. е. среда должна быть проводящей. Во-вторых, в этой среде должно быть электрическое поле, заставляющее двигаться частицы в одном направлении. Говоря иначе, нужно создать определенное электрическое напряжение.

Проведем опыт. Наэлектризуем шар, укрепленный на электрометре (рис. 122, а). Коснемся шара пальцем (рис. 122, б). Заряд уходит с шара через наше тело в землю. Через нас протекает ток, хотя мы этого не чувствуем.

А теперь коснемся заряженного шара металлическим проводником со специальной неоновой лампочкой (рис. 123). Свечение лампочки может происходить при прохождении через нее даже очень малого электрического заряда. В темноте хорошо видна кратковременная вспышка лампочки, значит, через лампочку прошел кратковременный ток.

Чтобы электрический ток не прекращался, нужно поддерживать напряжение, для чего служат источники тока, или генераторы. Самым «древним» источником тока можно считать электрофорную машину (рис. 124), в которой благодаря разделению зарядов создается необходимое напряжение. Неоновая лампочка будет гореть до тех пор, пока вращаются диски.

Аналогичное разделение положительных и отрицательных зарядов происходит в любом другом источнике: гальваническом элементе (батарейке) (см. рис. 120), механическом генераторе с постоянным магнитом (рис. 125), солнечной батарее калькулятора (рис. 126).

Источники тока могут иметь различные принципы работы, размеры и внешний вид. Сравните один из самых первых созданных источников тока — термопару (рис. 127) и генератор электростанции (рис. 128). Первый состоит всего из двух проволочек из разных металлов, нагреваемых любым нагревателем, второй — сложнейшее многотонное устройство. Но во всех без исключения источниках напряжение, а значит, и электрическая энергия не возникают из ничего. Электрическая энергия создается за счет какого-либо другого вида энергии. В термопаре — за счет внутренней энергии, в генераторе электростанции — за счет энергии струи пара или воды.

Отметим особо еще один очень важный источник тока — аккумулятор (рис. 129). В нем, как и в обычной батарейке, используется энергия протекающих химических реакций. Но в отличие от большинства батареек, которые через некоторое время приходят в негодность, аккумуляторы можно многократно заряжать, возвращая им их первоначальные свойства. Аккумуляторы незаменимы в автомобиле, мобильном телефоне, ноутбуке (рис. 130). Без них немыслима работа космических станций. В нашей республике уже производятся электромобили, электробусы (рис. 131), в которых аккумулятор служит не только для запуска двигателя, но и для езды на значительные расстояния.

Главные выводы:

Сила и направление электрического тока

Сравним течение воды (водяной ток) в узком ручейке и в глубокой судоходной реке (рис. 132).

Причина течения воды одинакова — разность высот уровней воды в устье и истоке. А вот количество воды, протекающей через поперечные сечения ручья и реки за одинаковый промежуток времени, разное. Аналогично этому значения заряда, прошедшего за единицу времени через поперечное сечение спиралей ламп, например, фонарика и прожектора сильно различаются. Поэтому говорят о различной силе тока в проводниках.

За силу электрического тока принимают физическую величину, численно равную заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Обозначается сила тока буквой I.

Из определения следует, что, зная заряд q, прошедший за промежуток времени t, мы можем найти силу тока I по формуле

Единица силы тока в СИ 1 ампер (А). Она не выводится через формулы, а выбрана по договоренности. Заметим, что 1 А — это значительная сила тока. В энергосберегающих лампочках, которые освещают наши квартиры, сила тока равна 0,04—0,08 А.

Однако при запуске двигателя автомобиля специальный электромотор (стартер) (рис. 133) потребляет ток силой 200—300 А. Наоборот, в таких устройствах, как калькулятор или электронные часы, сила тока почти в миллиард раз меньше 1 А, поэтому силу тока часто выражают в миллиамперах (мА), микроамперах (мкА):

Зная единицу силы тока, мы можем дать строгое определение единице электрического заряда. Подставив единицы силы тока и времени в формулу q=It получим 1 Кл = 1 А • 1 с.

Один кулон — это заряд, прошедший через поперечное сечение проводника с током силой 1 А за 1 с.

Каково направление электрического тока? В металлах ток — это движение электронов, но в газах и растворах — это движение положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях (рис. 134, а, б). Договорились считать, что ток в проводнике направлен так, как движутся в нем (или двигались бы) положительно заряженные частицы. Значит, ток в цепи течет от положительного полюса «+» источника к отрицательному «-» (рис. 135).

После открытия электрона, который в большинстве случаев является носителем тока, стало понятно, что выбор был сделан неудачно, но старую договоренность менять не стали.

Главные выводы:

Электрическая цепь. Измерение силы тока и напряжения

Слово «цепь» обозначает нечто не сплошное, а состоящее из отдельных звеньев. Из каких звеньев состоит электрическая цепь?

Электрическая цепь содержит, во-первых, источник тока, создающий необходимое напряжение, во-вторых, нагрузку (потребитель), т. е. то устройство, в котором нужно создать ток. Нагрузкой может быть нагреватель или лампа, электродвигатель или звонок, заряжаемый аккумулятор. Звеньями цепи также являются соединительные провода и ключ, служащий для замыкания и размыкания цепи, измерительные приборы.

На рисунке 136, а вы видите простейшую цепь — цепь электрического фонарика, а на рисунке 136, б — ее условное изображение (схему электрической цени). Условные (схематические) изображения различных звеньев цепи приведены в таблице 5.

Таблица 5. Условные обозначения звеньев электрической цепи

Силу тока в цепи измеряют с помощью специального прибора — амперметра (рис. 137). Для измерения силы тока в простейшей цепи мы должны обязательно разорвать цепь в любом месте (рис. 138, а) и в этот разрыв подключить прибор (рис. 138, б, в, г). Такое подключение называют последовательным.

Во всех случаях показания амперметра будут одинаковы — ведь через любое сечение цепи (включая источник) проходит один и тот же электрический заряд.

Для каждого амперметра существует верхний предел измерения (предельная сила тока). Так, для изображенного на рисунке 137 прибора он равен = 1,5 А. Включение прибора в цепь с большей силой тока недопустимо. При включении прибора необходимо соблюдать полярность, т. е. клемму прибора, отмеченную знаком «+», нужно подключать только к проводу, идущему от клеммы со знаком «+» источника.

Электрическое напряжение определяет работу сил электрического поля по переносу заряда между двумя точками ноля. Поэтому прибор, измеряющий напряжение — вольтметр (рис. 139), подключают не так, как амперметр при измерении силы тока. Его присоединяют, не разрывая цепь, к интересующему звену. Так, вольтметр, подключенный к точкам 1 и 2 (рис. 140), измеряет напряжение на резисторе, а к точкам 3 и 4 (см. рис. 140), — напряжение на электродвигателе. Такое подключение вольтметра называют параллельным. Как и в случае с амперметром, при подключении вольтметра соблюдается полярность.

При измерении электрической величины важно понимать, что добавление прибора в цепь может изменить ее, что весьма нежелательно. Например, сила тока в резисторе при подключении в цепь амперметра (см. рис. 138, б, в, г) будет не такой, какой она была ранее (см. рис. 138, а). Изменения происходят и при подключении вольтметра.

Главные выводы:

Связь силы тока и напряжения. Закон Ома для участка электрической цепи

От чего зависит сила тока, протекающего в проводнике? Почему сила тока в сварочном аппарате в десятки миллионов раз больше, чем в электронных часах?

Для ответа на эти вопросы проведем ряд несложных опытов. Подключим небольшой кусочек спирали к источнику тока, выходное напряжение между клеммами которого можно регулировать. С помощью последовательно включенного амперметра и параллельно спирали включенного вольтметра (рис. 145) будем измерять силу тока и напряжение на спирали. Установим напряжение на спирали Замкнем ключ и измерим силу тока. Она оказалась (см. рис. 145). Увеличим напряжение на спирали в 2 раза (рис. 146), т. е. затем в 3 раза, т. е. Показания амперметра тоже увеличатся: (см. рис. 146),

Опыт можно продолжать дальше. По уже из этих данных следует, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на проводнике.

Подключим теперь к источнику тока другую спираль, например спираль осветительной лампы. Мы видим, что при напряжении U = 2 В сила тока в спирали лампы I = 4 мА (рис. 147), что в сто раз меньше, чем в предыдущей спирали. Значит, спираль лампы оказывает в 100 раз большее противодействие направленному движению заряженных частиц, или обладает в 100 раз большим сопротивлением (см. рис. 147).

Эту новую величину — сопротивление — мы будем приписывать всякому проводнику и обозначать буквой R (по первой букве латинского слова resisto — сопротивляюсь). Тогда можно утверждать: чем больше сопротивление проводника, тем меньше сила тока в нем (обратно пропорциональная зависимость).

Итак, из опытов следует: сила тока в проводнике (участке цени) прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (участка цепи).

Данное утверждение называется законом Ома для участка цепи в честь немецкого ученого Г. С. Ома (см. форзац 1), установившего закон в 1826 г. Математически закон Ома можно записать так:

Закон Ома можно представить графически. На рисунке 148 представлен такой график для спирали, использованной в первом опыте. График подтверждает прямую пропорциональную зависимость силы тока в проводнике от приложенного к нему напряжения.

График зависимости силы тока от напряжения называется вольт-амперной характеристикой проводника. Проводники, имеющие значительное сопротивление, принято называть резисторами.

В соединительных проводах противодействие движению электронов, как правило, незначительно, что позволяет пренебречь сопротивлением соединительных проводов при решении большинства задач.

Определенным сопротивлением обладают и измерительные приборы. При включении последовательно в цепь амперметра его сопротивление добавляется к полному сопротивлению цепи. Это вызывает нежелательное уменьшение силы тока. Чтобы этого не случилось, сопротивление амперметра должно быть мало. Идеальным был бы амперметр без сопротивления (R = 0). Наоборот, добавление вольтметра параллельно некоторому прибору (резистору на рисунке 140) создает току еще один «обходной» путь, что также резко изменяет параметры цепи. Чтобы избежать этих нежелательных последствий, надо применять вольтметры с максимально большим сопротивлением.

И еще об очень важном. При слишком малом сопротивлении цепи сила тока в ней может принять недопустимо большое значение. При замыкании цепи, изображенной на рисунке 149, ток в ней пойдет, фактически не испытывая сопротивления.

Это — короткое замыкание цепи. В таком режиме могут быть испорчены и прибор, и источник тока, а перегрев проводов может привести
к пожару.

Главные выводы:

Единица сопротивления. Расчет сопротивления

Мы ввели новую характеристику — сопротивление. Но почему проводник «сопротивляется» направленному движению заряженных частиц? В каких единицах измеряется сопротивление проводника? Можно ли его рассчитать?
Причиной того, что сила тока в проводнике не может иметь любое, сколь угодно большое, значение, является непрерывное столкновение носителей заряда (электронов, ионов) с частицами проводника, находящимися в узлах кристаллической решетки проводника. Это приводит к снижению скорости направленного движения носителей заряда, уменьшает переносимый заряд, а значит, уменьшает и силу тока. Именно эти столкновения и вызывают нагревание проводника. Так электрический ток проявляет тепловое действие.

Выразив сопротивление из закона Ома введем единицу сопротивления — 1 Ом (в честь Г. Ома):

1 Ом — это сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В проходит ток силой 1 А.

1 Ом — небольшое сопротивление. У ряда потребителей оно составляет сотни омов, поэтому сопротивление часто выражают в килоомах (кОм) и мегаомах (МОм):

1 кОм = 1000 Ом = Ом;

1 МОм = 1 000 000 Ом = Ом.

Определить сопротивление проводника можно, измерив напряжение U на нем и силу тока I в нем, по формуле Но существует и специальный прибор для измерения сопротивления — омметр. С простейшим омметром вы сможете познакомиться в упражнении к этому параграфу.

Получим формулу для расчета сопротивления. Для этого используем цепь из источника тока, амперметра и панели с исследуемыми проводниками (рис. 150). На панели укреплены три проводника из нихрома и один из железа. Проводник АС из нихрома имеет отвод от середины (клемма В, см. рис. 150), два других нихромовых проводника сложены вместе и включены между точками и D (см. рис. 150). Все четыре проводника имеют равные длину и площадь поперечного сечения. Включая в цепь сначала целый проводник АС (цепь замыкается в точке С), а затем половину этого проводника (контакт переносится в точку В), видим, что сила тока увеличивается вдвое. Значит, сопротивление уменьшается в 2 раза. Иначе говоря, сопротивление проводника прямо пропорционально его длине.

Подключим в цепь поочередно один проводник АС, а затем два сложенных вместе которые можно рассматривать как один, но с удвоенным поперечным сечением. Сила тока в одном проводнике АС в 2 раза меньше, чем в сложенных проводниках Следовательно, сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Сравним теперь силы тока в проводниках одинаковых размеров, но из различных веществ: из нихрома (АС) и из железа Оказывается, что сила тока в железном проводнике примерно в 10 раз больше, а сопротивление в 10 раз меньше, чем в нихромовом. Значит, сопротивление проводника зависит еще и от рода вещества, из которого изготовлен проводник.

Из результатов опытов следует формула для расчета сопротивления проводника:

Коэффициент р называют удельным сопротивлением вещества. Это характеристика не конкретного рассматриваемого проводника, а вещества, из которого он изготовлен. В СИ удельное сопротивление измеряют в Ом • м. Так как на практике длину проводников измеряют обычно в метрах, а площадь поперечного сечения в квадратных миллиметрах, то удельное сопротивление удобно записывать в Значения удельного сопротивления для различных веществ представлены в таблице 6. Смысл приведенных в таблице удельных сопротивлений прост. Если для нихрома значение то это означает, что нихромовый проводник длиной 1 м и поперечным сечением 1 обладает сопротивлением 1,1 Ом.

Таблица 6. Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ (при t = 20 °C)

Обратите внимание на малые значения удельного сопротивления применяемых для электропроводки металлов: алюминия и меди.
Для любознательных

Главные выводы:

Пример №2

Выразите в основных единицах СИ удельное сопротивление свинца

Решение. Заданное значение указывает, что свинцовый проводник длиной l = 1,0 м и площадью поперечного сечения имеет сопротивление R = р = 0,21 Ом. Выразим это значение в основных единицах СИ:

Значение означает, что проводник длиной / = = 1,0 м и площадью поперечного сечения имеет сопротивление R = р = 0,21 мкОм.

Ответ закономерен: проводник, сечение которого в миллион раз больше сечения S = 1,0 мм2, должен иметь сопротивление в миллион раз меньше.

Пример №3

При подключении к источнику с напряжением U = 4,5 В никелинового проводника поперечным сечением по нему прошел ток силой I = 300 мА. Какова длина проводника?

Решение

Выразим сопротивление проводника двумя способами: по формуле и через закон Ома

Приравняем правые части обеих формул:

Отсюда
Так как сечение проводника задано в то выражать удельное сопротивление в основных единицах СИ не будем:

Ответ: l = 7,5 м.

Последовательное соединение проводников. Реостат

В простейшей цепи к источнику подключается один потребитель (лампочка, электродвигатель, электрозвонок и т. д.). Но, как вы уже видели на рисунке 140, в цепь можно включить одновременно и несколько потребителей, соединив их определенным образом. Каким закономерностям подчиняются цепи, содержащие несколько потребителей? Как выгодно их соединять?

Простейшим видом соединения нескольких потребителей является последовательное, при котором соединяемые проводники имеют по одной общей точке (рис. 153): В — для проводников С — для проводников и Последовательно мы включаем амперметр. Для последовательного соединения выполняются три главные закономерности.

1. Сила тока во всех проводниках одинакова:

2. Напряжение на участке из последовательно соединенных проводников равно сумме напряжений на каждом из них:

Эта закономерность вытекает из физического смысла напряжения. Полная работа электрических сил на участке AD равна сумме работ, произведенных на участках АВ, ВС и CD (см. рис. 153).

3. По закону Ома U = IR, где R — сопротивление всего участка Подставив эти выражения в формулу (2), получим: или

Полное сопротивление участка цепи из последовательно соединенных проводников равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

Для случая одинаковых проводников расчет упрощается:

где N — число одинаковых проводников, сопротивлением каждый.

Рост сопротивления участка цепи при добавлении в него новых проводников объясняется увеличением длины проводящей части. Это свойство можно использовать для уменьшения силы тока в цепи без снижения напряжения источника. Для практического регулирования силы тока в цени удобно использовать специальное устройство — реостат.

На рисунке 154, а изображен ползунковый лабораторный реостат. Длинная проволока из никелина или другого сплава с большим удельным сопротивлением намотана на керамический цилиндр. Один конец этой проволоки выведен на клемму А. По металлическому стержню (см. рис. 154, а) очень малого сопротивления скользит латунный ползунок, который плотно прижимается к виткам проволоки с обеих сторон. Ползунок соединен с клеммой В. На рисунке 154, б схематично изображен реостат, который включается в электрическую цепь через клеммы А и В. На рисунке 155 хорошо виден принцип работы реостата. Полное сопротивление цепи состоит из сопротивления В резистора и сопротивления включенной в цепь части (на рисунке заштрихована) реостата. Незаштрихованная часть реостата в цепь не включена. Если изменить положение ползунка, то изменится длина включенной в цепь части реостата, что приведет к изменению силы тока. Так, если передвинуть ползунок в крайнее левое положение (точка С), то в цепь будет включен весь реостат, сопротивление цепи станет наибольшим, а сила тока — наименьшей.

Для любознательных:

Существуют и другие типы реостатов, но в технике, например в электротранспорте, регулировка силы тока реостатами вытесняется другими, более выгодными электронными регуляторами. Дело в том, что, изменяя силу тока в цепи, реостат нагревается, на что расходуется значительная энергия. При большом значении силы тока проволока реостата может перегреться и реостат перестанет работать. В электронных регуляторах эти потери в сотни раз меньше.
Последовательное соединение электроприборов в быту практически не применяется. Ответьте самостоятельно почему.

Главные выводы:

Пример №4

Определите показания приборов в цепи, представленной на рисунке 156. Сопротивления резисторов Сопротивление амперметра пренебрежимо мало; сопротивление вольтметра считать бесконечно большим.
Дано:

Полное сопротивление цепи: Сопротивление вольтметра не учитываем, так как ток через него практически не идет. Сила тока:

Показание вольтметра равно напряжению на нервом резисторе:
Ответ:

Параллельное соединение проводников

Последовательно в цепь можно соединять только потребители, рассчитанные на одинаковую силу тока. Кроме того, если в такой цепи выключить ток в одном звене, то разрывается вся цепь. Этих недостатков лишена цепь, в которой потребители соединены параллельно.

При параллельном соединении проводников они имеют по две общие точки — точки А и В на рисунке 158. Следствием этого является то, что напряжение U между точками А и В есть напряжение на каждом из проводников, т. е.

Это первая закономерность параллельного соединения. Напряжение на каждом из параллельно соединенных проводников одинаково и равно напряжению на всем участке параллельно соединенных проводников.

Вторая закономерность параллельного соединения вытекает из того, что движущийся направленно в цепи электрический заряд не исчезает и не возникает из ничего. Он только делится на части (в точке А, см. рис. 158) с последующим объединением (в точке В). Следовательно,

Сила тока в неразветвленной части цени равна сумме сил тока в ее ветвях (в каждом из параллельно соединенных проводников). Обратите внимание на принятую терминологию: «ветви цепи», «неразветвленная часть». Самостоятельно определите, будут ли силы тока в ветвях на рисунке 158) одинаковы, если сопротивления ветвей различны.

Третья закономерность параллельного соединения определяет общее сопротивление разветвленного участка (участка АВ на рисунке 158). Учтем, что сила тока а напряжение Используя закон Ома, получим: откуда

Величина, обратная сопротивлению участка параллельно соединенных проводников, равна сумме величин, обратных сопротивлению отдельных проводников.

Для любознательных:

Величину обратную сопротивлению проводника, называют проводимостью проводника. Такое название логично. Оно подчеркивает, что если проводник имеет большое сопротивление, то у проводника малая проводимость. С учетом этого третью закономерность можно сформулировать так: проводимость разветвленного участка цени равна сумме проводимостей ветвей.

Из формулы (3) следует, что добавление к параллельному участку новых проводников уменьшает сопротивление R участка. Это объясняется тем, что включение параллельно дополнительного проводника не меняет длину участка электрической цени, но увеличивает площадь поперечного сечения цепи. А сопротивление обратно пропорционально площади. Если соединяемые проводники одинаковые то расчет сопротивления участка

или

Параллельное соединение позволяет подключать к источнику и отключать от него независимо друг от друга различные потребители (рис. 159).

Именно поэтому параллельно соединены все электроприборы в наших квартирах, в автомобилях, на предприятиях и т. д. При отключении одной ветви остальная часть цепи работает.

Если параллельно соединены только два проводника, го что приводит к простому выражению для сопротивления такого участка:

Главные выводы

Пример №5

В цени, представленной на рисунке 160, сопротивление резистора Амперметр А показывает силу тока I = 0,50 А. Найдите показания амперметра полное сопротивление участка ВС; сопротивление резистора
Дано:

Решение

Так как резисторы подключены к точкам В и С, напряжение на них равно напряжению источника:

Отсюда сила тока:
Сила тока во втором резисторе:

Сопротивление этого резистора:

Полное сопротивление участка ВС:

Этот ответ можно было найти и сразу, применив закон Ома к

участку ВС в целом:

Ответ:

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля — Ленца

Вспомним, прежде всего, что работу совершают силы, и приведенные в названии параграфа словосочетания «работа тока», «мощность тока» не совсем верны. Правильнее говорить о работе электрических сил, движущих заряд в проводнике и создающих в нем таким образом электрический ток. Как определить эту работу?

Мы знаем, что значение этой работы пропорционально перенесенному заряду q и напряжению U между начальной и конечной точками:
А = qU,
где U — это напряжение на рассматриваемом резисторе (электродвигателе и т. д.), его мы можем измерить вольтметром. Перенесенный заряд q можно найти, измерив силу тока I и время t (рис. 162). Действительно, из формулы силы тока следует q = It. Таким образом, работа тока на участке цепи
А = IUt.

Из формулы (1) следует, что если напряжение выразить в вольтах, силу тока — в амперах, время — в секундах, а работу — в джоулях, то 1 Дж = 1 А • 1 В • 1 с.

Вы уже знаете, что быстроту совершения работы характеризует мощность Тогда мощность тока

Из формулы (2) мощность 1 Вт = 1 А • 1 В.

Если энергия источника тока превращается только во внутреннюю энергию (идет на нагревание проводника), то, используя закон Ома, работу тока и мощность можно записать по-другому. Так как напряжение или

а мощность

Формулы (3) и (4) удобно использовать для цепей с последовательным соединением проводников, так как сила тока в проводниках одинаковая. Для параллельно соединенных проводников работу и мощность удобнее выражать через одинаковое для них напряжение, исключив силу тока. Сила тока тогда или

а мощность

Английский ученый Дж. П. Джоуль и русский ученый Э. X. Ленц еще в первой половине XIX в. независимо друг от друга провели опыт, который схематически изображен на рисунке 163. Полученные ими результаты позволили установить формулу для расчета количества теплоты, выделяющегося в проводнике при прохождении но нему тока. Пропуская ток различной силы через проводники разного сопротивления и измеряя количество выделившейся теплоты, они пришли к зависимости

Это выражение называют законом Джоуля — Ленца.

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Для больших значений произведенной током работы широко используют внесистемную единицу киловатт-час (1 кВт • ч). Она вводится из связи мощности и работы:

Предлагаем самостоятельно дать определение этой единице.
Ее перевод в единицы СИ: 1 кВт • ч = 1,0 • 103 Вт • 3600 с = = 3 600 000 Дж, или 1 кВт • ч = 3600 кДж. Именно в киловатт-часах мы определяем ио счетчику и оплачиваем расход электроэнергии.

Главные выводы:

Пример №6

С помощью электронагревателя сопротивлением R = 81 Ом воду объемом V = 2,0 л нагревают от температуры = 20 °C до кипения за время = 20 мин. Определите КПД нагревателя, если напряжение в сети U = 220 В.

По определению

Полезная работа равна внутренней энергии воды, т. ву полученной ею теплоты:

Массу воды выразим через ее плотность и объем тогда Совершенная током работа

Значит, КПД

Ответ:

Использование и экономия электроэнергии. Безопасность при работе с электроприборами

Использование электричества позволило человечеству за два предыдущих столетия создать устройства и приборы, радикально изменившие его жизнь. Пока вы еще не получили достаточно знаний, чтобы понять принципы работы многих из них. Но всем вам очень важно знать правила безопасного пользования электроприборами.

В наши дни широко используются сберегающие энергию газоразрядные лампы (рис. 164). В них ток проходит не через металлическую спираль, а через смесь газов. Газоразрядная энергосберегающая лампа, потребляя мощность всего 20 Вт, дает такой же световой поток, как лампа накаливания мощностью 100 Вт. Однако эти лампы уже активно вытесняются еще более экономичными и долговечными светодиодными лампами (рис. 165, 166).

Преобразование электрической энергии во внутреннюю происходит в таких электронагревательных приборах, как утюг, паяльник, кипятильник, электрочайник (рис. 167). Все они имеют нагревательный элемент из материала (обычно сплава) с достаточно большим сопротивлением. А вот в микроволновой печи (рис. 168) такого элемента нет. Нагрев продуктов происходит за счет воздействия на содержащиеся в них молекулы воды быстро изменяющимся электрическим полем. Это отражено и в официальном названии «микроволновок» — печи СВЧ, т. е. использующие иоле сверхвысокой частоты.

К сожалению, мы не можем объяснить сейчас принцип работы других, более сложных бытовых устройств. Отметим только, что все они: компьютер, телевизор, телефон (сетевой и мобильный), планшет (рис. 169), ноутбук, холодильник, стиральная машина — используют магнитные действия тока.

Рост числа электро-устройств в быту и на производстве делает важной задачу экономии электроэнергии. Как решить эту задачу?

Во-первых, искать новые энергосберегающие технологии. Создавать новые модели телевизоров, холодильников, транспортных средств. Так, разработанный безреостатный способ регулировки силы тока позволил на треть уменьшить потребление тока троллейбусом. Троллейбус (рис. 170) ныне признан во всем мире.

Второе направление, позволяющее значительно уменьшить потребление электроэнергии, — это повышение культуры энергопользования.

Часто мы, уходя на перемену, не выключаем в классе освещение. Из закона сохранения и превращения энергии следует: чем меньше электроэнергии мы потребляем, вовремя выключая свет и используя экономные лампочки, тем меньше топлива (газа, мазута) расходуется на электростанции, где при отключении лишней нагрузки «умные» дозирующие устройства быстро и точно сокращают его подачу.

Не будем забывать о возможности использования природных источников энергии: ветра и особенно Солнца. Так, проблему получения горячей воды для летнего домика (дачи) можно решить по крайней мере двумя способами. Можно купить в магазине электро-водонагреватель мощностью более 2 кВт и усугубить проблему расхода электроэнергии. А можно изготовить солнечный нагреватель, используя покрашенную черной краской емкость (бочку) (рис. 171). Закройте ее со всех сторон, кроме южной, теплоизолятором (стекловатой, пенопластом или даже мхом) и снабдите устройство повернутой к солнцу застекленной рамой. Вы сможете принимать теплый душ с апреля но сентябрь.

Остановимся на тех опасностях, которые обязательно надо учитывать при работе с электроприборами.

Второй вид опасности при использовании электрического тока связан с тем, что выделение теплоты происходит не только в нагрузке (лампочке, электродвигателе), но и в подводящих проводах и источнике. При небольших токах эта теплота очень мала, но при значительных токах она резко возрастает проводка сильно нагревается, что может привести к пожару. Особо сильный нагрев будет в местах плохих соединений проводов (вилки, штепсельные гнезда). Такая ситуация может возникнуть при подключении одновременно слишком большого числа потребителей: обогревателя, стиральной машины, кипятильника, утюга и т. д. Кроме того, эта ситуация неизбежна при коротком замыкании в цепи (см. § 22). В этом случае может пострадать не только проводка, но и сам источник тока, перегреваемый током огромной силы.

Для экстренного разрыва цепи в таких ситуациях служат предохранители (рис. 172, 173).

Самый простой предохранитель — плавкий — представляет собой включаемую последовательно в цепь свинцовую проволочку А (см. рис. 172, а). При достижении в цени тока определенной силы (написано на предохранителе) тонкая проволочка нагревается и расплавляется, разрывая перегруженную цепь. Устранив причину перегрузки, необходимо поставить новый предохранитель, рассчитанный на тот же предельный ток. Никогда не нужно заменять предохранитель кусочком медной проволоки (его часто называют «жучком»). Он может сгореть после того, как начнет гореть от перегрева изоляция электропроводки. На рисунке 172, б показаны другие виды плавких предохранителей.

Второй вид предохранителя — автоматический (см. рис. 173), который производит разрыв цепи при достижении определенной силы тока. В отличие от плавкого этот предохранитель при срабатывании не разрушается и может быть снова введен в рабочее положение. Такие автоматы-предохранители устанавливаются возле квартирных счетчиков электроэнергии.

Главные выводы:

Постоянные магниты

До сих пор мы рассматривали электрические явления. Опыт по пропусканию тока через изолированный проводник, навитый на железный стержень (рис. 174), показал, что катушка со стержнем становится магнитом. Он притягивает гвозди, булавки. Уже из этого факта следует, что электрические и магнитные явления связаны между собой. В чем суть магнетизма?

История открытия магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. В древнем городе Магнесия на территории Малой Азии была обнаружена горная порода, образцы которой притягивали друг друга. По названию города их стали называть магнитами. Вы все хорошо знаете свойство магнита притягивать к себе железные и стальные предметы: гайки, шайбы, скрепки, монеты (рис. 175).

Известно, что магнит не притягивает тела из цветных металлов (медь, алюминий и др.). Магниты бывают различных форм, но наиболее распространены полосовой и подковообразный магниты (рис. 176).

Способность магнита притягивать предметы можно изучить с помощью динамометра с железным гвоздем (рис. 177).

Поднося к гвоздю различные участки магнита, можно обнаружить, что наиболее сильное притяжение на концах магнита. Их называют полюсами магнита: северным (обозначают буквой N) и южным (обозначают буквой S). Обнаружено, что на середине магнита притяжения нет. Это — нейтральная зона.

Изучить взаимодействие двух магнитов можно на опыте. Закрепим магниты: один к крючку динамометра (рис. 178, а), а другой жестко к штативу. По показаниям динамометра можно определить силу притяжения разноименных полюсов (рис. 178, б) и силу отталкивания одноименных полюсов (рис. 178, в). Сила взаимодействия зависит от расстояния между полюсами и может быть даже больше или равной силе тяжести магнита. Это подтверждает опыт с «парящим» в воздухе магнитом (рис. 179).

Рассматривая цепочку притянутых к магниту гвоздей (рис. 180, п), можно сделать еще один очень важный вывод. Под действием магнита тела (гвозди) могут намагничиваться (рис. 180, б), т. е. превращаться в магниты. У гвоздей из обычного (мягкого) железа намагниченность после удаления от магнита практически полностью исчезает (рис. 180, в). Но у стали и некоторых других сплавов намагниченность сохраняется. Например, стальные ножницы после контакта с магнитом сами стали магнитом и намагнитили лезвие бритвы (рис. 181).

Магниты, которые есть в кабинете физики, изготовлены из специальной стали и намагничены действием очень сильного магнита. Их полюсы окрашены в традиционные цвета: северный полюс — в синий, южный полюс — в красный. Очень сильным нагреванием или другими воздействиями любой магнит можно размагнитить.

Взаимодействие магнитов имеет сходство со взаимодействием электрически заряженных тел. В обоих случаях одноименные полюса (заряды) отталкиваются, а разноименные полюса (заряды) притягиваются. По у этих взаимодействий есть и различие. Электрические заряды можно отделить друг от друга. Вспомните электризацию трением и электризацию через влияние (рис. 182). А вот полюса магнита неразделимы. Разрезая магнит на части (неважно, равные или неравные), вы не отделите его полюса друг от друга, а будете получать новые магниты. Каждый из них будет иметь нейтральную зону А и два полюса: северный и южный (рис. 183).

Взаимодействием магнитов объясняется принцип работы компаса (рис. 184). Стрелка компаса — это легкий сильный магнит, который может поворачиваться вокруг вертикальной оси. С каким же вторым магнитом взаимодействует стрелка компаса? Таким гигантским магнитом является наша Земля.

Для любознательных:

Впервые это доказал английский исследователь У. Гильберт (1544—1603).

Он изготовил из магнитного железняка шар большого диаметра — «магнитный глобус». Обходя шар с компасом, он показал, что ориентация стрелки во всех изучаемых точках полностью копирует ее ориентацию в различных точках Земли.

Магнитные полюса Земли (рис. 185) расположены не слишком далеко от географических Северного и Южного полюсов нашей планеты. Поэтому стрелка компаса устанавливается но направлению, близкому к направлению земного меридиана (с юга на север). Именно поэтому полюса всех магнитов получили свои названия (северный, южный) и обозначения (N, S — от гол. Nord, Sud). Строго говоря, стрелка компаса указывает направление магнитного меридиана. Ее северный конец ориентирован не на Северный географический полюс (СГП) планеты, а на Южный магнитный полюс Земли.
Для любознательных

Чрезвычайно интересным и трудным для объяснения является достоверно доказанный факт изменения положения магнитных полюсов Земли с течением времени. Так, много лет назад Южный магнитный полюс находился там, где сейчас находится Северный!

Главные выводы:

Магнитное поле

Вам известно, что тела могут взаимодействовать на расстоянии без непосредственного контакта, т. е. посредством поля. Изучая электрические явления, мы говорили об электрическом поле. Еще ранее (в 7-м классе) — о поле тяготения (гравитационном поле). Магниты также взаимодействуют на расстоянии. Значит, с любым магнитом связано особое состояние пространства — магнитное поле.

При изучении любого физического поля важно ответить на следующие вопросы. С каким телом или явлением связано данное поле? В чем это поле себя проявляет? С помощью какого тела (индикатора) это иоле можно обнаружить и изучить его свойства? Ответ на первый вопрос прост. Магнитное иоле связано с магнитом.

Подобно другим физическим полям, магнитное ноле не действует на наши органы чувств (зрение, слух, обоняние, осязание). Однако реальность его существования проявляется в конкретном наблюдаемом действии. Например, в магнитном поле Земли поворачивается стрелка компаса. Магнитная стрелка (рис. 186, а) и есть то тело, которое позволяет обнаруживать и изучать магнитные ноля, например поле полосового магнита (рис. 186, б).

Используя большое количество маленьких магнитных стрелок (рис. 187, а), можно получить наглядную картину действия магнитного поля в окружающем магнит пространстве. На практике еще удобнее использовать мелкие железные опилки, насыпанные на картонный лист. В изучаемом магнитном поле железные опилки намагничиваются и становятся маленькими магнитными стрелками. При малом трении о картон эти стрелки тут же ориентируются (рис. 187, б), изображая линии магнитного поля (рис. 187, в) изучаемого магнита.
С помощью таких линий можно изображать самые различные магнитные поля. Мы уже использовали этот метод, изобразив на рисунке 185 магнитное поле Земли. За направление линии магнитного поля ио договоренности принимается направление, в котором магнитное иоле ориентирует северный полюс магнитной стрелки (см. рис. 187, а). Обратите также внимание на то, что у любого магнита есть поле и внутри него, а линии магнитного поля замкнутые (см. рис. 187, в). Сгущение линий внутри магнита отражает то, что там поле наиболее сильное.

Для любознательных:

Магнитное ноле Земли имеет для нас огромное значение. Ведь, кроме приятного, дарящего жизнь всему земному света, Солнце излучает и обильные потоки быстрых заряженных частиц. В основном это электроны и протоны, которые неблагоприятно действуют на все живое. Именно благодаря своему магнитному нолю наша планета защищена от их губительного действия. Частицы огибают Землю, частично попадают в своеобразные магнитные ловушки. Лишь малая часть заряженных частиц может достичь поверхности планеты, вызывая полярное сияние (рис. 188) в верхних слоях атмосферы.

В магнитном иоле Земли иногда наблюдаются резкие непродолжительные изменения («магнитные бури»), связанные с процессами, происходящими на Солнце.

Магнитными полями, хотя и чрезвычайно слабыми в сравнении с магнитным полем Земли, обладают и ближайшие к нам небесные тела (Луна, Марс, Венера).

Главные выводы:

Магнитное поле тока

Поднесем к магнитной стрелке наэлектризованную стеклянную палочку (рис. 190). К палочке притянется ближний конец стрелки независимо от того, северный он или южный. Так же будет вести себя и полностью размагниченная стрелка. Объяснение этому простое — наблюдается известная вам электризация через влияние (см. § 14, рис. 102). Магнетизм же стрелки не имеет никакого значения. Значит ли это, что связь между магнетизмом и электричеством отсутствует? Конечно, нет. Между магнетизмом и электричеством существует теснейшая связь.

Расположим по магнитному меридиану (т. е. по направлению стрелки компаса) проводник АВ (рис. 191, а), под которым находится магнитная стрелка. Включим ток. Стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику АВ (рис. 191, б). Поворот стрелки указывает на появление магнитного поля вокруг проводника с током. Изменим направление тока в проводнике АВ на противоположное. Стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику, но в противоположном направлении.

Этот простой опыт, проведенный в 1820 г. датским ученым Г. X. Эрстедом, позволяет сделать чрезвычайно важный вывод. Магнитное поле создается не только постоянным магнитом. Оно возникает и при движении электрических зарядов. Действительно, ток в проводнике есть их направленное движение.

Огромный вклад в изучение электромагнетизма внес французский ученый А. М. Ампер (см. форзац 1). Он высказал мысль о том, что движением заряженных частиц объясняется магнетизм всех постоянных магнитов, включая Землю. Согласно гипотезе Ампера, в телах из железа, стали и др. постоянно протекает множество замкнутых круговых токов. Каждый такой ток создаст слабое магнитное поле, т. е. в теле всегда имеется множество чрезвычайно малых элементарных магнитов. В ненамагничен-ном теле элементарные магниты расположены хаотично (рис. 192, а), и их поля компенсируют друг друга. Магнитное поле у такого тела отсутствует. При намагничивании тела элементарные магниты ориентируются в одном направлении (рис. 192, б), тело становится магнитом. Подобные круговые токи протекают, по мнению Ампера, и внутри Земли.

Ампер не мог объяснить природу введенных им круговых токов. Ведь в ту пору (первая половина XIX в.) ученые не знали строения атома. Круговым током, создающим элементарное магнитное поле, можно считать каждый электрон, движущийся вокруг ядра атома. Заслуга Ампера в том, что он первым связал магнитные поля постоянных магнитов и Земли с движением электрических зарядов в этих телах. Для создания магнитного поля важен не сам проводник, а ток, текущий в нем. Давно замечено, что в результате грозовых разрядов часто намагничивались стальные тела: ножницы, спицы, косы и т. д. Предлагаем вам самостоятельно объяснить это явление.

Главные выводы:

Магнитное поле прямого проводника и катушки с током. Электромагнит

Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током. Но проводники могут иметь различные формы, и ток в них может иметь различную силу. Чем же различаются поля таких проводников? Как можно усилить создаваемое током магнитное поле?

Для изучения магнитного поля прямого проводника с током насыплем железные опилки на картонный лист, расположенный перпендикулярно проводнику (рис. 193, а).

Мы видим, что опилки располагаются по окружностям, центром которых является проводник с током. Располагая около проводника магнитные стрелки, можно определить направление линий магнитного поля

(рис. 193, б). Не забывайте, в каждой точке поля это направление северного (N) полюса магнитной стрелки!

Для определения направления линий магнитного ноля используют правило буравчика, или правого винта: вращайте ручку буравчика (головку винта или шурупа с правой нарезкой) так, чтобы его острие двигалось по направлению тока в проводнике: вниз на рисунке 194, а и вверх на рисунке 194, б.

Направление вращения ручки буравчика укажет направление линий поля.

Направление линий магнитного ноля можно определить еще проще, с помощью правой руки: если проводник с током обхватить ладонью правой руки так, чтобы отставленный большой палец был направлен по току (рис. 195), то согнутые четыре пальца укажут направление линий магнитного ноля.

На рисунке 196, а, б показано направление линий магнитного поля двух проводников, в которых ток течет в противоположных направлениях. Подтвердите правильность указанных направлений, используя правую руку.

Применяя железные опилки, можно получить и картину линий магнитного поля катушки с током — соленоида (рис. 197).

Из рисунка 197 видно, что созданное катушкой с током магнитное поле подобно полю обычного полосового магнита. Располагаясь параллельно внутри катушки, линии магнитного ноля выходят из одного ее конца и, огибая ее, входят в другой конец. Таким образом, по сути, соленоид является электромагнитом. Направление линий магнитного ноля здесь также определяют но правилу буравчика или с помощью правой руки, но только для соленоида (рис. 198).

Если ладонью правой руки обхватить катушку с током так, чтобы четыре пальца расположились по направлению тока, то отставленный большой палец укажет направление линий магнитного ноля внутри катушки.

Для усиления поля электромагнита одноименные полюса магнитов сближают, а внутрь катушки вставляют сердечник из мягкого железа или специальной стали (рис. 199). Эти материалы, намагничиваясь в магнитном ноле катушки, в десятки и даже сотни раз усиливают его, позволяя получить электромагниты с большой подъемной силой. Электромагнит, изображенный на рисунке 199, даже при небольшой силе тока в катушках может удержать груз массой в десятки килограммов, что недоступно никакому постоянному магниту.

Электромагниты, используемые на производстве, способны удерживать и переносить тонны металлического груза (рис. 200).

Создаваемое соленоидом магнитное поле используется в электроизмерительных приборах (амперметрах, вольтметрах), электрозвонке, электрогитаре. По две катушки с током имеют электросчетчик (рис. 201) и ваттметр — прибор, измеряющий мощность электрического тока. Ток, протекающий по обмоткам сложной конфигурации, создает магнитное поле, необходимое для работы любого электродвигателя (рис. 202).

Главные выводы:

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник