Лекция "Электризация тел. Постоянный электрический ток"
реклама
Строение атомов и ионов. Атомы состоят из ещё меньших частиц трёх видов. В центре атома имеется ядро, образованное протонами и нейтронами. Вокруг ядра быстро движутся электроны, образуя так называемые электронные облака. Количество протонов в ядре равно количеству электронов, движущихся вокруг него. Количество нейтронов может быть разным. Масса протона приблизительно равна массе нейтрона. По сравнению с их массами масса электрона пренебрежимо мала. Электроны относятся к так называемым отрицательно заряженным частицам, протоны – к положительно заряженным частицам. Нейтроны – к незаряженным или электронейтральным частицам. Частицы ядра прочно связаны друг с другом особыми ядерными силами. Притяжение электронов к ядру гораздо слабее взаимного притяжения протонов и нейтронов, поэтому электроны (в отличие от частиц ядра – протонов и нейтронов) могут отделяться от своих атомов и переходить к другим (см. рисунок). В результате переходов электронов образуются ионы – атомы или группы атомов, в которых число электронов не равно числу протонов. Если ион содержит отрицательно заряженных частиц больше, чем положительно заряженных, то такой ион называют отрицательным. В противоположном случае ион называют положительным. В верхней части рисунка показана потеря атомом электрона, то есть образование положительного иона. В нижней части рисунка – образование из атома отрицательного иона. Ионы очень часто встречаются в веществах, например, они есть во всех без исключения металлах. Причина заключается в том, что один или несколько электронов от каждого атома металла отделяются и движутся внутри металла, образуя так называемый электронный газ. Именно из-за потери электронов, то есть отрицательных частиц, атомы металла становятся положительными ионами. Это справедливо для металлов в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном (например, для паров ртути). Известно, что в твёрдом состоянии все металлы являются кристаллами. Ионы всех металлов расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. В расплавленных и испарённых (газообразных) металлах упорядоченное расположение ионов отсутствует, но электронный газ попрежнему остаётся между ионами. Ионы могут быть образованы несколькими атомами (группой атомов). Например, при растворении в воде серной кислоты каждая её молекула образует два иона водорода 2H+ и один ион кислотного остатка SO42-. Распад молекулы можно выразить уравнением: H2SO4 = 2H+ + SO42-. Символ «2–» означает два дополнительных электрона, символ «+» означает один недостающий электрон. Образование ионов из нейтральных молекул (ионизация) может происходить по разным причинам. Одну из них, растворение, мы только что рассмотрели. Другая причина – повышение температуры. При этом увеличивается размах колебаний как молекул, так и атомов, входящих в их состав. Если температура превысит некоторое значение, то молекула распадётся, и образуются ионы. Ионизация может происходить и по другим причинам. Электризация тел и электрический заряд. Возьмём пластмассовую расчёску или авторучку и проведём ею несколько раз по сухим волосам или шерстяному свитеру. Как ни удивительно, но после такого простого действия пластмасса приобретёт новое свойство: начнёт притягивать мелкие кусочки бумаги, другие лёгкие предметы и даже тонкие струйки воды (см. рисунок). Такие явления были известны ещё до нашей эры. Для опытов по электризации трением брали янтарь и натирали его шерстью. После этого и янтарь, и шерсть начинали притягивать к себе сухие травинки и пылинки. Янтарь по-гречески «электрон». Отсюда и произошли слова электричество и наэлектризованные тела. Опыты показывают, что два тела – наэлектризованное и ненаэлектризованное – всегда притягиваются. Примеры: пластмассовая палочка и тонкая струйка воды, янтарь и сухие травинки. Опыты также показывают, что два тела, наэлектризованные трением друг о друга, тоже всегда притягиваются. Например, наэлектризовавшись трением о наше тело (при ходьбе, движениях рук и ног), свитер или юбка притягиваются, «липнут» к телу. Наэлектризованные тела (их также называют заряженными или имеющими заряд) могут не только притягиваться, они могут и отталкиваться. Проведём опыты. Натрём палочку из эбонита шерстяной варежкой, а палочку из стекла – шёлковым платком. Подвесив палочки на нитях, увидим, что эбонит и шерсть, а также стекло и шёлк притягивают друг друга (см. рисунок). Теперь поменяем пары тел. Мы видим, что эбонит и шёлк, а также стекло и шерсть отталкивают друг друга (см. рисунок). Есть и другие примеры отталкивания наэлектризованных тел. Прежде учёные не делали различий между «стеклянным», «шерстяным», «шёлковым», «эбонитовым», «янтарным» и другими видами зарядов. Однако в 1733 г. французский учёный Ш. Дюфэ проделал опыты и выяснил, что на электризуемых телах могут образовываться заряды только двух родов. Вот как он писал в своих научных трудах: «Один род я называю стеклянным электричеством, другой – смоляным. Тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством и притягивает тела со смоляным электричеством». Сегодня два рода зарядов мы называем: положительный заряд (так заряжается стекло, потёртое о шёлк; шерсть, потёртая об эбонит) +q отрицательный заряд (заряд шёлка при трении о стекло; заряд эбонита при трении о шерсть) –q Символом «q» обозначена физическая величина «электрический заряд» (иногда говорят сокращённо: заряд). Единицей для измерения заряда служит 1 кулон (коротко: 1 Кл). Как ею пользоваться, мы узнаем в 10-м классе. Пока только скажем, что, электризуя одни и те же тела, легко заметить, что сила их взаимодействия бывает различной: больше или меньше. Это объясняют тем, что модуль заряда может быть больше или меньше. Для обнаружения наэлектризованных тел и сравнения их зарядов служит прибор электроскоп. Его внешний вид вы видите на рисунке. Металлический корпус (1) спереди закрыт стеклом (2). Внутрь прибора вставлен металлический стержень (3) с легкоподвижными лепестками (4). От корпуса стержень отделён круглой пластмассовой втулкой (5). Если верхней части стержня коснуться наэлектризованным телом, то лепестки отклонятся друг от друга тем сильнее, чем больше заряд тела. Объяснение электризации. При трении тел друг о друга «трутся» именно электронные облака атомов, из которых эти тела состоят. А так как электроны слабо связаны с ядрами своих атомов, то электроны могут отделяться от «своих» атомов и переходить на другое тело. В результате на нём возникает избыток электронов (и тело приобретает отрицательный заряд), а на первом теле – недостаток электронов (и оно становится положительно заряженным). Итак, электризация трением объясняется переходом части электронов от одного тела к другому, в результате чего тела заряжаются разноимённо. Поэтому тела, наэлектризованные трением друг о друга, всегда притягиваются. Кроме электризации трением, которую мы только что объяснили, существует также и электризация индукцией (от лат. «индукцио» – наведение, возникновение). Рассмотрим её на опыте, – см. рисунок. Имеются два незаряженных металлических шара, которые касаются друг друга (а). Затем к одному из них подносят, не касаясь его, наэлектризованную палочку (б), после чего второй шар отодвигают (в). Теперь палочку можно убрать, – шары будут разноимённо заряженными. Обясним опыт. Сначала металлические шары не были заряжены. Это значит, что электронный газ присутствовал в шарах в равных количествах (а). Поскольку палочка стеклянная, считаем её заряд положительным. Она притягивает отрицательно заряженные частицы шаров – электроны. Поэтому электронный газ «перетекает» в левую часть левого шара, и в этом месте образуется скопление отрицательного заряда (б). Положительные ионы металла прочно связаны друг с другом (они и есть металл), поэтому никуда не «перетекут». Значит, во всех остальных частях шаров возникнет недостаток электронов, то есть положительный заряд. Если в этот момент, не убирая палочки, раздвинуть шары (в) и лишь затем убрать её, шары останутся разноимённо заряженными (г). Итак, электризация индукцией объясняется перераспределением электронного газа между телами (или частями тела), в результате чего тела (или части тела) заряжаются разноимённо. Однако возникает вопрос: все ли тела поддаются электризации индукцией? Можно проделать опыты и убедиться, что пластмассовые, деревянные или резиновые шары можно легко наэлектризовать трением, но невозможно индукцией. Объясним это. Электроны в резине, древесине и пластмассе не являются свободными, то есть не образуют электронного газа, который может перетекать на другие тела. Поэтому для электризации тел из этих веществ необходимо прибегнуть к их трению, способствующему интенсивному отделению электронов от атомов и переходу на другое тело. Итак, по электрическим свойствам все вещества можно разделить на два вида. Диэлектрики – вещества, не имеющие свободных заряженных частиц и потому не проводящие заряд от одного тела к другому. Проводники – тела и вещества со свободными заряженными частицами, которые могут перемещаться, перенося заряд в другие части тела и к другим телам. Это иллюстрирует рисунок с электроскопами, пластмассовой линейкой (б) и металлической проволокой (в). Закон сохранения электрического заряда. Ещё раз обратимся к опытам, описанным в предыдущих параграфах. Обратили ли вы внимание, что при электризации заряды всегда возникают и исчезают парами? Например, равные по модулю и противоположные по знаку заряды возникают одновременно как на шерсти, так и на эбоните, как на шёлке, так и на стекле. В опыте по электризации индукцией аналогично: шары приобретали равные по модулю и противоположные по знаку заряды также одновременно. Повторим опыт по электризации индукцией немного иначе. Сначала те же шары попрежнему не заряжены (д). Также поднесём палочку к шарам (е), затем уберём её и после этого раздвинем шары (ж). В итоге шары окажутся незаряженными (з). Объясним этот опыт. Когда мы поднесли положительно заряженную палочку (е), шары приобрели разноимённые заряды, так как электронный газ правого шара переместился в левый шар и придал ему отрицательный заряд. Одновременно на правом шаре возник недостаток электронов, поэтому шар зарядился положительно. Когда мы убрали палочку и только после этого раздвинули шары (ж), электронный газ (отрицательный заряд) вернулся в правый шар и нейтрализовал заряд его ионов (положительный заряд). Алгебраическая сумма зарядов в каждом шаре превратилась в ноль, то есть шары вновь стали незаряженными (з). Подобными и многими другими опытами доказано, что при любых явлениях, связанных с возникновением и переходом зарядов от одних тел к другим, алгебраическая сумма всех зарядов участвующих в этом тел всегда остаётся постоянной. Это – закон сохранения электрического заряда. Примечание: алгебраическая сумма зарядов, всегда оставаясь постоянной, не обязана всегда быть равной нулю (например, если шар или шары до электризации их индукцией уже имели заряд или заряды). В физике также установлено, что электрический заряд любого тела вне зависимости от знака заряда поддаётся делению на части. Убедимся в этом на опыте (см. рисунок). Зарядим палочкой левый электроскоп (а). Затем соединим его со вторым металлической проволокой. Мы увидим, что заряд распределится между приборами, и лепестки левого немного «опадут», а лепестки правого – «поднимутся» (б). Уберём проволоку и коснёмся правого электроскопа рукой. Заряд перейдёт по руке внутрь нашего тела, и лепестки этого электроскопа полностью «опадут» (в). Так можно поступать много раз: заряд левого электроскопа будет делиться на всё более мелкие части (г, д, е). Важно: проволоку необходимо брать не рукой, а предметом из вещества-диэлектрика, иначе заряд левого электроскопа сразу перейдёт по проволоке внутрь нашего тела, и мы не сможем наблюдать его деление на всё более мелкие части. Отметим, что опытами американского учёного Р.Милликена и российского учёного А.Ф.Иоффе установлено, что заряды тел можно делить не бесконечно: существует наименьшая порция электрического заряда – элементарный заряд (модуль заряда электрона или заряд протона). Следствие: заряд любого тела складывается из зарядов всех свободных электронов или оставшихся без электронного «партнёра» протонов. Таким образом, возникновение и исчезновение (нейтрализация) зарядов тел при переходе свободных электронов – частный случай проявления закона сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Различные тела можно наэлектризовать по-разному: передать им положительный или отрицательный заряд, сделать его большим или малым. После этого тела будут поразному действовать на другие тела: отталкивать или притягивать их, делать это сильнее или слабее. Но как одно тело «узнаёт» заряд другого (например, чтобы «знать»: притягивать его или отталкивать)? Для ответа на этот вопрос рассмотрим понятие «электрическое поле». Наэлектризуем одноимённо металлический шар на пластмассовой подставке и лёгкий пробковый или пенопластовый шарик на нити (назовём его пробным шариком). Будем переносить его в различные точки пространства вокруг большого шара (см. рисунок). Мы заметим, что в каждой точке пространства вокруг наэлектризованного тела обнаруживается сила, действующая на пробный шарик. О том, что существует сила, мы судим по отклонению нити шарика от вертикали. По мере удаления от заряженного шара пробный шарик отклоняется всё слабее, следовательно, действующая на него сила становится всё меньше (сравните положения а, б, в). Для следующего опыта используем магнит и стальной шарик, который положим на горизонтальную поверхность стола. Приблизим магнит к шарику сверху, и он незамедлительно покатится по столу вслед за магнитом. Следовательно, в каждой точке пространства вокруг намагниченного тела есть сила, действующая на стальной шарик. Итак, в каждой точке пространства вокруг наэлектризованных или намагниченных тел существует так называемое силовое поле, способное воздействовать на другие тела. Заметим, что действие силы тяжести также обнаруживается во всех точках пространства вокруг Земли. Поэтому по аналогии говорят, что в пространстве вокруг планет также существу Обобщаем: гравитационное, магнитное и электрическое поле являются разновидностями силовых полей. На примере электрического поля рассмотрим один из методов изучения полей – метод силовых линий. Проведём опыт. Возьмём два металлических шара на пластмассовых подставках, а также иглу, тоже укреплённую на подставке. Расположим шары на расстоянии 40–50 см друг от друга, а между ними – подставку с иглой. Уравновесим на ней сухую деревянную щепку. Если зарядить шары разноимённо, мы увидим, что щепка развернётся так, чтобы находиться на прямой, соединяющей шары (см. верхнюю часть рисунка). Будем помещать щепку в различные места вокруг шаров (см. нижнюю часть рисунка, слева). Заметим, что щепка занимает такие положения, которые «ложатся» на мысленно проведённые дугообразные линии, соединяющие шары; их называют силовыми линиями электрического поля. Если тела наэлектризованы одноимённо или если мы имеем только одно тело, силовые линии также можно изучать с помощью щепки на игле. Однако проще – при помощи мелко стриженных волос. Опишем этот способ. Над заряженными телами необходимо поместить стекло и посыпать его стриженным волосом. Под действием поля каждый волосок поворачивается определённым образом, и образуется «картина» (см. рисунки). Слева и справа показано расположение волос вокруг одноимённо заряженных шаров, а в центре – разноимённо заряженных шаров, как в опыте со щепкой. Изображение силовых линий поля – метод для описания электрических полей. Силовые линии изображают более «густыми» там, где обнаруживается большая сила воздействия поля на тело или тела. Но не следует думать, что силовые линии действительно существуют внутри поля; это физическая модель. Она описывает силу и направление действия поля на помещаемые в него тела (в последнем примере – электрического поля). В заключение осталось лишь добавить очевидное: электрическое поле всегда «привязано» к заряду, его создавшему, и при перемещении заряда в другую точку пространства электрическое поле практически мгновенно перемещается вслед за зарядом, действуя на другие тела. Электрический ток. Вы уже знаете, что заряженные тела (или, говоря коротко, заряды) в электрическом поле обладают энергией, которая может быть превращена в другие виды энергии: тепловую, световую или кинетическую, как, например, в опыте с комочком ваты. Во время любого из таких превращений обязательно есть электрический ток. Дадим ему определение. Электрический ток – это направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов и/или ионов. Например, в опыте с дисками и комочком ваты происходило направленное движение электронов: с нижнего диска на верхний. Их переносил комочек ваты. В предыдущем опыте с вертикальными дисками электроны даже не нуждались в «переносчике», так как электронный газ под действием сил поля сам перетекал из правого диска по проволоке в электроскоп. То есть, в проволоке короткое время существовал электрический ток, образованный движущимися электронами. Познакомимся теперь с устройствами, предназначенными для создания долговременного электрического тока, – источниками электроэнергии (иногда говорят – источниками тока, но это менее желательный термин). Известно много видов источников электроэнергии. Простейшие из них – гальванические элементы (1, 2, 3). Они превращают свою внутреннюю (химическую) энергию в энергию электрического тока. Аналогичное превращение энергии происходит и в аккумуляторах (4). Но после того, как энергия аккумулятора иссякнет, его можно вновь зарядить, и он опять будет служить источником электроэнергии. Образно выражаясь, обычные гальванические элементы – это «одноразовые», а аккумуляторы – «многоразовые» источники энергии. Кроме одиночных аккумуляторов и гальванических элементов часто встречаются их батареи – несколько элементов, соединённых вместе. Цифрой 2 обозначена батарея гальванических элементов – «плоская батарейка», а цифрой 4 – батарея аккумуляторов для автомобиля. Цифрой 5 обозначен выпрямитель или блок питания, служащий источником электроэнергии для электронных приборов – ноутбуков, телефонов. Он берёт энергию от домашней электросети. Любой источник электроэнергии обязательно имеет не менее двух полюсов – металлических проводников, предназначенных для присоединения потребителей электроэнергии. Например, аккумулятор или «батарейка» всегда имеют два полюса: положительный и отрицательный, обозначенные знаками «+» и «–». На положительном полюсе – недостаток электронов, на отрицательном – их избыток. Назначение источника электроэнергии – создание и долговременное поддержание неодинаковой электризации своих полюсов. Рассмотрим это на конкретном примере (см. рисунок). Присоединим к «батарейке» лампочку от карманного фонарика. Избыточные электроны, всегда имеющиеся на отрицательном полюсе, в момент соединения контактов двинутся к положительному полюсу батарейки. Это приведёт к частичной нейтрализации зарядов на полюсах. Поэтому если внутри батарейки электроны под воздействием каких-либо сторонних сил не будут вновь попадать на отрицательный полюс, ток быстро прекратится, и лампочка погаснет. Но этого не происходит, значит, ток есть и внутри батарейки. Обратите внимание: снаружи источника электроны движутся от «–» к «+», как и должны двигаться отрицательные частицы, находящиеся в электрическом поле. Однако внутри источника электроны движутся от «+» к «–». Такое движение вопреки силам электрического поля возможно лишь под воздействием так называемых сторонних сил, которые не имеют отношения к силам электрического поля; они возникают и совершают работу за счёт внутренней (химической) энергии батарейки. Исторически так сложилось, что току приписывают направление от «+» источника к его «–» через потребители. Физики об этом договорились несколько веков назад, когда не знали о существовании электронов. Тогда же появилось и не вполне удачное название «источник тока», так как теперь мы знаем, что у электрического тока нет «истоков» и «стоков»: ток циркулирует по проводникам, подобно воде в замкнутой трубе с насосом. Действия и мощность тока. Как вы думаете, как можно узнать – есть ли в проводнике ток? Заглянуть внутрь проводника невозможно, но, оказывается, это и не нужно. Прохождение тока по проводнику всегда сопровождается хотя бы одним из особых явлений – действий тока. Всего известно три действия тока: магнитное, химическое и тепловое. Слева вы видите опыт, иллюстрирующий магнитное действие тока. К источнику электроэнергии (на рисунке он не показан) при помощи двух проводов подключим катушку с проволокой и стальным стержнем внутри. При включении тока катушка становится магнитом и начинает притягивать стальные предметы (например, гвозди). Магнитное действие тока наблюдается вокруг любых проводников: толстых или тонких, прямых или свитых в спираль, горячих или холодных, твёрдых, жидких или газообразных. Слева изображён опыт, иллюстрирующий химическое действие тока. В стакан с раствором сульфата меди CuSO4 опустим два угольных стержня. Через несколько минут на стержне, подключённом к «–», образуется тонкий слой ярко-красного цвета. Это чистая медь, выделившаяся из раствора. Поскольку произошло явление, при котором одно вещество (сульфат меди) превратилось в другое (чистую медь), значит, мы видели химическую реакцию. Химическое действие тока, как правило, наблюдается в жидких проводниках и сравнительно реже – в газообразных. В твёрдых проводниках химические реакции протекать не могут, так как в них отсутствуют подвижные ионы (то есть «носители» химических свойств вещества). Тепловое действие тока встречается, например, в утюгах, электрокаминах и лампах. Утюг горяч настолько, что нельзя притронуться рукой; спирали электрокамина нагреты ещё сильнее: до «красного каления», а спираль лампочки – даже до «белого каления». Жидкие и газообразные проводники также нагреваются при прохождении через них тока. Почему же проводники нагреваются? Вспомним, что ток в металлическом проводнике – это направленное движение электронов. Вспомним также, что провод – это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь» между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электронов передаётся ионам, заставляя их колебаться сильнее, с большим размахом. А это и означает, что проводник нагревается. В жидких и газообразных проводниках движущиеся электроны и ионы наталкиваются на молекулы, «расшатывают» их, увеличивают их кинетическую энергию, что и означает возрастание температуры жидкости или газа. Сделаем вывод: при наличии в проводнике тока происходит превращение электрической энергии (энергии зарядов в электрическом поле) в другие виды энергии, например, тепловую. Скорость превращения электроэнергии можно выразить количественно. Для этого служит физическая величина мощность тока. О том, какими приборами её измеряют, мы поговорим в следующей теме, а пока приведём примеры токов различной мощности. Возьмём три лампы с надписями: 40 Вт, 60 Вт и 100 Вт. Вкрутив их в люстру, мы обнаружим, что более мощная, 100-ваттная, лампа в каждый момент времени даёт явно больше тепла и света, чем лампа мощностью 40 или 60 Вт. Другими словами, скорость превращения электроэнергии в тепловую и световую энергию в этих лампах различна. Итак, мощность тока – физическая величина, показывающая скорость превращения электрической энергии в другие виды энергии. Вспомним, что 1 Вт = 1 Дж/с (см. § 5-в). Это значит, что при мощности тока 1 Вт энергия превращается со скоростью 1 джоуль в секунду. Тогда для лампы мощностью 100 Вт это равно 100 Дж/с. Другими словами, лампа мощностью 100 Вт ежесекундно тратит 100 Дж электроэнергии и превращает их в тепло и свет. Представление о силе тока и сопротивлении. В предыдущем параграфе мы познакомились с первой количественной величиной, характеризующей ток, – мощностью. Сделаем теперь первый шаг в знакомстве с двумя другими электрическими величинами: «сила тока» и «сопротивление». Они неразрывно связаны друг с другом, и к их изучению мы ещё вернемся позднее, в следующей теме. Проделаем опыт по фотографиям (см. ниже). Присоединив лампочку к источнику энергии, мы убедимся, что она ярко светит (а). Включим последовательно с лампочкой спираль из железной проволоки и убедимся, что свет ослабнет (б). Заменив железную спираль на нихромовую, такую же по размерам, мы заметим, что яркость лампочки ещё уменьшится (в). Значит, мощность тока уменьшается при переходе от «а» к «б» и «в». Вспомним, что тепловое действие тока в металлических проводниках мы объясняем ударами «текущих» электронов об ионы. И если яркость лампочки уменьшилась, следовательно, уменьшился поток электронов через неё. Физики скажут: уменьшилась сила тока. Это произошло потому, что железная и нихромовая спирали по-разному влияют на силу тока в проводах и лампе. Другими словами, проводники из различных веществ имеют различное электрическое сопротивление. Многочисленными опытами в физике и химии установлено, что электроны в различных веществах одинаковы, а молекулы, атомы и ионы – различны (по массам, размерам, порядку и плотности расположения). Поэтому различные вещества оказывают потоку электронов различное сопротивление. Итак, мы выяснили, что сопротивление проводника зависит от рода вещества, из которого этот проводник изготовлен (например, медь, железо, нихром и так далее). Но есть и другие причины, влияющие на электрическое сопротивление проводников. Рассмотрим опыт (см. рисунок). Буквами A и B обозначены концы нихромовой проволоки, а буквой K – подвижный контакт в виде клипсы. Двигая его вдоль проволоки, мы изменяем длину её участка, по которому идёт ток (участок AK). Сдвигая контакт K влево, мы увидим, что лампочка светит ярче. Передвижение контакта К вправо сделает свет тусклее. Следовательно, электрическое сопротивление проводника зависит от его длины. Рассмотренный принцип регулирования силы тока положен в основу устройства реостатов (см. рисунок). Реостат – электрический прибор с регулируемым сопротивлением. Принцип его действия такой же, как и в предыдущем опыте с нихромовой проволокой. Отличие лишь в том, что для уменьшения размеров реостата его проволоку наматывают на фарфоровый цилиндр, а подвижный контакт (говорят: «движок» или «ползунок») надевают на металлический стержень, служащий проводником. Итак, в первом опыте мы выяснили, что электрическое сопротивление зависит от рода вещества. Второй опыт продемонстрировал нам зависимость от длины проводника. Но сопротивление зависит также от его толщины, точнее, от площади поперечного сечения, а также от температуры проводника. Чем тоньше провод, тем меньше площадь его поперечного сечения (среза), тем сложнее потоку электронов преодолевать этот участок. Аналогично, чем выше температура металла, тем сильнее колеблются его ионы, тем труднее электронам двигаться вперёд. Электрическая цепь. В предыдущей теме мы познакомились с разнообразными источниками электроэнергии (источниками тока). Наряду с ними существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие. Чтобы электроэнергию доставить от источника до потребителя, необходимы соединительные проводники, а чтобы её поступлением можно было управлять, нужны коммутационные устройства: рубильники, выключатели, клеммы, розетки, вилки и др. В физике источник электроэнергии и её потребители, соединённые проводниками, называют электрической цепью. На рисунке вы видите цепь для наблюдения теплового, химического и магнитного действий тока одновременно. В дальнейшем нам придётся использовать много электроприборов, соединяя их в разнообразные цепи. Чтобы лучше их понимать, мы будем использовать схематичные рисунки цепей – электрические схемы. На них каждое устройство изображается в виде условного обозначения. Вот некоторые: Кроме изображённых на рисунке, существуют и другие обозначения. С ними мы будем знакомиться по мере необходимости. На рисунке вверху вы видите электрическую цепь, а слева – схему этой цепи. На ней присутствуют: лампа, сосуд с электродами, электромагнит, выключатель и пара клемм, к которым будет подключён источник тока. Изучим теперь виды соединений проводников в цепи. Соединение бывает последовательным, параллельным и смешанным. Взгляните на две схемы, изображённые справа. Если вас попросят собрать цепь из источника тока и двух электроламп, то вы, скорее всего, поступите как изображено на схеме «а». Такое соединение проводников называют последовательным. Оно так названо потому, что электроны, двигаясь по цепи от клеммы «–» к клемме «+», пройдут через обе лампы последовательно, то есть сначала через левую лампу, а затем – через правую. Но лампы можно соединить и так, как изображено на схеме «б». Такое соединение проводников называется параллельным (лампа ведь это тоже проводник). Это название подчёркивает, что, двигаясь от источника тока, все электроны разделятся на две группы, которые пройдут через лампы параллельно, то есть независимо друг от друга. В электрических цепях встречается и смешанное соединение электроприборов. На схеме «в» показано параллельное соединение прибора «резистор» и прибора «вольтметр». Эти приборы последовательно соединены с прибором «амперметр» и клеммами для подключения источника электроэнергии. Соберём цепь по этой схеме (см. рисунок). Слева, как и на схеме, расположим амперметр, справа – вольтметр и резистор. Два провода уходят за края рисунка, и клеммы источника электроэнергии не видны. Что такое амперметр, вольтметр и резистор, мы узнаем позже. Пока важно запомнить, что амперметр всегда включается в цепь последовательно, а вольтметр параллельно с тем участком (например, резистором), где проводятся электрические измерения. Сила тока. Ранее мы рассмотрели опыт с лампой и двумя спиралями (резисторами). Мы отметили, что под изменением силы тока будем понимать изменение потока электронов, проходящих через проводник. Эта фраза относилась к твёрдым металлическим проводникам. В жидких же металлах (например, в ртути), в расплавленных или растворённых веществах (например, в солях, кислотах и щелочах), а также газах, ток создаётся электронами и ионами. Все они являются носителями электрического заряда. Следовательно, под силой тока более удобно понимать не количество разнообразных заряженных частиц (электронов и/или ионов), проходящих по проводнику за некоторое время, а суммарный заряд, переносимый через проводник за единицу времени. В виде формулы это выглядит так: I – сила тока в проводнике, А q – протекающий заряд, Кл t – время наблюдения, с Итак, сила тока – физическая величина, показывающая заряд, проходящий через проводник за единицу времени. Для измерения силы тока используют прибор амперметр. Его включают последовательно с тем участком цепи, в котором нужно измерить силу тока. Единица силы тока – 1 ампер (1 А). Её устанавливают, измеряя силу взаимодействия (притяжения или отталкивания) проводников с током. В качестве пояснения см. рисунок с полосками фольги, размещённый в самом начале этой темы. За 1 ампер принимают силу такого тока, который при прохождении по двум параллельным прямым проводникам бесконечной длины и малого диаметра, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 0,0000002 H Познакомимся с законами распределения токов в цепях с различным соединением проводников. На схемах «а», «б», «в» лампа и реостат соединены последовательно. На схемах «г», «д», «е» лампы соединены параллельно. Возьмём амперметр и измерим силу тока в местах, отмеченных красными точками. Сначала включим амперметр между реостатом и лампой (схема «а»), измерим силу тока и обозначим ее символом Iобщ. Затем поместим амперметр слева от реостата (схема «б»). Измерим силу тока, обозначив её символом I1. Потом поместим амперметр слева от лампы, силу тока обозначим I2 (схема «в»). Многочисленные измерения показывают, что во всех участках цепи с последовательным соединением проводников сила тока одинакова: Измерим теперь силу тока в различных участках цепи с параллельным соединением двух ламп. На схеме «г» амперметр измеряет общую силу тока; на схемах «д» и «е» – силы токов, идущих через верхнюю и нижнюю лампы. Многочисленные измерения показывают, что сила тока в неразветвлённой части цепи с параллельным соединением проводников (общая сила тока) равна сумме сил токов во всех ветвях этой цепи. Электрическое напряжение. Вспомним, что назначение любого источника тока – долговременное поддержание неодинаковой электризации его полюсов, чтобы между ними существовало электрическое поле. Только оно может заставить двигаться электроны в проводах и потребителях, приводя к нужному нам действию тока. Обратимся к опыту (см. рисунок). Через обе лампы проходит ток одинаковой силы: 0,4 А. Но большая лампа светит ярче, то есть работает с большей мощностью, чем маленькая. Получается, мощность может быть различной при одинаковой силе тока. Это действительно так, поскольку кроме силы тока, мощность зависит ещё от одной физической величины – электрического напряжения. Известно, что напряжение, создаваемое «батарейкой», меньше напряжения, создаваемого электросетью в розетке. Это значит, что поле между полюсами батарейки, двигая электроны по проводам и лампе слева, создаёт ток меньшей мощности, чем поле между контактами в розетке, двигающее электроны по проводам и лампе справа. Поэтому яркость ламп различна. В физике зависимость электрической мощности одновременно от силы тока и напряжения представляют произведением: P – мощность тока, Вт I – сила тока, А U – электрическое напряжение, В По международному соглашению единицей электрического напряжения служит 1 вольт (1 В) – такое напряжение, которое при силе тока 1 А создаёт ток мощностью 1 Вт. Для измерения напряжения используют прибор вольтметр. Его всегда присоединяют параллельно тому участку цепи, на котором меряют напряжение. Чтобы выяснить законы распределения напряжений в цепях с различным соединением проводников, проделаем опыты. Измерим напряжение на различных участках цепи, состоящей из реостата и лампы, соединённых последовательно. Сначала измерим напряжение на всём соединении: Uобщ = 5 В (см. схему «а»). Затем – на лампе: U1 = 4 В (схема «б»). И, наконец, напряжение на реостате: U2 = 1 В (схема «в»). Эти, а также аналогичные измерения показывают, что в цепи с последовательным соединением проводников напряжение на всём соединении равно сумме напряжений на отдельных проводниках: Измерим напряжение на различных участках цепи с параллельным соединением двух ламп (заметим: они вовсе не обязательно одинаковые). На схеме «г» вольтметр измеряет общее напряжение: Uобщ = 5 В. На схемах «д» и «е» – напряжение на каждой из ламп: U1 = 5 В, U2 = 5 В. Эти, а также аналогичные измерения показывают, что в цепи с параллельным соединением проводников напряжение на каждом из проводников равно напряжению на всём соединении: Закон Ома для участка цепи. Проделаем опыт. Нам потребуются источник электроэнергии, реостат, амперметр, вольтметр и два резистора (две нихромовые спирали) с различными сопротивлениями. Соберём цепь, как показано на рисунке слева или на схеме в конце параграфа. Будем передвигать ползунок реостата и поочерёдно установим несколько значений силы тока, например, 0,4 А, 0,6 А, 0,8 А, 1 А. При этом запишем показания амперметра и вольтметра в таблицу слева. Повторим опыт, заменив резистор, и дополним таблицу справа. Первый резистор Второй резистор I, A 0,4 0,6 0,8 1,0 0,4 0,6 0,8 1,0 U, В 1,6 2,4 3,2 4,0 2,4 3,6 4,8 6,0 6 6 Поделив напряжение на силу тока, обнаружим закономерность: R = U/I 4 4 4 4 6 6 Закономерность в том, что вне зависимости от значений напряжения и силы тока их частное остаётся постоянным для каждого резистора. Проверьте: после деления каждого числа строки (U, В) на расположенное над ним число строки (I, А) получаются одинаковые результаты во всех колонках левой половины таблицы: 4 В/А и во всех колонках правой половины таблицы: 6 В/А. Это показывает, что величина R является характеристикой не всей цепи, а именно её отдельного участка (резистора). Заметим, что эта закономерность всегда справедлива для металлических проводников в твёрдом или жидком состоянии; для других проводников она справедлива не всегда. Однако величину R, равную отношению U/I , всегда называют электрическим сопротивлением проводника независимо от его материала и состояния, а единицу 1 В/А в физике называют 1 Ом: 1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором возникнет ток 1 А, если на концах проводника создано напряжение 1 В. Связь между величинами R, U, I обычно записывается в виде формулы, известной как закон Ома для участка цепи: I – сила тока в участке цепи, А U – приложенное напряжение, В R – сопротивление участка цепи, Ом Чтобы выяснить, как следует прочитать эту формулу, вспомним знания по алгебре о видах пропорциональности величин. Из второй колонки следует, что при постоянном сопротивлении сила тока прямо пропорциональна напряжению, существующему на концах рассматриваемого участка цепи. Из первой колонки следует, что при постоянном напряжении сила тока обратно пропорциональна сопротивлению проводника. С точки зрения математики формулу закона Ома можно записать и в такой форме: U = I R. Применим её для изучения цепи, изображённой на схеме. Это именно та цепь, с которой мы проводили опыт в начале параграфа. Допустим, клеммы A и B присоединены к источнику с напряжением 10 В, однако вольтметр позволяет измерить напряжение не более 6 В (см. верхний рисунок). Поэтому нам нужно создать падение напряжения на реостате (то есть на участке 1-1) на 4 В или более. Как это сделать? Чем правее мы сдвигаем ползунок, тем больше сопротивление реостата, и, согласно формуле U = I R , больше напряжение на реостате, которое и называют падением напряжения. В результате на резисторе (то есть на участке 2-2) напряжение снижается, что и требовалось получить. Сопротивление соединений. В этой теме мы уже изучили много закономерностей: мы выяснили, как распределяются силы токов при последовательном и параллельном соединении проводников, мы узнали закономерности распределения напряжений в этих соединениях. Опираясь на эти знания, а также на закон Ома для участка цепи, выведем формулы для расчёта сопротивлений проводников, соединённых последовательно и параллельно. Последовательное соединение проводников Параллельное соединение проводников Таким образом, мы получили формулы для расчёта сопротивления проводников, соединённых последовательно и параллельно: Эти формулы читаются, сответственно, следующим образом: Общее сопротивление последовательного соединения проводников равно сумме сопротивлений его отдельных участков. Величина, обратная общему сопротивлению параллельного соединения проводников, равна сумме величин, обратных сопротивлениям его участков. Рассмотрим формулу в левой рамке. Вы видите, что общее сопротивление складывается (суммируется) из отдельных сопротивлений. Поскольку сумма всегда больше любого из слагаемых, то при последовательном соединении проводников общее сопротивление соединения всегда больше сопротивления любого его участка. Например, соединение составлено из резисторов с сопротивлениями 4 Ом и 5 Ом, тогда общее сопротивление будет равно 9 Ом (то есть общее сопротивление больше большего). Перейдём теперь к формуле в правой рамке. Используя знания по алгебре, можно прийти к выводу: при параллельном соединении проводников общее сопротивление соединения всегда меньше сопротивления любого его участка. Проверим это на конкретном примере с теми же сопротивлениями: 4 Ом и 5 Ом. Сделав вычисления по формуле, мы найдём, что общее сопротивление этих резисторов, соединённых параллельно, 2,2 Ом (то есть общее сопротивление меньше меньшего). Продолжим изучать физические закономерности математическими методами. Теперь выведем две дополнительные формулы, описывающие общее сопротивление одинаковых проводников. Вообразим, к примеру, что пять одинаковых резисторов соединены последовательно. Тогда их общее сопротивление вычислится так: Обобщая это на случай n проводников, получим, что их общее сопротивление увеличивается в n раз. Снова вообразим для примера, что пять одинаковых резисторов соединнены параллельно. Тогда их общее сопротивление будет таково: Из алгебры вы знаете, что если две величины равны друг другу, то и величины, обратные им, также равны. Приравняем их: Обобщая это на случай n проводников, получим, что их общее сопротивление уменьшается в n раз.
