Глава V1. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

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

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

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

§53 Превращение энергии при движении заряда в электрическом поле.

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

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

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

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

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

При этом увеличивается кинетическая энергия тележки Е_к =mv²/2. Если создать трение, таким, чтобы тележка двигалась по горизонтальной поверхности, не увеличивая своей скорости, произойдет нагрев тележки и поверхности, по которой она движется, т.е. энергия электрического поля может превратится во внутреннюю энергию.

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

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

Электрическое поле может совершать работу при перемещении заряженного тела.

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

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

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

Электрическое поле может совершать работу при перемещении заряженного тела.

За счет совершения работы электрическим полем может меняться потенциальная, кинетическая и внутренняя энергия тела.
Упражнение §53.

1. 
   Тележка находится в поле напряженностью 10000 В/м. Какая сила действует на тележку, если ее заряд 5 мкКл? Какую работу совершит электрическое поле при перемещении тележки на расстояние 10 см вдоль силовых линий?
   
2. 
   Заряженный шарик, двигаясь под действием сил электрического поля, увеличил кинетическую энергию на 3 Дж. Какую работу совершило электрическое поле?
   
3. 
   При перемещении заряда 6 мкКл в однородном электрическом поле на расстояние 0,5 м его скорость увеличилась от 0 до 2 м/с. Какова напряженность электрического поля, если масса заряда 4г?
   
4. 
   В теплоизолированной трубке с дистиллированной водой перемещается легкий шарик с зарядом 10 мкКл на расстояние 1м под действием электрического поля с напряженностью 10000 В/м. На сколько увеличится температура воды, если ее масса 20 г? Массой шарика можно пренебречь. Считать, что вся работа идет на увеличение внутренней энергии воды. Удельная теплоемкость воды 4200 Дж/ кг град.
   

§54Электрический ток. Сила тока.

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

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

Величина заряда всех частиц, пролетающих мимо наблюдателя за 1 секунду, называется силой тока. Так, если мимо наблюдателя в одном направлении за одну секунду пролетело 10¹⁹ протонов, то их общий заряд 1,6 Кл, и сила тока 1,6 Кл/с.

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

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

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

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

Направление тока совпадает со скоростью положительных частиц и противоположно скорости отрицательных.

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

Используются дольные и кратные единицы мА, мкА, кА.

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

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

Сила тока обозначается буквой I

I = q/t

Для измерения силы тока применяются приборы, называемые амперметрами.

Для измерения силы тока применяются приборы, называемые амперметром.

Направленное движение заряженных частиц называется электрическим током

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

Электрический ток имеет направление.

За направление электрического тока берется направление движения положительных зарядов.

Сила тока измеряется в амперах (1 А)

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

Сила тока обозначается буквой I

I = q/t

Упражнение§54.

1. 
   Электронная пушка «выстреливает» 10¹⁸ электронов в секунду. Какова сила тока электронного пучка?
   

2. 
   В расплавленной поваренной соли движутся ионы хлора с зарядом -1,6 10^-19 Кл и ионы натрия с зарядом +1,6 10^-19 Кл. Через поперечное сечение справа налево прошло за 1 секунду 10¹⁹ ионов натрия, а слева направо 2 10¹⁹ ионов хлора за ту же секунду. Какова сила тока?
   
3. 
   Электронный пучок с силой тока 1 мкА направлен на металлический незаряженный шарик. Каким будет заряд шарика через 5 с?
   
4. 
   Какой будет напряженность поля у поверхности шарика ( см задачу 3), если его радиус 1 см?
   

5. 
   Из пипетки падают капли с зарядом 0,1 мкКл. За 10 с упало 10 капель. На сколько изменился заряд пипетки с оставшейся жидкостью? Какова средняя сила тока (отношение всего прошедшего заряда, ко времени, за которое этот заряд прошел)?
   

Задания

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

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

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

*** Для интересующихся

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

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

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

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

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

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

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

Так было открыто новое явление - электрический ток.

<предыдущая страница | следующая страница>