ГЛАВА V. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Одним из важных свойств любого тела, от молекулы до планеты, является масса. Все тела, подчиняясь закону всемирного тяготения, притягиваются друг к другу с силой пропорциональной массам этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, если эти расстояния между этими телами значительно больше размеров тел. (Ясно, что сумма сил действующих со стороны различных частей баранки на шарик, помещенный в её центре будет равна нулю).

          рис. 116           

... Силы гравитационного притяжения играют большую роль. Мы привыкли к ним и только оказавшись в состоянии невесомости человек ощущает дискомфорт из-за их отсутствия. Они управляют ростом растений и животных, процессами, происходящими в атмосфере и океане. Гравитация определяет строение и развитие Солнечной системы, Галактики и галактик, Вселенной. Массы небесных тел очень велики и силы гравитационного притяжения таких объектов, как планеты, звезды и галактики управляют их  движением.

Все живое на Земле находится под действием гравитационной  силы нашей планеты. Деревья растут вершиной вверх и никогда наоборот. При отсутствии силы тяжести они теряют ориентацию. У человека и животных в состоянии невесомости изменяются многие жизненные процессы.

Обнаружить силу гравитационного притяжения между телами, масса которых  мала по сравнению с массой Земли, трудно, так как гравитационная постоянная очень мала. Кавендишу пришлось создать специальный чувствительный прибор для того, чтобы измерить силу притяжения между шарами массой шаром массой 157 кг и 0,8 кг на расстоянии 0,2 м между их центрами.

Задумаемся над тем, как  взаимодействуют молекулы. Какие же свойства молекул определяют их взаимодействие? Они могут притягиваться и отталкиваться. Силы взаимодействия между молекулами меняются при изменении  расстояния между ними. Может быть это гравитационное взаимодействие? Но расчеты показывают, что оно слишком мало, ведь масса молекул очень маленькая. Кроме того, при гравитационном взаимодействии тела притягиваются но не могут отталкиваться. Можно предположить наличие каких-либо крючочков и пружинок, но они ведь тоже должны из чего-то состоять. Значит, существуют какие-то виды взаимодействия, зависящие не от массы, а от других свойств тел.

В этой главе мы познакомимся с еще одним важным свойством всех тел - электрическим зарядом. Иногда для краткости это свойство называют просто зарядом. Электрическим его назвали потому, что впервые это свойство было обнаружено у янтаря, греческое название которого -  ЭЛЕКТРОН.

Слово «Электричество» имеет то же происхождение. Если бы мы перевели на русский, то получилось бы что-то вроде ЯНТАРИЧЕСТВО.

§43 Электрический заряд. Закон сохранения заряда.

Проделаем опыт. Подвесим к штативу на шелковых нитях два шарика, сделанных из фольги. 

          рис. 117          117

 Мы видим, что нити подвеса параллельны друг другу (а). Это говорит о том, что силы гравитационного взаимодействия между шариками очень малы, по сравнению с силой тяжести.

Коснемся обоих шариков стеклянной палочкой, которую предварительно потерли о кусочек шелка. Мы увидим, что шарики начали отталкиваться друг от друга (б). Коснемся первого из шариков рукой. Нити, на которых подвешены шарики, снова станут параллельны друг другу, т.е. шарики перестанут отталкиваться друг от друга.

Дотронемся до первого шарика эбонитовой палочкой, потертой  о кусочек шерсти. Увидим, что теперь шарики стали притягиваться (в).

Из приведенных опытов можно сделать вывод:

кроме гравитационного между телами может существовать другое, более сильное взаимодействие;

оно отличается от гравитационного тем, что тела могут не только притягиваться, но и отталкиваться, либо не взаимодействовать.

Впервые это явление было обнаружено в опытах с янтарем (по-гречески электрон) . Поэтому такое взаимодействие было названо электрическим. А свойство тел, от которого зависит данный тип взаимодействия, называется электрическим зарядом.

В отличие от массы, которая всегда положительна,  электрический заряд может быть отрицательным, равным нулю и положительным.

 У тел, заряды которых равны нулю, электрическое  взаимодействие отсутствует.

Тела с зарядами разного знака – притягиваются, одного знака – отталкиваются.

          рис. 118           

В нашем опыте от прикосновения стеклянной палочки к шарикам, они приобретали одинаковый по знаку заряд и отталкивались. Эбонитовая палочка сообщала шарику заряд противоположного знака и шарики притягивались.

Принято считать, что стеклянная палочка, потертая о шелк, приобретает положительный заряд. При прикосновении к шарику она передает ему часть своего заряда, и шарик заряжается положительно. Эбонитовая палочка, потертая о шерсть, приобретает отрицательный заряд, касаясь шарика, она заряжает его отрицательно. Таким образом, электрический заряд может передаваться от одного тела к другому.

В замкнутой системе сумма зарядов всех тел остается величиной постоянной при любых изменениях заряда каждого тела. Это означает, что если у одного тела появился заряд, то у окружающих его тел в результате этого процесса должен появиться точно такой же по модулю заряд, но с противоположным знаком.

В нашем опыте стеклянная палочка приобретала положительный заряд, а шелковый лоскут такой же по модулю, но отрицательный. Сумма зарядов палочки и шелка до натирания и после оставалась равной нулю.

          рис. 119           

При распаде нейтрона, частицы с зарядом, равным нулю, образуется протон, у которого заряд положительный и, одновременно электрон с точно таким же по модулю, но отрицательным зарядом.

          рис. 120            

Закон сохранения электрического заряда - это третий, после закона сохранения импульса и закона сохранения энергии, фундаментальный закон, с которым вы познакомились.

Если отодвинуть точки подвеса, т.е. увеличить расстояние между шариками, то мы увидим, что взаимодействие шариков уменьшилось ( они отклоняются на меньший угол от вертикали), следовательно,  электрическое взаимодействие тел уменьшается при увеличении расстояния между ними.

          рис. 121           

Электрический заряд обозначается буквой q, измеряется в кулонах (сокращенно Кл). Эта единица названа в честь французского ученого Шарля Кулона (

Если два шарика обладают зарядом по 1 Кл, то на расстоянии 1 м друг от друга они будут отталкиваться с силой 9 10⁹ Н (9 миллиардов Н. Это вес более 100 товарных поездов). В нашем опыте заряды шариков были приблизительно равны десяти миллиардным долям кулона (10 нКл).

Электрическое взаимодействие отличается от гравитационного тем, что тела могут не только притягиваться, но и отталкиваться, либо не взаимодействовать.

Свойство тела, от которого зависит электрическое взаимодействие, называется электрическим зарядом.

Электрический заряд обозначается буквой q, измеряется в кулонах (сокращенно Кл).

Электрический заряд может быть отрицательным, равным нулю и положительным.

Тела с зарядами разного знака – притягиваются, одного знака – отталкиваются.

В замкнутой системе сумма зарядов всех тел остается величиной постоянной при любых изменениях заряда каждого тела

Электрическое взаимодействие тел уменьшается при увеличении расстояния между заряженными телами.

Упражнение §43.

1. Прикоснувшись к шарику стеклянной палочкой, мы сообщаем ему заряд того же знака, что и у палочки. Как будут взаимодействовать палочка и шарик?

2. Могут ли три шарика отталкиваться друг от друга? Ответ поясните.

3. Каково взаимодействие между шариками?

          рис. 122           

 Каков знак заряда второго шарика?

Задания

1.Проделайте опыты, описанные в параграфе. Шарики изготовьте из фольги. Нити возьмите тонкие, лучше шелковые. Вместо эбонитовой палочки можно использовать расческу, потертую о волосы. Вместо стеклянной палочки - стеклянный стакан.

2. Возьмите расческу,  потрите ее о кусок полиэтилена. Докажите, что расческа и полиэтилен заряжаются разными зарядами.

§44 Поле как вид материи. Электрические и гравитационные поля.

 Мы познакомились с двумя видами взаимодействия тел, удаленных друг от друга на некоторое расстояние – гравитационным и электрическим. Как же происходит это взаимодействие? Ведь тела не соприкасаются. Как одно тело «чувствует», что где-то находится другое?

Для объяснения взаимодействий на расстоянии была выдвинута гипотеза о существовании полей. Согласно этой гипотезе каждое тело, имеющее электрический заряд не равный нулю, окружено особым видом материи – электрическим полем.

Электрическое поле проявляет себя в действии на тела, имеющие электрический заряд, и создается телами, имеющими электрический заряд.

Кроме электрического поля  существует  гравитационное поле, которое проявляет себя в действии на любые тела, обладающие массой. Гравитационное поле создается телами, обладающими массой.

Таким образом, электрическое и гравитационное взаимодействия осуществляются по следующей схеме: одно тело создает поле, это поле действует на другое тело .

Мы подчеркнули, что поле – вид материи, т.е. существующая реальность, а не модель, как например, параллели и меридианы, земная ось и т.п. Поле – это еще один вид материи. До сих пор вы были знакомы только с одним видом материи – веществом. Напомним, что вещество – это то, из чего состоят все предметы.

Поле обладает различными свойствами, выделим главное из них.  Гравитационное поле действует на любое тело, обладающее массой.

Электрическое поле действует на любое тело, обладающее зарядом.

Сила, с которой поле действует на тело, зависит от свойств тела и свойств поля в том месте, где находится тело. Гравитационное поле на тело с большей массой действует с большей силой  F = mg. g – это силовая характеристика гравитационного поля в данной точке. Она показывает, с какой силой поле действует на тело массой 1 кг, помещенное в данной точке. У поверхности Земли g = 9,8 Н/кг. [H/ кг ] = [м/с²]. У поверхности Луны ускорение свободного падения приблизительно в 6 раз меньше g = 1,6 Н/кг, значит, и сила, действующая на тело во столько же раз меньше, чем на Земле.

Направление и силовую характеристику гравитационного поля мы чувствуем. В любой момент вы можете указать, где верх, где низ. «Низ» - это и есть направление силовой характеристики гравитационного поля Земли.

У человека есть специальный парный орган, расположенный в ушах, вестибулярный аппарат, определяющий направление гравитационного поля. Органа для обнаружения постоянного электрического поля нет. Однако, электрическое поле можно почувствовать по результатам его воздействия. Так, под действием поля волосы могут встать дыбом.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность. Она показывает, с какой силой электрическое поле в данной точке будет действовать на тело, обладающее зарядом в 1 Кл.

          рис. 123           

 Для того, чтобы вычислить силу, с которой поле действует на тело, мы должны заряд этого тела умножить на  напряженность поля в том месте, где находится тело. На тело с зарядом в 2 Кл  будет действовать в два раза большая сила.

          рис. 124           

Напряженность электрического поля обозначается буквой Е, измеряется в Н/Кл.

F = qE

Поскольку сила  величина векторная, то и напряженность электрического поля – векторная величина. Направление напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительно заряженное тело, помещенное в данную точку поля. Сила, действующая на тело с отрицательным зарядом, направлена в сторону противоположную напряженности.

          рис. 125           

Существуют приборы, позволяющие обнаружить электрическое поле и измерить его напряженность с большой точностью. Поскольку мы можем измерять напряженность электрического поля, следовательно, оно существует. Значит гипотеза о существовании электрического поля получила подтверждение.

Электрическое поле изображают с помощью линий, которые называют силовыми линиями. Силовая линия – это линия, касательная к которой в каждой точке, совпадает  с направлением напряженности поля в данной точке.

          рис. 126           

На рисунках

          рис. 127           

с помощью силовых линий изображены поля положительно заряженного шарика  (а) и отрицательно заряженного (б).

двух положительно заряженных шариков

          рис. 128           

 двух разноименно заряженных шариков

          рис. 129           

Изменяя густоту силовых линий можно показать, что напряженность электрического поля,

          рис. 130           

создаваемого зарядом в 1 Кл (а), меньше, чем напряженность поля, созданного зарядом в 2 Кл (б) на одинаковом расстоянии от заряда.

Силовые линии всегда направлены от положительно заряженного к отрицательно заряженному телу;

через каждую точку поля можно провести силовую линию и притом только одну (силовые линии не пересекаются);

в области, где силовые линии гуще, напряженность поля больше;

силовые линии не материальны, реально они не существуют.

Каждое тело, имеющее электрический заряд не равный нулю, окружен особым видом материи – электрическим полем.

Электрическое поле проявляет себя в действии на тела, имеющие электрический заряд и создается телами, имеющими электрический заряд.

Поле – вид материи, т.е. существующая реальность

Гравитационное поле действует на любое тело, обладающее массой и создается телами, обладающими массой.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность. Она показывает, с какой силой электрическое поле в данной точке действует на тело, обладающее зарядом в 1 Кл.

Напряженность обозначается буквой Е, измеряется в Н/Кл.

F = qE

Напряженность электрического поля – векторная величина

. Направление напряженности электрического поля совпадает с направлением силы, действующей на положительно заряженное тело, помещенное в данную точку поля.

Силовая линия – это линия, касательная к которой в каждой точке, совпадает  с направлением напряженности поля в данной точке.

Упражнение §44

1.      1.В чем сходство и различие гравитационного и электрических полей? Ответ дайте, заполнив таблицу, помещенную после упражнения.

2.      Электрическое поле действует на шарик с зарядом 1 мКл силой в 0,1 Н. Какова напряженность поля?

3.      С какой силой будет действовать поле на шарик, если его заряд уменьшится до 0,01 мКл?

4.      3.* Изобразите с помощью силовых линий гравитационное поле Земли.

5.      На

          рис. 131           

изображено электрическое поле, образованное двумя заряженными телами. Определите знаки зарядов этих тел.

6.      Что является силовой характеристикой гравитационного поля см. рисунки?

          рис. 132           

          рис. 133           

Таблица Свойства гравитационного и электрического полей.

Электрическое поле	Гравитационное поле
	Создается телом с массой  М
Заполнить после изучения §45	Действует на тела с силой
	Силовая характеристика g
	F=mg
	Изображают с помощью силовых линий.
Поле отрицательного заряда.	Поле точечного или сферического тела.           рис. 134
Поле положительного заряда.	Отрицательной массы не существует.

Задание

На лист бумаги поместите мелкие кусочки нити (волос) длиной около 1см так, чтобы они равномерно и хаотично расположились на ней. С другой стороны поднесите наэлектризованную расческу. Хаотическое расположение нитей сменится упорядоченным. Зарисуйте наблюдаемую картину.

§45 Закон Кулона.

В §43 мы отметили, что при увеличении расстояния между заряженными телами силы, действующие на каждое из тел, уменьшаются.

          рис. 135           

Это означает, что напряженность поля при удалении от заряда уменьшается. Если вы посмотрите на картину электрического поля точечного заряда,

          рис. 136           

то также увидите, что чем дальше от заряда, тем дальше друг от друга силовые линии.

Кулон своими опытами доказал, что напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом (материальной точкой, имеющей заряд) прямо пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния от него до данной точки поля.

,     где k =9 10⁹– коэффициент пропорциональности

Напомним, что ускорение свободного падения (силовая характеристика гравитационного поля)  где G =6,6710^-11  – гравитационная постоянная.

Числовое значение гравитационной постоянной G в 1,34 10²⁰ меньше коэффициента пропорциональности k. Это означает, что два разноименных заряда по 1 Кл каждый притягиваются с такой же силой, как два шарика массой 10¹⁰кг (по 10 миллионов тонн каждый), находящихся на таком же расстоянии, что и заряды.

Из-за такого большого отличия  числовых значений коэффициентов мы не замечаем гравитационного взаимодействия обычных тел.

Формула для напряженности электрического поля была получена из закона Кулона. Этот закон был открыт экспериментально Кавендишем в 70-ых годах 18 века. Но Кавендиш не опубликовал своих результатов. Кулон опубликовал результаты своих исследований о взаимодействии заряженных тел в 1785 году. Согласно которым сила взаимодействия двух точечных тел, обладающих зарядами, определяется формулой

, где q₁  и q ₂ – заряды тел, r – расстояние между ними. С тех пор этот закон носит название закона Кулона.

Мы предлагаем вам убедиться самостоятельно в сходстве закона Кулона и закона всемирного тяготения, открытого Ньютоном в 1687 году.

Напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом прямо пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния от заряда до данной точки поля. , где k=9^.10⁹

Сила взаимодействия двух точечных тел, обладающих зарядами, определяется формулой .

Упражнение §45.

1.      Какова напряженность поля, действующего с силой 300 Н на тело зарядом 1 нКл?

2.      Во сколько раз уменьшится напряженность поля, если расстояние от тела до создающего поле заряда увеличится в три раза?

3.      Какая сила  действует на тело зарядом 2 нКл, если это тело находится на расстоянии 2 м от тела зарядом 4 мкКл. Какова напряженность электрического поля в этой точке?

4.      Какая сила действует на тело массой 100 г и зарядом 2 мкКл, помещенное в электрическое поле с напряженностью 500 Н/Кл? Какое ускорение приобретет это тело под действием электрического поля?

5.      Напряженность электрического поля у поверхности Земли Е=130, Определите величину заряда Земли, если направлена напряженность так же, как и ускорение свободного падения.

Задание

Возьмите соломинку (трубочку для коктейля), закрепите ее на острие иголки. На концах соломинки укрепите два легких шарика, сделанных из фольги

          рис. 137           

 Зарядите шарики, прикоснувшись к ним наэлектризованной о волосы расческой.

Поочередно поднося наэлектризованную расческу то к одному, то к другому шарику (касаться их не надо), заставьте вращаться получившуюся «карусель». Меняется ли сила, действующая на шарик, при изменении расстояния. Как вы это установили?

***Для интересующихся.

Для проведения точных опытов по измерению силы взаимодействия зарядов французский инженер Шарль Кулон предложил крутильные весы. В этом приборе измеряемая сила закручивает очень тонкую кварцевую или металлическую нить. Так как сопротивление, оказываемое тонкой нитью скручиванию, ничтожно мало, то крутильные весы очень чувствительны. С помощью этого прибора Кулон установил, что взаимное отталкивание или притяжение наэлектризованных тел изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Позднее было доказано, что тому же закону подчиняется и взаимодействие магнитных полюсов.

Кулон первый доказал, что электричество распределяется только по поверхности проводников. Зарядив массивный латунный шар, он прикоснулся к нему изолированным полым шаром того же диаметра. Измерение показало, что на полый шар перешла ровно половина электричества массивного шара.

          рис. 138           

Следовательно, при распределении электричества имела значение не масса шаров, а только величина поверхности каждого из них.

Позднее английский исследователь Генри Кавендиш подтвердил,  что электричество распределяется только по поверхности. Он изготовил два полых медных полушария,

          рис. 139           

 которые вплотную прилегали к поверхности латунного шара на стеклянной ножке. Зарядив сначала этот шар электричеством, Кавендиш покрыл его полушариями, держа их за изолирующие ручки. С помощью электрометра он обнаружил, что весь заряд перешел на поверхность полушарий.

Свойство электричества распределяться только по поверхности хорошего проводника очень удивляло физиков. Им заинтересовался и знаменитый английский физик Майкл Фарадей (1791—1864).

Фарадей с чувствительным электроскопом вошел внутрь деревянного ящика, покрытого снаружи фольгой. Его ассистент зарядил оболочку из фольги электричеством. Но, хотя заряд бы очень сильным, на внутренней поверхности фольги не было обнаружено следов электричества. Фарадей не испытывал никаких ощущений, а его электроскоп ничего не показывал,

Исследуя распределение электричества на поверхности медного шара, Кулон брал «пробы», прикладывая к нему в разных местах небольшую металлическую пластинку на изолирующей ручке. Оказалось, что количестве электричества, переходящее на пластину. было везде одинаковым. Но, исследуя заряженные тела иной формы, он убедился, что, чем более выпукла поверхность заряженного тела, тем сильнее заряжается прикасающаяся к ней пластинка. Больше всего пластинка заряжается у острия.

          рис. 140           

§46Энергия тела в электрическом поле.

Продолжим обсуждение сходных свойств гравитационного и электрического полей. В гравитационном поле, которое часто называют полем тяготения, каждое тело обладает потенциальной энергией. Энергией, которая зависит от координат.

В § 14 мы показали, что в гравитационном поле, созданном точечным или сферическим телом, потенциальную энергию любого тела можно вычислить по формуле

.

где М - масса тела, создающего поле,

 G - гравитационная постоянная,

m- масса тела, энергию которого мы определяем.

Гравитационное поле обладает интересным свойством, которое следует из закона сохранения энергии. Изменение энергии тела равно работе, совершенной над телом.

Представим себе комету, движущуюся по вытянутой орбите вокруг Солнца

          рис. 141           

Пусть в некоторый момент времени комета была в точке А. Через время, равное периоду обращения кометы, она вновь окажется в этой точке, т.е. ее потенциальная энергия окажется прежней. Это означает, что полная работа совершенная гравитационным полем равна нулю, если тело вернулось в начальную точку. Поля, работа которых при перемещении тел по замкнутой траектории равна нулю, называются потенциальными. Поскольку электрическое поле тоже потенциально, то можно представить, как движется заряд вокруг другого.

          рис. 142           

Электрическое поле неподвижного заряда, также является потенциальным. (Для краткости мы будем иногда заменять словом «заряд» фразу «тело обладающее электрическим зарядом»).

Потенциальная энергия заряженного тела в поле точечного заряда вычисляется по формуле

где  k=9^.10⁹коэффициент пропорциональности тот же, что и в законе Кулона,

Q -заряд тела, создающего поле,

q -заряд тела, энергию которого мы ищем,

r - расстояние между телами.

Из формулы видно, что если тела имеют заряды одинаковых знаков (происходит отталкивание), то энергия положительна, если разных знаков ( происходит притяжение), то потенциальная энергия отрицательна. Также как и в гравитационном поле.

Потенциальная энергия зависит от координат.

Поля, работа которых при перемещении тел по замкнутой траектории равна нулю, называются потенциальными.

Электрическое поле, создаваемое неподвижным электрическим зарядом, является потенциальным

Потенциальная энергия заряженного тела вычисляется по формуле

Упражнение §46.

1.      Потенциальная энергия сжатой пружины измеряется в джоулях. В каких единицах измеряется потенциальная энергия тела в электрическом поле?

2.      Заряженное тело в электрическом поле прошло путь 2 м и вернулось в ту же точку. Изменилась ли энергия тела, если другие тела на него не действовали?

3.      Заряд приближается к другому заряду. Что происходит с его потенциальной энергией? Рассмотрите разные случаи взаимодействия зарядов.

4.      Чему равна потенциальная энергия заряженного тела, удаленного от другого заряда на очень большое расстояние?

5.       Чему равна потенциальная энергия самолета массой 2 т, имеющего заряд 5 мКл, если он летит на высоте 2 км. Заряд Земли принять равным 0,5 Кл.

6.      При перемещении тела по замкнутой траектории равна ли нулю  работа сил трения?

Задание

При выполнении задания № 1, §6  для определения своей мощности предлагалось n раз поднять груз на некоторую высоту.

Используя ваши знания о потенциальности гравитационного поля и закона сохранения энергии, придумайте способ или устройство, которое в соответствие с условиями, изложенными в вышеупомянутом задании, позволило бы вам продемонстрировать в течение нескольких минут большую мощность, затратив минимальную энергию.

*** Для интересующихся

АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

В природе положительно и отрицательно заряженные частицы возникают при различных процессах. Так, например, мельчайшие брызги над водопадом заряжены отрицательно, а более крупные — положительно. Разделение зарядов в этом случае, как доказали лабораторные опыты, происходит при разбрызгивании воды. Дождевые капли, снежинки, градинки также несут электрические заряды.

В кучевом облаке есть и положительные, и отрицательные заряды. Но в целом оно электрически нейтрально. Облако становится грозовым, когда заряды различных знаков скапливаются в разных его частях. Такое разделение может произойти внутри облака, находящегося в восходящем потоке воздуха.

          рис. 143           

(Линии со стрелками показывают направление движения воздуха).

 Тяжелые капельки воды иногда скапливаются в нижней части облака, а легкие — в верхней. Когда напряженность достигает большой величины, происходит разряд; проскакивает огромная искра — молния.

          рис. 144           

Как подтвердили исследования советских ученых И.С. Стекольникова  и Н.А. Капцова, молния представляет собой прерывистый разряд, т е несколько разрядов, быстро следующих один за другим. Она начинается сравнительно медленным «ветвистым» распространением отрицательного заряда из облака к земной поверхности. Образуется «канал», по которому положительный заряд с большой скоростью проскакивает от земной поверхности к облаку, нейтрализуя его отрицательный заряд.

Процесс каждого такого разряда (импульса) протекает в сотые доли секунды, а несколько импульсов, воспринимаемых глазом как вспышка молнии заканчиваются обычно в течение 0,2—0,3 с.

Молния избирает путь в том направлении, в каком встречает наименьшее сопротивление. Она ударяет чаще всего в высокое дерево, крышу здания или в вершину холма. Но бывает, что удар направляется в берег реки, хотя недалеко стоит высокое дерево: значит, в направлении берега сопротивление было меньше, так как сырой грунт хорошо проводит электричество.

 Известен случай, когда молния ударила в сравнительно невысокую фабричную трубу, из которой поднимался столб дыма, хотя рядом была гораздо более высокая труба. Очевидно, столб дыма облегчил разряд.

Молния, ударившая в дерево, раскалывает и зажигает его ствол, а попав в деревянное здание, вызывает пожар. Ударив в кирпичную фабричную трубу молния разрушает ее. В горах она раскалывает утесы. Проходя через песок, молния сплавляет его.

В 1745 г. американский физик Франклин (1706-90) произвел свой известный опыт. Он запустил под грозовую тучу бумажного змея с металлическим острием, от которого свешивалась вниз бечева с железным ключом на  конце. Из ключа Франклин извлек довольно крупные электрические искры. Сообщение об этих опытах, переведенное на многие языки, появилось и в «Санкт-Петербургских Ведомостях», издававшихся Российской Академией наук. Почти одновременно с Франклином изучал атмосферное электричество Ломоносов вместе со своим другом Георгом Рихманом (1711—1753). Для своих наблюдений Ломоносов и Рихман построили специальные установки — «громовые машины».

На крыше дома или на вершине дерева укреплялся высокий шест с заостренным железным стержнем, от которого спускалась проволока. Во время грозы наблюдатели извлекали из проволоки электрические искры. Эти опыты были чрезвычайно опасны. Однажды от проволоки отделился небольшой огненный шарик — шаровая молния; ее взрыв привел к гибели Рихмана.

Опыты Ломоносова и Рихмана доказывали, что молнии и искусственно получаемые электрические искры имеют одну и ту же природу. Электрическая сила, поднимавшая до тех пор пушинки и кусочки бумаги, оказалась способной метать молнии.

Франклин, стремившийся применить результаты исследований на практике, первый предложил средство для предохранения высоких зданий от удара молнии. В своих опытах он наблюдал, что электрический заряд «стекает» с острия. Если снабдить металлическим острием кондуктор электрической машины, то возникающий на нем заряд быстро уходит в воздух. Когда вблизи заряженного кондуктора находится направленное на него и соединенное с землей острие, то наблюдается такое же явление. Стекающее с острия отрицательное электричество нейтрализует положительный заряд кондуктора электрической машины.

На основе подобных опытов Франклин предложил устанавливать на высоких зданиях «громоотводы», т. е. высокие металлические острия, изолированные от здания и соединенные проводником с землей. Однако во многих странах установка громоотводов встретила сопротивление служителей церкви. Только с течением времени, постепенно освобождаясь от предрассудков, люди стали устанавливать громоотводы.

Защищенное громоотводом пространство можно приблизительно определить конусом, радиус основания которого равен высоте громоотвода.

          рис. 145           

Все предметы внутри этого конуса почти всегда защищены от удара молнии. Громоотводы устанавливаются для защиты домов, городских сооружений и сельских построек.

Давно уже замечено явление так называемой шаровой молнии, не получившее до настоящего времени удовлетворительного объяснения. Эта молния имеет вид следующих друг за другом светящихся шариков или даже одного шара. Огненный шар может достигать величины футбольного мяча, иногда его диаметр измеряется даже метрами. По рассказам очевидцев, шаровая молния имеет голубой цвет.

Она нередко проникает через открытое окно или небольшую щель внутрь домов и часто вылетает через теплую печную трубу, как бы следуя за воздушным током. Разряд (взрыв шаровой молнии) вызывает иногда значительные разрушения или пожары..

§47Разность потенциалов

Потенциальная энергия тела в гравитационном и электрическом поле,  созданном неподвижным зарядом, зависит только от координат тела. Это значит, что при перемещении тела из точки 1 в точку 2

          рис. 146           

 его энергия изменится на некоторую величину, и это изменение равно

DE_п = E_п2 - E_п1

Причем это изменение не зависит от того, по какой траектории двигалось тело.

Поясним это следующим образом. Пусть тело переместилось из точки 1 в точку 2. При этом поле совершило работу А₁₂.Затем оно вернулось в точку 1 по другой траектории и совершило работу А₂₁ Так как тело вернулось в ту же точку, работа потенциального поля равна нулю, т.е. А₂₁ + А₁₂ =0. Отсюда А₁₂ = - А_21.

Если бы тело вначале двигалось по траектории АДС, а вернулось по траектории СВА результат был бы тем же самым. Отсюда следует, что работа, совершаемая полем, не зависит от траектории движения тела, а зависит только от его начального и конечного положения .

Обратите внимание, что мы не говорили к какому полю относятся наши рассуждения. Они верны и для гравитационного поля и для электрического поля, создаваемого неподвижным зарядом, которое в дальнейшем будем называть электростатическим.

Изменение потенциальной энергии в гравитационном поле равно

DЕ_п = -

Мы знаем, что изменение энергии равно работе поля, взятой с обратным знаком             А_гр= -DЕ_п  =-

Для электростатического поля   А_эл = .

 Вынесем за скобки в первом  случае массу тела, над которым совершается работа, во втором - заряд. Мы получим следующие выражения для работы:

А_гр= m(-)              (1)

А_эл = q()                (2)

Мы видим, что работа, которую совершает поле над телом, зависит от свойств тела: массы для гравитационного поля и заряда для электрического.

Величина, стоящая в скобках выражения (2), называется разностью потенциалов. Разность потенциалов характеризует две точки поля и показывает, какую работу совершит поле, если тело, имеющее заряд , переместится из одной точки в другую.

Разность потенциалов электростатического поля равна отношению работы, совершаемой полем по перемещению заряда к величине этого заряда.  Другими словами, она показывает, какая работа совершается полем при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую.

 Разность потенциалов электростатического поля

обозначается Dj       Dj =

 Измеряется  разность потенциалов в вольтах. 1В = 1.  Эта единица получила свое название в честь итальянского ученого Алессандро Вольта(1745-1827).

Разность потенциалов между расческой и шариком, о которых говорилось в предыдущих параграфах, была равна нескольким тысячам вольт.

Разность потенциалов гравитационного поля измеряется в Дж/кг. Эта единица специального названия не имеет. Разность потенциалов между полом и потолком, если высота комнаты 3 м, равна 30 Дж/кг.

Поле, создаваемое неподвижным электрическим зарядом, называется электростатическим.

Разность потенциалов электростатического поля

 

Разность потенциалов электростатического поля равна отношению работы, совершаемой полем по перемещению заряда, к величине этого заряда q, обозначается Dj   

   Dj =

 

Измеряется  разность потенциалов в вольтах. 1В = 1..  Эта единица получила название вольт (В).

Упражнение §47.

1.      Нарисуйте силовые линии поля положительного заряда. Отметьте точки с одинаковым потенциалом.

2.      Тело с зарядом q=5^.10^-4 Кл переместилось из точки А в точку В. На сколько увеличилась его кинетическая энергия, если разность потенциалов между этими точками  Dj_АВ= 500В. Действием других тел пренебречь.

3.      Напишите формулу, выражающую зависимость потенциальной энергии тела от расстояния до другого массивного тела. Как изменяется потенциальная энергия при увеличении расстояния между телами?

4.      Заряд Земли Q=-5,7^.10^-5 Кл. На сколько увеличивается энергия протона – частицы с зарядом q= 1, 6 ^.10^-19 Кл, если она приблизится из дальнего космоса к Земле на расстояние 6500 км от центра Земли. Масса протона m=1,7^.10^-27 кг. Масса Земли М=6^.10²⁴ кг.

§48. Электроны и протоны.

Электрическое поле создается заряженными телами. У различных тел может быть разный заряд. Заряд одного и того же тела может меняться, при этом другие свойства тел: масса, объем остаются постоянными. Как же происходит изменение зарядов?

В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-940) доказал, что в состав всех атомов, из которых состоят молекулы, входит  электрон.

Электрон - это частица, обладающая отрицательным электрическим зарядом.

Заряд электрона обозначается буквой е и равен  -1,6 ^.10^-19 Кл.

Масса электрона m_e очень мала, она  равняется  9,1^. 10^-31кг. Электроны довольно “свободолюбивые” частицы и могут переходить от одного атома в веществе к другому. Некоторые атомы могут захватывать до четырех лишних электронов. Представьте себе два атома, заряды которых равны нулю. Один из электронов первого атома был отнят вторым атомом. В результате этого второй атом получил отрицательный заряд, равный заряду электрона. Но, согласно закону сохранения заряда, сумма зарядов этих двух атомов должна остаться равной нулю. Т.е. первый атом, лишившись электрона, стал положительно заряженным. Его заряд равен заряду электрона с противоположным знаком, т.е. + 1,6^.10^-19 Кл.

Это возможно в том случае, если в  состав атома входят частицы с положительными зарядами, их называют протонами. Протон в 2000 раз тяжелее электрона, а заряд равен заряду электрона с противоположным знаком. Экспериментально было установлено, что масса протона m_p =1,7^.10²⁷кг.  Заряд протона  q_p =+1,6^.10^-19 Кл.

Протоны составляют жесткую конструкцию атомов. Если хоть один протон удалить из атома, он разрушается, превращаясь в атом другого вещества.

Атом водорода самый простой атом, он состоит из одного протона и одного электрона. Английский ученый Э. Резерфорд , на основании своих опытов, утверждал, что атом похож на Солнечную систему. В центре атома находится ядро ( у водорода оно состоит из одного протона). На огромном расстоянии от него - электрон, которому и улететь от ядра сложно, поскольку разноименные заряды притягиваются, и приблизиться к ядру он не может. На рисунке изображены модели атомов H, C, Si, Al.

          рис. 147           

Обратите внимание, что «огромное расстояние» равно приблизительно одной стомиллионной см (10^-8см). Если представить, что Солнце в масштабе изображает ядро атома водорода, то электрон должен находится во много раз дальше от ядра, чем Плутон от Солнца.

Изобразить атом в масштабе невозможно, так как  если на рисунке ядро будет в виде точке диаметром 1 мм, то электрон надо нарисовать на расстоянии 50 м от нее. Если атом изобразить в виде шарика радиусом 10 см, то ядро должно быть точкой с диаметром менее одной тысячной миллиметра. Такую точку нельзя увидеть даже в микроскоп. Когда Резерфорд обработал результаты эксперимента по изучению строения атома, он был очень удивлен тем, что атом оказался «пустым».

Изменение зарядов тел происходит за счет перемещения электронов от одного тела к другому.  Заряд тела с избытком электронов - отрицательный.

Незаряженное тело при потере электронов получает положительный заряд.

Почему же мы не замечаем изменения массы тела при изменении заряда? Представим шарик массой 1 г, которому мы хотим сообщить заряд 0,16 мкКл. В наших опытах заряды были намного меньше. Нам придется удалить с шарика  =10¹²  электронов. Их масса  10^-30.10¹² =  10^-18 кг, (10^-15 г). Даже самые чувствительные весы не могут зарегистрировать такое маленькое изменение массы.

Электрон - это частица, обладающая отрицательным электрическим зарядом.

Заряд электрона обозначается буквой е и равен  -1,6 10^-19 Кл.

Масса электрона m_e= 9,1^.10^-31кг.

В состав атома входят частицы с положительными зарядами, их называют протонами.

Масса протона m_p =1,7^.10²⁷кг.

 Заряд протона  q_p =+1,6 10^-19 Кл.

 Заряд тела, у которого избыток электронов - отрицательный.

Незаряженное тело при потере электронов получает положительный заряд.

Упражнение §48.

1.      Каково происхождение слова электрон? Можете ли вы утверждать, что в любом украшении присутствует янтарь?

2.      Атом, потерявший один или несколько электронов, называется положительным ионом. Свойства кислот определяется наличием в них положительных ионов водорода. Каковы на вкус протоны?

3.      Какова масса электронов, содержащихся в 1 г водорода?

4.      Почему для того, чтобы оторвать электрон от атома, надо затратить энергию?

5.      Могут ли два электрона образовать атом?

6.      Во сколько раз сила отталкивания между двумя электронами больше силы гравитационного притяжения между ними? Как вы считаете, надо ли учитывать последнюю при изучении взаимодействия электронов?

Задание

Возьмите пластмассовую бутылку и налейте в нее воды чуть меньше половины. Проделайте в крышке отверстие малого диаметра. бутылки. Закройте бутылку этой крышкой. Переверните бутылку вверх дном над раковиной. Наблюдайте за вытеканием струи. Через несколько секунд вода вытекать перестанет. Почему это происходит? Объясните. Чтобы вытекание воды было равномерным, проделайте в бутылке выше уровня воды  еще одно отверстие.

          рис. 148           

Наэлектризуйте о волосы расческу  из диэлектрика и поднесите к струе воды, не касаясь ее. Если все сделано правильно, то вы обнаружите, что расческа отклоняет струю воды.

Если отклонение отсутствует, проверьте, заряжена ли расческа? Для этого возьмите маленький кусочек газеты и поднесите расческу к нему. Если бумага не притягивается,  то расческа не наэлектризована. Это возможно в том случае, если вы касались  ее мокрыми руками или у вас влажные волосы.  Перемещая расческу, добейтесь попадание струи в заранее определенное  место.  Данный эксперимент может служить упрощенной моделью управления электронным пучком.

*** Для интересующихся.

Современная техника умеет создавать пучки электронов, летящих с огромной скоростью. Такие пучки называют электронными лучами. Нагретые металлы испускают электроны. На рисунке 149 показано, что раскаленная проволочная спираль испускает электроны, которые вылетают через отверстие.

          рис. 149           

Благодаря малой массе электронов и наличию электрического заряда у них, такими пучками можно управлять с помощью электрического поля или магнита.

При столкновении с мишенью такой электронный луч может вызвать ее нагрев, что используется в технике для обработки материалов. Если мишень будет изолирована, то через некоторое время электроны перестанут попадать на нее, так как присоединяя электроны мишень приобретает отрицательный заряд.

В кинескопах телевизоров и мониторов электронный луч, попадая на экран, вызывает свечение вещества, которым он покрыт, и вы видите изображение.

          рис. 150           

В том месте, куда попадает большее количество электронов, экран светится ярче. Разная интенсивность свечения и создает изображение.

Благодаря тому, что различные вещества под ударами электронов светятся различным цветом, можно получить цветное изображение.

Если скорость электронов увеличить, то при их столкновении с металлом появится рентгеновское излучение. Рентгеновские волны отличаются от световых тем, что длина волны у них значительно меньше, и благодаря этому многие вещества для них прозрачны, как для света стекло. Рентгеновские лучи используются в медицине, в промышленности, научно-исследовательских лабораториях.

§49. Электризация тел.

В опытах, которые  описывались в предыдущих параграфах, заряд телу сообщался при трении его о другое тело. При этом тела получали разноименные заряды с равными модулями.

Явление, при котором увеличивается модуль заряда тела, называется электризацией. В процессе разделения заряженных тел совершалась работа, так как заряды тел разноименные, они притягиваются друг к другу и для их разделения необходимо приложить силу. Мы знаем, что работа связана с изменением энергии. При электризации возникает электрическое поле, энергия которого и равна совершенной работе.

Как же происходит процесс электризации? Каждое тело состоит из атомов. Электроны могут перемещаться от одного атома к другому. В одних веществах электроны перемещаются свободно, это серебро, медь, олово, алюминий и прочие металлы. Такие вещества называются проводниками, в них много свободных электронов. В жидкостях и газах свободными зарядами могут быть ионы (атомы и молекулы имеющие заряд за счет потери или приобретения электронов). Тела человека и животных являются проводниками.

Есть  вещества, в которых свободных электронов мало и их взаимодействие с атомами таково, что перемещение от одного атома к другому затруднено. Такие вещества называют полупроводниками. Примерами полупроводников могут служить германий, кремний.

Третий вид веществ – диэлектрики. Это вещества, в которых отсутствуют свободные заряды, например: полиэтилен, воск, янтарь, стекло, фарфор, газы, сухая бумага, сухое дерево. О бумаге и дереве следует сказать особо: даже небольшое количество влаги превращает их в проводники.

В опытах по электризации мы использовали в основном диэлектрики. Так, при трении расчески о полиэтилен, расческа заряжалась отрицательно, полиэтилен - положительно.

Что же при этом происходило? Электроны с полиэтилена переходили на расческу. В результате на расческе наблюдался избыток электронов, на полиэтилене их недостаток.

          рис. 151           

Если бы расческа была металлической, то заряд на ней обнаружить не удалось бы, так как избыточные электроны «убежали бы» с расчески через руку. Ведь и рука, и металлическая расческа - проводники.

Рассмотрим, почему притягиваются к наэлектризованному телу ( например, пластмассовой расческе) незаряженный шарик из фольги , подвешенный на нити.

Электрическое поле, создаваемое наэлектризованной расческой, неоднородно.

          рис. 152           

На малом расстоянии напряженность поля больше (силовые линии гуще). Чем дальше от расчески, тем напряженность меньше.

Под действием электрического поля электроны внутри шарика переместятся дальше от расчески. При этом ближняя к расческе часть  шарика заряжается положительно, дальняя - отрицательно.

          рис. 153           

Согласно закону сохранения заряда модули этих шариков одинаковы.

Напомним, что сила, действующая на заряженное тело, равна  F= qE

Так как ближе к расческе напряженность поля больше, то и сила притяжения F₁ ,  больше силы отталкивания F_{2 .} незаряженный проводник втягивается в ту область поля, где напряженность больше. Шарик притягивается к расческе.

Проделаем снова этот опыт. Если вовремя не убрать расческу, то шарик коснется ее и мы обнаружим, что сила притяжения исчезла и появилась сила отталкивания. Что же произошло?

При соприкосновении шарика с расческой, часть избыточных электронов с поверхности расчески переходит на шарик. Заряд правой части шарика стал равным нулю. А заряд левой части по прежнему отрицательный. Т.е. сила отталкивания осталась, а сила притяжения исчезла.

          рис. 154           

Полный заряд шарика стал отрицательным. Тело с зарядом равным нулю притягивается к заряженному телу, если тела не точечные.

На основе анализа рассмотренного опыта, можно предложить еще один способ электризации проводящих тел. Возьмем металлическую палочку, закрепленную на ручке из диэлектрика.

          рис. 155           

Поднесем к правой части палочки, не касаясь ее, положительно заряженное тело. Часть электронов  палочки переместится вправо. Правый конец палочки приобретет отрицательный заряд, а левый - положительный. явление называется электризацией через влияние. Если коснуться левого конца рукой, то его заряд обратится в ноль, а полный заряд палочки будет отрицательным. После удаления шарика, он распределится по всей поверхности палочки.

          рис. 156           

Заряд шарика (тела, которое мы использовали для электризации) не изменился. Палочка заряжается отрицательно, согласно закону сохранения заряда наше тело приобретает положительный заряд.

Явление, при котором увеличивается модуль заряда тела, называется электризацией.

При электризации возникает электрическое поле, обладающее энергией.

Вещества, в которых много свободных зарядов называются проводниками.

Вещества, в которых свободных зарядов мало называют полупроводниками.

Диэлектрики - это вещества, в которых отсутствуют свободные заряды.

Упражнение §49 .

1.      Два тела притягиваются друг к другу. Можно ли сказать, что они имеют заряды разных знаков?

2.      Два тела отталкиваются. Может ли быть так, что у одного из них заряд равен нулю?

3.      Силовые линии начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах.

          рис. 157           

Нарисуйте силовые линии, изображающие поле, образованное заряженным шариком, который находится около незаряженного металлического листа большого размера.

          рис. 158           

Учтите возможность перемещения зарядов в листе.

4.      Объясните, почему незаряженная струя воды отклоняется к заряженной расческе.

   Задание.

1.      Сомните кусочек фольги так, чтобы получился шарик диаметром приблизительно 1 см. Подвесьте его на нитке, длиной не менее 0,5 м. Поднесите к шарику наэлектризованную расческу. Расположите руку так, чтобы ладонь касалась шарика, как показано на

          рис. 159           

Опишите и объясните наблюдаемое явление. Если у вас есть колокольчик, вместо руки используйте его.

          рис. 160           

Вырежьте из фольги полоску согласно рисунку,

          рис. 161           

на котором  она изображена в масштабе 1:1. Чем тоньше перемычка А, тем чувствительнее прибор. Согните полоску по оси симметрии ОО и прикрепите с помощью пластилина или клея к чайной ложке ( или спице, вставленной в пробку). Поместите ложку внутрь  пластмассовой бутылки. Очень важно, чтобы бутылка была сухая. Полученное устройство называется электроскопом.

          рис. 162           

Поднесите к ложке наэлектризованную расческу, не касаясь ее. Листочки фольги должны разойтись. Объясните наблюдаемое явление.

Аккуратно проведите расческой по ложке, чтобы электроны перешли на ложку с как можно большей поверхности расчески. Уберите расческу. Что вы наблюдаете? Объясните явление.

Вновь наэлектризуйте расческу. Снова поднесите ее к ложке, не касаясь ее. Почему листочки сходятся?

Снова зарядите электроскоп. Поднесите к нему руку, не касаясь ложки, как можно ближе к ней. Почему лепестки вначале сходятся, а при удалении руки вновь расходятся? Что происходит с лепестками, если коснуться ложки рукой?

*** Снова зарядите электроскоп. Поднесите к нему зажженную спичку или зажигалку. Что произошло с листочками? Сможете ли вы объяснить это явление?

*** Для интересующихся.

Начальные сведения об электризации трением  и свойствах магнитной стрелки относятся к глубокой древности. Однако историю науки об электромагнитных явлениях можно начать с исследований Вильяма Гильберта врача английской королевы Елизаветы, опубликовавшего в 1600 г. первое сочинение по электричеству и магнетизму. В нем он указал на неразделимость полюсов магнита, уподобил Землю большому магниту и описал электризацию трением. Именно Гильберту принадлежит введение в науку термина «электричество». Он установил, что стекло, смола, графит и другие вещества также электризуются при трении. Натертые шелком или сукном, они притягивают пушинки, кусочки бумаги и соломинки. Способность наэлектризованных тел притягивать приписывалась «электрической силе». Заслуживают внимания опыты Отто Герике по электризации тел. Для исследования электрических явлений Герике изготовил из серы большой шар. Для этого он наполнил расплавленной серой стеклянный полый шар и, когда сера затвердела, разбил стеклянную оболочку. Натирая рукой шар из серы, он наблюдал притяжение к нему легких предметов.

          рис. 163           

Для большего удобства Герике установил шар на оси в особом станке. Вращая с помощью рукоятки этот шар и прижимая к нему ладонь, он наэлектризовывал его. С помощью этой электрической машины Герике произвел много опытов, описанных им в сочинении «Новые эксперименты» вышедшем в 1672 г. Герике наблюдал притяжение легких тел к наэлектризованному шару. Он заметил также, что пушинки и кусочки бумаги, коснувшись шара, отскакивали от него. Ему удалось даже заставить пушинку, коснувшуюся шара, плавать над наэлектризованным шаром в воздухе.

Сообщение Герике об его опытах по электричеству не сразу привлекло внимание физиков. Им казалось, что электрические явления не имеют связи с другими силами природы.

В 1729 г. английский физик Стефан Грэй (1670—1736) сделал важное открытие. Он взял стеклянную трубку и закрыл ее пробкой, в которую воткнул длинный металлический стерженек с шариком из слоновой кости на конце. Затем он натер трубку куском сукна. Оказалось, что электричество перешло с трубки на шарик из слоновой кости.  Испытывая различные тела различной природы, Грэй установил существование электропроводимости. Электричество распространялось по металлическим проволокам, угольным стерженькам, пеньковой бечевке. Но оно не передавалось по каучуку, воску, шелковым нитям, фарфору, которые могут служить изоляторами, предохраняющими от утечки электричества. К числу хороших проводников, как доказали опыты Грэя, принадлежат ткани тела человека и животных.

Кстати, позднее петербургский академик Франц Эпинус (1724— 1802) доказал, что не существует совершенных изоляторов. Все вещества в большей или меньшей степени проводят электричество.

Грэй сделал еще одно очень важное открытие, значение которого было понято позднее. Все знали, что если прикоснуться изолированным металлическим цилиндром к наэлектризованной стеклянной палочке, то на цилиндр также перейдет электричество. Однако оказалось, что можно наэлектризовать цилиндр и не касаясь стеклянной палочки, а только приблизив его к ней. Пока цилиндр будет находиться вблизи наэлектризованной палочки, на нем обнаруживается электричество.

Французский исследователь Шарль Дюфэ (1698—1739) изучал замеченное Грэем, но не объясненное им явление отталкивания одинаково наэлектризованных тел. Приблизив подвешенный на шелковой нити шарик бузины к наэлектризованному телу, он наблюдал, что шарик сначала притягивался к наэлектризованному телу, а затем отталкивался от него. Дюфэ заметил, что в одних случаях наэлектризованные тела взаимно притягиваются, а в других — отталкиваются. Например, натертая стеклянная палочка отталкивается от другой такой же палочки, но притягивается к наэлектризованному стерженьку из смолы. Дюфэ объяснил это явление тем, что существует два рода электричества — «стеклянное» и «смоляное». Тела, заряженные электричеством одного рода, взаимно отталкиваются, а при разноименных зарядах — притягиваются.

Очень удачное обозначение двух родов электричества, удержавшееся до нашего времени, дал известный американский физик Вениамин Франклин.

 «Стеклянное» электричество было названо Франклином положительным, а «смоляное» - отрицательным. Эти названия он выбрал потому, что «стеклянное» и «смоляное» электричества, подобно положительной и отрицательной величинам, взаимно уничтожаются.

Далее появились первые приборы для обнаружения электричества и измерения силы, действующей между электрическими зарядами. Такие приборы различной конструкции были предложены многими физиками.

Англичанин Джон Кантон (1718—1772) устроил электроскоп с двумя маятниками из бузины, подвешенными на конце металлического стержня. При заряжении их одноименным электричеством маятники расходятся. Позднее Абрагам Беннет (1750—1799) заменил маятники из бузины двумя золотыми листочками. По углу расхождения листочков можно было судить о величине заряда. Это уже был измерительный прибор — электрометр.

( Ф.Д.Бублейников, И.Н. Веселовский Физика и опыт. М., Просвещение, 1970, с.149-150)

§50 Поле внутри проводников

В проводниках есть заряды, которые могут перемещаться внутри вещества. Это  приводит к тому что электрическое поле внутри проводника отличается от поля вне его. Дело в том, что если поле создается не одним, а несколькими зарядами, то в каждой точке напряженность поля определяется, как сумма напряженностей полей от каждого заряда.

E = E₁+E₂+….

Необходимо помнить, что напряженность величина векторная, и сумма напряженностей находится по правилу сложения векторов. Например, напряженность поля в точке А, находящейся

          рис. 164           

посередине отрезка, соединяющего два равных заряда, равна нулю. Если одинаковые по модулю заряды разного знака, то напряженность поля в этой точке в два раза больше, чем от одного заряда.

          рис. 165           

Представим теперь, что внутри проводника создали электрическое поле.

          рис. 166           

Под действием этого поля заряженные частицы начнут перемещаться вдоль силовых линий, но покинуть проводник они не могут. В результате ,на правой поверхности проводника появится положительный заряд, а на левой отрицательный. Эти заряды создадут свое поле, противоположно направленное. В результате напряженность поля внутри проводника уменьшится, но заряженные частицы будут продолжать движение до тех пор, пока поле, создаваемое переместившимися зарядами проводника, не скомпенсирует внешнее поле.

          рис. 167           

Как только напряженность внутри проводника станет равной нулю, направленное движение заряженных частиц прекратится. Если внешнее поле исчезнет, то внутреннее поле заставит заряды двигаться так, чтобы избыточные заряды на границах проводника исчезли. Все эти процессы происходят очень быстро, поэтому при электризации тел мы всегда можем считать, что внутри проводника поле равно нулю. 

Электрическое поле на противоположные концы проводника  действует с силами, направленными в разные стороны.

          рис. 168           

В сильных полях эти силы вызывают удлинение проводника. Изменение формы тела под действием электрического поля называется электрострикцией. На рисунке для наглядности удлинение проводника преувеличено.

А может ли внешнее поле быть таким сильным, что свободных зарядов внутри проводника не хватит, чтобы уменьшить его напряженность до нуля? – Нет, такое поле разрушит проводник. Например, в 1 г меди содержится приблизительно 10²² атомов, в каждом атоме по 29 электронов. Если из каждого атома двух кусочков меди по 1 г взять по одному электрону, то на  расстоянии в 1 км эти кусочки будут  отталкиваться с такой силой (27^.10⁹ Н), что она могла бы поднять вверх более 300 груженых товарных поездов.

В каждой точке напряженность поля определяется, как сумма напряженностей полей от каждого заряда.

E = E₁+E₂+….

Как только напряженность внутри проводника станет равной нулю, направленное движение заряженных частиц прекратится.

При электризации тел мы всегда можем считать, что внутри проводника поле равно нулю. 

Изменение формы тела под действием электрического поля называется электрострикцией.

 Упражнение §50

1.      Для демонстрации свойств электрических взаимодействий Фарадей использовал специальную клетку, оклеенную фольгой. Какое свойство проводников он демонстрировал?

2.      Нарисуйте силовые линии электрического поля, в котором находится металлический шар.

3.      При натирании о шелк стеклянная палочка электризуется. Есть ли внутри нее электрическое поле?

 Задание

Положите на стол круглую ручку. Почему она не перемещается? Нарисуйте силы, действующие на ручку. Надавите на ручку сверху вниз. Будет она перемещаться? Измените направление действия силы и толкайте ручку под острым углом к горизонту. Почему ручка пришла в движение? На заряд, находящийся на  поверхности проводника в электрическом поле действует сила Кулона. В постоянном электрическом поле силовые линии всегда перпендикулярны поверхности проводника. Если бы силовые линии не были перпендикулярны поверхности проводника, то что происходило бы со свободными зарядами? К каким изменениям поля это могло бы привести? Зарисуйте результаты мысленного эксперимента, который вы можете провести для ответа на поставленные вопросы.

§51 ^***Связь напряженности электрического поля и разности потенциалов.

В опыте с электроскопом вы наблюдали за поведением листочков фольги. Они расходились при увеличении заряда, передаваемого электроскопу. При этом потенциальная энергия листочков увеличивалась. Увеличение потенциальной энергии  листочков равно работе, совершаемой электрическим полем при перемещении зарядов. Эта работа равна произведению величины заряда на разность потенциалов между начальной и конечной точками, в которых находился заряд. A = qDj

Силовой характеристикой поля является напряженность. Чем больше напряженность поля, тем с большей силой оно действует на заряд F=qE.

Между напряженностью поля и разностью потенциалов существует зависимость, которую нам предстоит установить. Мы будем рассматривать заряд, находящийся в электрическом поле, напряженность которого не меняется от точки к точке. Поле, в котором в любой точке напряженность одинакова по модулю и направлению, называется однородным.

          рис. 169           

Математически это записывается так  E= const

          рис. 170           

На заряд в таком поле будет действовать постоянная сила, равная F=qE. При перемещении заряда на расстояние d, поле совершит работу, равную

A= Fd=qEd. С другой стороны работа равна A = qDj.

Приравнивая правые части, получим

                      Q^.Dj. = q^.E^.d и, сокращая на q, получим

                    Dj =E^.d,     Е = 

d - это расстояние между точками поля.

Из этой формулы понятно, почему обычно единицу напряженности называют  , а не . Напоминаем, что разность потенциалов измеряется в вольтах

[В] = . Надеемся, что вы самостоятельно можете доказать, что

Обращаем ваше внимание, что заряд в рассмотренном примере  перемещается в направлении действия силы, а сила действует вдоль силовых линий.

Однородное поле можно создать между двумя разноименно заряженными пластинами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга.

          рис. 171           

Такое устройство называется конденсатором. Разность потенциалов между пластинами конденсатора равна  Dj =E^.d. Если увеличивать расстояние между пластинами  d, не меняя величины заряда, разность потенциалов Dj между ними будет увеличиваться.

          рис. 172           

При увеличении модуля зарядов на пластинах конденсаторов напряженность поля внутри него увеличивается,

          рис. 173           

что также приводит к увеличению разности потенциалов, т.е. разность потенциалов между пластинами конденсатора зависит от модуля заряда, площади пластин, их формы и взаимного расположения. Форма, площадь и расположение пластин определяют электрическую емкость.

Электроемкость показывает, какой по модулю заряд будет на каждой из пластин конденсатора при разности потенциалов между ними 1 В.

Свойство конденсатора названо емкостью по аналогии с сосудом: чем больше емкость, тем больший заряд может поместиться на пластинах при той же разности потенциалов.

Чтобы определить заряд на пластине конденсатора, нужно разность потенциалов умножить на электрическую емкость. Если электроемкость обозначить буквой С, то получим формулу Q= C^.Dj.

Емкость измеряется в фарадах (1 Ф). Единица емкости фарад назван в честь английского ученого Майкла Фарадея.

Один фарад - это емкость такого конденсатора, на каждой из пластин которого может удерживаться заряд в 1 Кл при разности потенциалов в 1 В.

Конденсаторы широко применяются в электротехнике и электронике. Конструктивно они могут быть выполнены самым различным образом.

          рис. 174           

Но всегда это два или более проводников, разделенных диэлектриком.

Поле, в котором в любой точке напряженность одинакова по модулю и направлению, называется однородным.

Однородное поле можно создать между двумя разноименно заряженными пластинами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга.    Е =

Разность потенциалов между пластинами конденсатора зависит от модуля заряда, величины пластин, их формы и взаимного расположения.

Электроемкость показывает, какой по модулю заряд буде на каждой из пластин конденсатора при разности потенциалов между ними 1 В.

Емкость измеряется в фарадах (Ф).

Один фарад - это емкость такого конденсатора, на каждой из пластин которого может удерживаться заряд в 1 Кл при разности потенциалов 1 В.

Упражнение §51.

1.     Разность потенциалов между пластинами конденсатора равна 12 В. Какова напряженность поля внутри конденсатора, если расстояние между пластинами 0,01 мм?

2.       Максимальная напряженность поля, которая еще не разрушает конденсатор  Е_пр= 10⁸ В/м. Какая максимальная разность потенциалов может быть между пластинами конденсатора, если расстояние между ними 30 мкм?

3.      Электрон, пройдя в электрическом поле 20 см, приобрел кинетическую энергию 160 *10^-19 Дж. Какова разность потенциалов между начальной и конечной точками движения электрона ? Заряд электрона q= -1,6 *10^-19 Кл.

4.      Что происходит с емкостью конденсатора, при увеличении расстояния между пластинами?

5.      На пластинах конденсатора разноименные заряды, поэтому они притягиваются. Что происходит с энергией электрического поля внутри конденсатора, если пластины раздвигать? Поясните ответ, используя закон сохранения энергии.

Задания

1.      Пройдитесь, шаркая ногами, обутыми в обувь с пластиковой подошвой, по ковру или ковровому покрытию по направлению к батарее центрального отопления или водопроводной трубе. Не доходя до батареи несколько шагов, прекратите шаркать ногами. Сделайте последние шаги, высоко поднимая ноги. Стоя на одной ноге, медленно приблизьте палец к батарее. Если воздух в комнате сухой, то вы почувствуете, что между пальцем и батареей проскочила искра. А если вы это  задание сможете выполнить в темноте, то вы увидите искру. Напряженность электрического поля, находящегося между пальцем и батареей в момент появления искры, достигает 3200000В/м 2. Возьмите несколько листов полиэтилена или лавсана (подойдут пакеты из неокрашенного полиэтилена). Положите их друг на друга, и энергично протрите сверху, не касаясь рукой, комком газеты или одежной щеткой. Поднимайте листочки один за другим. Опишите наблюдаемое явление.

*** Для интересующихся

По мере того как опыты по электричеству становились разнообразнее, требовались все более мощные источники электричества. Одна из первых машин после Герике была построена французским физиком Жаном Нолле. В этой машине электричество возникало от трения о ладони стеклянного шара, приводившегося во вращение круговым ремнем от колеса. Заряды с шара переходили по проводнику на кондуктор, который был подвешен на шелковых нитях.

Вскоре физики усовершенствовали машину Нолле. Они стали натирать стеклянный шар не ладонями, а кожаными подушками, набитыми конским волосом и покрытыми амальгамой (раствор олова в ртути). Такая машина давала довольно большие электрические искры.

§52.Применение электризации и борьба с ней.

Электризация наблюдается в быту и при любом технологическом процессе, где происходит взаимодействие движущихся тел, например, при обработке на прессе пластин из полистирола: в одних местах пластина заряжается положительно, в других - отрицательно. Чем больше скорость технологического процесса, тем значительнее электризация. Накопление зарядов происходит до тех пор, пока не произойдет искровой разряд.

На клеепромазочной машине, которая смазывает резиновым клеем тканевые материалы, в результате трения материала о вал происходит их электризация. Если не снять эти заряды,, то даже небольшая искра может вызвать пожар, так как окружающий воздух насыщен парами бензина. Причиной взрыва может стать человек, так как при контакте с заряженной тканью электризуется и тело оператора.

При движении жидкости в трубах также происходит ее электризация.

Взаимодействие наэлектризованных тел затрудняет выполнение многих технологических операций. Например, электризация волокон вызывает их взаимное отталкивание, что мешает работе ткацких станков, Заряженную ткань трудно раскрашивать. Кроме того, такая ткань, сильно загрязняется вследствие притяжения к ней частичек пыли.

Однако статическое электричество может приносить человеку и пользу.

При окраске деталей, например, корпуса автомобиля, корпус заряжают положительно, частицы краски - отрицательно. Частицы краски устремляются к корпусу автомобиля и,  плотно ложатся на него. Этот метод окраски широко применяется, так как  дает равномерное окрашивание и экономию краски.

Копчение - это покрытие продуктов древесным дымом, частицы которого придают продуктам приятный вкус и предохраняют их от порчи. При электрокопчении частицы дыма заряжаются положительно, а продукты( например, мясо, рыба) - отрицательно. Заряженные частицы дыма направляются к продукту и оседают на нем.

Чистый воздух нужен не только людям, но и особо точным производствам. Все машины из-за пыли преждевременно изнашиваются, а каналы их воздушного охлаждения засоряются. Кроме того, часто пыль, улетающая с отходящими газами, представляет собой ценное сырье.  Для очистки промышленных газов используется электрофильтр.

          рис. 175           .

В центре металлической трубы устанавливается проволока. Труба заряжается положительным зарядом, проволока - отрицательным. Частички пыли электризуются при движении. Отрицательно заряженные пылинки оседают на стенках электрофильтра (трубе), положительно заряженные - на проволоке. Незаряженные частицы также оседают на проволоке, так как в неоднородном поле частица без заряда движется в направлении увеличения напряженности. Трубу время от времени встряхивают, и уловленные частицы поступают в бункер.

 Электрофильтры на крупных тепловых электростанциях улавливают 99% золы, содержащейся в выхлопных газах.

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

          рис. 176           

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.

          рис. 177           

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.

          рис. 178           

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

          рис. 179           

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).

          рис. 180           

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.

          рис. 181           

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

          рис. 182           

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.

          рис. 183           

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?  

          рис. 184           

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.

          рис. 185           

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

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

*** Для интересующихся

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

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

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

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

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

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

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

Так было открыто новое явление - электрический ток.

§55Тепловое действие электрического тока

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

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

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

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

          рис. 186           

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

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

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

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

Тепловое действие электрического тока используется в электронагревательных приборах.

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

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

          рис. 187           

Конструкция домашних электрических плит очень разнообразна.

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

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

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

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

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

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

Контактная электросварка выполняется автоматически машинами - автоматами.

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

          рис. 188           

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

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

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

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

Упражнение §55.

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

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

          рис. 189           

Какие электронагревательные приборы вы используете?

Почему для нагревательных элементов электроплит используется нихромовая проволока?

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

§56Химическое действие тока.

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

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

          рис. 190           

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

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

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

Химическая реакция, происходящая на поверхности электрода, называется электролизом. Более точное определение электролиза дается в химии.

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

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

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

Влияние электрического поля на химические реакции можно использовать. 

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

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

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

Электролиз раствора сернокислой меди (медного купороса /СuSО₄/) сопровождается переносом меди с положительного электрода /анода/ на отрицательный электрод /катод/, при этом на катоде выделяется чистая медь. Этим широко пользуются для очищения /рафинирования/ меди от примесей. На

          рис. 191           

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

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

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

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

Анод и катод называют электродами.

Химическая реакция, происходящая на поверхности электрода, называется электролизом.

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

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

 Упражнение §56

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

2.      Как называется положительно заряженный электрод? Отрицательно заряженный?

3.      Ветер дует на север. Каково направление ветра?

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

5.      *Какой заряд должен переместиться на электрод, чтобы на нем выделился один моль натрия. Заряд иона натрия равен по модулю заряду электрона q =1,6 10^-19 Кл. Число Авагадро N_А =6 10^-231/моль. Реально ли накопить такой заряд на изолированном электроде?

Задания

          рис. 192          Возьмите батарейку КБС или «крона». Приложите контакты батареи к свежему срезу картофеля. Через несколько минут рассмотрите следы от контактов на картофеле. Опишите наблюдаемую картину..

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

*** Для интересующихся

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

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

          рис. 193           

Отрицательные пластины делаются из чистого свинца с сильно разрыхленной поверхностью; положительные пластины покрыты перекисью свинца. При разрядке аккумулятора обе пластины постепенно покрываются сернокислым свинцом. При зарядке аккумуляторов различие в составе положительных и отрицательных пластин восстанавливается электролизом. В процессе зарядки аккумулятора ионы водорода /Н/ перемещаются по тому же направлению, по которому идет ток, а ионы, образовавшиеся в результате разложения серной кислоты /S0₄/, идут в противоположном направлении.

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

          рис. 194           

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

          рис. 195           

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

кислотных.

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

§57Источники тока

. В этом параграфе мы познакомимся с устройствами, позволяющими  создать и поддерживать поле внутри проводника. Такие устройства носят название источников тока.

К источникам тока относятся: гальванические элементы,( примером такого элемента является пальчиковая батарея) , аккумуляторы, фотоэлементы и огромные генераторы на электростанциях.

На короткое время мы можем создать электрическое поле внутри проводника, поднеся к его концам два разноименно заряженных шарика..

          рис. 196           

Под действием поля заряженные частицы в проводнике начнут перемещаться к шарикам, отрицательные - к положительному, положительные - к отрицательному.

В результате заряды шариков начнут быстро изменяться, и , менее, чем за миллиардную долю секунды, обратятся в ноль. Поле исчезнет, электрический ток прекратится. Поле совершит работу по перемещению зарядов, проводники нагреются. Данный процесс можно представить в виде модели.

Пусть стоят две бочки, соединенные у основания трубой с заслонкой. Уровень воды в левой бочке значительно выше (избыток положительно заряженных частиц), чем в правой ( недостаток положительно заряженных частиц).

Давление в трубе со стороны левой бочки больше, чем со стороны правой бочки. Если открыть заслонку, то жидкость (электрический заряд) в результате разности давлений (электрического поля) потечет (электрический ток) из левой бочки в правую. Турбина, помещенная в трубе, будет вращаться.

При этом будет совершаться работа по вращению турбины. Когда уровни воды станут одинаковыми, разность давлений (электрическое поле) исчезнет. Перетекание воды (электрический ток) прекратится.

          рис. 197           

Турбина перестанет вращаться.

          рис. 198           

Для того, чтобы течение воды (электрический ток) по трубе не прекращалось, разность уровней воды (электрическое поле) должна оставаться неизменной. Для этого вам придется взять ведро и переливать воду из правой бочки в левую, совершая при этом работу.

          рис. 199           

Чем большую разность уровней (разность потенциалов) вы хотите поддерживать, чтобы колесо вращалось быстрее, тем большую работу вам придется совершать по подъему каждого ведра (кулона заряда).

Если же вы увидите, что на соседнем участке такая же конструкция работает, но при этом не видно, что кто-то перетаскивает воду из правой бочки в левую, то решите, что здесь действуют какие-то «потусторонние» силы. Например, приведенные на рис

          рис. 200           

Источник тока играет роль этих “потусторонних» сил по перетаскиванию зарядов (воды) с одного конца проводника на другой, чтобы разность потенциалов (уровней воды) не исчезла.

          рис. 201           

Обратите внимание, что источнику тока для перетаскивания зарядов приходится совершать работу против сил электрического поля. Посмотрите на рис. 197. Положительный заряд нужно удалять от отрицательного, к которому он притягивается и «усаживать» на положительный, от которого он отталкивается.

Максимальная разность потенциалов, которую может поддерживать источник тока, называется электродвижущей силой источника тока.

Электродвижущая сила измеряется в вольтах.

 Электродвижущая сила – это характеристика источника тока. У пальчиковой батарейки она равна 1,5 В, у автомобильного аккумулятора приблизительно 12 В, у источника, питающего двигатели трамвая – 600 В.

По аналогии с конструкцией из бочек, разность уровней воды, в которых, будет максимальной, если задвижка закрыта и вода не течет, источник тока обеспечивает максимальную разность потенциалов в том случае, когда вместо проводника мы поставим диэлектрик (изолятор), т.е. при отсутствии тока.

Устройства, позволяющие  создать и поддерживать поле внутри проводника, называются источниками тока.

Максимальная разность потенциалов, которую может поддерживать источник тока, называется электродвижущей силой источника тока.

Электродвижущая сила измеряется в вольтах.

 Упражнение §57

1.      Разность уровней воды в бочках 70 см. Какова разность давлений на заслонку с той и другой стороны? Какая сила действует на нее, если площадь заслонки 5 см²?

2.      От чего зависит количество воды, протекающей по трубе модели ?

 Укажите несколько причин. Рис. 199.

3.      Разность потенциалов на концах проводника 70 В. Какова напряженность поля внутри проводника, если его длина 10 см? Какая сила будет действовать со стороны поля на каждый электрон в этом проводнике?

4.      При перемещении заряда с одного конца проводника на другой, электрическое поле совершило работу 2 Дж. Какую работу должен совершить источник тока для возвращения этого заряда на место, чтобы разность потенциалов осталась прежней?

5.      *Какую работу совершит источник тока за 20 с, поддерживая на концах проводника разность потенциалов 100 В, если по проводнику течет ток 2 А?

Задание

1.      Из двух пластмассовых бутылок изготовьте модель, аналогичную модели с бочками. Бутылки соедините трубочкой для коктейля.

          рис. 202           

Для этого в пробках проделайте отверстия, чтобы в него могла войти трубочка. Обеспечьте герметичность соединения с помощью пластилина или жевательной резинки.

Для того, чтобы атмосферное давление не мешало проведению опыта, проделайте в дне бутылок небольшие отверстия.

Исследуйте с помощью данной модели, как зависит количество перетекающей за 1 с воды (силы тока) от разницы уровней воды в бутылках (разность потенциалов). Для повышения точности исследования трубочка должна быть тонкой.

***Для интересующихся

Для объяснения  электрического тока Вольта ввел понятие об «электродвижущей силе», перемещающей электричество в проводниках. Ее возникновение  он приписал соприкосновению металлов. Продолжая опыты, Вольта несколько видоизменил свою установку. Взяв ряд стаканов с раствором поваренной соли, он погрузил в них серебряные и цинковые пластинки. В первом стакане была одна серебряная пластинка, в последнем — одна цинковая, а во всех других — по серебряной и цинковой пластинке. Серебряную пластину первого стакана он соединил проволочкой с цинковой пластиной второго стакана, серебряную пластинку второго стакана — с цинковой пластинкой третьего стакана и так далее. На крайних пластинах возникали разноименные электрические заряды.  По соединяющему их проводнику шел ток.

          рис. 203           

Прибор Вольта побудил физиков к работе над изобретением подобных же источников тока, названных, по имени Гальвани, гальваническими элементами. В частности, гальванический элемент был устроен английским химиком Джоном Даниэлем (1790 - 1845). В элементе Даниэля изогнутая в виде цилиндра медная пластинка была погружена в раствор медного купороса, цинковая пластинка находилась в пористом глиняном сосуде, наполненном разбавленной серной кислотой. По проводу, соединяющему медную пластинку с цинковой, тек электрический ток.

§58 Сопротивление. Закон Ома для участка цепи.

Если вы выполнили задание к§57, то уже можете наглядно представить себе, что количество воды, протекающей за 1 с по трубке между двумя сосудами, зависит не только от разности уровней воды в них, но и от свойств самой трубки.

Пусть у нас есть некий проводник, в нем электрическое поле

          рис. 204           

Разность потенциалов Dj между точками В и А равна 10 В, т.е. потенциал поля в точке В на 10 В больше потенциала поля в точке А. Разность потенциалов между точками А и В будет равна -10В. Разность потенциалов аналогична разности уровней в бочках.

          рис. 205           

В электротехнике используют понятие напряжение между точками А и В.  Его используют в тех случаях, когда направление тока учитывать не обязательно. Напряжение - это модуль разности потенциалов между двумя точками.

Обозначается напряжение буквой U.

Измеряется напряжение в вольтах.

Прибор, который измеряет напряжение, называется вольтметром.

Многочисленные опыты, проделанные Георгом Омом (1787-1854), показали, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению)на концах проводника. Подобно тому, как количество воды, протекающее в трубке за 1 с. прямо пропорционально разности уровней в сосудах.

Это первая зависимость, которую установил Г. Ом.

В разных проводниках, при одном и том же напряжении, сила тока разная. На

          рис. 206           

дана аналогия протекания воды через разные трубки.

Значит сила тока зависит не только от напряжения на концах проводника, но и от свойств проводника,  его сопротивления движению зарядов.

Физическая величина, характеризующая свойства проводника, препятствовать электрическому току в нем, называется сопротивлением.

Сопротивление обозначается буквой R.

Измеряется сопротивление в омах( Ом).

Единица сопротивления названа в честь немецкого физика Г. Ома.

1 Ом - это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет ток в 1 А.

[1 Ом] = [1 В/1А]

Прибор, которым измеряют сопротивление, называется омметром.

Используются дольные и кратные единицы мОм, мкОм, кОм. МОм, Гом.

Сопротивление нити накаливания электрической лампочки примерно 500 Ом, сопротивление тела человека 100 кОм, сопротивление медной проволоки толщиной 1мм и длиной 1 м, примерно, 0,2 мОм.

Георг Ом установил зависимость между силой тока в проводнике и его сопротивлением при постоянном напряжении. Объединив первый и второй результаты своих исследований, Г. Ом сформулировал положение, которое получило название закона Ома.

Закон Ома можно записать следующим образом

 I = U/ R

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника. При одном и том же напряжении сила тока обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Чтобы лучше запомнить эту формулу, поместите ее в треугольник, как вы это делали в 7 классе.

Напряжение - это модуль разности потенциалов между двумя точками.

Обозначается напряжение буквой U.

Измеряется напряжение в вольтах.

Прибор, который измеряет напряжение, называется вольтметром.

Физическая величина, характеризующая свойства проводника, препятствовать электрическому току в нем, называется сопротивлением.

Сопротивление обозначается буквой R.

Измеряется сопротивление в омах.( Ом).

1 Ом - это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет ток в 1 А.

[1 Ом] = [1 В/1А]

Прибор, которым измеряют сопротивление, называется омметром.

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника.

При одном и том же напряжении сила тока обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

I = U/ R

Упражнение §58.

1.Какова сила тока в проводнике, если напряжение на его концах 4,5 В, а сопротивление 15 Ом?

2.      Каким сопротивлением должен обладать проводник, чтобы при напряжении на его концах 220 В, сила тока в нем была 1 мА?

3.      По проводнику с сопротивлением 6 Ом течет ток силой 2 А. Каково напряжение на концах проводника?

4.      Вспомните и запишите в виде треугольников законы физики, выражающиеся комбинацией из трех величин.

5.      Как изменится ток в проводнике, если напряжение на его концах увеличится в 4 раза?

Задание

1.      Модуль напряженности поля внутри проводника равен напряжению, деленному на длину проводника. Используя данное утверждение, докажите, что при увеличении напряжения сила тока должна увеличиться.

*** Для интересующихся

Ток, который протекает по телу и подводится от внешних источников, определяется законом Ома, а значит, зависит от приложенного напряжения и сопротивления тела. В большинстве ситуаций ток, протекающий через тело, в основном зависит от  состояния тела в точке контакта. Сухая кожа имеет высокое сопротивление, а сырая или мокрая кожа обладает более низким сопротивлением, так как ионы, находящиеся во влаге, обеспечивают беспрепятственное прохождение тока. При сухой коже сопротивление между крайними точками тела /от ноги до руки или  от одной руки до другой/ может быть равно 100 к0м. Полное сопротивление между потными руками равно 1,5 к0м.

Наиболее чувствительными к электрическому току частями организма являются мозг, грудные мышцы и нервные центры, которые контролируют дыхание и сердце. Считают, что электрический ток вызывает паралич сердца. Обычно смерть наступает тогда, когда величина тока, проходящего через человеческое тело, достигает 0,05 - 0,1 А.

Опасность подстерегает нас не только тогда, когда мы включаемся в сеть, касаясь обоих подводящих ток проводов. Однополюсное прикосновение также опасно, если человек стоит, например, босой на влажной земле. Техника безопасности обязывает во всех промышленных установках заземлять доступные части машин и приборов.

          рис. 207           

В этом случае разности потенциалов (напряжения) между человеком, стоящим на земле, и металлом, соединенным с землей, нет. И опасность поражения электрическим током устранена.» (

§59. Удельное сопротивление проводника.

Вернемся к заданию к § 57 и обсудим зависимость количества воды, протекающей за 1 с. по трубке от ее свойств. Если в трубку  насыпать песок, то скорость течения воды станет меньше. Если вместо воды использовать мед, то скорость течения упадет еще больше. Трубка с водой и песком представляет модель проводника, причем вода в трубке - это подвижные частицы, обладающие зарядом. Чем больше песка в трубе, и чем плотнее он утрамбован, тем меньше скорость протекания воды. Чем тоньше трубка, тем меньшее количество воды протекает через ее поперечное сечение при той же разности уровней. А теперь  представьте, что сначала длина трубки была 1 м, а затем  стала 100 м. В каком случае вода будет перетекать быстрее из одного сосуда в другой? Опыт показывает, что по короткой трубке вода будет перетекать быстрее.

При движении заряженных частиц в проводнике (электронов в металлах, ионов - в электролитах) возникают силы, похожие на силы трения. Чем больше скорость движения зарядов, тем больше силы сопротивления их движению.

Сопротивление проводников зависит от размеров проводника и свойств вещества, из которых данный проводник сделан.

Проделаем следующий опыт.  Возьмем длинный металлический проводник, для удобства свернутый в спираль,  подключим к нему источник тока, амперметр и вольтметр как показано на

          рис. 208           

Измерим ток и напряжение. В нашем опыте получены следующие результаты: ток 1А, напряжение 12 В. Из закона Ома следует, что

R = U/I =12 Ом. Уменьшим длину проводника в 2 раза. Измерив ток и напряжение получим: ток 2 А. напряжение 12 В. Следовательно сопротивление проводника 6 Ом.

Мы видим, что при уменьшении длины проводника в 2 раза, сопротивление проводника уменьшается тоже в 2 раза. Точные измерения подтверждают, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т.е. R ~ l.

Проводник характеризуется не только длиной, но и площадью поперечного сечения.

Площадь поперечного сечения обозначается буквой S, измеряется в м^2. Чем больше  площадь поперечного сечения проводника, тем меньше его сопротивление. Если в нашем опыте ( Рис. 208) проводник заменим проводником таким же по длине и сделанным из такого же вещества, но с большей площадью поперечного сечения, то измерив ток и напряжение, заметим, что при увеличении площади поперечного сечения сопротивление проводника уменьшается.

R ~ 1/S 

Таким образом, сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения

Чтобы  в данное выражение поставить знак равенства, нужно ввести коэффициент пропорциональности. Обозначают  его r и  тогда

R = r l/S

r  - называют удельным сопротивлением вещества, из которого сделан проводник.

Если длина проводника 1 м, площадь поперечного сечения 1 м², то сопротивление проводника численно равно удельному сопротивлению. Значит, удельное сопротивление показывает, каким сопротивлением обладает цилиндрический проводник длиной 1 м, поперечным сечением 1 м² , сделанный из данного вещества.

Удельное сопротивление измеряется в Ом м.

В таблице приведены  удельные сопротивления некоторых веществ.

Металл	Удельное сопр. Ом*м	Электролит. 20% раствор.	Удельное сопр. Ом*м
Медь	1,7*10-4	Соляная кислота	1,3*102
Алюминий	2,8*10-4	Азотная кислота	1,5*102
Вольфрам	5,5*10-4	Едкий натр	3*102
Ртуть	96*10-4	Поваренная соль	5,1*102

Обратите внимание на то, что удельное сопротивление электролитов в миллион раз больше сопротивления металлов. Физики часто говорят, что отличаются эти величины на шесть порядков. Для сравнения, у чистой воды удельное сопротивление в 10⁸ (в сто миллионов раз или на 8 порядков) больше чем у раствора соли в ней.  Чистая вода является диэлектриком, но получить чистую в химическом отношении воду очень трудно.

Одним из лучших диэлектриков является полиэтилен r=10²⁰ Ом*м . Любое вещество даже полиэтилен содержит некоторое количество свободных зарядов и сопротивление любого вещества можно вычислить.  И отличается диэлектрик от проводника только величиной удельного сопротивления. У диэлектриков удельное сопротивление в сотни миллионов раз больше, чем у проводников.

В зависимости от величины удельного сопротивления вещества разделяются на проводники, полупроводники, диэлектрики (изоляторы). У проводников удельное сопротивление в 10¹⁸ раз меньше, чем у диэлектриков.

Существуют приборы, сопротивление которых можно менять, а следовательно с их помощью управлять током в цепи. Одним из таких приборов является реостат. Рассмотрим устройство ползункового реостата.

Простейшим ползунковым реостатом является нить, натянутая между двумя изолированными штативами, по которой перемещается контакт.

          рис. 209           

Наиболее часто встречается реостат, который изготовлен следующим образом

          рис. 210           

На изолирующий цилиндр /керамический/ наматывают проволоку, покрытую тонким слоем изолирующего лака или окалиной. Над цилиндром расположен металлический стержень, по которому перемещается ползунок. Ползунок своими контактами стирает изоляцию, и ток от проволоки идет к ползунку. От клеммы 1 (К1)по ползунку ток идет к клемме 2 (К2).

Все это устройство закрепляется на изолирующей стойке. От клемм 1 и 2 ток идет в цепь.

Сопротивление проводников зависит от размеров проводника и свойств вещества, из которых данный проводник сделан.

 R = r l/S

Удельное сопротивление показывает, каким сопротивлением обладает цилиндрический проводник длиной 1 м, поперечным сечением 1 м² , сделанный из данного вещества.

 Удельное сопротивление измеряется в Ом м.

Упражнение §59.

1.      Кусок проволоки без изоляции разрезали пополам и половинки свили вместе. Изменилось ли сопротивление проволоки и во сколько раз?

2.      Почему реостаты изготавливают из проволоки, удельное сопротивление которой велико?

3.      Ученик заменил перегоревшую медную спираль на стальную такого же сечения и длины. Как изменится сила тока в стальной спирали по сравнению с медной, если напряжение на ее концах такое же, какое было на медной?

4.      Предложите способ определения длины проволоки в катушке, не разматывая ее. Какие приборы для этого вам понадобятся?

5.      Сколько метров вольфрамового провода сечением 0,1 мм² потребуется для изготовления реостата сопротивлением 180 ом?

6.      Шнур телефонной трубки состоит из 20 медных проволочек сечением 0,05 мм² каждая. Определите сопротивление 5 м такого шнура.

7.      Сравните сопротивления проводников на

          рис. 211           

Задание

1.      Из металлической фольги изготовьте такие проводники, чтобы их сопротивления отличались в 2, 3, 5, 10 раз. Подготовьте обоснование правильности выполнения задания.

*** Для интересующихся

Электрический ток производит различные действия. Исследованием этого явления и занялся немецкий физик Георг 0м. Он включал в цепь отрезки проволоки из одного и того же металла, но различной длины и толщины и определял, как меняется при этом сила тока в цепи. На основании таких опытов Ом заключил, что сопротивление проводника пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

0м проводил аналогию между электрическим током и током воды трубе. По наклонной трубе, например, жидкость течет под действием силы тяжести.

          рис. 212           

Чем больше разница между уровнем верхнего сосуда, из которого вода вытекает, и нижнего, куда она течет, тем быстрее вода движется. Одновременно, чем больше сопротивление, встречаемое водой при движении по трубе, тем скорость меньше, и, наоборот, при уменьшении сопротивления увеличивается скорость течения. По аналогии с напором при течении воды в трубе 0м ввел понятие об электрическом напряжении, а по аналогии с гидравлическим сопротивлением — понятие об электрическом сопротивлении

Понятия силы тока, напряжения и сопротивления проводников получили всеобщее признание. Для их измерения были приняты соответствующие единицы. Например, на Международном съезде электриков в 1908 г. за единицу электрического сопротивления, названную омом, было принято сопротивление столбика ртути длиной 106,3 см с поперечным сечением 1мм². В настоящее время 1Ом определяется исходя из определений ампера и вольта. 1Ом=1В/1А.

§60 Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединение проводников.

Для того, что бы поддерживать электрический ток, необходим проводник или несколько проводников и источник тока, поддерживающий разность потенциалов на концах проводников. Все это вместе  называется электрической цепью. Всякая электрическая цепь состоит из двух частей: внутренней и внешней. Во внутреннюю цепь входит источник тока. Внешняя цепь включает в себя проводники-потребители: лампочки, электронагревательные приборы, электродвигатели, приборы для измерения параметров цепи, провода.

Потребители и источник тока соединяются проводами. Всякая цепь должна быть замкнута для того, чтобы в ней шел ток. Согласно закону сохранения заряда  существование тока в незамкнутой цепи  невозможно. Для управления в электрическую цепь входят переключатели или ключи, которые могут разомкнуть цепь, чтобы ток прекратился.

Современные электрические установки часто состоят из такого большого количества частей, что словесное описание соединений в них заняло бы много времени. Во избежание этого чертят схемы, чертежи, на которых изображены способы соединения приборов в цепь. Приборы изображают на схемах, пользуясь условными обозначениями. Наиболее распространенные из них приведены на

          рис. 213           

1.      гальванический элемент или аккумулятор

2.      пересечение проводов

3.      электрическая лампа

4.      контакт неразборного соединения

5.      батарея элементов или аккумуляторов

6.      ключ

7.      контакт разборного соединения

8.      резистор с переменным сопротивлением[Н.Н.1] 

9.      соединение проводов

10.  вольтметр

11.  проводник с постоянным сопротивлением /резистор/

12.  заземление

13.  амперметр

14.  электрический звонок

Проводники могут соединяться последовательно, как показано на рисунке

          рис. 214           

При последовательном соединении весь заряд, прошедший через первый проводник должен пройти и через все остальные, а это означает, что сила тока в последовательно соединенных проводниках одинакова.

Как вам известно, при перемещении заряда в электрическом поле совершается работа. Отношение работы к величине перемещаемого заряда называется напряжением. Если заряд прошел по одному проводнику, а потом по другому, то работа равна сумме работ, а, значит, и напряжение на нескольких соединенных последовательно проводниках равно сумме напряжений на каждом из них

     .Для изучения последовательного соединения проводников начертите схему, состоящую из  источника тока,  двух резисторов, амперметра и вольтметра, соединенных последовательно. Соберите эту цепь. Как убедиться что ток, протекающий во всех участках последовательной цепи одинаков? Для этого будем включать амперметр  последовательно в различных местах цепи.

          рис. 215           

Первый закон (правило) для последовательного  соединения резисторов в цепи гласит: ток, протекающий по такой цепи, на всех ее участках одинаков.

I = I₁ = I₂

Это правило является следствием закона сохранения электрического заряда. Если через поперечное сечение проводника вошел некоторый заряд , то такой же заряд должен выйти, поскольку новые заряды в проводнике не образуются и полный заряд проводника не меняется.

Исследуем распределение напряжения  на участках последовательной цепи. Для этого к каждому участку цепи подключим вольтметр как на рисунке. Затем этим же вольтметром измерим напряжение на  резисторах  одновременно. Убедимся в том, что общее напряжение в последовательной цепи равно сумме напряжении на ее отдельных участках.

U = U₁+ U₂

Убедимся в том, что чем больше сопротивление участка цепи, тем больше напряжение на нем, если величина тока не меняется. Существует зависимость:

U/₁R ₁= U₂/R₂

второй закон для последовательного соединения резисторов.

Третий закон последовательного соединения проводников:

R = R₁+ R₂

Докажите это.

Проиллюстрировать утверждение о том, что сопротивление нескольких последовательно соединенных проводников равно сумме сопротивлений каждого из них можно на примере нескольких одинаковых  последовательно соединенных проводников. Их сечение одинаково, а длина равна сумме всех длин. Мы знаем, что при увеличение длины проводника его сопротивление увеличивается. Сопротивление нескольких, соединенных последовательно проводников, больше чем сопротивление любого из них.

 Для изучения параллельного соединения проводников начертим, а затем составим схему, состоящую из источника тока, реостата, двух резисторов, амперметра, вольтметра.

          рис. 216           

 Убедимся, что напряжение на всех параллельно соединенных  резисторах одинаково:

U = U₁ =U₂

Ранее мы отмечали, что работа электрического поля при перемещении заряда не зависит от формы траектории. Следствием этого и является одинаковость напряжения на каждом из параллельных участков цепи. Это и есть первый закон для параллельной цепи.

Второй закон. Ток в разветвленных участках цепи равен сумме токов на  ее отдельных участках:

I= I₁+ I₂

Чтобы  это  доказать, включим амперметр последовательно с каждым резистором отдельно и во всю цепь.

I ₁R₁ =I₂ R₂

Сделаем вывод о том, как зависит ток на участке цепи от его сопротивления.

Если два проводник а соединены параллельно то их общее сопротивление меньше сопротивления каждого из них. Параллельное соединение как бы увеличивает сечение проводника. Полное сопротивление двух параллельно соединенных проводников можно вычислить по формуле

R = R1*R2/ (R1+R2)

Достоинства последовательного соединения: простота соединений, ток на всех участках одинаков, можно включать приборы, рассчитанные на меньшее напряжение. К недостаткам последовательного соединения относится то, что при выходе из строя одного участка цепи / перегорание лампочки/ отключается вся цепь.

Достоинства параллельного соединения проводников: каждый прибор в цепи работает независимо от другого. Напряжение на каждом приборе одинаково. К недостаткам параллельного соединения относится то, что в каждом участке цепи течет "свой" ток.

Последовательное соединение используется при соединении ламп трамваев. Напряжение в сети трамвая 600 В. Лампочки, рассчитанные на 120 В, включают последовательно по 5 лампочек. Последовательно включены лампочки елочной гирлянды, поэтому при выходе из строя одной из них гаснет вся гирлянда.

Дверные контакты лифта всех этажей включены последовательно в цепь прибора, управляющего включением  электродвигателя, поднимающего кабину. Поэтому, на каком бы этаже дверь не оказалась открытой, цепь будет разомкнута, и двигатель не включится. Он  сможет включиться только тогда, когда закрыты все двери и замкнута вся цепь, проходящая через дверные контакты всех этажей. Пусковые же кнопки внутри кабины в общей схеме управления соединены параллельно. Поэтому, нажав на любую из них, можно включить двигатель лифта.

Всякая электрическая цепь состоит из двух частей: внутренней и внешней.

 Во внутреннюю цепь входит источник тока.

Внешняя цепь включает в себя проводники-потребители: лампочки, электронагревательные приборы, электродвигатели, приборы для измерения параметров цепи, провода.

Сила тока в последовательно соединенных проводниках одинакова:

I = I₁ = I₂

Общее напряжение в последовательной цепи равно сумме напряжении на ее отдельных участках:

U = U₁+ U₂

Полное сопротивление последовательной цепи равно сумме сопротивлений ее участков.

R = R₁+ R₂

Напряжение на всех параллельно соединенных  резисторах одинаково:

U = U₁ =U₂

Ток в разветвленных участках цепи равен сумме токов на  ее отдельных участках:

I= I₁+ I₂

Полное сопротивление двух параллельно соединенных проводников можно вычислить по формуле

R = R1*R2/ (R1+R2)

Упражнение §60.

1.      Начертите электрическую схему, содержащую источник тока, ключ и электрическую лампочку.

2.      Начертите схему электрической цепи, содержащей источник тока, две электрические лампы, два ключа и один звонок так, чтобы звонок звонил, когда какая-нибудь из ламп горит.

3.      При исследовании электрической цепи ученик установил, что сила тока в одном резисторе равна 2 А, напряжение на  его концах равно 4 В. На другом резисторе - напряжение 10 В, сила тока 2 А. Он измерил напряжение на обоих резисторах вместе и оно оказалось равным 14 В. Как соединены резисторы?

4.      Сколько одинаковых резисторов было соединено последовательно, если каждый из них имеет сопротивление 100 Ом, а их общее сопротивление равно 700 Ом?

5.      Общее сопротивление обмоток телефонных реле, соединенных последовательно, равно 3200 Ом. Сопротивление одной из них равно 600 Ом, другой - 1200 Ом. Вычислите сопротивление обмотки третьего реле.

6.      Участок электрической цепи содержит три резистора сопротивлением 10, 20, и 30 Ом, соединенных последовательно. Найдите силу тока в каждом резисторе и напряжение на концах каждого участка цепи, если напряжение на втором резисторе равно 40 В.

 Задания

1.      Изучите ( не производя вскрытий проводки и приборов) электрическую цепь в вашей квартире. Зарисуйте ее схему. Какие элементы цепи соединены последовательно, а какие параллельно?

2.      Возьмите две лампочки для карманного фонаря и подключите их к батарейке сначала параллельно, затем последовательно. Используйте вместо проводов алюминиевую фольгу.  Вам потребуются и другие материалы, возможно, картон, пластилин или нечто совсем необычное. Расскажите о результатах вашей конструкторской работы.

***Для интересующихся

***При соединении более двух проводников параллельно полное сопротивление R меньше, чем сопротивление любого из них. Его можно вычислить решив следующее уравнение:

1/R= 1/R₁+1/R₂ +1/R₃

§61Закон Джоуля - Ленца.

Выделение тепла - одно из основных явлений, сопровождающих прохождение электрического тока в проводниках.

В результате опытов было установлено, что количество тепла, выделяемое током при прохождении по проводнику, зависит от сопротивления проводника, силы тока и времени его прохождения.

Экспериментально эту зависимость впервые исследовал в 1844 г.  русский академик Эмиль Христианович Ленц (1804—-1865) и, независимо от него, английский физик Дж. Джоуль (в честь него названа единица энергии).

Количественные соотношения, имеющие место при нагревании проводника током, установленные ими,  называют законом Джоуля-Ленца,

 Q = I² R t[Н.Н.2] 

Из закона сохранения энергии мы можем получить закон Джоуля-Ленца, не прибегая к эксперименту. Работа при перемещении заряда равна Uq, но заряд q равен It. Полную работу поля при перемещении заряда по проводнику получим

А= UIt

Из закона Ома U=IR. Подставляя полученные зависимости, в предположении, что вся работа поля пошла на нагревание проводника, можно выразить так

A = Q = I²Rt

Из формулы A =U I t можем получить выражение для мощности электрического тока. Напомним, что мощность это отношение работы ко времени, за которое эта работа совершена. N=A/t, следовательно,

N=UI

Как известно, мощность измеряется в ваттах.

При расчетах за электроэнергию используется единица энергии 1 киловатт*час. Это энергия, выделяющаяся при мощности 1 кВт за один час. В одном часе 3600 секунд, 1 кВт = 1000Вт, значит, 1 кВт.ч это 3 600 000 Дж.

В электрических цепях текут токи определенной силы. Эти токи рассчитывают по нагрузке  /приборам  и потребителям/, включаемым  в цепь. Специально подбирают сечения подводящих проводов и их изоляцию. Но бывают случаи, когда в цепь включают одновременно много потребителей, больше, чем рассчитывали. Тогда ток резко возрастает (так как уменьшается общее сопротивление цепи) и в ней возникает перегрузка. Подводящие провода сильно нагреваются, что может привести к пожару.

Ток может резко возрасти, если при параллельном соединении потребителей мы включим параллельно им элемент с очень маленьким сопротивлением. Например, если из-за повреждения изоляции образуется контакт между проводами, идущими к лампочке. Возникает короткое замыкание. Коротким замыканием называют быстрое уменьшение полного сопротивления цепи. Короткое замыкание может возникнуть, например, при ремонте проводки под напряжением

          рис. 217           

или случайном соприкосновений оголенных проводников. В таких случаях говорят: «провода закоротили».

Во всех случаях, когда в цепи резко возрастает ток, провода могут перегреться и стать причиной пожара. Чтобы этого не произошло, в электрическую цепь включают предохранители.

Предохранители бывают разных типов. Но у всех  есть главная часть, которая при резком возрастании тока сильно нагревается. У плавкого предохранителя

          рис. 218           

          рис. 219           

это свинцовая проволочка, которая при нагревании плавится и размыкает электрическую цепь. У предохранителя, внешний вид которого изображен на

          рис. 220           

-это металлическая пластина, которая при нагревании расширяется и разрывает контакт в цепи.

Количество тепла, выделяемое током при прохождении по проводнику, зависит от сопротивления проводника, силы тока и времени его прохождения.

Закон Джоуля - Ленца.Q = I² R t

N=UI

Мощность измеряется в ваттах.

Коротким замыканием называют быстрое уменьшение полного сопротивления цепи.

Упражнение §61.

1.      Почему провод, с помощью которого настольная лампа включается в сеть, практически не нагревается, в то время, как нить лампы раскаляется добела?

2.      Из каких материалов изготавливаются плавкие предохранители? Почему?

3.      По цепи протекает ток 2 А. Сопротивление цепи 100 Ом. Какое количество теплоты выделится в цепи за 15 мин?

4.      Два резистора сопротивлением 5 Ом и 10 Ом включены в цепь последовательно. Какое количество теплоты выделяется в каждом резисторе за 5 мин, если напряжение на втором резисторе 20 В?

5.      Два резистора сопротивлением 4 Ом и 8 Ом включены в сесть параллельно. В первом течет ток 2 А. Какое количество теплоты выделяется обоими резисторами за 20 с?

6.      *Электрический кипятильник со спиралью сопротивлением 150 Ом помещен в сосуд, содержащий 0,5 кг воды при температуре 20 ^оС, и включен в сеть с напряжением 220 В. Через 30 мин спираль выключили. Сколько воды выкипело, если коэффициент полезного действия спирали равен 80%?

*** Для интересующихся

Было замечено, что при прохождении тока по проводнику последний нагревается. Зависимость количества выделяемой теплоты от силы тока изучали английский физик Джемс Джоуль и русский физик Э. X. Ленц. Они пропускали ток по спирали, помещенной  в калориметр с водой. Через некоторое время вода нагревалась. По ее температуре легко было вычислить количество выделившейся теплоты. Из проведенных опытов Джоуль и Ленц пришли к выводу: количество теплоты, выделяемое проводником при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Это и есть известный закон Джоуля — Ленца.

В 1821 г. немецкий физик Томас Зеебек (1770—1831) сделал неожиданное открытие. Однажды он положил висмутовую пластинку на медную, соединив их проволочкой. Когда Зеебек сжимал рукой эти пластинки, то обнаружил, что в проволочке есть слабый электрический ток. Зеебек понял, что ток возник в результате согревания пластинок теплотой его руки.

Для исследования этого явления он построил специальный прибор, состоявший из двух висмутовых пластинок, соединенных припаянной к ним медной проволокой. Один спай был опущен в сосуд с горячей, а другой в сосуд с холодной водой. Тогда в цепи был обнаружен электрический ток.

Нагревание проводников током и получение тока за счет теплоты - эти явление вскоре получили применение в технике.

Уже упоминалось, что В.В. Петров получил яркую электрическую дугу, осветившую его лабораторию. Это открытие было использовано для освещения городских улиц позднее, когда появились мощные источники электрического тока.

Попытку применить электрическую дугу для  освещения сделал в 1821 г. Г. Дэви. Пропустив ток от 2000 элементов через сближенные угольные электроды, он получил электрическую дугу.

Позднее русский физик академик Б. С. Якоби (1801 - 1874) попытался устроить электрическое освещение Петербурга, установив на Адмиралтейской башне дуговую лампу. Однако угольные электроды довольно быстро сгорали, расстояние между ними увеличивалось, и дуга гасла.

Практическое значение дуговая лампа получила только тогда, когда В. Н. Чиколевым (1845—1898) был изобретен механизм, сближающий угли по мере их сгорания. Но еще до этого использовать электрическую  дугу для освещения сумел русский электротехник П.Н. Яблочков (1847—1894). в своей знаменитой «электрической свече». Свеча Яблочкова состояла из двух угольных стержней, расположенных параллельно друг другу и разделенных изолирующей прослойкой. Концы стержней соединялись угольной пластинкой. При пропускании тока эта пластинка сгорала и между концами угольных стержней появлялась электрическая дуга. По мере сгорания углей изолирующая прослойка испарялась, и светящаяся дуга не затухала. К сожалению, изобретение П. Н. Яблочкова в то время не нашло применения в России. «Русским светом» воспользовались сначала в Париже, а затем в Лондоне и других городах Западной Европы.

Почти одновременно другой русский электротехник А. Н. Лодыгин (1847—1923) предложил лампочку накаливания.

          рис. 221           

 В лампочке Лодыгина накаливался угольный стерженек. Когда из баллона лампочки выкачали воздух, она стала довольно долговечной и практически пригодной. Лампочками Лодыгина в 1873 г. была освещена одна из улиц Петербурга.

Американский изобретатель Томас Эдисон ( 1847 – 1931) усовершенствовал лампу накаливания, заменив угольный стерженек тонкой угольной нитью. Им же были изобретены винтовой цоколь лампы, поворотный выключатель, предохранитель с плавкой вставкой и штепсельное соединение. Электрическая лампочка накаливания стала очень удобна для освещения жилых помещений, фабричных и заводских цехов. Получили возможность работать при ярком электрическом освещении водолазы. Электрические лампы стали применяться в маяках.

В металлургии получили распространение электрические печи. Электрическая печь — это камера, облицованная высокоогнеупорным материалом. Разогревается печь электрическим током, проходящим или через специальные нагревательные элементы, или непосредственно через подлежащую расплавлению руду. В некоторых случаях действие электрических печей основано на применении электрической дуги (выплавка алюминия и др.).

§62Ток в различных средах

1. Т о к  в  в а к у у м е

По крайней мере в двух приборах у вас дома можно встретить такое состояние вещества, которое называется "вакуум". Один прибор - это колба термоса, второй - так называемый  кинескоп /злектроннолучевая трубка/ телевизора. Слово "вакуум" латинского происхождения. ( латинское "vakuum» означает "пустота", Понятно, что никакой насос не сможет откачать из сосуда весь воздух до последней молекулы. Действительно, самые лучшие насосы могут создать вакуум, при котором в каждом кубическом сантиметре всего около 31000 молекул / при комнатной температуре/. Это, на первый взгляд достаточно большое число, очень мало по сравнению с числом молекул в 1 см³ (3*10¹⁹ ) при атмосферном давлении и при той же температуре.

 Между стенками колбы термоса в каждом кубическом сантиметре уже примерно 3*10¹¹ молекул. Это в 100 миллионов раз меньше, чем при атмосферном давления. Это не очень "хороший вакуум", но он достаточно хорош для того, чтобы в значительной  степени уменьшить теплопроводность.

В колбе кинескопа необходимо создать:  уже глубокий вакуум, при котором в 1 см³ остается 30 миллионов молекул. В этом случае электроны могут пролететь от одной стенки сосуда до другой, не сталкиваясь с молекулами, присутствующими в сосуде. Так, если вы с завязанными глазами пойдете по лесу, то вряд ли вам удастся пройти по нему километр, не столкнувшись с деревом.  Если же в степи деревья находятся на расстоянии  100 м  и более друг от друга  , то шансы ваши пройти без столкновений те же 1000 м существенно возрастают.

В абсолютном большинстве случаев, для получения электрического  тока в вакууме используют движение электронов. Способ получения электронов в вакууме основан на явлении термоэлектронной эмиссии.

Напомним, что слово "эмиссия" латинского происхождения (emissio) и означает - "испускание, излучение". А явление термоэлектронной эмиссии состоит в том, что нагретый металл испускает электроны.

Таким   образом,   электрический   ток   в   вакууме   представляет   собой   направленное движение   электронов.

Проследим более подробно процесс управлении электронами нa примере электроннолучевой трубки

          рис. 222           

Нагретая электрическим током проволочная спираль испускает электроны. Эти отсортированные электроны попадают- в сильное электрическое поле положительно заряженного цилиндра 3 с отверстиями, получают скорость порядка 30-50 тыс. км/с и узким лучом  направляются к экрану.

При помощи электрических полей, созданных двумя парами пластин аа и вв можно направлять электронный луч в любое место экрана, покрытого специальным веществом, которое светится под действием ударов электронов. Электроннолучевая трубка используется в телевизорах, мониторах компьютеров и в осциллографах.

2.Э л е к т р и ч е с к и й   т о к  в  м е т а л л а х

Металлы являются наиболее распространенным видом проводников. Какого типа заряженные частицы  могут свободно в них двигаться, делая их проводниками? Каким зарядом обладают эти частицы положительным или отрицательным?

Вспомните, каково внутреннее строение металлов, находящихся в твердом состоянии. Какие частицы металла под действием электрического поля могут прийти в направленное движение?

Зная строение металлов и их атомов, вы, скорее всего придете к правильному выводу, , что это свободные электроны. Ионы кристаллической решетки совершают только тепловые колебательные движения. Между ними беспорядочно движутся свободные электроны.

          рис. 223           

Учеными был проделан ряд опытов для подтверждения этого факта.

 В 1901 г - немецкий физик. К.Рикке - проделал следующий опыт. Три цилиндра - два медных и один алюминиевый - с тщательно отполированными торцами /для лучшего контакта/ ставились друг на друга и присоединялись к источнику тока. В течение года по проводнику, составленному из этих цилиндров, шел электрический ток. Проведенный затем анализ показал, что никаких химических изменений в цилиндрах не произошло. Был сделан вывод, что ток в металлах обусловлен движением частиц, не имеющих отношения к химическому  составу металлов, то есть двигались не ионы, которые у различных металлов различны.

 Следующий эксперимент был поставлен в 1916 г. Б.Стюартом /шотландский физик/ и Р.Толманом /американский физик/. Идея опыта была в следующем. Катушка, состоящая из большого числа витков, приводилась в быстрое вращение и тормозилась. Если в  момент торможения в катушке возникает электрический  ток, то этот ток будет обусловлен направленным движением свободных электронов, которые по инерции будут продолжать движение в проводнике катушки. (Вспомните, как наклоняются вперёд пассажиры при резком торможении автобуса).

Опыт показал наличие  кратковременного тока при резком торможении катушки. Причем его направление говорило о том, что в движение  пришли отрицательные частицы.

По результатам опыта было подсчитано отношение заряда каждой из этих частиц к массе. Получили число очень близкое к отношению заряда электрона к его массе.

Таким образом, на опыте было подтверждено, что электрический ток в металлических проводниках – это направленное движение свободных электронов.

При этом следует заметить, что беспорядочное тепловое движение электронов сохраняется. Для того чтобы представить себе, как это происходит, вспомните полет стаи грачей: стая перемещается поступательно, а отдельные грачи в стае совершают хаотические движения. Если сравнить скорости направленного и хаотического движения электронов, то они отличаются во много раз. В нашей модели с грачами, если каждый из грачей движется со скоростью 10м/с, то вся стая за час перемещается на 1 миллиметр. Столь малая скорость поступательного движения «стаи» электронов и обеспечивает все действия электрического тока.

Металлы хорошо приводят электрический ток, и человечество нуждается в них. Металлический проводник был одним из самых великих изобретений человеческого гения и сыграл громадную роль в развития электротехники, а значат, и техники вообще.

 Т о к  в  р а с т в о р а х  э л е к т р о л и т о в.

Проделаем опыт

          рис. 224           

. Соберем электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампочки, ключа, химического стакана с двумя угольными стержнями /или металлическими пластинами..,/ Нальем в стакан дистиллированной воды и замкнем цепь. Видим, что лапочка не горит. Следовательно, в цепи тока нет. Значит, дистиллированная вода не проводит ток, т. е. является  изолятором.

          рис. 225           

Насыпем в стакан немного поваренной соли или медного купороса. Видим, что лампочка загорелась. Следовательно, в цепи появился ток. На основании этого опыта можно сделать вывод, что раствор поваренной соли или медного купороса проводят электрический ток, т. е. является проводником.

Объяснить эти опыты можно следующим образом. В дистиллированной воде отсутствуют заряженные частицы, она состоит из нейтральных молекул Н₂О. При растворении поваренной соли /NaCl/ в воде происходит явление, которое получило название электролитической диссоциации. Это-явление заключается в  том, что нейтральные молекулы  при растворении распадаются на положительно и отрицательно заряженные частицы /ионы/. Так, молекула воды распадается на положительный ион водорода и отрицательный ион кислорода; молекула поваренной соли — на положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. Эти заряженные частицы движутся под действием электрического поля: положительные  ионы движутся к катоду, отрицательные ионы - к аноду.

В результате химических реакции на электродах осаждается чистое вещество. Например, отрицательный ион "отдает" электрон на аноде и в виде атома осаждается на нем.

“Vakuum» означает "пустота"

Явление термоэлектронной эмиссии состоит в том, что нагретый металл испускает электроны.

Электрический ток в вакууме представляет собой направленное движение электронов.

Электрический ток в металлических проводниках обусловлен направленным движением свободных электронов.

Электрический ток в электролитах представляет собой направленное движение ионов.

Явление электролитической диссоциации заключается в  том, что нейтральные молекулы распадаются на положительно и отрицательно заряженные частицы /ионы/ под действием электрического тока.

Упражнение §62.

1.      Считая, что электроны  к экрану вашего телевизора движутся со скоростью 25000 км/с, определите примерно время движения электронов от места их излучения до экрана.

2.      Считая, что электронный луч скользит по экрану телевизора со скоростью 2500 км/с, определите время  перемещения электронного  луча слева направо по экрану вашего телевизора.

3.      Какие частицы являются носителями тока в металлах?

4.      Почему электроны в металлах легко перемещаются?

5.      6.Что является причиной направленного движения электронов в металлическом проводнике?

6.      Что является носителем тока в электролитах?

7.       Почему выделяется вещество на электродах, опущенных в раствор электролита?

Задания

1.      Рассмотрите подробнее устройство электроннолучевой трубки. Постарайтесь узнать назначение всех ее частей.

2.      Подготовьте доклад о использовании тока в различных средах в современной жизни.

3.      Сконструируйте модели, иллюстрирующие природу электрического тока в различных средах.

§63 Сверхпроводимость.

В жизни мы постоянно сталкиваемся с трением. Любое движение сопровождается им. Наличие трения заставило Аристотеля высказать утверждение о том, что для движения тела с постоянной скоростью необходимо действовать на него с постоянной силой. Если по проводнику течет электрический ток, то за счет  сопротивления происходит его нагрев. Количество тепла, выделяющееся в проводнике определяется законом Джоуля-Ленца:

Q=I²Rt

из которого следует, что чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла выделяется в нем за то же время. При передаче электрической энергии от электростанции к потребителю мы пользуемся проводами, по которым течет электрический ток. Чем большую мощность нам надо передать, тем больший ток должен быть в проводах, тем интенсивнее их бесполезный нагрев и потери энергии. Для уменьшения потерь, надо уменьшать сопротивление проводов. Сопротивление металлического проводника определяется его длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением материала, из которого сделан проводник.

Длину проводов уменьшить нельзя, так как она определяется расстоянием от электростанции до потребителей. Площадь поперечного сечения увеличивать можно, но толстые провода требуют больше металла для изготовления, для их подвески нужны более мощные опоры. Вот хорошо бы найти такой материал, у которого удельное сопротивление было бы равно нулю. Этакий сверхпроводник. По проводам из такого материала можно передавать электроэнергию без потерь, так как если сопротивление равно нулю, то количество выделяющегося тепла равно нулю. В большинстве реальных электронных приборов приходится придумывать способы для охлаждения. Телевизоры и видеомагнитофоны нагреваются при работе. Для уменьшения их нагрева в корпусах делаются специальные отверстия. Телевизор и видеомагнитофон нельзя накрывать. Специальный вентилятор охлаждает процессор  компьютера. Именно нагрев  при работе микросхем часто ограничивает возможность уменьшения их размеров.

Представить сверхпроводник можно в виде такой модели: в пустоте, ни с чем не сталкиваясь, летят заряженные частицы, например, электроны. При своем движении они не встречают сопротивления, поэтому потерь энергии не происходит.

Каждое вещество обладает удельным сопротивлением, чем меньше удельное сопротивление, тем меньше препятствий при движении свободных зарядов. Если сопротивление движению свободных носителей зарядов в веществе при некоторых условиях исчезнет, т. е. они смогут двигаться подобно свободным электронам в вакууме, то удельное сопротивление вещества обратится в ноль , будет наблюдаться сверхпроводимость.

Сверхпроводимость, физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ при охлаждении их ниже определенной  критической  температуры Тк и состоящее в обращении в нуль электрического  сопротивления постоянному току

Сверхпроводимость была  открыта нидерландским физиком  Камерлинг-Оннесом Хейке (1853-1926)  в 1911 году в ртути.

Сверхпрововдимость – Это не очень маленькое сопротивление, а это полное его отсутствие. Если в замкнутом проводнике с очень малым сопротивлением создать электрический ток, то он исчезнет после отключения источника за миллисекунды, даже если сопротивление проводника миллионные доли ома. Так в комнате становится темно после выключения лампочки, даже если стены в этой комнате  зеркальные. Если же сопротивление не маленькое, а равно нулю, то ток не исчезнет. (В комнате с сверхзеркальными стенами темно не станет). В одном из опытов ток в замкнутом сверхпроводнике продолжал течь в течение 2,5 лет и прекратился только потому, что в результате забастовки не смогли вовремя доставить жидкий гелий для поддержания сверхпроводящего состояния.

Долгое время, после открытия Камерлинга считалось, что сверхпроводимость возможна только при очень низких температурах: –269^о С или  4 К. Чтобы получить такую низкую температуру используется жидкий гелий, температура кипения которого при нормальном атмосферном давлении 4,2 К.

Получить жидкий гелий очень сложно. Впервые получили жидкий гелий только в 1908 г. . Его трудно долгое время удерживать в закрытом сосуде, он быстро улетучивается за счет диффузии. Промышленное производство гелия наладили только в 1960 г. Жидкий гелий очень дорогой, поэтому велись исследования с целью найти вещества, у которых сверхпроводимость появлялась бы при более высокой температуре.

Только в 1986 –87 годах удалось получить сверхпроводимость при температуре 30 – 40 К. Это все еще меньше температуры кипения жидкого азота (77,4К),который достаточно дешев. .Однако ее назвали высокотемпературной сверхпроводимостью. Интересно, что ее обнаружили у керамических веществ, которые при обычной температуре являются плохими проводниками. В 1994 г. наивысшей температурой, при которой наблюдалась сверхпроводимость керамики была 160 К. Но для достижения этой рекордной отметки потребовалось высокое давление

Сверхпроводимость пока не получила широкого практического применения. Не разработаны еще промышленные технологии создания дешевых сверхпроводников. Но уже есть большие мощные электромагниты со сверхпроводящими обмотками.

Теория сверхпроводимости еще только разрабатывается. Доказано, что в результате взаимодействия атомов с ядрами, между электронами может возникать силы притяжения и они объединяются в пары, в результате чего приобретают возможность перемещаться внутри вещества, не передавая свою энергию атомам.

В заключение обращаем ваше внимание на то, что при изложении материала этого параграфа мы использовали следующие понятия: проводник, сопротивление, удельное сопротивление, электрический ток, энергия,  температура, Кельвин и градус Цельсия, атом, электрон, заряд, кипение, диффузия: вспомнили законы Джоуля – Ленца и Ома. Изложение материала данного параграфа было бы не возможно, если бы вы не владели перечисленными понятиями. Для получения новых знаний нужно обладать необходимыми начальными. Невозможно изучать поэзию, не зная разговорного языка. Эти два года вы учились говорить о законах и явлениях природы.

Сверхпроводимость, физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ при охлаждении их ниже определенной  критической  температуры Тк и состоящее в обращении в нуль электрического  сопротивления постоянному току

Сверхпроводимость при температуре 30 К и выше назвали высокотемпературной сверхпроводимостью.

Упражнение §63

1.      Почему для получения и поддержания  низких температур используют гелий.

_2.        Как меняется сопротивление металлов при уменьшении температуры?

_3.        Во сколько раз увеличивается сила тока в проводах при увеличении передаваемой мощности в 3 раза.

_4.        Что такое сверхпроводимость?

_5.        Что такое высокотемпературная сверхпроводимость?

 Задание

*Придумайте эксперимент, с помощью которого можно обнаружить сверхпроводимость. С какими трудностями вам пришлось бы столкнуться при подготовке и проведении этого эксперимента?

***Для интересующихся

10 июля 1908 года в 16:30 в Лейденском университете Каммерлинг-Оннесом был получен жидкий гелий.

Имея в своем арсенале новую область температур, так называемые «гелиевые температуры», Камерлинг-Оннес приступил к исследованию свойств веществ в температурном интервале от нескольких кельвинов до абсолютного нуля.

Измерение, которое можно было сравнительно легко провести при столь низких температурах, заключалось в определении электрического сопротивления провода. Вопрос о величине электрического сопротивления чистых металлов при низких температурах к тому времени приобрел важное значение.

Немецкий физик Вальтер Нернст (1864 –1941) высказал предположение, что при понижении температуры электрическое сопротивление чистого металла должно :постепенно уменьшаться, совсем исчезая при абсолютном нуле.

Этим же вопросом занимался Дьюар (1842 –1923), проводивший измерения при температуре жидкого азота. Он обнаружил, что сопротивление платины при понижении температуры падает с меньшей скоростью, чем предполагалось.

Считалось, что этот результат подтверждает другую теорию, согласно которой носители заряда при абсолютном нуле должны быть прочно связаны с< атомами. Следовательно, электрическое сопротивление при самых низких температурах должно быть бесконечно большим.

Итак, существовали две взаимно противоположные точки зрения. Чему же, в конце концов, должно быть равно электрическое сопротивление при абсолютном нуле: нулю или бесконечности? При каких обстоятельствах к попыткам решить эту проблему подключился Камерлинг-Оннес. Оннес начал эксперименты с той стадии, на которой их окончил Дьюар: Он приступил к определению сопротивления платины уже при гелиевых температурах.

Результаты сначала были мало обнадеживающими, они не подтверждали и не опровергали никакую теорию. Электрическое сопротивление ни падало, ни росло при понижении температуры — оно оставалось постоянным. Оннес заметил, что абсолютная величина сопротивления в его экспериментах не зависит от температуры — она меняется от образ­ца к образцу, и чем чище металл, тем ниже сопротивление. Скорее всего, прав был Нернст, решил Оннес, и сопротивление должно уменьшаться при снижении температуры, но этому препятствуют примеси.

Надо уничтожить примеси. Оннес знал, что золото легче очистить от примесей, чем платину, и он приступил к экспериментам с проводами из самом чистого золота, которое ему удалось достать. Хотя полученные при измерениях значения сопротивления были много ниже, чем у платины, однако и на сей раз сопротивление золота падало с увеличением степени его чистоты.

Но разве исчерпаны все возможности? Ведь существует и другой металл, который можно получить в еще более чистом виде, чем золото. Это ртуть

Поскольку ртуть при комнатной температуре находится в жидком состоянии, ее можно перегоняя вновь и вновь сколько угодно раз, пока не будет достигнута требуемая степень чистоты

В середине 1911 года Оннес проводит эксперимент, всю значимость которого оценили лишь много лет спустя.

          рис. 226           

На рисунке изображена -кривая зависимости электрического сопротивления ртути от температуры, построенная на основании результатов этого эксперимента. С понижением температуры сопротивление ртути постепенно уменьшается -кривая более или менее плавно снижается. .Вот температура упала до точки кипения гелия, вот она стала чуть меньше.

Что произойдет дальше? Может быть, кривая в соответствии с теорией Нернста, будет так плавно снижаться вплоть до абсолютного нуля температуры?

Может быть, наоборот, кривая круто повернет вверх, устремляясь в бесконечность, как это следовало бы ожидать из результатов Дьюара?

Оказывается, при температуре несколько ниже точки кипения гелия кривая резко повернула вниз словно провалившись в пропасть. Электрическое о противление ртути внезапно исчезло.

Ученый снова и снова повторял эксперимент: ход кривой повторялся с завидным постоянством.

С тех пор в науку вошло новое понятие — сверхпроводимость — явление скачкообразного исчезновения электрического сопротивления металла При охлаждении его до достаточно низкой температуры.

Вскоре оказалось, что явление сверхпроводимости присуще не только ртути, но и олову, свинцу некоторым другим металлам и сплавам, причем каждый из них имеет свою температуру перехода в сверхпроводящее состояние, которую принято называть критической температурой.

Камерлинг-Оннес, сделал одно из самых выдающихся открытий ХХ века. он обнаружил совершенно новое свойство вещества, скрытое ранее в области очень низких температур,— сверхпроводимость.

В 1913 году Камерлинг-Оннесу была присуждена Нобелевская премия по физике за исследование свойств материи при низких температурах, и получение жидкого гелия. В 1925 году он был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР.

САМОЕ ВАЖНОЕ

Кроме гравитационного взаимодействия между телами  существует электрическое взаимодействие. Оно отличается от гравитационного тем, что тела могут не только притягиваться, но и отталкиваться, либо не взаимодействовать.

Свойство тела, от которого зависит электрическое взаимодействие, называется электрическим зарядом.

Электрический заряд обозначается буквой q, измеряется в кулонах (сокращенно Кл).

Электрический заряд может быть отрицательным, равным нулю и положительным.

Тела с зарядами разного знака – притягиваются, одного знака – отталкиваются.

Закон сохранения электрического заряда гласит. В замкнутой системе сумма зарядов всех тел остается величиной постоянной при любых изменениях заряда каждого тела

Электрическое взаимодействие тел уменьшается при увеличении расстояния между заряженными телами.

Каждое тело, имеющее электрический заряд не равный нулю, окружен особым видом материи – электрическим полем.

Электрическое поле проявляет себя в действии на тела, имеющие электрический заряд.

 Электрическое поле создается телами, имеющими электрический заряд.

Гравитационное поле, проявляет себя в действии на любые тела, обладающие массой.

Гравитационное поле создается телами, обладающими массой.

Поле – вид материи, т.е. существующая реальность

Вещество – это вид материи, то, что состоит из атомов и молекул

F = mg. g – это силовая характеристика гравитационного поля в данной точке. Она показывает, с какой силой гравитационное поле действует на тело массой 1 кг, помещенное в данной точке.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность. Она показывает, с какой силой электрическое поле в данной точке действует на тело, обладающее зарядом в 1 Кл.

Напряженность обозначается буквой Е, измеряется в Н/Кл

Определяется по формуле. E =F/q

Напряженность электрического поля – векторная величина

. Направление напряженности электрического поля совпадает с направлением силы, действующей на положительно заряженное тело, помещенное в данную точку поля.

Силовая линия – это линия, касательная к которой в каждой точке, совпадает  с направлением напряженности поля в данной точке.

Силовые линии не материальны, реально они не существуют.

Напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом прямо пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния от заряда до данной точки поля.   Е = kq/r², где k =9 10⁹ Нм² /Кл²

Закон Кулона гласит. Сила взаимодействия двух точечных тел, обладающих зарядами, определяется формулой F=kq₁q ₂ /r² .

Поля, работа которых при перемещении тел по замкнутой траектории равна нулю, называются потенциальными.

Электрическое поле, создаваемое неподвижным электрическим зарядом, является потенциальным

Потенциальная энергия заряженного тела вычисляется по формуле Е_п=kQq/R

Поле, создаваемое неподвижным электрическим зарядом, называется электростатическим.

Разность потенциалов электростатического поляDj = (kQ/R₁ - kQ/R₂)

Разность потенциалов электростатического поля равна отношению работы, совершаемой полем по перемещению заряда к величине этого заряда ,обозначаетсяDj   

   Dj = А/ q

Измеряется  разность потенциалов в вольтах. [В] = [Дж/Кл]

Электрон - это частица, обладающая отрицательным электрическим зарядом.

Заряд электрона обозначается буквой е и равен е=-1,6 10^-19 Кл.

Масса электрона m_e= 9,1 10^-31кг.

В состав атома входят частицы с положительными зарядами, их называют протонами.

Масса протона m_p =1,7 10²⁷кг.

 Заряд протона  q_p =+1,6 10^-19 Кл.

Заряд тела с избытком электронов - отрицательный.

Незаряженное тело при потере электронов получает положительный заряд.

Явление, при котором изменяется заряд тела, называется электризацией

При электризации возникает электрическое поле, обладающее энергией.

Вещества, в которых много свободных электронов называются проводниками.

Вещества, в которых свободных электронов мало называют полупроводниками.

Диэлектрики - это вещества, в которых отсутствуют свободные заряды.

Тело с зарядом равным нулю притягивается к заряженному телу, если тела не точечные.

Электризацией через влияние называют электризацию без соприкосновения электризующихся тел.

В каждой точке напряженность поля определяется, как сумма напряженностей полей от каждого заряда.

E = E₁+E₂+….

Изменение формы тела под действием электрического поля называется электрострикцией.

Поле, в котором в любой точке напряженность одинакова (по модулю и направлению), называется однородным.

Однородное поле можно создать между двумя разноименно заряженными пластинами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга.

,     Е =Dj  /d

Разность потенциалов между пластинами конденсатора зависит от модуля заряда, величины пластин, их формы и взаимного расположения.

Электроемкость показывает, какой по модулю заряд будет на каждой из пластин конденсатора при разности потенциалов между ними 1 В.

Емкость измеряется в фарадах ( Ф).

Один фарад - это емкость такого конденсатора, на каждой из пластин которого может удерживаться заряд в 1 Кл  при разности потенциалов в 1 В.

Электрическое поле может совершать работу при перемещении заряженного тела.

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

Направленное движение заряженных частиц называется электрическим током

Величина заряда, проходящего через поперечное сечение проводника  за 1 секунду, называется силой тока.

За направление электрического тока берется направление движения положительных зарядов.

Сила тока измеряется в амперах ( 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

Для измерения силы тока применяются приборы, называемые амперметром.

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

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

Анод и катод называют электродами.

Химическая реакция, происходящая на поверхности электрода, называется электролизом.

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

Устройства, позволяющие  создать и поддерживать поле внутри проводника, называются источниками тока.

Максимальная разность потенциалов, которую может поддерживать источник тока, называется электродвижущей силой источника тока.

Электродвижущая сила измеряется в вольтах.

Напряжение - это модуль разности потенциалов между двумя точками.

Обозначается напряжение буквой U.

Измеряется напряжение в вольтах (В).

Прибор, который измеряет напряжение, называется вольтметром.

Физическая величина, характеризующая свойства проводника, препятствовать электрическому току в нем, называется сопротивлением.

Сопротивление обозначается буквой R.

Измеряется сопротивление в омах.( Ом).

Прибор, которым измеряют сопротивление, называется омметром.

1 Ом - это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет ток в 1 А.

[Ом] = [В/А]

I = U/ R

Закон Ома гласит. Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника.

При одном и том же напряжении сила тока обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Сопротивление проводников зависит от размеров проводника и свойств вещества, из которых данный проводник сделан.

R = r l/S

Удельное сопротивление показывает, каким сопротивлением обладает цилиндрический проводник длиной 1 м, поперечным сечением 1 м² , сделанный из данного вещества.

Удельное сопротивление измеряется в Ом м.

Всякая электрическая цепь состоит из двух частей: внутренней и внешней. Во внутреннюю цепь входит источник тока.

Внешняя цепь включает в себя проводники-потребители: лампочки, электронагревательные приборы, электродвигатели, приборы для измерения параметров цепи, провода.

Сила тока в последовательно соединенных проводниках одинакова:

I = I₁ = I₂

Общее напряжение в последовательной цепи равно сумме напряжении на ее отдельных участках:

U = U₁+ U₂

Полное сопротивление последовательной цепи равно сумме сопротивлений ее участков.

R = R₁+ R₂

Напряжение на всех параллельно соединенных  резисторах одинаково:

U = U₁ =U₂

Ток в разветвленных участках цепи равен сумме токов на  ее отдельных участках:

I= I₁+ I₂

Полное сопротивление двух параллельно соединенных проводников можно вычислить по формуле

R = R₁*R₂/ (R₁+R₂)

Количество тепла, выделяемое током при прохождении по проводнику, зависит от сопротивления проводника, силы тока и времени его прохождения.

Q = I² R t

Мощность электрического тока N=UI

Мощность измеряется в ваттах.

Коротким замыканием называют соединение проводников в цепи, при котором их сопротивление мало по сравнению с сопротивлением всей цепи.

Вакуум “Vakuum» означает "пустота"

Явление термоэлектронной эмиссии состоит в том, что нагретый металл испускает электроны.

Электрический ток в вакууме представляет собой направленное движение электронов.

Электрический ток в металлических проводниках обусловлен направленным движением свободных электронов.

Электрический ток в электролитах представляет собой направленное движение ионов.

Явление электролитической диссоциации заключается в  том, что нейтральные молекулы при растворении распадаются на положительно и отрицательно заряженные частицы /ионы/.

Сверхпроводимость -  физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ при охлаждении их ниже определенной  критической  температуры Тк и состоящее в обращении в нуль электрического  сопротивления постоянному току

Сверхпроводимость при температуре 30 К и выше назвали высокотемпературной сверхпроводимостью.

Использованная литература, которая рекомендуется для дополнительного чтения.

1.       М. И. Блудов. Беседы по физике. Ч.1, 2.

2.      Ф. Д. Бублейников, И. Н. Веселовский. Физика и опыт.

3.      Г. Бурмин. Штурм абсолютного  нуля.

4.      Ф. Ю. Зигель. Астрономы наблюдают.

5.      Б. Б. Кадомиев, В. И. Рыдник. Волны вокруг нас.

6.        Ц. Б. Кац. Биофизика на уроках физики.

7.      П. С. Кудрявцев. История физики. Т.1, 2,3.

8.      А. А. Леонович. Физический калейдоскоп. Приложение к журналу «Квант»

9.      Я. И. Перельман. Занимательная физика.

10.  В. Г. Разумовский. Творческие задачи по физике.

11.  Р. Фейнман. Характер физических законов.

Параграфы 42 и 63  написаны учителем Е.Н. Панаиоти.

ГЛАВА V. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 2

§43       Электрический заряд. Закон сохранения заряда. 3

§44       Поле как вид материи. Электрические и гравитационные поля. 6

§45       Закон Кулона. 11

§46       Энергия тела в электрическом поле. 14

§47       Разность потенциалов 19

§48       . Электроны и протоны. 22

§49       . Электризация тел. 26

§50       Поле внутри проводников 33

§51       ^***Связь напряженности электрического поля и разности потенциалов. 35

§52       .Применение электризации и борьба с ней. 40

§43Глава V1. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 41

§53       .Превращение энергии при движении заряда в электрическом поле. 41

§54       Электрический ток. Сила тока. 43

§55       Тепловое действие электрического тока 48

§56       Химическое действие тока. 51

§57       Источники тока 56

§58       Сопротивление. Закон Ома для участка цепи. 60

§59       . Удельное сопротивление проводника. 63

§60       Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединение проводников. 68

§61       Закон Джоуля - Ленца. 74

§62       Ток в различных средах 79

§63       Сверхпроводимость. 84

§44САМОЕ ВАЖНОЕ 90

§45Использованная литература, которая рекомендуется для дополнительного чтения. 97

---

 [Н.Н.1]Необходимо ввести понятие резистора.

 [Н.Н.2]Очень неудачная фраза