Электрические явления

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова»

(ФГБОУ ВО «ХГУ им. Н. Ф. Катанова»)

«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ»

Выполнила: Черемнова Елизавета Романовна

Группа ПО-21, курс 4, форма обучения очная

Абакан 2024

Оглавление

Глава 1

1. Электризация тел. Два рода электрических зарядов

2. Проводники, диэлектрики и полупроводники

3. Взаимодействие заряженных тел. Электрическое поле

4. Закон сохранения электрического заряда

5. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы

6. Сила тока как физическая величина. Амперметр

1. Электризация тел. Два рода электрических зарядов.

Электрический заряд является величиной, определяющей способность тела к электрическому взаимодействию и интенсивность этого взаимодействия. Заряд обозначают латинской буквой q и измеряют в кулонах (Кл). Два вида электрических зарядов. В природе существуют два вида электрических зарядов, которые условно названы положительным и отрицательным. Носителем положительного заряда является протон, а отрицательного — электрон. Обычно атомы находится в равновесном состоянии благодаря одинаковому числу входящих в них положительных и отрицательных частиц.

Электроны и протоны взаимодействуют по определенным законам: одноименные заряды взаимно отталкиваются; разноименные заряды взаимно притягиваются. Определить заряжено ли тело и величину его заряда можно с помощью электроскопа и электрометра.

. Электроскоп — устройство, определяющее наличие электрического заряда. Простейший электроскоп можно собрать из подручных материалов: банки, металлической проволоки, алюминиевой фольги и картона. Если поднести к электроскопу электрически заряженный предмет, то его лепестки раздвинутся.

Электрометр работает по такому же принципу, но дополнительно имеет шкалу. Степень отклонения стрелки электрометра от стержня позволяет измерить заряд.

Электризация — процесс перераспределения зарядов, при котором электроны от одного тела переходят к другому и электрически нейтральные т Электроны могут перемещаться от одного атома к другому. При этом они формируют положительные (где отсутствует электрон) или отрицательные (одиночный электрон или атом с дополнительным электроном) ионы. Если электроны переходят к нейтрально заряженному телу, то в этой области их количество становится большим, чем количество положительных протонов.

Таким образом появляется некомпенсированный отрицательный заряд. И наоборот, в области, откуда они уходят, появляется нехватка отрицательных зарядов, необходимых для компенсации положительных, и область заряжается положительно.

Особенности электризации:

• электризация происходит при взаимодействии ;

• в электризации участвуют два тела или более;

• электризуются оба тела.

Электризация нейтральных тел, состоящих из разных веществ, возможна, если в атомах одного из них есть электроны со слабой связью с ядром, а у другого, наоборот присутствуют очень сильные связи. Электроны, которые вращаются на удаленных орбитах, слабо взаимодействуют с ядрами, и часть таких электронов легко теряет свои связи с ними.Поэтому, при тесном контакте с веществами, имеющими более сильные электронные связи с ядрами, происходит окончательный разрыв слабой связи и перемещение свободных электронов.

Главным условием электризации тел является наличие слабых и сильных электронных связей.

1. Проводники, диэлектрики и полупроводники

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

G=1/R

Говоря простыми словами – проводник проводит ток

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

1. Взаимодействие заряженных тел. Электрическое поле

Заряженные тела воздействуют друг на друга. Сила взаимодействия двух зарядов зависит от величин этих зарядов и от расстояния межу ними. Долгое время оставалось неясным, посредством чего взаимодействуют заряженные тела, если они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Кулон был убеждён, что промежуточная среда, т. е. «пустота» между зарядами никакого участия во взаимодействии не принимает.

Такая точка зрения, несомненно, была навеяна впечатляющими успехами ньютоновской теории тяготения, блестяще подтверждавшейся астрономическими наблюдениями. Однако сам Ньютон писал: «Непонятно, каким образом неодушевлённая косная материя, без посредства чего-либо иного, что нематериально, могла бы действовать на другое тело без взаимного прикосновения».

В 30-е годы XIX века английским естествоиспытателем М. Фарадеем была введена в физику идея поля как материальной среды, посредством которой осуществляется любое взаимодействие пространственно удалённых тел. М. Фарадей считал, что «материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею». Фарадей развил последовательную концепцию электромагнитного поля, основанную на идее конечной скорости распространения взаимодействия. Законченная теория электромагнитного поля в строгой математической форме была через 30 лет развита другим английским физиком, Дж. Максвеллом.

По современным представлениям электрические заряды наделяют окружающее их пространство особыми физическими свойствами – создают электрическое поле. Основным свойством поля является то, что на находящуюся в этом поле заряженную частицу, действует некоторая сила, т. е. взаимодействие электрических зарядов осуществляется посредством создаваемых ими полей. Поле, создаваемое неподвижными зарядами, не изменяется со временем и называется электростатическим.

Таким образом, электрическое поле представляет собой особый вид материи (отличный от вещества), которое создаётся электрическими зарядами и которое обнаруживается по действию на электрические заряды. Более подробно взаимодействие электрических зарядов и электрические поля, создаваемые зарядами, будут рассмотрены в десятом классе, а мы перейдём к изучению вопросов, связанных с электрическим током.

1. Закон сохранения электрического заряда.

Электрический заряд — это физическая величина, которая определяет способность тел создавать электромагнитное поле и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Мы состоим из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы в свою очередь состоят из атомов, а атомы — из ядра и электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов.

Протон — это частица, которая заряжена положительно, нейтрон — нейтрально, а электрон — отрицательно. Электроны вращаются по орбитам, которые во много раз больше, чем размер электрона.

Размер электрона с размером орбиты можно сравнить так: представьте футбольный мяч и футбольное поле. Во сколько раз поле больше мяча, во столько же раз орбита больше, чем электрон.

Как мы уже выяснили, электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются:

А вот измерять Электрический заряд мы будем в Кулонах [Кл]. Нет, не тех, что болтаются на цепочке. Шарль Кулон — это физик, который изучал электромагнитные явления.

Чтобы разобраться с тем, как тело приобретает электрический заряд и сохраняет его, нам для начала нужно поближе познакомиться с протоном и электроном. Протон — ленивый и неповоротливый — он точно не будет никуда перемещаться, если мы не переместим атом целиком.

А вот электрон — парень подвижный, и ему перебежать с одного атома на другой — ничего не стоит.

Мы поговорим о двух типах электризации: электризация соприкосновением и электризация трением.

Электризация соприкосновением — это процесс, при котором мы берем два проводящих тела: отрицательно заряженное и нейтральное.

Свободные электроны переходят с незаряженного тела на нейтральное. А если мы возьмем положительно заряженное тело вместо отрицательного, то свободные электроны перейдут с нейтрального тела, чтобы уравновесить заряды.

Электризации трением — это когда мы берем два незаряженных тела и трем их друг о друга.

Электроны переходят от одного тела к другому и в отличии от электризации соприкосновением заряжаются противоположными по знаку и равными по модулю зарядами.

То есть при соприкосновении заряд раздают одного знака и поровну. Как если бы ты поделился с другом конфетами, которых у тебя с избытком.

При трении наоборот — заряды у тел будут разных знаков, но также в одинаковом количестве. Например, у вас есть равное количество денег в рублях и долларах, и у меня аналогичная ситуация с той же суммой. Вы решили лететь в США, а мне как раз доллары не нужны. Чтобы не ходить в банк, мы можем просто поменяться. Тогда у вас будут только доллары, а у меня — только рубли. Главное, договориться про курс :)

1. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы.

Электрический ток — направленное, упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные).

Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.

Обрати внимание! Условия существования электрического тока:

• наличие свободных электрических зарядов;

• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;

• замкнутая электрическая цепь.

Электрическое поле создают источники электрического тока.

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.

Существуют различные виды источников тока:

Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.

Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.

Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.

Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию. Сюда относится фотоэлемент.

При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.

Химический источник тока — в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

К нему относится, например, гальванический элемент.

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.

Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.

Гальванические элементы – химический источник электрического тока. Ток возникает в замкнутой цепи, которая образуется  при взаимодействии двух металлов через электролит. Устройство состоит из электролита и двух электродов различной природы (отрицательный и положительный). Электрод – проводник, представляет собой металлическую пластину или сетку, на которые нанесены реагенты (например, хлорсеребряный, стеклянный, водородный электроды, электрод сравнения). На отрицательный электрод наносится восстановитель, на положительный – окислитель. В гальваническом элементе электроды помещены в электролит – раствор какого-либо вещества, которое распадается на части при протекании окислительно-восстановительных реакций, т.е. при электролизе.

1. Сила тока как физическая величина. Амперметр.

Когда ток протекает по проводнику, можно наблюдать нагревание проводника, магнитное действие и другие явления. Действие тока выражено тем сильнее, чем больше заряд, который проходит через проводник за секунду.

Поскольку заряд в проводнике переносят заряженные частицы — свободные электроны или ионы, следует отметить, что суммарный заряд увеличивается по мере нарастания потока частиц. Описывать действие электрического тока удобно, основываясь на величине заряда, который проходит через поперечное сечение проводника за секунду, — силе тока.

Сила тока — физическая величина, которая равна заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Чтобы определить силу тока, следует заряд прошедший через поперечное сечение проводника за время разделить на этот интервал:

Единица измерения силы тока

Единица измерения силы тока в СИ — одна из основных единиц. Её определяют экспериментально, по взаимодействию параллельных проводников, по которым протекают токи.

Если расположить два проводника на небольшом расстоянии друг от друга и пропустить по ним постоянный ток, то в зависимости от направления тока проводники будут притягиваться или отталкиваться

Силу, с которой проводники взаимодействуют, можно измерить. Экспериментально установлено, что величина силы взаимодействия зависит от расстояния между проводниками, их длины, свойств окружающей среды, силы тока в проводниках.

Последнее мы и будем использовать. Если взять абсолютно одинаковые проводники и, сохраняя расстояния между ними, менять силу тока, оказывается, что по мере увеличения силы тока растёт и сила взаимодействия проводников.

Для измерения силы тока используют прибор, который называется амперметр. Чтобы отличить его от других приборов, на нём рядом со шкалой ставят букву А. Клеммы амперметра, к которым подключают провода, помечены знаками «+» и «–».

Если в цепь включены несколько приборов таким образом, что начало одного участка соединяется с концом другого, то сила тока на каждом участке не меняется. Это объясняется тем, что заряд проходит во всей цепи и не делится на части. Такое соединение называют последовательным.

Контрольные вопросы:

1. В чем измеряется сила тока?

2. Гальванические элементы это?

3. Какие разряды притягиваются?

4. Как происходит электризация соприкосновением?

5. Где применяются полупроводники?

6. Назовите особенности электризации.

7. Назовите условия существования электрического тока.

Тест

№ 1. В каких случаях эти наэлектризованные/ненаэлектризованные шарики не взаимодействуют?

(Выбери один вариант ответа.)

А)

Б)

В)

№ 2. Что произойдёт, если изображённую на рисунке палочку поднести к подвешенному на нитке шарику?

А) Шарик оттолкнётся от палочки

Б) Ничего не произойдёт

В) Шарик притянется к палочке

№ 3. Что покажет опыт, если к подвешенному незаряженному цилиндрику из бумаги поднести стеклянную палочку, потёртую о бумагу?

А) Тело притянется к палочке

Б) Тело оттолкнётся от палочки

№ 4. Правильно ли изображено взаимодействие наэлектризованных/ ненаэлектризованных тел?

А) Да

Б) Нет

№ 5. Являет(-ют)ся ли источником электрического тока электрический миксер?

А) Да.

Б) Только во включённом состоянии.

В) Нет.

№ 6. Верно ли утверждение?

В пальчиковой батарейке пульта телевизора электрическая энергия превращается во внутреннюю энергию.

А) Иногда.

Б) Да.

В) Нет.

№ 7.

В железном куске есть свободные электроны, которые непрерывно движутся. Течёт ли по куску ток в данном случае?

А) Течёт.

Б) Иногда течёт.

В) Не течёт.

№ 8. Рассмотри цепь. Представь себе, что в точке 2 находится амперметр, который показывает 2,63 А. Каково будет показание этого амперметра, если его переключить в точку 5?

А) Показание будет больше.

Б) Показание будет меньше.

В) Показание не изменится.

№ 9. В какой точке (1 или 2) на этом рисунке у амперметра знак «минус»?

А) 1

Б) 2

В) Нет правильного ответа.

№ 10. Прибор с такой шкалой предназначен для измерения

А) силы постоянного тока.

Б) силы переменного тока.