Какие условия нужны для существования электрического тока. Постоянный ток, его характеристики. Условия необходимые для существования электрического тока. Последовательное соединение потребителей энергии
Для начала ответим себе на вопрос, что такое электрический ток. Простая батарейка, стоящая на столе, сама по себе ток не создает. И фонарик, лежащий на столе, ток через свои светодиоды просто так, ни с того ни с сего, не создаст. Чтобы появился ток, что-то куда-то должно потечь, хотя бы начать двигаться, а для этого цепь из светодиодов фонарика и батарейки необходимо замкнуть. Не даром, в былые времена электрический ток сравнивали с движением некой заряженной жидкости.
На самом деле мы теперь знаем, что электрический ток - это направленное движение заряженных частиц, и что более близким к реальности аналогом был бы заряженный газ, - газ заряженных частиц, движущийся под действием электрического поля. Но обо всем по порядку.
Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц
Итак, электрический ток - это движение заряженных частиц, но даже хаотичное движение заряженных частиц - это тоже движение, однако оно еще не является током. Так и молекулы жидкости, все время пребывающие в тепловом движении, течения не создают, ведь суммарное перемещение всего объема покоящейся жидкости ровно нулю.
Чтобы возникло течение жидкости, должно возникнуть суммарное перемещение, то есть общее движение молекул жидкости должно стать направленным. Так хаотичное движение молекул сложится с направленным движением всего объема, и возникнет течение всего объема жидкости.
Аналогично обстоит дело и с электрическим током - направленное движение электрически заряженных частиц - есть электрический ток. Скорость теплового движения заряженных частиц, например в металле, измеряется сотнями метров в секунду, однако при направленном движении, когда в проводнике установлен какой-то определенный ток, скорость общего движения частиц измеряется долями и единицами миллиметров в секунду.
Так, если в металлическом проводнике сечением 1 кв.мм течет постоянный ток равный 10 А, то средняя скорость упорядоченного движения электронов составит от 0,6 до 6 миллиметров в секунду. Это уже будет электрическим током. И этого медленного движения электронов достаточно, чтобы проводник, например из нихрома, неплохо разогрелся, повинуясь .
Скорость частиц - это не скорость распространения электрического поля!
Отметим, что ток начинается в проводнике почти мгновенно по всему объему, то есть распространяется это «движение» по проводнику со скоростью света, а вот движение непосредственно самих заряженных частиц в 100 миллиардов раз медленнее. Можно рассмотреть аналогию с трубой, по которой течет жидкость.
1. Для существования электрического тока необходимы заряженные частицы
Электроны в металлах и в вакууме, ионы в растворах электролитов - служат носителями заряда и обеспечивают наличие тока в разных веществах. В металлах электроны очень подвижны, некоторые из них свободно могут двигаться от атома к атому, словно газ заполняя пространство между узлами кристаллической решетки.
В электронных лампах электроны покидают катод в процессе термоэлектронной эмиссии, устремляясь под действием электрического поля к аноду. В электролитах молекулы распадаются в воде на положительно и отрицательно заряженные части, и становятся ионами - свободными носителями заряда в электролитах. То есть везде, где может существовать электрический ток, есть свободные носители заряда, способные перемещаться . Это и есть первое условие существования электрического тока - наличие свободных носителей заряда.
2. Второе условие существования электрического тока - на заряд должны действовать сторонние силы
Если теперь взглянуть на проводник, допустим это медный провод, то можно задаться вопросом: а что нужно для того, чтобы электрический ток в нем возник? Заряженные частицы, электроны, есть, они способны свободно перемещаться.
Что заставит их двигаться? Известно, что электрически заряженная частица взаимодействует с электрическим полем. Следовательно в проводнике необходимо создать электрическое поле, тогда в каждой точке проводника возникнет потенциал, между концами проводника будет иметь место разность потенциалов, и электроны придут в движение по направлению поля - по направлению от «-» к «+», то есть в направлении против вектора напряженности электрического поля. Электрическое поле станет ускорять электроны, увеличивая их (кинетическую и магнитную) энергию.
В итоге, если мы рассматриваем просто приложенное снаружи к проводнику электрическое поле (поместили проводник в электрическое поле вдоль силовых линий), то электроны станут скапливаться у одного конца провода, и на этом конце возникнет отрицательный заряд, а поскольку с другого конца провода электроны сместились, то на нем будет иметь место заряд положительный.
В результате электрическое поле проводника, заряженного приложенным снаружи электрическим полем, будет такого направления, чтобы своим действием ослаблять внешнее электрическое поле.
Процесс перераспределения зарядов протечет почти мгновенно, и по его завершении ток в проводнике прекратится. Результирующее электрическое поле внутри проводника станет равным нулю, а напряженность по краям окажется равной по модулю, но противоположной по направлению к приложенному снаружи электрическому полю.
Если электрическое поле в проводнике создается источником постоянного тока, например батарейкой, то такой источник станет для проводника источником сторонних сил, то есть тем источником, который создаст в проводнике постоянную ЭДС, и будет поддерживать разность потенциалов. Очевидно, чтобы ток источником сторонних сил поддерживался, цепь должна быть замкнутой.
Разделы: Физика
Цели урока.
Обучающая:
формирование знаний учащихся об условиях возникновения и существования электрического тока.
Развивающая:
развитие логического мышления, внимания, умений использовать полученные знания на практике.
Воспитательная:
создание условий для проявления самостоятельности, внимательности и самооценки.
Оборудование.
- Гальванические элементы, аккумулятор, генератор, компас.
- Карточки (прилагаются).
- Демонстрационный материал (портреты выдающихся физиков Ампера, Вольта; плакаты “Электричество”, “Электрические заряды”).
Демонстрации:
- Действие электрического тока в проводнике на магнитную стрелку.
- Источники тока: гальванические элементы, аккумулятор, генератор.
План проведения урока
1. Организационный момент.
2. Вступительное слово преподавателя.
3. Подготовка к восприятию нового материала.
4. Изучение нового материала.
а) источники тока;
б) действия электрического тока;
в) физическая оперетта “Королева Электричество”;
г) заполнение таблицы “Электрический ток”;
д) меры безопасности при работе с электроприборами.
5. Подведение итогов урока.
6. Рефлексия.
7. Домашнее задание:
а) Опираясь на знания, полученные на уроках ОБЖ, спецтехнологии подготовить и записать в тетради памятку “Меры безопасности при работе с электроприборами”
б) Индивидуальное задание: Подготовить сообщение о применении источника тока в быту и технике.
Конспект урока
1. Организационный момент
Отметить наличие учащихся, назвать тему урока, цель.
2. Вступительное слово преподавателя
Со словами электричество, электрический ток мы знакомы с раннего детства. Электрический ток используется в наших домах, на транспорте, на производстве, в осветительной сети.
Но, что такое электрический ток, какова его природа, понять нелегко.
Слово электричество произошло от слова электрон, которое переводится с греческого языка как янтарь. Янтарь - это окаменевшая смола древних хвойных деревьев. Слово ток обозначает течение или движение чего-либо.
3. Подготовка к восприятию нового материала
Вопросы вводной беседы.
Какие два типа зарядов существуют в природе? Как они взаимодействуют?
Ответ: В природе существуют два вида зарядов: положительные и отрицательные.
Носителями положительного заряда являются протоны, отрицательного электроны. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно заряженные притягиваются
Существует ли электрическое поле вокруг электрона?
Ответ: Да, электрическое поле вокруг электрона существует.
Что такое свободные электроны?
Ответ: Это электроны наиболее удаленные от ядра, они могут свободно двигаться между атомами.
4. Изучение нового материала
а) Источники тока.
На столе находятся специальные устройства. Как они называются? Для чего они нужны?
Ответ: Это гальванические элементы, аккумулятор, генератор - общее название источники тока. Они необходимы для подачи электрической энергии, создают электрическое поле в проводнике.
Мы знаем, что существуют заряженные частицы, электроны и протоны, знаем, что существуют устройства, которые называются источниками тока.
б) Действия электрического тока.
Скажите, как мы можем понять, что в цепи существует электрический ток, по каким действиям?
Ответ: Электрический ток оказывает различные виды действия:
- Тепловое – проводник по которому идет электрический ток нагревается (электроплита, утюг, лампа накаливания, паяльник).
- Химическое действие тока можно наблюдать при пропускании электрического тока через раствор медного купороса – выделение меди из раствора купороса, хромирование, никелирование.
- Физиологическое – сокращение мышц человека и животных, по которым прошел электрический ток.
- Магнитное – при прохождении электрического тока по проводнику, если рядом расположить магнитную стрелку она способна отклонится. Это действие является основным. Демонстрация опыта: аккумулятор, лампа накаливания, соединительные провода, компас.
в) Физическая оперетта “Королева Электричество”. (Приложение № 1)
Теперь девушки старшего курса представят вашему вниманию оперетту “Королева Электричество”. Не забываем русскую народную пословицу “Сказка ложь, да в ней намек, добрым молодцам урок”. То есть, вы не только слушаете и смотрите, но и берете из нее определенную информацию. Ваша задача записать как можно больше физических терминов, которые встречаются в представлении.
г) Заполнение таблицы “Электрический ток”. (Приложение № 2)
Скажите, какое одно понятие объединяет все термины, которые вы записали?
Ответ: Электрический ток.
Приступаем к заполнению таблицы “Электрический ток”.
Заполняя таблицу, давайте, обобщим полученные на уроке знания и получим новую информацию.
В процессе заполнения таблицы делаем вывод о том, какие условия необходимы для создания электрического тока.
- Первое условие - это наличие свободных заряженных частиц.
- Второе условие - это наличие электрического поля внутри проводника.
д) Меры безопасности при работе с электроприборами.
Где, на производственной практике, вы сталкиваетесь с применением электрического тока? Ответы учащихся.
Ответ: При работе с электроприборами.
Запрещено.
- Ходить по земле, держа в руках включенные в сеть электроприборы. Особенно опасно ходить босиком по влажной почве.
- Входить в электрощитовые и другие электротехнические помещения.
- Браться за оборванные, оголенные, висящие и лежащие на земле провода.
- Вбивать гвозди в стену в месте, где может располагаться скрытая проводка. Смертельно опасно в этот момент заземляться на батареи центрального отопления, водопровод.
- Сверлить стены в местах возможной электропроводки.
- Красить, белить, мыть стены с наружной или скрытой проводкой, находящейся под напряжением.
- Работать с включенными электроприборами вблизи батарей или водопровода.
- Работать с электроприборами, менять лампочки, стоя на ванной.
- Работать с неисправными электроприборами.
- Ремонтировать необесточенные электроприборы.
5. Подведение итогов урока
Следуя законам физики, время неумолимо движется вперед, и наш урок подошел к своему логическому завершению.
Давайте подведем итоги нашего занятия.
Как вы считаете, что такое электрический ток?
Ответ: Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц.
Какие условия необходимы для создания электрического тока?
Ответ: Первое условие - это наличие свободных заряженных частиц.
Второе условие - это наличие электрического поля внутри проводника.
6. Рефлексия
7. Домашнее задание
а) Опираясь на знания, полученные на уроках ОБЖ, спецтехнологии, подготовить и записать в тетради памятку “Меры безопасности при работе с электроприборами”.
б) Индивидуальное задание: Подготовить сообщение о применении источника тока в быту и технике. (
Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение.
Сторонние силы – это такие силы, которые отличаются по природе от сил электростатического поля.
Эти силы могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей тока в неоднородной среде, электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми переменными во времени магнитными полями, и т. д.
ЭДС - физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по электрической цепи единичного положительного заряда:
ε = А ст./q Единица измерения - 1 В (Вольт)
Напряжение - физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними и электрическими силами при перемещении единичного положительного заряда.
U = (A ст.+ А эл.)/q Единица измерения - 1 В.
Электрическая цепь. Однородный и неоднородный участок цепи.
Однородные и неоднородные участки цепи
Однородный участок цепи – участок цепи, на котором не действуют никакие сторонние силы(нет ист.тока)
Неоднородный участок цепи – участок цепи, на котором есть источник тока.
Электри́ческая цепь
Электрическая цепь. Внешний и внутренний участок цепи, падение напряжения.
Электри́ческая цепь - совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитных процессов.
Электрическая цепь может быть разделена на два участка: внешний и внутренний.
Внешний участок, или, как говорят, внешняя цепь, состоит из одного или нескольких приемников электрической энергии, соединительных проводов и различных вспомогательных устройств, включенных в эту цепь.
Внутренний участок, или внутренняя цепь,- это сам источник.
Падение напряжения - постепенное уменьшение напряжения вдоль проводника, по которому течёт электрический ток, обусловленное тем, что проводник обладает активным сопротивлением.
Сопротивление проводника
Сопротивление – величина, пропорциональная длине проводника l и обратно пропорциональна площади его поперечного сечения S
Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.
Удельное электрическое сопротивление проводника ρ [Ом*м] ρ=RS/l R = ρ*l/S
Закон Ома для участка цепи и для замкнутой цепи
Закон Ома для участка электрической цепи - сила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению участка.
Закон Ома для полной электрической цепи - сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи (сумме внешнего и внутреннего сопротивлений)
I = ε / (R + r). где R - сопротивление внешнего участка цепи,
r - внутреннее сопротивление.
Последовательное соединение потребителей энергии
При последовательном соединении проводники соединены последовательно, то есть друг за другом, при этом I=const, U=U 1 +U 2 +U 3 +…+U n и R=R 1 +R 2 +R 3 +…+R n
Параллельное соединение источников тока.
Работа электрического тока
Работа эл.тока А равна произведению величины перемещаемого заряда Q на напряжение U
A=Q*U [A]=Дж, [U]=B, [Q]=Кл, [t]=c.
Т.к. I=Q/t, => Q=I*t, значит A=I*U*t
По закону Ома для участка цепи I=U/R, U=I*R
A=I*U*T => A=U 2 *t/R(удобно при паралл.соед.) => A=I 2 *R*t(удобно при последов.)
Природа света.
Природа света - волновая.
17 век Христиан Гюйгенс: 1) дифракция-огибание светом препятствий 2)интерференция-сложение волн.
19 век - теория максвелла (скорость света – частный случай электромагнитных волн) - электромагнитная теория скорость распространения электромагнитных волн в вакууме 3*10 8 м/c равная скорости света в вакууме. 299 тыс. км/с
17в век О.Ремер астрономическим методом получил скорость света примерно 214,3 км/с
19 век . Физо скорость света примерно 313тыс.км/с
Природа света – квантовая.
примерно 500 лет до н/э Пифагор: свет - поток частиц.
17 век Исак Ньютон придерживался этой же теории. Карпускула(от лат.) – частица.
Карпускулярная теория Ньютона: 1) прямолинейное распространение свет 2) закон отражения 3) образование тени от предметов
19 в Генрих Герц открыл явление фотоэффекта.
20 век. Свет имеет двойственную природу - обладает корпускулярно-волновым дуализмом : при распространении - как волна, а при излучении и поглощении - как поток частиц.
связь между длинной иволны лямда и частотой ню
лямда=с/ню с - скорость света в вакууме [м/с] лямда [м] ню [Гц]
Законы отражения
1.Падающий луч, отражающий луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2Угол отражения γ равен углу падения α: γ = α
Зеркальное отражение - если шероховатости меньше лямды и дифузное шероховатости сравнимы с лямда
Диффузное отражение света. Зеркальное отражение света.
Законы преломления света.
Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ есть величина, постоянная для двух данных сред:
Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.
Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:
Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ 1 к скорости их распространения во второй среде υ 2:
Природа света из 26.
Интерференция волн – это явление наложения когерентных волн; свойственно волнам любой природы (механическим, электромагнитным и т.д.)
Когерентные волны - это волны, испускаемые источниками, имеющими одинаковую частоту и постоянную разность фаз.
При наложении когерентных волн в какой-либо точке пространства амплитуда колебаний (смещения) этой точки будет зависеть от разности расстояний от источников до рассматриваемой точки. Эта разность расстояний называется разностью хода.
При наложении когерентных волн возможны два предельных случая:
Условие максимума:
где 
Разность хода волн равна целому числу длин волн (иначе четному числу длин полуволн).
В этом случае волны в рассматриваемой точке приходят с одинаковыми фазами и усиливают друг друга – амплитуда колебаний этой точки максимальна и равна удвоенной амплитуде.
Условие минимума:
, где
Разность хода волн равна нечетному числу длин полуволн.
Волны приходят в рассматриваемую точку в противофазе и гасят друг друга.
Амплитуда колебаний данной точки равна нулю.
В результате наложения когерентных волн (интерференции волн) образуется интерференционная картина.
При интерференции волн амплитуда колебаний каждой точки не меняется во времени и остается постоянной.
При наложении некогерентных волн нет интерференционной картины, т.к. амплитуда колебаний каждой точки меняется со временем.
Интерференция света
1802г. Английский физик Томас Юнг поставил опыт, в котором наблюдалась интерференция света.
Опыт Томаса Юнга
От одного источника через щель А формировались два пучка света (через щели В и С), далее пучки света падали на экран Э. Так как воны от щелей В и С были когерентными, на экране можно было наблюдать интерференционную картину: чередование светлых и темных полос.
Светлые полосы – волны усиливали друг друга (соблюдалось условие максимума).
Темные полосы – волны складывались в противофазе и гасили друг друга (условие минимума).
Если в опыте Юнга использовался источник монохроматического света (одной длины волны, то на экране наблюдались только светлые и темные полосы данного цвета.)
Если источник давал белый свет (т.е. сложный по своему составу), то на экране в области светлых полос наблюдались радужные полосы. Радужность объяснялась тем, что условия максимумов и минимумов зависят от длин волн.
Интерференция в тонких пленках
Явление интерференции можно наблюдать, например:
Радужные разводы на поверхности жидкости при разливе нефти, керосина, в мыльных пузырях;
Толщина пленки должна быть больше длины световой волны.
При проведении своего опыта Юнгу впервые удалось измерить длину световой волны.
В результате опыта Юнг доказал, что свет обладает волновыми свойствами.
Применение интерференции:
- интерферометры – приборы для измерения длины световой волны
- просветление оптики (в оптических приборах при прохождении света через объектив потери света составляют до 50%) – все стеклянные детали покрывают тонкой пленкой с показателем преломления чуть меньше, чем у стекла; перераспределяются интерференционные максимумы и минимумы и потери света уменьшаются.
Природа света из 26.
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА
Дифракция - это явление, присущее волновым процессам для любого рода волн.
Дифракция света – это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий.
Явление дифракции света доказывает, что свет обладает волновыми свойствами.
Для наблюдения дифракции можно:
Пропустить свет от источника через очень малое отверстие или расположить экран на большом расстоянии от отверстия. Тогда на экране наблюдается сложная картина из светлых и темных концентрических колец.
- или направить свет на тонкую проволоку, тогда на экране будут наблюдаться светлые и темные полосы, а в случае белого света – радужная полоса.
Дифракционная решетка
Это оптический прибор для измерения длины световой волны.
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.
Если на решетку падает монохроматическая волна. то щели (вторичные источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее – экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.
Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладыается целое число длин волн, то волны от всех щелей будут усиливать друг друга. При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) имеют радужную окраску.
Итак, условие максимума:
где k – порядок (или номер) дифракционного спектра
Чем больше штрихов нанесено на решетке, тем дальше друг от друга находятся дифракционные спектры и тем меньше ширина каждой линии на экране, поэтому максимумы видны в виде раздельных линий, т.е. разрешающая сила решетки увеличивается.
Точность измерения длины волны тем больше, чем больше штрихов приходится на единицу длины решетки.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА
Поляризация волн
Свойство поперечных волн – поляризация.
Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходят в одной плоскости.
Поляризация света
Опыт с турмалином – доказательство поперечности световых волн.
Кристалл турмалина – это прозрачный, зеленого цвета минерал, обладающий осью симметрии.
В луче света от обычного источника присутствуют колебания векторов напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения световой волны. Такая волна называется естественной волной.
При прохождении через кристалл турмалина свет поляризуется.
У поляризованного света колебания вектора напряженности Е происходят только в одной плоскости, которая совпадает с осью симметрии кристалла.
Поляризация света после прохождения турмалина обнаруживается, если за первым кристаллом (поляризатором) поставить второй кристалл турмалина (анализатор).
При одинаково направленных осях двух кристаллов световой луч пройдет через оба и лишь чуть ослабнет за счет частичного поглощения света кристаллами.
Схема действия поляризатора и стоящего за ним анализатора:
Если второй кристалл начать поворачивать, т.е. смещать положение оси симметрии второго кристалла относительно первого, то луч будет постепенно гаснуть и погаснет совершенно, когда положение осей симметрии обоих кристаллов станет взаимно перпендикулярным.
Применение поляризованного света:
Плавная регулировка освещенности с помощью двух поляроидов
- для гашения бликов при фотографировании (блики гасят, поместив между источником света и отражающей поверхностью поляроид)
Для устранения слепящего действия фар встречных машин.
Поляроид, поляризационный светофильтр, один из основных типов оптических линейных поляризаторов; представляет собой тонкую поляризационную плёнку, заклеенную для защиты от механических повреждений и действия влаги между двумя прозрачными пластинками (плёнками).
ДИСПЕРСИЯ
Луч белого света, проходя через трехгранную призму не только отклоняется, но и разлагается на составляющие цветные лучи.
Это явление установил Исаак Ньютон, проведя серию опытов.
Опыты Ньютона
Опыт по разложению белого света в спектр:
или 
Ньютон направил луч солнечного света через маленькое отверстие на стеклянную призму.
Попадая на призму, луч преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов – спектр.
Опыт по синтезу (получению) белого света:
Сначала Ньютон направил солнечный луч на призму. Затем, собрав вышедшие из призмы цветные лучи с помощью собирающей линзы, Ньютон на белой стене получил вместо окрашенной полосы белое изображение отверстия.
Выводы Ньютона:
Призма не меняет свет, а только разлагает его на составляющие
- световые лучи, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости; наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, менее сильно – красные
Красный свет, который меньше преломляется, имеет наибольшую скорость, а фиолетовый - наименьшую, поэтому призма и разлагает свет.
Зависимость показателя преломления света от его цвета называется дисперсией.
Запомни фразу, начальные буквы слов которой дают последовательность цветов спектра:
"Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан".
Спектр белого света:
Выводы:
Призма разлагает свет
- белый свет является сложным (составным)
- фиолетовые лучи преломляются сильнее красных.
Цвет луча света определяется его частотой колебаний.
При переходе из одной среды в другую изменяются скорость света и длина волны, а частота, определяющая цвет остается постоянной.
Границы диапазонов белого света и его составляющих принято характеризовать их длинами волн в вакууме.
Белый свет – это совокупность волн длинами от 380 до 760 нм.
Где можно наблюдать явление дисперсии?
При прохождении света через призму
- преломление света в водяных каплях, например, на траве или в атмосфере при образовании радуги
- вокруг фонарей в тумане.
Как объяснить цвет любого предмета?
Белая бумага отражает все падающие на нее лучи различных цветов
- красный предмет отражает только лучи красного цвета, а лучи остальных цветов поглощает
-
Глаз воспринимает отраженные от предмета лучи определенной длины волны и таким образом воспринимает цвет предмета.
Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др.
Электрический ток и условия его существования.
Электрический ток – это упорядоченное, направленное, движение свободных зарядов в проводнике.
Постоянный ток – это эл.ток, характеристики которого со временем не меняются.
Условия существования электрического тока
Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий:
-наличие в среде свободных электрических зарядов
-создание в среде электрического поля.
В разных средах носителями электрического тока являются разные заряженные частицы.
Сила тока I скалярная величина, характеризующая заряд Q, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени. Q=q*N I=Q/t
Сила тока измеряется в амперах, а заряд в кулонах. I=[A], Q=[Кл]
Плотность тока – j векторная величина j V q , показывает силу тока на единицу S сеч.
j=I/S сеч Площадь сечения S сеч. измеряется в квадратных метрах
Действия электрического тока – это явления, которые вызывает электрический ток. По ним можно судить о наличии тока.
Покрытие одних металлов тонким слоем других (никелирование, хромирование, омеднение, серебрение, позолота и т. д) - гальваностегия
Сила тока Действие тока на организм человека 0 – 0, 5 м. А Отсутствует 0, 5 – 2 м. А Потеря чувствительности 2 -10 м. А Боль, мышечные сокращения 10 -20 м. А Растущее воздействие на мышцы, некоторые повреждения 16 м. А Ток, выше которого человек уже не может освободиться от электродов 20 -100 м. А Дыхательный паралич 100 м. А – 3 А Смертельные желудочковые фибрилляции (необходима немедленная реанимация) Более 3 А Остановка сердца. (Если шок был кратким, сердце можно реанимировать.) Тяжёлые ожоги.
Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц. Для существования электрического тока необходимы следующие условия: 1. Наличие свободных электрических зарядов в проводнике; 2. Наличие внешнего электрического поля для проводника.
Проводят ли жидкости электрический ток? Электролиты - растворы солей, щелочей или кислот способных проводить электрический ток. Электрический ток электролите (жидкости) – это направленное движение ионов в электрическом поле. (m=kit)
Сравни опыты, проводимые на рисунках. Что общего и чем отличаются опыты? Для создания эл. поля используют Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какоголибо вида энергии в электрическую энергию. Устройства, разделяющие заряды, т. е. создающие электрическое поле, называют источниками тока.
Первая электрическая батарея появилась в 1799 году. Её изобрел итальянский физик Алессандро Вольта (1745 - 1827) - итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока. Его первый источник тока – «вольтов столб» был построен в точном соответствии с его теорией «металлического» электричества. Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой.
Батарея (элемент питания) - обиходное название источника электричества для автономного питания портативного устройства. Может представлять собой одиночный гальванический элемент, аккумулятор или их соединение в батарею для увеличения напряжения.
Аккумулятор - химический источник тока многоразового действия. Если поместить в раствор соли два угольных электрода, то гальванометр не показывает наличие тока. Если же аккумулятор предварительно зарядить, то его можно использовать в качестве самостоятельного источника тока. Существуют различные типы аккумуляторов: кислотные и щелочные. В них заряды разделяются также в результате химических реакций. Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных потребителей.
Герметичные малогабаритные аккумуляторы (ГМА). ГМА используются для малогабаритных потребителей электрической энергии (телефонные радио-трубки, переносные радиоприемники, электронные часы, измерительные приборы, сотовые телефоны и др.).
Аккумулятор (от лат. accumulator - собиратель) - устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования.
Электрофорная машина До конца XVIII века все технические источники тока были основаны на электризации трением. Наиболее эффективным из этих источников стала электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака) Механический источник тока - механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.
Электромеханический генератор. Заряды разделяются путем совершения механической работы. Применяется для производства промышленной электроэнергии. Генератор (от лат. generator - производитель) - устройство, аппарат или машина, производящая какой-либо продукт.
Термоэлемент Термопара Термоэлемент (термопара) - две проволоки из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть место спая, то в них возникает ток. Заряды разделяются при нагревании спая. Термоэлементы применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях в качестве датчика температуры. Тепловой источник тока - внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию
Фотоэлемент Солнечная батарея Фотоэлемент. При освещении некоторых веществ светом в них появляется ток, световая энергия превращается в электрическую. В данном приборе заряды разделяются под действием света. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи. Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах. Энергия света c помощью солнечных батарей преобразуется в электрическую энергию.
Классификация источников тока Источник тока Фотоэлемент Способ разделения зарядов Применение Действие света Солнечные батареи Нагревание Термоэлемент Измерение температуры спаев Совершение Электромехани. Производство механической ческий генератор промышленной эл. энерг. работы Гальванический Химическая Фонарики, элемент реакция радиоприемники Аккумулятор Химическая Автомобили реакция
Сила тока –физическая величина, характеризующая действие тока I n Обозначается – n Измеряется в амперах – А n Прибор для измерения – амперметр, подключает последовательно. n Прибор для регулирования - реостат.
Почему уменьшается сопротивление? n Расстояние на схеме от кончика стрелки до полюса реостата – это расстояние, которое заряд проходит по проволоке, имеющей большое сопротивление. Передвинув ползунок реостата влево, мы сокращаем это расстояние, а, следовательно, и сопротивление цепи.
Определение силы тока: Сила тока – это физическая величина показывающая, какое количество заряда прошло через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Единица силы тока АНДРЕ-МАРИ АМПЕР (1775 - 1836) - французский физик и математик. Сила тока в металлическом проводнике находится
Напряжение – физическая величина, характеризующая работу электрического поля по перемещению заряда. n Обозначается – U Измеряется в вольтах - В n Прибор для измерения вольтметр, подключение параллельно. n
И снова доброго времени суток вам, уважаемые. Без лишних прелюдий начнём наш сегодняшний разговор. Казалось бы, с причинами возникновения тока в проводнике мы давно разобрались. Поместили проводник в поле – побежали электроны, возник ток. Что еще надо. Но оказывается, чтобы этот ток существовал в проводнике постоянно, необходимо соблюдать некоторые условия. Для более ясного понимания физики процесса протекания электрического тока в проводнике рассмотрим пример.
Предположим, что у нас имеется некоторый проводник, который мы поместим в электрическое поле как показано на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Проводник в электрическом поле
Условно обозначим величину напряженности на концах проводника как E 1 и E 2 , причем E 1 >E 2 . Как мы выяснили ранее, свободные электроны в проводнике начнут двигаться в сторону большей напряженности поля, то есть в точку А. Однако со временем потенциал, образованный скоплением электронов в точке А станет таким, что создаваемое им собственное электромагнитное поле E 0 сравняется по модулю с внешним полем, причем направления полей будут противоположными, поскольку потенциал точки В – более положительный (недостаток электронов, вызванный воздействием внешнего поля).
Поскольку результирующее действие двух одинаковых противоположных сил равно нулю: |E|+|(E 0)|=0, электроны прекращают упорядоченное движение, электрический ток прекращается. Для того, чтобы поток электронов был непрерывный необходимо: во-первых, приложить дополнительную силу не потенциального характера, которая бы компенсировала влияние собственного электрического поля проводника и, во-вторых, создать замкнутый контур, поскольку перемещение электронов может происходить только в проводниках (ранее мы указали, что диэлектрики хоть и имеют некоторую электропроводность, но не пропускают электрический ток) и для обеспечения постоянства компенсирующей силы необходимо постоянство полей: как внешнего так и собственного.
Начнём разбираться со второго пункта. Будем рассматривать проводник, помещенный в поле, как показано на рисунке 4.2. Предположим, что после того, как взаимодействие внешнего и собственного электромагнитных полей было скомпенсировано, мы приложили дополнительно к внешнему полю еще одно такое же поле. Суммарное действие внешнего поля составит 2 |E|. Ток в проводнике продолжит течь в том же направлении, однако ровно до того момента, пока 2 |E|>|E 0 |, после чего электрический ток вновь прекратиться. То есть внешнее воздействие должно увеличиваться непрерывно для обеспечения протекания тока в разомкнутом проводнике, что невозможно.
Если замкнуть проводник так, чтобы одна его часть лежала вне поля, тогда за счет работы дополнительной силы помимо внешнего поля (эта сила в таком случае должна быть не потенциальной, поскольку работа потенциальной силы в замкнутом контуре равна нулю и не зависит от формы траектории), то в проводнике возникнет электрический ток, обусловленный влиянием только внешнего поля, поскольку собственно поле проводника будет полностью скомпенсировано. Именно поэтому любая электрическая цепь всегда должна быть замкнутой.
Можно попробовать объяснить необходимость введения дополнительной силы из такого соображения: если бы мы могли заряды с конца В проводника частично перебрасывать на конец А проводника, электрический ток бы так же не прекращался. Однако, на такое «десантирование» так же требуется энергия. Значит, введение дополнительной силы всё равно необходимо. Не потенциальные силы так же называют сторонними силами. А их источники – источниками или генераторами тока.
Рисунок 4.2 – Возникновение собственного электромагнитного поля в проводнике
Так где же взять дополнительную силу, которая, притом, не должна быть создана полем, ведь без нее тока мы не получим? Оказывается, во время протекания химической восстановительно-окислительной реакции, например, взаимодействие диодксида свинца и разбавленной серной кислоты, происходит высвобождение свободных электронов:
Для того, чтобы «притянуть» все электроны, высвобожденные в процессе реакции к одной точки пространства, в раствор серной кислоты помещается несколько свинцовых решёток, называемых электродами. Одна часть электродов изготавливается из свинца и называется катод, другая – анод – изготавливается из диоксида свинца. Катод является источником свободных электродов для внешней цепи, а анод – приемником.
Приведённый пример соответствует известному всем автомобилистам (да и не только) устройству – свинцово-кислотному аккумулятору. Конечно, приведенный пример мало совпадает с тем, что происходит внутри аккумулятора в действительности, однако, суть возникновения тока отражает хорошо. Таким образом, между положительным анодом (мало электронов) и отрицательным катодом (много электронов) возникает электрическое поле, которое формирует сторонние силы и создаёт ток в проводнике. Эта сила зависит только от протекания химической реакции, то она практически постоянная до того момента, пока существуют элементы этой реакции – кислота и оксид свинца. Следовательно, если мы уберём электрическое поле и подключим проводник к аноду и катоду, электрический ток всё равно будет протекать из-за того, что аккумулятор создаёт стороннюю силу. Проводник будет иметь вокруг себя собственное электрическое поле, которое нужно преодолеть аккумулятору, чтобы перенести электрон от катода к аноду. В этом и есть суть сторонней силы.
Теперь рассмотрим ситуация с аккумулятором и подключенным к нему проводником.Электрическое поле совершает положительную работу по перемещению положительного заряда (мы говорим именно о положительных зарядах, так как направлению их движения соответствует направление тока) в направлении уменьшения потенциала поля. Источник тока проводит разделение электрических зарядов – на одном полюсе накапливаются положительные заряды, на другом отрицательные. Напряженность электрического поля в источнике направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной при его движения от «плюса» к «минусу». Работа сторонних сил, наоборот, положительна в том случае, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от «минуса» к «плюсу».В этом принципиальное отличие понятий разности потенциалов и ЭДС, о котором всегда необходимо помнить.
На рисунке 4.3 показано направление протекания тока Iв проводнике, подключенному к аккумулятору – от положительного анода к отрицательному катоду, однако внутри аккумулятора сторонние силы химической реакции производят «десантирование» электронов, пришедших из внешней цепи с анода на катод и положительных ионов с катода на анод, то есть действуют против направления движения тока и направления поля.
Рисунок 4.3 – Демонстрация сторонних сил при возникновении электрического тока
Из сделанных выше соображений можно сделать следующий вывод: силы, действующие на заряд внутри источника тока отличны от сил, действующий внутри проводника. Соответственно, необходимо эти силы отличать друг от друга. Для характеристики сторонних сил была введена величина электродвижущей силы (ЭДС) – работы, совершаемой сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда.Обозначается латинской буквой ε («эпсилон») и измеряется так же, как и разность потенциалов – в вольтах.
Поскольку разность потенциалов и ЭДС являются силами различного типа, можно говорить о том, что ЭДС вне выводов источника равно нулю. Хотя в обычной жизни этими тонкостями пренебрегают и говорят: «Напряжение на батарее 1.5В», хотя строго говоря напряжение на участке цепи – суммарная работа электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда. В будущем мы еще будем сталкиваться с этими понятиями и они пригодятся нам при расчете сложных электрических цепей.
На этом, пожалуй всё, потому что урок получился чересчур нагруженным… Но понятия напряжение и ЭДС нужно уметь отличать.
- Для существования электрического тока необходимо два условия:
1)замкнутая электрическая цепь;
2)наличие источника сторонних непотенциальных сил. - Электродвижущая сила (ЭДС) – работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда.
- Источники сторонних сил в электрической цепи называются так же источниками тока.
- Положительный вывод аккумулятора называется анод, отрицательный – катод.
Задачек на этот раз не будет, лучше лишний повторить этот урок, чтобы понимать всю физику протекания тока в проводнике. Как всегда любые возникшие вопросы, предложения и пожелания можете оставлять в комментариях ниже! До новых встреч!
