Учебник Физика 9 класс Сиротюк

в. Д. СИРОТЮК Физика Учебник для 9 класса общеобразовательных учебных заведений Рекомендовано Министерством образования и науки Украины Учебник — победитель Всеукраинского конкурса учебников для 12 летней школы Министерства образования и науки Украины в 2009 г. Киев «Зодаак-ЕКО» 2009 ББК 22.3я721 С40 Рекомендовано Министерством образования и науки Украины (Приказ Министерства образования и науки Украины от 2 февраля 2009 г., протокол Л? 56) Издано за счёт государственных средств. Продажа запрещена Переведено с издания: В. Д. Сиротюк. Ф1зика: п1друч. для 9 кл. загальноосв1т. навч. заклад1в. — К.: Зод1ак-ЕКО, 2009. Переводчики: К. А. Дмитренко, Е, С. Святицкая Ответственные за подготовку учебника к изданию: Е. В. Хоменко, главный специалист Министерства образования и науки Украины; И. А. Юрчук,методист высшей категории Института инновационных технологий и содержания образования Министерства образования и науки Украины. Эксперты рукописи учебника: В. Н. Карпова — учитель методист гимназии Л® 28, г. Запорожье; О. Н. Дума — учитель методист гимназии № 4, г. Одесса; А. М. Хорекко — методист Киевского ОИПОПК, учитель-методист; 3. Я. Евтушик — методист ГМК Ковельского городского управления образования; И. И. Бродин — доцент кафедры физики твЩ)дого тела Прикарпатского национального университета им. Б. Стефаника, кандидат физико математических наук; В. Г. Барьяхтар — директор Института магнетизма НАН Украины, доктор физико математических наук, профессор, действительный член НАН Украины; Н. В. Головко заместитель директора Института педагогики АПН Украины, кандидат педагогических гшук ТВОРЧЕСКАЯ ГРУППА СОЗДАТЕЛЕЙ УЧЕБНИКА Юрий КУЗНЕЦОВ — руководитель проекта, автор концепций; структуры, дизайна; Владимир СИРОТЮК — автор текста и методического аппарата; Олег КОСТЕНКО — заместитель руководителя проекта; Константин ДМИТРЕНКО — редактор-организатор; Наталия ДЕМИДЕНКО — контрольное редактирование; Андрей ВИКСЕНКО — разработчик макета, художественного оформления, художник обложки; Виктор ГОГИЛЬ'ЧИН — компьютерный дизайн, вёрстка; Валентина МАКСИМОВСКАЯ — организатор производственного процесса; Галина КУЗНЕЦОВА — экономическое сопровождение проекта; Роман КОСТЕНКО — маркетинговые исследования учебника; Андрей КУЗНЕЦОВ — мониторинг апробации учебника © Издательство «Зодаак ВКОо. Все права защищены. Никакие часть, элемент, идея, композиционный подход этого издания не могут быть скопированы либо воспроизведены в любой форме и любыми способами — ни электронными, ни фотомеханическими, в частности ксерокопированием, записью или компьютерным архивированием, — без письменного разрешения издателя. ISBN 978-966-7090-68-5 (укр). ISBN 978-966-7090-69-2 (рус). © В. Д. Сиротюк, 2009 © Перевод. К. А. Дмитренко, Е. С. Святицкая, 2009 ©Издательство «водаак БКО», 2009 ® Художественное оформление. А, Н. Виксенко, 2009 © Концепции: структуры, дизайна. Ю. Б. Кузн^ов, 2009 _______■ 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Юные друзья!.........................................................6 ЭЛ1КТРИЧ1СК01 П0Д1 .ШЛяЛ § 1. Электризация тел. Электрический заряд...........................8 § 2. Два вида электрических зарядов. Дискретность электрического заряда ... 10 § 3. Строение атома. Ионы .........................................13 § 4. Закон сохранения электрического заряда........................16 § 5. Электрическое поле. Взаимодействие заряженных тел.............17 Лабораторная работа № 1. Исследование взаимодействия заряженных тел.................................................21 § 6. Закон Кулона..................................................22 Задачи и упражнения............................................24 Историческая справка...........................................28 Проверьте свои знания Контрольные вопросы............................................28 Что я знаю и умею делать.......................................29 Тестовые задания ..............................................30 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ток § 7. Электрический ток. Источники электрического тока..............34 § 8. Электрическая цепь и её составляющие..........................38 § 9. Электрический ток в металлах..................................39 § 10. Действия электрического тока. Направление электрического тока.41 Задачи и упражнения............................................44 §11. Сила тока. Амперметр........................................ 46 Лабораторная работа № 2. Измерение силы тока с помощью амперметра...........................................50 § 12. Электрическое напряжение. Вольтметр...........................51 Лабораторная работа Ns 3. Измерение электрического напряжения с помощью вольтметра...........................................54 § 13. Электрическое сопротивление проводников. Единицы сопротивления.55 § 14. Закон Ома для однородного участка электрической цепи..........57 Лабораторная работа Ns 4. Измерение сопротивления проводника с помощью амперметра и вольтметра .............................60 Задачи и упражнения............................................61 § 15. Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление проводника..............................65 § 16. Реостаты. Зависимость сопротивления проводника от температуры..67 Лабораторная работа Ns 5. Изучение зависимости электрического сопротивления от длины, площади поперечного сечения и материала проводника.........................................70 Задачи и упражнения............................................70 § 17. Последовательное соединение проводников.......................72 Лабораторная работа Ns 6. Исследование электрической цепи с последовательным соединением проводников ....................73 4 ________________________________________________________СОДЕРЖАНИЕ § 18. Параллельное соединение проводников ........................74 Лабораторная работа №7. Исследование электрической цепи с параллельным соединением проводников .......................76 Задачи и упражнения...........................................77 § 19. Работа электрического тока ..................................78 § 20. Мощность электрического тока ................................80 Лабораторная работа №8. Измерение мощности потребителя электрического тока ..........................................82 § 21. Закон Джоуля—Ленца...........................................83 § 22. Потребители электрического тока. Электронагревательные приборы.................................83 Задачи и упражнения...........................................87 § 23. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.......89 Лабораторная работа №9. Исследование явления электролиза.....92 § 24. Электрический ток в полупроводниках. Электрюпроводность полупроводников ...........................93 § 25. Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды...................97 § 26. Безопасность человека во время работы с электрическими приборами и устройствами.....................................106 Задачи и упражнения .........................................110 Историческая справка ........................................112 Проверьте свои знания Контрольные вопросы..........................................113 Что я знаю и умею делать.....................................113 Тестовые задания ............................................116 “Г"*®* 3.МАГНИТНО! ПОЛЕ § 27. Постоянные магниты. Магнитное поле Земли....................120 § 28. Взаимодействие магнитов.....................................124 § 29. Магнитное действие тока. Опыт Эрстеда. Гипотеза Ампера......126 Задачи и упражнения .........................................130 § 30. Магнитное поле катушки с током. Электромагниты...............................................132 Лабораторная работа NtelO. Изготовление электромагнита и исследование его действия..................................135 § 31. Действие магнитного поля на прюводник с током. Электрические двигатели......................................136 § 32. Громкоговоритель. Электроизмерительные приборы..............139 Задачи и упражнения .........................................140 § 33. Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея....................144 Задачи и упражнения .........................................147 Историческая справка ........................................148 Проверьте свои знания Контрольные вопросы..........................................148 Что Я знаю и умею делать.....................................149 Тестовые задания ............................................150 СОДЕРЖАНИЕ 1ДРО. ЩЩШ 1Д1РНА1 SHiPririlKA j'J! § 34. Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома ....................154 §35. Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения .............157 § 36. Строение ядра атома. Изотопы ..............................160 § 37. Ядерные превращения. Реакции деления. Термоядерные реакции. 165 § 38. Ионизирующее действие радиоактивного излучения. Дозиметры.. 170 § 39. Влияние радиоактивного излучения на живые организмы........174 Лабораторная работа №11. Изучение устройства дозиметра и проведение дозиметрических измерений.......................179 § 40. Ядерная энергетика. Развитие ядерной энергетики в У крайне. 181 § 41. Ядерная энергетика и современные проблемы экологии..........183 Задачи и упражнения .........................................185 Историческая справка ........................................186 Проверьте свои знания Контрольные вопросы........................................ 188 Что я знаю и умею делать.....................................189 Тестовые задания ............................................190 ■■ ОБОБЩАЮЩИЕ ЗАН1ТИ1 § 42. Влияние физики на общественное развитие и научно-технический прогресс.. 192 § 43. Физическая картина мира.....................................195 Вспомогательные материалы________________________________________ Физические задачи вокруг нас ................................198 Словарь физических терминов..................................200 Ответы к задачам и упражнениям...............................203 Ответы к рубрике «Что я знаю и умею делать»..................204 Ответы к рубрике «Физические задачи вокруг нас»..............204 Предметно-именной указатель..................................205 Вы только что открыли учебник, с которым будете работать в течение учебного года. Надеемся, что он станет вам добрым помощником в путешествии в страну знаний, познаншо всего разнообразия окружающего мира. Изучая физику в предыдупщх классах, вы узнали о закономерностях окружающего мира, которые раскрываются в механических, тепловых и световых явлениях, о том, как результаты физических исследований применяют в технике и быту, убедились в необходимости внимательной, вдумчивой и систематической работы с учебником. Вы научились работать с физическими приборами, выполнять опьпы и проводить наблюдения. В 9 классе вы будете изучать электрические и магнитные явления, а также свойства вещества на уровне атома и его ядра. Теоретический материал в учебнике поможет вам понять и объяснить эти явления. Обращайте внимание на текст, выделенный жирным шрифтом. Это физические термины, определения, важные законы и правила. Их необходимо помнить и уметь применять. В учебнике много иллюстраций, рассматриваются опыты, которые вы можете выполнить самостоятельно либо с помощью учителя, предлагается провести наблюдения, что поможет глубже понять физическую сущность изучаемых явлений, а iC” ;c:;;i сг ч в конце каждого параграфа, вне сомнения, расширит ваш кругозор. В конце каждого параграфа также имеются вопросы и задания, ответы на них способствуют практическому усвоению материала, закреплению определений. Часть из них творческого характера, и для ответа требуют умений анализировать условия задания, а также прослеживать логическую последовательность и связи в физических явлениях. Такие задания обозначены звёздочкой (*). В рубрике «Решаем вместе«> приведены образцы решений важнейших видов задач и упраяшений. Учебник содержит задачи, упражнения и вопросы разш>1х уровней сложности: А — на закрепление, В — творческого характера. Выполненные лабораторные работы обогатят вас углублённым пониманием закономерностей физических явлений и умением проводить опыты, пользоваться измерительными приборами. Тем, кто стремится расширить познания, будет полезна информация, помещённая в рубрике «Это интересно знать». Если вам необходимо узнать значение какого-либо физического термина или правила, то используйте «Словарь физических терминов» и предметно-именной указатель в конце учебтшка. Выполняя наблюдения и опыты по физике, будьте внимательны, не забывайте о правилах безопасности. Успехов вам на пути к знаниям! о- т- у 7^4 ГЛАВА ЭЛ1КТРИЧЕСК0Е ПОЛЕ . Элею-ризация тел Электрический заряд • Два вида электрических зарядов Дискретность электрического заряда Строение атома. Ионы • Закон сохранения электрического заряда • Электрическое поле Взаимодействие заряженных тел • Закон Кулона Глава 1 r§D ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТЕЛ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД Термин «электричество» вам известен и привычен. Он очень давний и вошёл в науку значительно раньше, чем изобрели электролампы, электродвигатели, холодильники, телевизоры, радиоприёмники — всё то, без чего невозможно представить нашу жизнь. Ещё 600 лет до нашей эры древние греки заметили, если янтарь (окаменевшая ископаемая смола хвойных деревьев, которые росли на Земле сотни тысяч лет тому назад) потереть о шерсть, то он приобретает свойство притягивать пушинки, листья, соломинки. Янтарь по-гречески называют электроном. Если янтарь притягивает другие тела, то говорят, что он наэлектризован либо обладает электрическим зарядом. От слова «электрон» и происходит слово «электричество». Опыт 1. Положите эбонитовую палочку (эбонит — твёрдый материал из каучука с большой примесью серы) на кусочки бумаги. Видим, что эбонитовая палочка их не притягивает (рис. 1, а). Потрём теперь палочку о лоскут шерстяной ткани (рис. 1, б) и приблизим её к кусочкам бумаги — они притягиваются к паточке и прилипают к ней (рис. 1, в). Кроме того, палочка, лист бумаги и одежда теперь притягивают к себе кусочки бумаги, пушинки, тонкие струи воды (рис. 2). В этом можно убедиться, если потереть пластмассовую расчёску или ручку о лист бумаги или шерсть и поднести к тонкой струйке воды. Во всех приведёшвых примерах мы видим, что тела приобретают новое свойство — воздействовать на другие тела силой, намного большей, чем сила всемирного тяготения. Эту силу называют электри ческой. О телах, которые воздействуют одно на другое электрической силой, говорят, что они заряжены, или обладают электрическим зарядом. Электризоваться могут тела, изготовленные из разных веществ. Легко наэлектризовать трением о шерсть палочки из резины, серы, пластмассы, капрона. Электризуются тела и при взаимном касании с последующим их разъединением. (Тела также можно электризовать, приближая к ним без соприкосновения любое наэлектризованное тело. Это явление называют электризацией влиянием, или индукцией). Рис. 1 '3fLL т Рис. 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ -J.1. IL!' 1!;_ В результате касания стеклянной палочкой кусочка резины электризуются и стекло, и резина Резина, как и стекло, притягивает лёгкие тела. I В элею-ризации все1да участвуют два тела. При этом они оба элек-Г тризуются. Но по притяжению тел нельзя отличить электрический заряд на стеклянной палочке, потёртой о шёлк, от заряда на эбонитовой палочке, потёртой о шерсть, поскольку обе наэлектризованные палочки притягивают кусочки бумаги. Означает ли это, что заряды на телах, изготовленных из разных веществ, ничем не отличаются? # Опыт 2. Наэлектризуем эбонитовую палочку, подвешенную на Ю1ти. Приблизим к ней такую же палочку и также наэлектризуем трением о шерсть. Палочки будут отталкиваться одна от другой (рис. 3). Поскольку палочки одинаковы и наэлектризованы об одно тело, то и заряды на них одинаковы, либо палочки имеют одинаковый заряд. Ф Опыт 3. Поднесём к наэлектризованной эбонитовой палочке стеклянную палочку, потёртую о шёлк. Стеклянная и эбонитовая палочки будут притягиваться (рис. 4). То есть заряд на стекле, потёртом о шёлк, другого вида, чем на эбоните, потёртом о шерсть. Многочисленные опыты подтверждают, что в природе существуют электрические заряды только двух видов. Заряд на стекле, потёртом о шёлк, назвали положительным, а заряд на эбоните, потёртом о шерсть, — отрицательным’, обозначают их соответственно «-♦-«> и «-». Итак, при электризахцш стекла о шёлк стекло получает положительный заряд «-!-», а шёлк — отрицательный «—»; при электризации эбонита о шерсть эбонит получает отрицательный заряд «—», а шерсть — положительный «+» (рис. 5,6). Рис. 3 Рис. 5 1 Рис. 6 ВТ 10 Глава 1 :?> ^ ' у, MMR!ffl 1. Как можно наэлектризовать тело? 2. Сколько тел участвует в электризации и что с ними происходит? 3. Какие электрические заряды существуют в природе? 4. Каков электрический заряд стеклянной палочки, потёртой о шёлк? 5. Каков электрический заряд эбонитовой палочки, потёртой о шерсть? 6. Какой простейший опыт убеждает, что данное тело наэлектризовано? 7*. Почему о некоторых частицах говорят, что они обладают зарядом? 8*. Почему тела заряжаются отрицательно или положительно? Г§2) ДВА ВИДА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ. ДИСКРЕТНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА ^ в природе существуют два вида электрических зарядов: положи-: тельные и отрицательные. Из иредьодущих опытов вы видите, что наэлектризованные тела взаимодействуют между собой. При электризации эбонитовой или стеклянной палочки возникают относительно небольшие заряды, поэтому силы, с которыми они взаимодействуют, незначительны. Более сильное взаимодействие можно наблюдать, зарядив какие-либо тела от электрофорной машины, что позволяет непрерывно разделять и накапливать положительные и отрицательные заряды. Соединённые проводом с шариками машины «султаны» (пучки бумажных полосок на штативах) всё сильнее взаимодействуют по мере увеличения количества электрических зарядов на них (рис. 7). Из этих и предыдущих опытов видим, что одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые — притягиваются. Тела, имеющие электрические заряды одинакового знака (рис. 8, а, б), взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположных знаков, взаимно притягиваются (рис. 8, в). Рис. 7 Рис. 8 ЭЛЕКТРИЧЮКОЕ ПОЛЕ 11 Явле1ше взаимного притяжения или отталкивания наэлектризованных тел используют для того, чтобы определить, передаётся ли определё1шому телу электрический заряд. Действие устройства, с помощью которого проверяют, наэлектризовано ли тело, основано на взаимодействии заряженных тел. Такое устройство называют электроскопом (от греческих слов электрон — янтарь, электричество и скопео — наблюдаю, выявляю). Прибор, конструкция которого дополнена стрелкой и ппсалой для оценки значения электрического заряда, называют электрометром (рис. 9). Через пластмассовую вставку в металлическом корпусе электрометра пропущен металлический стержень, к которому прикреплена лёгкая стрелка (или две бумажные полоски). Эта стрелка, заряжаясь от наэлектризованного эбонитовой (стеклянной) палочкой стержня, отталкивается от него и отклоняется на определённый угол. Чем больший заряд электрометра, тем с большей силой стрелка отталкивается от стержня и тем на больший угол отклоняется. Следовательно, по изменению угла отклонения стрелки электрометра можно определить, увеличился или уменьшился его заряд. Если коснуться рукой заряженного стержня электрометра, то он разрядится (электрометр заряда при этом не будет иметь). Электрические заряды перейдут на тело и по нему могут уйти в землю (рис. 10). Любое заряженное тело разрядится, если его соединить с землёй (заземлить) железной, медной либо алюминиевой проволокой. Если заряже1Шое тело соединить с землёй стеклянной, эбонитовой или пластмассовой палочкой, то электрические заряды не будут переходить из тела в землю, то есть тело не разрядится. По способности проводить электрические заряды вещества разделяют на проводники и непроводники электричества. ©Опыт 1. Зарядим электрометр, соединим его с помощью эбонитовой, стеклянной, фарфоровой или пластмассовой палочки с другим таким же электрометром, но незаряженньпм. В результате мы увидим, что второй электрометр не зарядился (рис. 11). Рис. 9 Рис. 11 Глава 1 Рис. 12 Фарфор, эбонит, стекло, янтарь, резина, mfcK, капрон, гшасгмасса, керосин, воздух — всё это непроводники электричества. Тела, изготовленные из таких веществ, называют изоляторами, или диэлектриками (от французского слова изолер — отделить). ® Опыт 2. Зарядим электрометр, соединим его с помощью какого-либо металлического проводника с таким же, но незаряженным электрометром. Через проводник заряды перейдут на незаряженный электрометр. Оба электрометра станут одинаково заряженными (рис. 12). Все металлы, почва, растворы солей и кислот в воде — хорошие проводники электричества. Тело человека также является проводником. ® О п ы т 3. Разъединим заряженные в опыте 2 электрометры и прикосновением разрядим второй из них. Ещё раз соединим его с первым электрометром, на котором осталась половина начального заряда. Оставшийся на нём заряд снова разделится на две равные части, и на первом электрометре останется четверть начального заряда. Аналогично можно получить одну восьмую, одну шестнадцатую начального заряда и т. д. Возникают вопросы: до какой степени можгю уменьшать заряд? Существует ли предел деления электрического заряда? Чтобы доказать существование такого предела и установить его, выдающийся физик А. Ф. Иоффе (1880-1960) выполнил опыты, в которых электризовались мелкие пылинки цинка, видимые только в микроскоп. Заряд пьишнок несколько раз изменяли и каждый раз измеряли. Опыты показали, что все изменения заряда пылинок были в целое число (то есть 2, 3, 4, 5 и т. д.) раз больше определённого наименьшего заряда, то есть дискретны (от латинского слова discretus — раздельный, прерывный). Поскольку электрический заряд присущ веществу, учёный пришёл к выводу, что в природе существует частица вещества, обладающая наименьшим зарядом, который дальше уже не делится. В 1897 г. было сделано открытие, объясняющее большинство электрических явлений: английский учёный Дж. Дж. Томсон открыл частицу — носитель наименьшего (элементарного) отрицательного электрического заряда. Эту частицу назвали электроном. Значение заряда электрона впервые определил американский учёшлй Р. Милликен.. Свои опыты, аналогично опытам А. Ф. Иоффе, он проводил с мелкими капельками растительного масла. Электрический заряд — одно из основных свойств электрона. Этот заряд нельзя у электрона «забрать». Заряд электрона нельзя ни увеличить, ни уменьшить. Он всегда имеет одно и то же значение. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ Масса электрона равна 9,1 • 10 кг, она в 3 700 раз меньше массы молекулы водорода. Масса крылышка мухи приблизительно в 5 • 10^^ раз больше, чем масса электрона. Электрический заряд — это физическая величина, которая » определяет электрическое взаимодействие (притяжение, отталкивание) заряженных частиц. Обозначают электрический заряд латинской буквой q. В Международной системе единиц (СИ) единицей электрического заряда является один кулон (1 Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона (1736-1806), открывшего закон взаимодействия электрических зарядов. Один кулон — это очень большой заряд. В опытах по электризации тел, о которых упоминалось выше, мы имели дело с зарядами в миллионы и миллиарды раз меньшими, чем один кулон. Абсолютное значение (модуль) наименьшего электрического заряда обозначают буквой е и называют элементарным зарядом: е = 0,00000000000000000016 Кл = 1,6 • 10 Кл. По определению, заряд электрона Яе = - е = -1,6 • 10 Кл. Этот заряд в миллиарды раз меньше заряда, полученного в ходе опытов по электризации тел трением. g> tonrocu N ЗАДАНИЯ 1. Как взаимодействуют между собой разноимённые заряды? Одноимённые? 2. Как устроен электроскоп? Для чего его используют? 3*. Как с помощью заряженного электроскопа установить, является ли данный предмет проводником или изолятором? 4. Можно ли электрический заряд делить бесконечно? 5. Какой электрический заряд имеет электрон? Чему равна его масса? 6. Как называется единица заряда в СИ? 7*. Почему заряд электрона считают минимальным элементарным зарядом? §z) аРОЕИИ! АТОМА. ИОНЫ Все вещества состоят из разных атомов. Вид атомов с одинаковым зарядом ядра называют химическим элементом. Разным химическим элементам соответствуют и разные атомы. Атом — это мельчайшая частица простого вещества, наименьшая * частица химического элемента, которая является носителем его химических свойств. В древности атом считали простейшей частицей, не имеющей стрзчс-туры. Слово «атом» происходит от греческого слова atomos — неделимый. По современным представлениям атом имеет сложную структуру. Решающую роль в исследовании строения атома имели опыты (в 1911 г.) Глава 1 основоположника ядерной физики Эрнеста Резерфорда, Он пропускал излучение радиоа1стивных элементов через золотую фольгу. По характеру рассеяния альфа-частиц Э. Резерфорд установил, что атом в основном пустой: в центре его размещается очень малое и 1шотное положительно заряженное ядро, а вокруг — электроны. Позднее учёный предложил планетарную модель атома: электроны вращаются вокруг массивного ядра аналогично тому, как планеты движутся вокруг Сол1ща. Оказалось, что по сравнению с размерами самого атома (-10 м) ядро очень мало (-10 м). Чтобы представить относительные размеры атома и его ядра, рассмотрим следующую модель: если ядро атома — это шарик диаметром 1 мм (диаметр головки булавки), то атом — шар диаметром 10 м (высота трёхэтажного здания). Масса ядра значительно превышает массу электрона. Даже у наиболее лёгкого атома — атома водорода — ядро в 1 836 раз тяжелее электрона. У всех других атомов соотношение массы ядра и массы электрона ещё больше. Это означает, что масса любого атома почти равна массе его ядра, то есть массой электронов можно пренебречь. Оболочка атома состоит из электронов, у которых совокупный отрицательный заряд по значению paseii положительному заряду ядра, поскольку в целом атом электрически не заряжен, или электронейтральный, или нейтральный. Атомы разных элементов в обьганом состоянии отличаются количеством электронов, которые движутся вокруг ядра. Так, в атоме водорода вокруг ядра движется один электрон (рис. 13, а), в атоме гелия — 2 (рис. 13, б), лития — 3 (рис. 13, в), урана — 92 электрона. Основной характеристикой химического элемента является именно заряд ядра, а не количество электронов. Из опытов, проведённых Э. Резерфордом и Г. Мозли в 1913 г., следовало, что заряд ядра определяется произведением элементарного заряда е и порядкового номера элемента Z в периодической системе элементов Д. И. Менделеева: То есть атом в целом электронейтральный, а заряд электрона qg = -e. Это означает, что электронная оболочка атома содержит Z электронов. Следовательно, порядковый номер Z элемента имеет физический смысл: он показывает, во сколько раз заряд ядра больше, чем элементарный заряд. Из чего же состоит атомное ядро? R 1932 г. Д. Д. Иваненко предложил пхютон-нейтронную модель ядра атома, согласно которой атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Протон — эта положительно заряженная частица, масса которой в 1836 раз превышает массу электрона. Электрический заряд протона совпадает по модулю с зарядом электрона: = е = 1,6 • 10 Кл. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ Ядра разных атомов содержат разное количество протонов. Например, в ядре атома водорода лишь один протон, кислорода — 8, урана — 92 протона. Количество протонов в ядре совпадает с порядковым номером соответствующего элемента в периодической системе (то егть Z — количество протонов в ядре), а также с числом электронов в атоме вследствие электронейтральности. Кроме порядкового номера в периодической системе для каждого химического элемента указана относительная атомная масса, округлённое целое значение которой называют миссовим числом ядра А. Массовое число ядра А показывает общее количество протонов и нейтронов в атомном ядре: \a = z + n\. где Z и N — соответственно число протонов и нейтронов в ядре атома. Масса нейтрона в 1 839 раз превышает массу электрона, электрический заряд нейтрона равен нулю iq„ = О), то есть нейтрон — нейтральная частица. Чтобы определить число нейтронов N в ядре, из массового числа А этого ядра вычитаем количество протонов Z в нём: N=A-Z Поскольку нейтроны не имеют заряда, то электрический заряд атомного ядра совпадает с суммарным зарядом протонов в этом ядре. Итак, уточнённое строение атома следующее: в центре атома размещается ядро, состоящее из нуклонов (протонов и нейтронов), а вокруг ядра движутся электроны. Позднее учёные предложили более совершенные модели строения атома. Согласно современным представлениям, что вам уже известно из курса химии, общепринятой является более сложная оболочечная модель атома. В нашем курсе для объяснения многих электршюских явлений достаточно иметь представление об уточнённой планетарной модели. Если атом теряет один или несколько электронов, то такой атом назьшают положительным ионом. Положительно заряженные ионы обозначают химическим знаком элемента и знаком «-f» с числом, которое показьгоает, сколько электронов теряет атом, например К^, Zn^*. Соответственно атом, к которому присоединились один или несколько электронов, называют отрицательным ионом. Обозначают отрицательные ионы О , и т. д. -у вопгосы N зд;;аии1 ^ 1. Что такое атом? Каково его строение? 2. Вокруг чего движутся электроны внутри атома? 3. Чему равен электрический заряд ядра атома? 4*. Каков физический смысл порядкового номера химического элемента? 5*. Докажите, что атом в целом нейтральный. 6. Кто и когда предложил планетарную модель атома? 7. Из каких частиц состоит атомное ядро? 8*. Что представляют собой положительные и отрицательные ионы? Как они образуются? 16 Глава 1 ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА Рис. 14 Известно, если в результате взаимодействия тел происходит изменение значений масс этих тел либо их частей, то общая масса тел и их частей не изменяется. Например, после взрыва нушечного ядра сумма масс его обломков равна массе оболочки этого ядра до взрыва. При электризации тел и их взаимодействии также нроисходит перераспределение электрических зарядов между телами. Изменяется ли при этом общий заряд взаимодействующих тел, могут ли возникать или йене зать электрические заряды только одного знака? ® О п ы т 1. Закрепим на стержне электрометра металлический диск. На него кладём суконный лоскут и накрываем таким же диском, но с ручкой из диэлектрика. Вьшолним диском несколько движений по сукну и снимем диск. Стрелка электрометра отклоняется на определённый угол, то есть на сукне и диске появляется электрический заряд (рис. 14, а). Диском, потёртым о сукно, прикасаемся к стержню другого электрометра. Его стрелка отклоняется на такой же угол, как и в первом электрометре (рис. 14, б). Это означает, что при электризации оба диска получили равные по модулю заряды. А что можно сказать о знаках этих зарядов"! (Соединим стержни электрометров металлическим проводником. Мы завидим, что стрелки обоих приборов вернутся в нулевое положение, то есть заряды электрометров нейтрализуются. Это означает, что заряды, полученные дисками при электризации, были равны по модулю, но противоположны по знаку, поэтому их сумма равна нулю. Этот и другие опыты показывают, что при электризации общий (суммарный) заряд тел сохраняется: если он равен нулю до электризации, то таким же будет и после неё. Почему это происходит! Если стеклянную палочку потереть о шёлк, то она, как вы уже знаете, заряжается положительно, а шёлк — отрицательно. Это объясняется тем, что при контакте определённое число электронов переходит со стеклянной палочки на шёлк, создавая дефицит электронов на палочке, то есть положительный заряд, и такой же по модулю отрицательный заряд на шёлке с избытком тех же электронов. При этом полный электрический заряд на шёлке и стеклянной палочке остаётся равным нулю, то есть сохраняется. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ Полный электрический заряд сохраняется и в том случае, если начальные заряды тел не были равны нулю. Следовательно, при электризации тел выполняется фундаментальный заЕсон природы, который назьтают законом сохранения электрического заряда. Закон справедлив только для электроизолиро-ванных, или замкнутых, систем, — они не обмениваются электрическими зарядами с телами или частицами, которые не входят в эти системы. f В замкнутой системе заряженных тел алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной. Если отдельные заряды обозначить o',, Qz, ^з, ..., q„, то Qi I Я2 9s д„ — const Из этого закона также следует, что при взаимодействии заряженных тел не может возникнуть либо исчезнуть заряд только одного знака. Возникновение положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением такого же по модулю отрицательного электрического заряда. Закон сохранения заряда сформулировал в 1750 г. американский учёный и выдающийся политический деятель Бенджамин Франклин. Он также впервые ввёл понятие о положительных и отрицательных .электрических зарядах, обозначив их знаками «-1-» и «-». g> ■ОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Почему на стеклянной палочке и шёлке при касании образуются заряды, равные по модулю и противоположные по знаку? 2. Чему равен суммарный заряд при электризации тел? 3. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда. 4. Приведите примеры явлений, в которых наблюдается сохранение заряда. Л) ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. ВЗАИМОДЕЙаВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ Наблюдения и опыты подтверждают, что наэлектризованные тела взаимодействуют на расстоянии, — они притягивбиотся или отталкиваются. Как же передаётся действие наэлектризованного тела на другое тело? (§) Опыт 1. Подвесим на нити заряженную гильзу и поднесём к ней наэлектризованную стеклянную палочку. Даже при отсутствии непосредственного контакта гильза на нити отклоняется от вертикального положения (рис. 15). Заряженные тела, как видим, способны взаимодействовать на расстоянии. Как при этом передаётся действие одного тела другому? Может быть, причина в воздухе между ними? Выясхшм это на опыте. Физика 7 18 Г Глава 1 (g) Опыт 2. Поместим заряженный электроскоп (без стекла) под колпак воздушного насоса и откачаем из него воздух (рис. 16). Мы видим, что в безвоздушном пространстве листочки электроскопа также взаимно отталкиваются. Следовательно, на передачу электрического взаимодействия воздух не влияет. Как происходит взаимодействие заряженных тел? Изучая взаимодействие наэлектризова1Шьгх тел, учёные Майкл Фарадей (1791-1867) и Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879) установили, что в пространстве вокруг электрического заряда существует электрическое поле. С помощью этого поля и происходит электрическое взаимодействие. Электрическое поле — это особый вид материи, который отличается от вещества и существует вокруг любых заряженных тел. Органы чувств человека не воспринимают электрическое поле, обнаружить его можно лишь по действию на электрические заряды. Наблюдения и опыты дают возможность установить основные свойства электрического поля. Электрическое поле заряженного тела дейст-вует с определённой силой на любое другое заряженное тело, находящееся в данном поле. Это подтверждают все опыты, в которых демонстрируется взаимодействие заряженных тел. Рис. 16 Электрическое поле, создаваемое заряженным телом, действует » на заряженные тела, которые размещены ближе к нему, сильнее, чем на те, которые находятся на большем расстоянии. Убедимся в этом, выполнив следующий опыт. Ф Опыт 3. Подвесим на нити отрицательно заряженную гильзу. Разместим возле неё палочку с зарядом положительного знака (рис. 17, а). Будем приближать подставку с гильзой к заряженной палочке. Опыт показывает, чем ближе гильза к палочке, тем с большей силой действует на неё электрическое поле заряженной палочки. 1 Силу, с которой электрическое поле действует на заряженные тела, Г находящиеся в этом поле, называют электрической силой. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ Рис. 17, б Следует иметь в виду, что не только заряженная палочка своим электрическим нолем действует на заряженную гильзу, но и гильза при этом собственным электрическим нолем воздействует на палочку. Такое общее действие электрических нолей каждого из заряженных тел на другое и характеризует электрическое взаимодействие заряженных тел. (§> Опыт 4. Подвесим на нити незаряженную гильзу из алюми1шевой фольги. Разместим рядом положительно заряженную палочку, как в опыте 3 (рис. 17, б). При сближении палочки и гильзы незаряженная гильза также притягивается к палочке, как и в случае с заряженной гальзой. Почему незаряженная гильза притягивается к наэлектризованной палочке? В металлах электроны на внешних оболочках атомов легко отрьшаются от них, образуя положительные ионы, расположенные в узлах кристаллических решёток. Эти свободные электрюны могут легко перемещаться по всему кристаллу, электрическое поле положительно заряженной палочки действует на них, и 01Ш, притягиваясь к палочке, собираются на расположенной ближе к палочке стороне гильзы. Следовательно, эта часть гильзы получает отрицательный заряд, а противоположная оказывается «обеднённой» на электроны и получает положительный заряд. Поскольку электрическое поле сильнее действует на более близкий к палочке отрицательный заряд, чем на более удалённый положительный, то результирующим действием является притяже1ше гильзы палочкой. Данный опыт иллюстрирует явление электростатической индукции, а тип электризации тел без касания их заряженным телом, как вы уже знаете, называют электризацией влиянием, или индукцией. Действие электршюского поля на заряды наблюдается также в опытах с диэлектриками. Екзли диэлектрик разместить в электрическом поле, то положительно заряженные частицы (ионы) под действием электрического поля смещаются в одну сторону, а отрицательно заряженные частицы (электроны) — в другую. Это явление называют поляризацией диэлектрика. Именно поляризацией объясняются опыты, в которых происходит притяжение заряженными телами в целом нейтральных лёгких кусочков бумаги, ворсинок. Однако в электрическом поле наэлектризованного тела (стеклянной или эбонитовой палочки, расчёски) они поляризуются. На размещённом блиясе к палочке кусочке бумаги возникает заряд, противоположный по знаку заряду палочки. Взаимодействие с ним объясняет притяжение бумаги к наэлектризованному телу. Электрическое поле изображают с помощью силовых линий (рис. 18). Силовые линии электрическогопси1Я —это воображаемые линии, ^ показывающие направление силы, которая действует в этом поле на размещённое в нём положительно заряженное маленькое тело. Глава 1 Рис. 18 На рисунках изображены силовые линии поля, которое создаётся положительно (рис. 18, а) и отрицательно (рис. 18, б) заряженным телом. Стрелки показывают, что силовые линии направлены от положительно заряженных тел к отрицательно заряженным телам. Похожую картину мы наблюдг1ли в ходе опытов с электрическими «султанами» (рис. 18, в). g> > •ОПГОСЫ и иДАИИА 1. Что такое электрическое поле? 2. Назовите основные свойства вещества. 3. Назовите основные свойства электрического поля. 4. Что показывают силовые линии электрического поля? 5*. Почему нейтральные кусочки бумаги притягиваются к заряженному телу? 6*. Объясните, почему после получения электрическим «султаном» заряда его бумажные полоски расходятся в разные стороны. 7*. Как обнаружить наличие электрического поля, ведь человек не имеет специальных органов чувств? ЭТО ИНПРКНО зимъ • Путешественники, попавшие в горах ночью в грозу, могут наблюдать редкое явление. Палки, окованные железом, начинают «звучать», в темноте на их концах появляется свечение. Светятся и верхушки высоких деревьев, громоотводов, антенн, корабельные мачты. Объясняется это явление так. Перед грозой электрическое поле близ заострённых предметов, выступающих над поверхностью Земли, иногда становится настолько сильным, что возникает электропроводность воздуха, а прохождение тока в газе (электрический разряд) сопровождается излучением света. в Одна из «профессий» электрического поля — электропокраска. Окрашиваемый предмет присоединяют к отрицательному полюсу электрической машины, а краскопульт — к положительному. Положительно заряженные капли краски из краскопульта перемещаются в электрическом поле к отрицательно заряженному предмету и равномерно покрывают его. Такой способ очень экономичен и значительно улучшает качество окрашивания. Красить в электрическом поле можно изделия из металла, дерева, стекла, резины и т. д. Поэтому этот способ применяют не только в маши- ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ■fXji 21 ностроитеяьной, но и в обувной, деревообрабатывающей и мебельной промышленности. • Дымовые трубы заводов, фабрик, тепловых электростанций выбрасывают много дыма, загрязняющего и отравляющего воздух. Каждую минуту наши лёгкие пропускают до 10 л воздуха, а в сутки — почти 15 м®. Человеческому организму необходим чистый воздух. Поэтому для очищения воздуха от дыма применяют электрофильтры. Это металлические цилиндры, по оси которых проходит отрицательно заряженный провод. Цилиндры имеют положительный заряд. Под действием электрического поля, создаваемого внутри цилиндра, мелкие частицы, заряженные отрицательно, перемещаются к стенкам и оседают на них. Со стенок пыль и осадок периодически очищают. В сутки из электрофильтра средних размеров собирают несколько тонн пыли и сажи. На одном из цементных заводов за 12 лет электрический фильтр собрал 340 000 т цементной пыли. Представьте, сколько зданий могло «вылететь в трубу», если бы не было фильтра. ЛАБ0РА10Р1 РАБОТА №1 ИССЛЕДОВАИИ! ВЗАИМОДЕЙаВИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ Цель работы: Приборы и материалы; изучить электризацию тел и исследовать взаимодействие заряженных тел. две одинаковые пластмассовые ручки, полоски бумаги и полиэтиленовой плёнки, кусочки бумаги, нитки, штатив с лашсой. i Ход работы 1. Подвесьте к лапке штатива на нити пластмассовую ручку в горизонтальном пололсении. Один конец ручки потрите бумагой. 2. Конец другой ручки потрите бумагой и поднесите к натёртому концу подвешенной ручки. Наблюдайте, как взаимодействуют тела. 3. Потрите ручку об полиэтиленовую полоску и снова проверьте взаимодействие с подвешенной ручкой. 4. На бумажную полоску положите полиэтиленовую полоску и разгладьте её рукой. Поднимите полоски за концы, разведите и поднесите одну полоску к другой. Что с ними происходит? 5. Поднесите поочерёдно зарялсенные полоски к наэлектризованной ручке. Что происходит с полосками? Как зависит взаимодействие от расстояния между заряженными телами? 6. Положите рядом две полиэтиленовые полоски и потрите сухой рукой. Поднимите за концы и поднесите одну к другой. Наблюдайте их взаимодействие. 7. Повторите предыдущий опыт, но потрите полоски сильнее. Кггк изменилось их взаимодействие? 8. Сделайте выводы. Результаты опытов запишите в тетрадь. 22 Глава 1 ~§б) ЗАКОН К¥ЛОИА Мы убедились на опытах, что сила взаимодействия между заряженными телами зависит от степени электризации тел, их формы и расстояния между ними. Формулы, описьгаающие электрические взаимодействия заряженных тел в произвольных условиях, очень сложны. В 1785 г. Шарль Кулон предложил простую формулу закона взаимодействия точе«шьгх зарядов в вакууме. Точечными зарядами называют заряженные тела, размеры которых очень малы по сравнению с расстояниями, на которых эти тела взаимодействуют. Аналогичньш признаком мы воспользовались ранее для определения понятия материальной точки. В своих исследованиях Ш. Кулон использовал небольшие заряженные шарики. В крутилью>1х весах (рис. 19) лёгкое стеклянное коромысло 2, подвешенное на упругой тонкой нити 1, заканчивается с одной стороны металлическим шариком 3, с другой — противовесом 6. Через отверстие в крышке внесли наэлектризованный шарик 4, одинаковый по размеру с шариком 3. Ш. Кулон прикасался шариком 4 к шарику 3. При этом заряд перераспределялся между шариками, и они взаимно отталкивались. Коромысло поворачивалось и закручивало нить до тех пор, пока сила упругости, возникающая в нити, не уравновешивала силу электрического взаимодействия. Поворачивая рукоятку в верхней части прибора, к которой прикреплена нить, можно было изменять угол закручивания нити, в результате изменялась сила упругости, а вследствие этого — и расстояние между зарядами. Ш. Кулон определил, сила электрического взаимодействия между точечными зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Сложность опыта заключалась в том, что учёный не владел точным методом измерения заряда на шариках, поэтому он использовал следуюнрий приём. К наэлектризованному шарику прикасался незаряженным шариком такого же размера, отдаляя его затем на значительное расстояние. Поскольку при этом заряд распределялся поровну между обоими шариками, заряд пробного шарика уменьшался в два раза. Оказалось, что во столько же раз уменьшается и сила электрического взаимодействия. Повторив опыт несколько раз, учёзный пришёл к выводу: сила электрического взаимодействия пропорциональна произведению точечных зарядов, которые взаимодействуют между собой. Рис. 19 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ Опыты Кулона проводились в воздухе и не отличались высокой точностью, поскольку шарики были большими, а сила измерялась со значительной погрешностью (до 3 % ). Полагая, что точечные заряды взаимодействуют в вакууме, Ш. Кулон сформулировал закон, который подтверждается всей совокупностью электрических явлений. Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными элект-> рическими зарядами прямо пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Если обозначить модули точечных зарядов q, и q2, а расстояние между ними — г, то в СИ модуль силы F электрического взаимодействия в вакууме будет равен: F = _Ъ02_] 4п£оГ^\’ где бо = 8,85 • 10 Кл^ 2--электрическая постоянная. Если точечные Нм" заряды взаимодействуют в определённой среде, то закон Кулона следует записывать так: 4д££оГг где г — диэлектрическая постоянная среды (для вакуума е = 1, для различных веществ указана в таблицах). Иногда используют электрическую постоянную в виде: й = 4тео 4 • 3,14 • 8,85 • 10 Кл^ = 9 • 10® Н-м=' Кл^' Н-м^ В этом случае формула для закона Кулона имеет та1сой вид: F^h ЯЛ2 Из формулы видно: если расстояние между двумя точечными зарядами по 1 Кл каждый равно 1 м, то сила взаимодействия между ними в вакууме составляет 9 • 10® Н. g> ■ОПРОСЫ и 1ДДАНИЯ 1. Какой заряд называют точечным? 2. Почему Ш. Кулон, выполняя опыт, был уверен, что электрический заряд изменяется именно в два раза? 3. Сформулируйте закон Кулона. 4*. Почему в формулировке закона Кулона важно пользоваться термином «точечный заряд»? 5. Как определяют единицу заряда 1 кулон? 6*. Почему за единицу заряда не приняли заряд электрона? Глава 1 С МДАЧИ Н УПРАЖШНцГ) ^ Решаем вместе 1. Если погладить шерсть кошки ладонью, то в темноте молено заметить небольшие искорки между рукой и шерстью. Какова причина их возю1кно-вения? Ответ: искры возникают в результате электризации руки при трензяи о шерсть. 2. Некоторые щётки для чистки одежды притягивают пыль. Почему? Ответ: щётки изготовляют из специального материала, который при трении сильно электризуется. 3. Каков состав наиболее тяжёлого из природных атомов — урана? Ответ: количество электронов в атоме (совпадает с порядковым номером элемента) Z = 92; общее число частиц (совпадает с массовым числом) А = 238; число протонов в ядре (совпадает с числом электронов в атоме) Z = 92; количество нейтронов в ядре: iV=A-Z;iV = 238-92= 146. 4. С какой силой будут взаимодействовать два точечных заряда по 10 Кл каждый, если их разместить в вакууме на расстоянии 1 м один от другого? Дано: £о = 8,85 • 10 г = 1 м к = 3,14 Ю^Кл .2 Н-м^ Решение Используем формулу: Р_ 9lg2 Подставив значения физических величин, получим: Ю’^Кл • Ю'^Кл F-------- 4 •3,14 * 8,85- 10' Ответ: Р = 90 Н. (Уровень А) 1. Как показать, что на обоих телах при их трении возникают электрические заряды? 2. Как объяснить возникновение на одном из натёртых тел положительного заряда, а на другом — отрицательного? 3. На шёлковой нити подвешена незаряженная гильза из алюминиевой фольги. Если к ней приблизить наэлектризованную стеклянную пгшочку, то гильза при- Кл" = 90 Н. Н-м' 1м^ Рис. 20 тягивается. Почему гильза сразу после прикосновения отталкивается от палочки (рис. 20, а, б)? ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ 1. Объясните, почему между ремнями и шкивами машин и трансмиссий периодически возникают искры? Если гладить рукой сухие »гастые волосы или расчёсывать их, то они поднимаются за рукой или расчёской. Объясните это явление. 6. Почему можно наэлектризовать стеклянную палочку, держа её в руке, но нельзя наэлектризовать металлическую? Что необходимо сделать, чтобы наэлектризовать металлическую палочку? 7. Синтетические ткани на сидениях автомобилей быстро загрязняются вследствие их электризации. Почему? Как это предотвратить? 8. Если эбонитовую палочку потереть резиной, го она паэлектризуе1’ся полоясительно, а если мехом, — то отрицательно. В мехе или ре.зине атомы слабее удерживают электроны, входящие в их состав? 9. Можно ли эбонитовую палочку натиранием наэлектризовать так, чтобы одна её половина была заряжена положительно, а другая — отрицательно? (См. условие предыдущей задачи.) 10. Почему металлы при натирании их шерстью или шёлком электризуются только положительно? 11. Иа одинаковых нитях подвесили два шарика. Один из них отталкивается от поло>кительно заряженной палочки, а другой — притягивается. К отрицательно заряженной палош<е оба шарика притягиваются. Охарактеризуйте электрическое состояние этих шариков. 2. Известно, что одноимённо заряженные тела отталкиваются. В каком школьном приборе используется свойство заряженных тел отталкиваться? Каков принцип его действия? 13. Листочки электроскопа начинают расходиться щжжде, чем к нему притронутся заряженной палочкой. Какова причина этого явления? Почему листочки опадают сразу после отдаления палошш? ’ 4. Почему шарик и стержень электроскопа изготовляют из металла? Почему заряженный электроскоп разряжается, если к его шарику прикоснуться пальцем? 1Ь, Почему в помещении, где много людей, заряженный электроскоп быстро теряет заряд? 16. Почему тела плохо электризуются, если в комнате высокая влажность? i 7. Из перечисленного назовите проводники и изоляторы: серебро, эбош1т, фарфор, раствор поваренной соли, медь, шёлк, тело человека, алюминий, керосин. 18. Почему корпусы штепсельных розеток, вилок, патронов, выключателей и т. д. изготовляют из пластмассы или фарфора? 19. Почему во время работы электромонтёры надевают резиновые сапоги и рукавицы (рис. 21)? 20. Как можно обнаружить электрическое поле и его действие? Рис. 21 Глава 1 21. Сколько электронов в атоме: а) меди (Си); б) кремния (Si); в) иода (I)? 22. Каков состав атомов фтора (F), серебра (Ag), платины (Pt), цинка (Zn)? 23. Чему равен общий заряд всех электронов в атоме кислорода? 24. У какотч) атома общий заряд всех электронов равен q = -16 • 10 Кл? 25. Два заряда 2,3 • 10“® Кл и 3,5 • 10 ® Кл размещены в вакууме на растоя-нии 1,7 см. Определите силу взаимодействия между ними. С Урокеиь Б ) 26. Как определить, какой из двух одинаковых бузиновых шариков, подвешенных на тетших шёлковых нитях, наэлектризован, а какой — нет? 27. Какой заряд имеет гильза 1 (рис. 22, а), если у гильзы 2 — положительный? Какой заряд у гильзы 2 (рис. 22, б), если у гильзы 1 — отрицательный? 28. При перевозке в цистернах бензина, керосина они электризуются, что может привести к возгоранию. Какие мероприятия проводятся, чтобы нейтрализовать заряды, возникающие при электризации бензина, керосина? 29. Если поднести к незаряженной гильзе на нити наэлектризованную эбонитовую палочку, то она быстро притягивается к палочке, сразу же отталкивается и затем 22 будет удерживаться на определённом расстоянии. А если поднести наэлектризованную стеклянную палочку, то гильза снова притягивается. Сделайте вывод из этсяю опыта. 30. Почему сначала заметили электризацию тел из янтаря, стекла, а не из меди или олова? 31. Имеем два одинаковых металлических шара. В одном не хватает электронов, в другом — 4 000 лишних. Шары соединили. Какими были заряды шаров до соединения, какими — после их соединения? 32. Если в пространство, окружающее наэлектризованное тело, вносят другое заряженное тело, то на него действует электрическая сила, а в пространстве вокруг ненаэлектризованного тела этого не наблюдается. Почему к заряженному телу притягиваются мелкие кусочки бумаги? 33. Как перенести заряд с электризованного тела на ненаэлектризованное с помощью третьего ненаэлектризованного тела? 34. Объясните, почему электризацию трением заметили на веществах, которые относятся к непроводникам электричества. 35. Почему в опытах с электроскопом к шарику не только прикасаются наэлектризованной палочкой, но и проводят ею по шарику? 36. В ходе опытов по электричеству рекомендуют эбонитовые и стеклянные пало'ши брать за один конец. Почему? 37. Можно ли изготовить электроскоп с пластмассовым, эбонитовым или стеклянным етерлснем? Почему? 38. Как с помощью электроскопа опреде.лить знак заряда наэлектризованного тела? ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ 39. Объясните, почему иногда электроскоп разряжается быстро, а иногда — медленно. 40. Чтобы апектроскоп хорошо работал, перед опытами его необходимо просушить. Зачем? 41. Перед опытами с электричеством подставки, эбонитовые палочки необходимо протирать тряпкой, смоченной в керосине. Зачем? 42. Листочки заряженного электроскопа ещё больше расходятся, если к нему поднести положительно заряженную палочку, а если отдалить, то листочки занимают прежнее положение. Какой заряд зафиксировал электроскоп? 43. Почему при сборке и ремонте компьютеров необходимо надевать на руку заземлённый браслет? 44. Почему во В1>емя грозы нельзя запускать бумажного змея? 45. К шарику электроскопа, не прикасаясь к нему, подносят наэлектризованную эбонитовую или стеклянную палочку. Полоски электроскопа расходятся. Если убрать палочку, то полоски снова опадают. Как объяснить это явление? 46. К шарику наэлектризованного электроскопа, не прикасаясь к нему, подносят тело, имеющее такой же заряд. Что происходит с полосками, если наэлектризованное тело убрать? 47. Почему в ходе опытов с наэлектризованной эбонитовой или стеклянной пало'шой и кусочками бумаги последшю будто танцуют: то приближаются к палочке, то опадают? 48. Полоски «султана» притягиваются к поднесённой наэлектризовагшой палочке. Значит ли это, что они также электризуются? 49. Чему равен заряд ядра атома ртути (Hg)? Во сколько раз он больше, чем заряд ядра атома гелия (Не)? 50. От атома меди (Си) отделился один электрон. Как называется образованная частица? Каков её заряд? 51. Определите состав атома кремния (Si). 52. Электроскоп получил заряд, равный q — - 6,4 • 10 Кл. Какому количеству электронов соответствует этот заряд? 53. Может ли существовать частица, заряд которой равен -4,8 • 10'*® Кл? Какому количеству элементарных зарядов соответствует такой заряд? 54. Какому количеству элементарных зарядов соответствует электрический заряд, 1)авный 1 Кл? 55. Два одинаковых металлических шарика подвешены на шёлковых нитях. Заряд одного равен 10 нКл, второго — 16 нКл. Шарики столкнули и развели. Каковы заряды шариков после столкновения? 1 нКл = 10 ® Кл. 56. Какой заряд будет иметь каждый из трёх одинаковых металлических шариков после их столкновения и расхождения, если начальные заряды шариков соответственно ргшны 6 н1Сл, — 4 н1Сл и 7 нКл? Глава 1 ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА Шарль Кулон Кулон Шарль Огюстен родился 14 июня 1736 г в Ангулеме. Учился в Париже в Колледже четырёх наций (Колледж Мазарини), затем переехал в Монпелье. В феврале 1757 г Ш. Кулон на заседании Королевского научного общества прочитал свою первую научную работу «Геометрический очерк среднепропорциональных кривых». Позднее его избирают адъюнктом по классу математики. В феврале 1760 г. Ш. Кулон поступает в Мезьерскую школу военных инженеров, которую окончил в октябре 1761 г, получив назначение в порт Брест, что на западном побережье Франции. Вскоре Ш. Кулон попадает на Мартинику. Благодаря успехам на строительстве форта в Монт-Гранье в марте 1770 г он становится капитаном. В это время Ш Кулон уже занимается изобретением способа изготовления магнитных стрелок для точных измерений магнитного поля Земли, а в 1784 г. завершает работу «Теоретические и зкспериментальные исследования силы кручения и упругости металлических проводов». В сентябре 1781 г. Ш. Кулона переводят в Париж, а в декабре - избирают в академию по классу механики. После многочисленных опытов по изучению трения он исследовал зависимость трения скольжения от относительной скорости движения соприкасающихся тел с использованием больших нагрузок. Работой Ш. Кулона «Теория простых машин» инженеры пользовались почти столетие. С целью применения разработанных крутильных весов Ш. Кулон углубился в проблемы магнетизма и электричества. В результате он установил основной закон электростатики — закон взаимодействия точечных зарядов. В последние годы жизни Ш. Кулон занимался организацией системы образования во Франции. Но после частых поездок по стране летом 1806 г. учёный заболел лихорадкой и 23 августа 1806 г. умер. nPOtlFbTI СВОИ ЗНАНИЯ Коотрольные вопросы ^ 1 Почему о некоторых частицах говорят, что они имеют электрический заряд? 2 Почему заряженные тела могут притягиваться либо отталкиваться? 3 Заряд каких частиц равен по значению элементарному заряду? 4 Почему тела заряжаются положительно или отрицательно? 5 Каков физический смысл порядкового номера химического элемента? 6 Незаряженные тела называют электронейтральными. При каких условиях при контакте происходит полная нейтрализация наэлектризованных тел? 7 Какой опыт с двумя электрометрами может подтвердить закон сохранения электрического заряда? ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ■л 8. Что подтверждает наличие вокруг заряженного тела электрического поля? 9. Какие вы знаете основные свойства электрического поля? 10. На что указывают силовые линии электрического поля? 11. Почему при формулировании закона Кулона обязательно используют термин «точечный заряд»? 12. Почему за единицу заряда не был принят заряд электрона? (Что ■ аною ы утю дежп^ Рис. 23 Я знаю, какие заряды существуют в природе 1 Каков заряд эбонитовой палочки (рис. 23)? 2 Как зарядилась стрелка электрометра (рис. 24)? 3 На рисунке 25 изображены шарики синего, красного, жёлтого цвета, которые взаимодействуют между собой. Какой заряд имеет жёлтый шарик во всех случаях? 4 Стеклянную пгточку потёрли шёлковой тканью. Какой заряд получила палочка, какой — шёлковая ткань? Поясните взаимодействие между палочкой и шариком; между тканью и шариком (рис. 26). Я умею объяснять явление электризации тел 5 Струйка песка из узкого отверстия отклоняется в разные стороны, если к ней поднести заряженную эбонитовую или стеклянную палочку. Почему? 6. Будут ли электрические заряды взаимодействовать на Луне, где нет атмосферы? Я умею выполнять опыты 7 Наэлектризуйте об волосы расчёску и прикоснитесь к пёрышку. Что происходит с пёрышком? Стряхните пёрышко с расчёски и, когда оно будет в воздухе, попытайтесь удержать на одной высоте, подставляя снизу на некотором расстоянии наэлектризованную расчёску. Почему пёрышко не падает? Что удерживает его в воздухе? “ *<Э о* ' *0 Gb « ©-**0 '' "Ю Рис. 25 Глава 1 8 Наполните воздушный шарик воздухом, потрите его о шерсть, мех либо свои волосы. Объясните, почему шарик начинает «прилипать» к разным предметам и даже к потолку. Я знаю строение атома 9 Атом какого химического элемента содержит: а) 15 электронов; б) 79 электронов; в) 100 электронов? 10 От атома гелия отделился один электрон. Как называется образовавшаяся частица? Каков её заряд? 11 К атому кислорода присоединился один электрон. Как называется образовавшаяся частица? Каков её заряд? 12 При электризации стеклянная палочка получила заряд 3,2 • 10’’° Кл. Сколько электронов она потеряла? Я умею применять закон сохранения электрического заряда 13 Два одинаковых металлических шарика подвешены на шёлковых нитях. Заряд одного равен 4 нКл, заряд другого — (-10 нКл). Шарики столкнули и развели. Какой заряд будут иметь шарики? Я умею определить силу взаимодействия двух точечных зарядов 14 С какой силой будут взаимодействовать два точечных заряда по 1 Кл каждый, если их разместить на расстоянии 1 км один от другого? 15 Два маленьких шарика с зарядами 2,0 • 10”^Кли4,5 10^ Кл в вакууме действуют с силой 0,1 Н. Определите расстояние между ними. JecTOBbie зодонм!) Вариант I Вам известно, что трением о шерсть заряжаются палочки из резины, серы, эбонита, пластмассы, капрона. Заряжается ли при этом шерсть? A. Да, поскольку в электризации трением всегда принимают участие два тела. При этом оба электризуются. Б. Хотя в электризации трением принимают участие два тела, но в опытах всегда используют только палочки, поэтому можно считать, что заряжаются лишь палочки. B. Ответа нет. Что будет происходить с подвешенным на шёлковой нити незаряженным лёгким шариком, если к нему поднести заряженное тело? A. Шарик притянется к заряженному телу. Б. Шарик оттолкнётся от заряженного тела. B. Шарик сначала притянется к заряженному телу, а после контакта с ним — оттолкнётся. Для чего используют электроскоп? A. Только для определения значения заряда. Б. Только для определения знака заряда. B. Только для выявления заряда. Г. Для выявления заряда, определения его значения и знака. Какой заряд у шарика электроскопа, к которому поднесли, не касаясь его, положительно заряженную палочку? ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ Г A. Положительный. Б. Отрицательный. B. Заряда нет. 5 Можно ли делить электрический заряд неограниченно? A. Можно. Б. Нельзя. B. Только до заряда электрона. 6 Наэлектризованную палочку положили на деревянный стол. Разрядится ли палочка? А. Разрядится. Заряды перейдут в стол. Б. Все заряды сохранятся на палочке. В В местах соприкосновения часть зарядов с палочки переходит в стол. 7 К заряженному электроскопу с достаточно большого расстояния начали подносить отрицательно заряженную палочку. По мере её приближения листочки сначала опадали, а потом начали снова расходиться. Заряд какого знака был на электроскопе? A. Положительный. Б. Отрицательный. B. Электроскоп был не заряжен. 8 Чему равен заряд атома бора? А. 8 10 ’®Кл. Б. 10 ■ 10’®Кл. В.-8 10 ’®Кл. " Каков состав атома хлора? A. 17 электронов, 17 протонов, 17 нейтронов. Б. 34 электрона, 17 протонов, 17 нейтронов. B. 17 электронов, 17 протонов, 18 нейтронов. I о Три одинаковых металлических шарика подвесили на шёлковых нитях. Заряд одного равен 2 нКл, второго — (-10 нКл), а третьего — 5 нКл. Шарики столкнули и развели. Какой заряд будут иметь шарики после этого? А. 1 нКл. Б. 5,6 нКл. В. - 1 нКл. Г. - 3 нКл. II Среднее расстояние между двумя облаками составляет 10 км. Электрические заряды их соответственно равны 10 Кл и 20 Кл. С какой электрической силой взаимодействуют облака? А. 9 кН. Б. 200 кН. В. 180 кН. Г. 18 кН. 12 Заряд одного из двух одинаковых металлических шариков в 5 раз больше, чем другого, но того же знака. Шарики столкнули, а потом снова отвели на прежнее расстояние. Во сколько раз изменилась сила взаимодействия шариков? A. Увеличилась в 5 раз. Б. Увеличилась в 1,8 раза. B. Уменьшилась в 1,25 раза. Г. Не изменилась. Вариант II 1 Как взаимодействуют между собой стеклянная палочка, потёртая о шёлк, и эбонитовая палочка, потёртая о сукно? A. Отталкиваются. Б. Притягиваются. B. Ответа нет. Глава 1 2. На чём основано действие электроскопа? A. На взаимодействии разноимённых зарядов. Б. На взаимодействии одноимённых зарядов. B. На взаимодействии нейтральных и заряженных частиц. 3 Положительно заряженная стеклянная палочка притягивает сухой стебель подсолнечника, подвешенный на нити. Сделайте выводе заряде стебля. A. Стебель заряжен отрицательно. Б. Стебель заряжен положительно. B. Стебель не заряжен. 4. Могут ли два одноимённо заряженных бузиновых шарика, подвешенных на нитях, притягиваться? A. Не могут, поскольку одноимённо заряженные тела отталкиваются. Б. Могут, если значение зарядов шариков мало. B. Могут, если заряд одного из шариков значительно превышает заряд другого. 5 Можно ли наэлектризовать металлический стержень трением, если держать его в руке? A. Металлический стержень при трении электризуется, как и все тела. Б. Нельзя, поскольку металл и тело человека — это проводники. B. Можно, если его электроизолировать от руки. 6 Почему лёгкие гильзы или шарики при демонстрации опытов по взаимодействию зарядов подвешивают на шёлковых нитях? A. Шёлковые нити лёгкие и гибкие. Б. Шёлковые нити тонкие и крепкие. B. Шёлковая нить не проводит электрических зарядов. 7 К стержню заряженного электроскопа поднесли, не касаясь его, незаряженный металлический стержень. Как при этом изменится угол расхождения листочков? А. Увеличится. Б. Уменьшится. В. Не изменится. 8 Каков заряд ядра атома лития? А. 4,8 • 10"’® Кл. Б. 3 • 10’’® Кл. В.-4,8 • 10“’® Кл. 9 Каков состав атома углерода? A. 6 электронов, 6 протонов. Б. 12 электронов, 6 протонов, 6 нейтронов. B. 6 электронов, 6 протонов, 6 нейтронов. 10 Три одинаковых металлических шарика подвешивают на шёлковых нитях. Заряд одного равен (- 2 нКл), второго — 10 нКл, а третьего — (- 5 нКл). Шарики сомкнули и развели. Какими стали заряды шариков после этого? А. 1 нКл. Б. 5,6 нКл. В. - 1 нКл. Г. - 3 нКл. 11 Среднее расстояние между двумя облаками составляет 20 км. Их электрические заряды соответственно равны 20 Кл и 20 Кл. С какой электрической силой взаимодействуют облака? А. 9 кН. Б. 200 кН. В. 180 кН. Г. 18 кН. 12 Заряд одного из двух одинаковых металлических шариков в 5 раз больше, чем второго, но другого знака. Шарики столкнули, а потом снова отвели на прежнее расстояние. Во сколько раз изменилась сила взаимодействия шариков? A. Увеличилась в 5 раз. Б. Увеличилась в 1,8 раза. B. ^ еньшилась в 1,25 раза. Г. Не изменилась. ГЛАВА электрический ток • Электрический ток. Источники электрического тока • Электрическая цель • Электрический ток в металлах • Действие электрического тока • Сила тока • Электрическое напряжение • Электрическое сопротивление проводников • Закон Ома для участка цепи • Соединение проводников • Работа и мощность электрического тока • Закон Джоуля—Ленца • Потребители электрического тока Электрический ток в растворах и расплавах электролитов • Электрический ток в полупроводниках • Электрический ток в газах • Безопасность человека во время работы с электрическим током 34 Глава 2 § ^ i ЭЛЕКТРИЧ1СКИИ ТОК. иаочники ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Для работы электроприборов необходим электрический ток. Фонарики, электронные часы, аудиоплейеры, радиоприёмники и телефоны используют электроэнергию батареек или аккумуляторов. Лампы, холодильники, телевизоры, пылесосы работают от электросети, то есть получают электроэнергию по проводам с электростанции. Что же такое электрический ток и что нужно, чтобы он возник и существовал необходимое время? Слово «ток*> означает движение или течение чего-либо. А что может перемещаться в проводниках, соединяющих батарейку с лампой, холодильник — с электростанцией? Явление электризации тел обусловлено наличием в них электрически заряженных частиц — электронов, а также положительных и отрицательных ионов, всегда находящихся в состоянии беспорядочного теплового движения (рис. 28). Е1сть много веществ, в которых при определёхшых условиях заряженные частицы могут свободно перемещаться на значительные расстояния по всему объёму тела. Например, в технике давно применяют металлические проводники, в которых носителями электричества являются свободные электроны. Если на все свободные заряженные частицы действовать какой-либо силой в одном направлении, то их беспорядочное перемещение дополнится движением в направлении приложенной силы. Говорят, что в теле возникает электрический ток. Электрический ток - это упоредоченное (направленное) движение заряженных частиц. Если в объёме проводника создать электрическое поле, то под его действием свободные заряженные частицы будут перемещаться в направлении приложенных к ним электрических сил, то есть в проводнике возникает электрический ток (рис. 29). Например, в проводнике, соединяющем шарик заряженного электрометра с Землёй, возникает электрическое поле, а вместе с ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК 35 Рис. 30 ним и электрический ток, который прекращается, как только весь заряд шарика, образу-КМ1ЩЙ электршюское поле, переходит в землю. Чтобы электрический ток в проводнике протекал как можно дольше, в нём необходимо постояюю поддерживать электрическое поле, то есть обеспечивать на одном конце проводника избыток зарядов определённого знака, а на другом — их недостаток (дефицит). Такое постоянное распределение зарядов на концах проводника создаётся и поддерживается источниками э.тектрического тока. Источниками электрического тока называют устройства, в которых происходит преобразование энергии определённого вида в электрическую энергию. В калсдом источнике тока выполняется работа по разделению поло?кительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника. Соответственно эти полюса условно обозначают знаками «+» и «-». На практике используют разнообразные источники электрического тока. По видам преобразуемой энергии их разделяют на: химические {гальванические элементы, аккумуляторы), световые {фотоэлементы, солнечные батареи), тепловые {термоэлементы), механические {электрофорная машина, генераторы электрического тока разного рода). Если к гальваническому элементу с помощью гфоводников присоединить электрическую лампу (рис. 30), то под действием электрического поля заряженные частицы в проводнике приходят в движение, возникает электрический ток, лампа загорается. Первый химический источник тока создал в 1799 г. итальянский физик Алессандро Вольта и назвал его гальваническим элементом в честь основателя у^1ения об электричестве Луиджи Галъвани. Этот элемент да-вгш напряжение около 1 вольта (1 В). Для получения более высокого на-пряже1шя А. Вольта собрал батарею (так называемый вольтов столб) из 20 цинковых, 20 медных и 20 cyicoH-ных кружков, сложенных один на другой (рис. 31). В гальванических элементах происходят химические реакции, благо- Рис. 31 36 Глава 2 Рис. 32 даря которым выполняется работа по разделеншо разных зарядов, то есть химическая энергия преобразуется в электрическую. 1.9) Опыт. Опустим в раствор серной кислоты две пластины — цинковую и медную. Получим простейший гальванический элемент (рис. 32). В нём происходит перераспределение положительно и отрицательно заряженных частиц вещества. В результате обе пластины электризуются, и между ними возникает электрическое поле. Эти пластины называются электродами (полюсами) источника тока. Гальванический элемент состоит из цинкового стакана 1, заполненного желеобразной смесью (рис. 33). В смесь вставлен угольный стержень 2. Сверху стакан залит слоем смолы 3. В результате химш1еских реакций цинковый стакан становится отрицательно заряженным (отрицательный электрод), а угольный стержень — положительно заряженным (положительный электрод). Между электродами возникает электрическое поле. ЕЗсли положительный и отрицательный электроды соединить проводником, то в нём возникнет электрический ток. Несколько гальванических элементов можно соединить в батарею. Если необходимо получить большее напряжение, то используют последовательное соединение элементов: отдельные элементы соединяют между собой разноимёнными полюсами. На рисунке 34 изображена батарея из трёх элементов, в которой стержень первого элемента соединён с цинковым стаканом второго, а угольный стержень второго — со стаканом третьего элемента. Цинковые стаканы изолированы один от другого. От цинкового стакана первого элемента и угольного стержня третьего отведены две жестяные полоски: первая — отрицательный полюс батареи, вторая — положительный. Для получения большего тока используют параллельное соединение элементов: отдельные элементы соединяют в батарею одноимёнными полюсами, то есть корпус — с корпусом, а стержень — со стержнем. Аккумулятор (от латинского аккумуле — накапливаю) — это химический источник, в котором электрическая энергия накапливается при пропускании электрического тока в кислотном или щелочном растворе. Аккумуляторы бывают кислотные и щелочные. Кислотный аккуму- Рис. 33 Рис. 34 электрический ток ■п------------1 .1* Рис. 35 Рис. 36 Рис. 37 лятор состоит из однородных электродов (рис. 35), например свинцовых пластин, помещённых в раствор серной кислоты. В щелочных аккумуляторах электроды изготовлены из разных металлов, например железа и никеля, и опущены в раствор едкой щёлочи. Для того чтобы аккумулятор стал источником тока, его необходимо «зарядить». Для этого через него пропускают ток от какого-либо другого источника. В процессе зарядки и в результате химических реакций один электрод заряжается положительно, а другой — отрицательно. После зарядки ахскумулятора его можно использовать как самостоятельный источник тока. Полюса аккумуляторов обозначены знаками «+» и «-». При зарядке аккумулятора его положительный полюс соединяют с положительным полюсом источника тока, а отрицательный — с отрицательным. Аккумуляторы используют для запуска автомобильных двигателей (рис. 36), освещения автомобилей и железнодорожных вагонов. Они питают электроэнергией подводные лодки. Аппаратура на искусственных спутниках, космических кораблях и станциях также питается от уста110вле1шых на них аккумуляторов, которые заряжаются от солнечных батарей. Под действием света, падающего на поверхность пластин из селена или кремния, в них происходит перераспределение положительных и отрицательных электрических зарядов (рис. 37). На этом основаны конструкция и действие солнечных батарей (рис. 38), в которых происходит прямое преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию. В Институте полупроводников НАН Украины разработаны солнечные батареи с КПД 18 %, то есть близкие к максимально возможному. А учёные Национального технического университета «КПИ» использовали солнечные батареи для создания фотоэлектрической станции мощностью 5 кВт. Если спаять две проволоки, изготовленные из разных металлов, а место спая нагреть, то в проводах возникнет электрический ток (рис. 39). Такой источник тока называют термоэлементом, или термопарой. В нём внутренняя энергия нагревателя преобразуется в электрическую энергию. Рис. 38 38 Глава 2 В элекгрофориой машине два диска из оргатгчсского стекла (с размещёнными по круг^' металлическими полосками) вращаклея в противоположных направлениях. В результате трения проволочных щёток о полоски на кондукторах (полюсггх) машины накапливаются заряды противоположных знаков (рис. 7 на с. 10). Механическая энергия вращения дисков преобразуется в электрическую энергию. На тепловых, атомных, ветровых и гидроэлектростанциях электрический ток вырабатывают с помощью генераторов электрического тока (от латинского слова генератор — производитель, создатель). Об устройстве и действии генераторов вы узнаете позднее....... Рис. 39 g> ■ОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Что такое электрический ток? 2. Что необходимо создать в проводнике, чтобы в нём возник и определённое время существовал электрический ток? 3. Что называется источником электрического тока? 4. Какие источники электрического тока вы знаете? 5. Кто первый создал гальванический элемент и так его назвал? 6*. Чем аккумулятор отличается от гальванического элемента? 7. Какая энергия преобразуется в электрическую в солнечных батареях? 8. Где примененяют разнообразные источники электрического тока? r§S) ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И Е| СОСТАВЛЯЮЩИЕ Электрическая энергия, ссжредоточенная в источниках электрического тока, — очень выгодный и удобный вид энергии, поэтому широко применяется в промышленности, технике, быту. Электродвигатели, электрические лампы, нагреватели, плиты, телевизоры и компьютеры называют приёмниками, или потребителями электрической энергии. Чтобы доставить электрическую энергию от источника к потребителю, их соединяют между собой проводниками электрического тока. Для этого используют преимущественно медные или алюминиевые провода. Простейшая электрическая цепь состоит из источника тока (рис. 40), потребителя электроэнергии (лампа, электродвигатель), соединительных проводов и устройства для замыкания и размыкания цепи — выключателя (ключа). Для того чтобы в цепи проходил ток, она должна быть замкнутой, то есть состоять только из проводников электрического тока. Если в каком-либо месте отсоединить провод или случится его обрыв, то в цепи тока не будет. На этом основано действие выключателей. ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК -39 Рис. 40 Чертёж, на котором изображают различные способы соединения элементов электрической цепи, называют схемой электрической цепи. Приборы и соединения на схемах изображают с помощью условных обозначений. Некоторые из них приведены на странице I форзаца. На рисунке 41 изображена схема простейшей электрической цепи. 1. 2. 3* 4. 5. 6* Что необходимо для наличия электрического тока в электрической цепи? Назовите известных потребителей электрической энергии. Какие виды энергии преобразуются в электрическую в источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц? Приведите примеры. Из чего состоит простейшая электрическая цепь? Что такое схема электрической цепи? Начертите возможные схемы электрических цепей, состоящих из батареи гальванических элементов, электрической лампы, электродвигателя, электрического звонка и ключа. ЭЛ1КТРИЧ1СКИИ ток в М1ТАЛЛАХ Электрический ток - это упорядоченное движение свободных электри ческих зарядов под действием электрического поля источника тока. Какие это заряды? Как они перемещаются"? Рассмотрим внутреннее строение металлических проводников. В каждом металле часть электронов покидает своё место в атоме, при этом атом превращается в положительный ион. Положительные ионы в металлах размещаются в строгом порядке, образуя кристаллические решётки (рис. 42). Между ионами хаотически движутся свободные электроны в виде электронного газа. Ф ф ' . ^ ©ч 1 1 ® ф ® Рис. 42 40 гМЕВё'йч ; : Глава 2 Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен полонштельному заряду всех ионов кристаллшгеских решёток. Поэтому в обычных условиях металлический ггроводиик электронейтрален. Итак, какие электрические заряды перемещаются под действием электрического поля в металлических проводниках? В 1899 г. К. Рикке включал в основной провод питания Т1)амвайных линий в Штутгарте шюледовательно три металлических цилиндцт, тесно прижатых ОДШ1 к другому торцами: два К1)айгшх медные, а средний алюми1шевый. Через эти цилиндры более года проходил электрический ток. В резу.льтате ТОЧНОГО взвешивания оказалась, что диффузии в металлах не происходило: в медных цилиндрах не было атомов алюмшхия и наоборот. Таким образом, К. Рикке доказал, что при прохождении по проводнику электрического тока в металлах ионы не пе1>емещаются. Следовательно, электрический ток в металлических гфоводниках образуется благодаря упорядоченному движению электронов. Теперь остаётся выяснить: как движутся свободные электроны! При отсутствии в проводнике электрического поля движение электронов хаотическое, как движение молекул газов или жидкостей. В любой момент скорости движения разных электронов отличаются значением и направлением. При наличии в проводнике электрического поля электроны, сохраняя своё хаотическое движение, начинают смещаться к положительному полюсу источника. Одновременно с беспорядочным движением электронов возникает их упорядоченное движение. На рисунке 43 схематично показана траектория движения одного электрона из точки 1 в точку 2 под действием электрического поля. Отсюда следует: электрический ток в металлах (металлических проводниках) — это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля, которое создаётся источником электрического тока. Исследованием электронной проводимости металлов занима.лся украинский учёный А. Э. Малиновский (1884-1937). Он представил свою интерпретацию взаимодействия свободных электронов и положительных ионов в металлах. Сделал уто’шения к теории экспериментов, которые в 1916 г. проводили американский физик Р. Тилмен и шотландский физик Б. Стюарт. Они раскручивали до большой скорости катушку из тонкого медного п{Ювода вокруг её оси. Потом катушку резко тормозили и регистрировали в цепи кратковременный электрический ток, обусловленный инерцией носителей заряда, кото1)ыми оказались именно электроны. g> lonrocu и ЗАДАНИЯ 1. Каково строение металлического проводника? 2. Объясните, почему при обычных условиях любой кусок металла является электронейтрал ьным. 3*. Как доказать, что электрический ток в металлах возникает в результате движения электронов, а не ионов? Опишите соответствующий опыт. 4*. Как перемещаются электроны в проводнике при отсутствии и наличии в нём электрического поля? 5. Объясните природу электрического тока в металлах. |§То) ДЕЙС?ВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО TOICA. НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО TOSCA Движение электрически заряжетшых частиц в веществе п^юводников г.таз человека не воспринимает. При этом направленное /щижение заряженнь!х частиц связано с целым рядом явлений, по ко-горым можно определить наличие электрического тока в цепи. I I Рис. 44 ® Опыт 1, Присоединим к полюсам источника тока никелиновый или нихромовый провод (рис. 44). Видим, что он нагревается, накаляется до красного свечения и провисает. Наблюдаем тепловое действие тока. Под действием электрического тока в электрических лампах вольфрамовая нить накаляется до яркого свечения, нагреваются спирали электроутюгов и электроплит. Тепловое действие тока широко используется при контактной сварке металлов (рис. 45). Через детали в процессе сварки п|юпускают сильный ток. В результате в местах контактов детали сильно нагреваются и свариваются. Рис. 45 42 Глава 2 Рис. 46 Рис. 47 (•») О пНа железный гвоздь или стержень намотаем несколько десятков витков изолированного медного провода. Освободив его концы от изоляции, П1)исоединим их к источнику тока. Видим, что гвоздь приобретает свойство притягивать к себе ме.7шие же.пезные предметы: опилки, гвозди, скрепки и т. п. (1)ис. 46), то есть он стал мапштом. В этом опыте ггрояв-.чяется магнитное действие электрического тока. I? По рисунку 47 собираем электрическую цепь. Если в банке чистая (дистил-пированная) вода, то электрическая лампа не горит. Если в воду добавить кристаллы медного купороса, то лампа засветится. Следовательно, в растворе медного купороса п}юходит электрический ток. Если через определённое время вынуть из банки от1)ицательный электрюд, то увидим, что на нём выделилась чистая медь, то есть щюхождение электрического тока сопровождается химическим превр)ащением вехцеств. Химическое действие тока используют д.пя получения чистых металлов. Световое действие тока вы можете наблюдать при свечении ламп дневного света (рис. 48). Под действием электрического поля газы, находящиеся в лампе, начинают светиться. В природе световое действие электрического тока наблюдается во время электрического разряда — мапиии (рис. 49). А какое направление имеет электрический ток? Ещё раз вспомним, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Движение каких именно заряженных частиц в электрическом поле принимают за направление тока? Рис. 48 Рис. 49 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК Рис. 50 На практике чаще всего имеют дело с электрическим током в металлических п1ювод1Шках, поэтому за направление тока в цепи целесообразно принять направление движения элект}юнов в электрическом поле, то есть от отрицательного полюса источника к положительному. Но воп^хх; о направлении тока возник в науке, когда об электронах и ионах ничего не было известно. Полагали, что во всех проводниках могут пе}юмещаться как положительные, так и отрицательные заряды. За направление электрического тока условно принимают то направление, в котором перемещаются (или могли бы перемещаться) в проводнике положительные заряды, то есть направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. Убедимся, что от направления тока зависит его механическое действие. О п ыт 4. Присоединим к батарее гальванических элемецгов электродвигатель со стрелкой на его шкиве. Вал двигателя будет вращаться в определёшюм направлении (рис. 50, а). А если поменять полюса батареи, то вал двигателя вращается в противоположном направлении (1жс. 50, б). Работа электродвигателя - это пример механического действия электрического тока, ко-горое состоит в том, что рамка из провода, помещённая в магнитное поле, вращается в определённом нащ1авле1ши, если через неё гфоходит ток. Направление поворота при этом зависит от направления тока, «гго мы и наблюдаем в ходе опыта. Действие магнитного поля на проводник с током будем изучать позднее. Направление тока учитывают во всех п])ави.лах и законах электрического тока. g> ■ОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. [де на практике можно наблюдать механическое, тепловое, химическое, магнитное и световое действия электрического тока? 2*. Носителями тока в металле являются электроны. Почему за направление тока принято направление движения положи 1ельных зарядов? 3. Как убедиться, что от направления электрического тока зависит его механическое действие? 44 Глава 2 r»*g!A^w И уярАжне^ня) ^ Решаем еместе 1, Если между параллельными металлическими п.пастинами, присоеди-нённьп«и к кондукторам работающей электрофо})ной машины, разместить лёгкие пёрышки, то они будут интенсивно пе1>емещаться от одной пластины к другой. Какое физическое явление моделирует данный опыт? Ответ: электрический ток. Пёрышки совершают упорядоченное движение частиц в электрическом поле. 2. Будет ли действовать элемент Вольта, ес.пи оба его электрода — цинковые или медные? Ответ: нет, посколысу не будет различия в зарядах элект1юдов. 3. Начертите схему электрической цепи, состоящей из батареи аккумулято1юв, двух па1)аллель-но соединённых ламп амперметра, выключателя, соединительных проводников. Ответ: схема электрической цепи показана на рисунке 51. Рис. 51 (Уровень А) 57. Может ли электрический ток протекать в цепи, в которой нет выключателя? 58. На рисунке 52 показаны 1жзш,1е ИСТОЧ1ШКИ тока. Как называется каждый ИЗ ЭТИХ источников? Где ИХ используют? 59. Рассмотрите карманный фонарик. Начертите схему его электрической цепи. ()0. Электрическая цепь состоит из электродвигателя и лампы. Источник тока в ней — батарея аккумуляторов. Нарисуйте схему этой цепи. 61. В каком источнике тока в электрическую энергию превращаются: а) химическая; б) теп-повая; в) световая энергия? ()2. Как соедоншть проводами полюса источников тока, изображённых на рисунке 53, чтобы собрать из них батарею для более яркого свечения лампы? В каком направлении перемещаются в электрическом поле между двумя противоположно заряженными параллелышхми пластинами: электрон, положительный ион, отрицательный ион? Рис. 52 63. ( Уровень Б ) 04, Электрическое поле распространяется в вакууме со скоростью км 300 ООО За какое время оно распространится на расстоя1ше. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК равное земному экватору (средний радиус Земли Rg = 6,4 • 10® м), и на расстояние от Земли до Солнца (Rgc = 1,5 ■ 10“ м)? 65. На какое расстояние переместится элект1Х)н от источника тока за 1 ч, если скорость его движения вдоль П1юводника см „ Рис. 53 равна 0,006 ^ • 66. Соберите цепь из ключа, лампы, электродвигателя, соединительных проводов. Начертите её схему. 67. Аккумулятор надо за1>ядить от источника тока. Какую из клемм аккумулятора необходимо присоединить к положительному по.люсу источника тока, а какую — к отрицательному (})ис. 54)? 68. Почему аккумуляторы называют иногда вторшшыми элементами? 69. Электрическая цепь состоит из гальванического элемента, .лампы, выключателя, соеди-ните.льных проводников. Какое действие тока подтверждает, что цепь замкнута? Нарисуйте схему цепи, 70. Укажите, какое действие тока испо.льзуется в каждом из этих случаев: а) приготовление пищи на электроплите; б) освещение комнаты лампой дневного света; в) хромихювание и никели^ювание деталей; г) нагревание воды электрокипятильником; д) поднимание деталей с помощью алектромагнита. 71. В какой из банок находится дистиллированная (очищенная от примесей) вода (рис. 55 а, б)? 72. Открытие физика Араго (1820 г.) состоит в следующем: если тонкий медный провод, соединёшсый с источником тока, погрузить в стальные ОПИ.ЛКИ, то они прилипают к нему. Как объяснить это явление? Рис. 54 Рис. 55 46 - Глава 2 73. Имеет ли значение д.яя теплового действия электрического тока его направле1ше? 74. В схемах заряда и разряда аккумулятора укажите направление электрического тока внутри и снаружи аккумулятора. !§Ti) СИЛА ТОКА. АМПЕРМЕТР Опыты показывают, чем больше электрических за{>ядов ггроходит через проводник за опреде.пённое В1>емя, тем бо.пьше проявляется действие электрического тока — тепловое, химическое, магнитное, механическое и световое. Чем больше за1шже1шых частиц перемещается от одно1х» полюса источника тока к другому, тем больший общий заряд переносится частицами. Электрический заряд, который проходит че|>ез поперечное сечение проводника за еди1шцу времени, определяет силу тока в цепи. Сила тока — это физическая величина, которая характеризует электрический ток и определяется отношением электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко I времени его прохождения. Си.1гу тока обозначают латинской буквой I. Формула для оп1>еделения силы тока имеет вид: _ 9 гдед — элект1шческий заряд, п}юходящий через п1Юводник за время t. ^ едапшцу силы тока принят один ампер (1 А). Эта единица названа в чсють французского физика Ав^е-МариАлшерй. На Международной конференции мер и весов в 1948 г. принято решение в основу определехшя едишщы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников с током. ® О п ы т 1. Возьмём два гибких прямых проводашка, разместим их па1)ал-.цельно и присоединим к ист'очнику тока- замыкании цепи в проводниках проходит алектрический ток, в результате они взаимодействуют между собой: притягиваются, если направ.ле1ше тока в них одинаковое (1>ис- 56, а), либо отталкиваются, ес.ли нап1)авление противополояшое (рис. 56, б). Рис. 56 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 47 Этот опыт впервые выполнил А.-М. Ампер. Он измерял силу взаимодействия проводников с током. Оказалось, что эта сила зависит от длины проводников, 1)асстояпия между ними, среды, в которой они размещены, и от силы тока в проводниках. Учёный определил, что два очень тонких и длинных параллельных п{Х>водника длиной 1 м в безвоздушном пространстве (вакууме), 1>асстояние между которыми равно 1 м, а сила тока в каждом из них одинакова, взаимодействуют с силой 0,0000(Ю2 Н. Один ампер (1 А) — это сила тока, который, протекая в двух параллельных прямолинейных бесконечной длины тонких проводниках, размещённых в вакууме на расстоянии 1 м, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия 2 • 10~^ Н. Применяют также дольные и кратные единицы силы тока: миллиампер (мА), микроампер (мкА), килоампер (кА): 1 мА = 1 • 10*^ А; 1 мкА = 1 • А; 1 кА = 1 • 10" А. Че!)ез единицу силы тока 1А определяют единицу электрического заряда. q Поскольку 1 то q = It. Поскольку / =1А, i = lc, то единица электрического зар)яда — один кулон (1 Кл). 1 кулон = 1 ампер■ 1 секунда, или 1 Кл =1А*1с=1А-с. Из определения силы тока следует, что при силе тока 1А через поперечное сечетше прюводника каждую секунду проходит электрический зар>яд 1 Кл, то ^ . 1 Кл Кл есть 1 А = *Yc~= 1 Зная зар)яд электрюна, можно определить, что при 18 силе тока 1 А через поперечное сечение прюводника преходят 6,25 • 10 электрюнов в секунду. Диапазон (гр)аницы) значений силы тока, с котор)ыми приходится иметь дело в физике, небольшой по сравнению с другими величинами и составляет от 10 ® (0,000001) до 10" (100 000) А. В электр)ических лампах, нагревате.шьных прибор)ах сила тока достигает нескольких ампер. При электркеварке, когда нужно р^азогреть металлы до высокой температуре!, сила тока достигает значений в несколько тысяч ампер. Ещё большая сила тока (в сотни тысяч ампер)) возникает во время молнии. При этом воздух нагревается до температуры 20 ООО "С; за очень корют-кое время (до 10 с) его давление повышается до 300 атм (3,03 • 10^ Па), что соответствует интенсивному акустическому удару, — мы слышим грюм. Химическое действие тока используется при зар>ядке аккумуляторюв, хрюмирювании и никелирювании деталей и изделий, при электрюхимиче-ском получении металлов. Сила тока во время этих прюцессов составляет от нескольких ампер) (зарядка аккумулятор)Ов) до сотен и даже тысяч ампер (получение чистых металлов). Магнитное действие тока используют в электрюмагнитах, двигателях и др. При р)аботе мощных двигателей сила тока может достигать сотен ампер. В таблице 1 пр)иведены значения силы тока в некотор)ых технических устр)ойствах и прибор>ах. 48 ' ■" ■ ■ Глава 2 Таблица 1 Сила тока в различных технических устройствах и приборах Устройство, прибор Сила тока, А Электронный микроскоп 0,00001 Кинескоп телевизора 0,00012 Рентгеновская установка 0,02-0,10 Электробритва 0,08 iЭлектрический фонарик 0,3 Велосипедный генератор (при о= 12 0,3 Электрическая лампа 0.3-0.4 Пылесос 1,9 4,2 Электроплитка 3-4 Генератор автомобиля 17 Двигатель троллейбуса 160-220 Двигатель электровоза 350 Аппарат для контактной сварки 10 000 Для измерения силы тока в цепи используют прибор — амперметр (рис. 57). Шкала амперметра на рисунке 57, а проградуирована в амперах (А), а на рисунке 57, б — в мик|юамперах (сокращённое обозначение — мкА, международное — рА). Па шкалах соответствешю написаны буквы А и рА. На схемах амперметр изображают буквой А в кружке (рис. 58). Любой измерите.пьный прибор при включении в цепь не должен в.пиять на значение изме1)яемой ве.личины. Поэтому конструкция амперметра такова, чтобы при включении в цепь сила тока в ней почти не изменялась. При этом апектрическое сопротивление до.пжно быть как можно меньшим (об электрическом сопротивлении узнаете позднее). - ^_т > ^ )jA Рис. 57 Рис. 58 ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК 49 Рис. 59 Рис. 60 Д.ПЯ измерения силы тока в цепи амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, в котором измеряют силу тока. Для этого надо «разорвать» цепь, то есть отсоединить от прибора один из П1ЮВОДНИКОВ, и в образовавшийся ггромежуток включить амперметр с ПОМОПЦ.Ю двух клемм или зажимов на его корпусе. Возле одной из клемм амперметра стоит знак «плюс» («+»), возле другой — «минус» (иногда «-» не указывают). Клемму со знаком «+» надо обязательно соединить с ггроводом, который отходит от положительного полюса источника тока. Поскольку по закону сохранения электрического заряда количество зарядов, поступающих в цепь от одного из полюсов источника тока, равно количеству зарядов, которые возвращаются на второй полюс источника, то сила тока одинакова на разных участках цепи с последовательно соединё1Шыми приборами. Поэтому для измерения силы тока в такой цепи амперметр можно включать в любом месте, его показания всегда будут одинаковы. ф Опыт 2. Собираем электрическую цепь (рис. 59) и измеряем силу тока в спирали лампочки карманного фонарика. Сила тока равна 1 А. В технике применяют разнообразные амперметры. По их шкалам либо другим обозначениям видно, на какую наибольшую силу тока они рассчитаны. Превышать эту силу тока нельзя, так как прибор может выйти из строя. На практике также используют амперметры с цифровыми индикаторами. Например, на рисунке 60 показано, что измеренная таким амперметром сила тока в цепи равна 0,0625 А. Современными амперметрами можно измерять силу тока до 10* А. Е> ЗОП^Ы ^ ЗАДАНИ9 1. Что такое сила тока? 2. Объясните, почему сила тока является скалярной величиной. 3*. Объясните, почему термин «сила тока» не совсем удачен. 4*. Какое явление используется для определения единицы силы тока? 5. Что принято за единицу силы тока? Как называют эту единицу? 6. Каким прибором измеряют силу тока? 7. В каких единицах градуируют шкалу амперметра? 8. Как включают амперметр в электрическую цепь? Физика 4 Глава 2 ЛАБОРАТОР РАБОТА №2 ИЗМ1Р1НИ1 силы ТОКА € ПОМОЩЬЮ АМП1РМЕТРА • Цель работы: научиться собирать электрическую цепь. Выяснить, одинакова ли сила тока на разных участках цепи. • Приборы источник тока, лампа на подставке, амперметр, и материалы: выключатель, соединительные проводники. Ход работы 1. Рассмотрите шкалу амперметра. Какова цена деления шкалы прибора? Каковы границы измерения амперметра? Цена деления шкалы амперметра составляет ... А. Амперметром можно измерять силу тока от О до ... А. 2. Соберите электрическую цепь (рис. 61, а). Замкните выключатель. Снимите показания амперметра. Результат запишите в тетрадь. 3. Включите амперметр, как показано на рисунке 61,6. Что показывает амперметр? 4. Соберите цепь (рис. 61, в). Запишите показания амперметра. 5. Сравните все показания амперметра и сделайте вывод. 6. Начертите в тетради схемы собранных цепей. «Alb 1 тШвГ" * А 1м шш б в, Рис. 61 Задания для любознательных 1. Изучите устройство карманного фонарика. Обратите внимание, как вставляется батарейка гальванических элементов, чтобы обеспечить контакт с лампочкой. Выясните, на какую силу тока рассчитана лампочка. Исследуйте, как замыкается и размыкается электрическая цепь. Начертите схему электрической цепи карманного фонарика, пользуясь условными обозначениями элементов цепи. 2. Возьмите батарею гальванических элементов и присоедините к её полюсам два медных провода. Разрежьте картофелину пополам, в место среза одной половины картофелины вставьте медные провода. Наблюдайте за изменением цвета картофелины у полюсов. У одного из полюсов картофелина посинела? Как с помощью этого опыта можно определить полюса источника постоянного тока? ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК §Л) ЭЛЕКТРИШСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ. ВОЛЬТМЕТР Под действием электрического поля, которое создаёт источник тока, заряженные частицы перемещаются по проводнику. При этом выполняется работа: накаляется спираль электролампы, приходит в движение электрический двигатель и т. д. Это говорит о том, что главную роль в прохождении электрического тока в проводниках играет электрическое поле. Для характеристики электрического поля вводят физическую величину, которая называется электрическим напряжением, или напряжением. Напряжение — это физическая величина, которая определяется отношением работы электрического поля на данном участке цепи к электрическому заряду, прошедшему по этому участку. Оно характеризует электрическое поле, которое образует ток. Напряжение обозначается большой латинской буквой U. Формула для определения напряжения: где А — работа, выполненная электрическим полем при прохождении тока; q — значение электрического заряда, перенесённого током. Единица напряжения в СИ — один вольт (1 В). Названа так в честь Алессшщро Вольта, создавшего первый гальванический элемент. Один вольт (1 В) — это напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в один кулон (1 Кл) по этому проводнику равна одному джоулю (1 Дж). Отсюда 1 Б-^-1^. Кроме вольта применяют дольные и кратные ему единицы: милливольт (мВ) и киловольт (кВ). 1 мВ = 0,001 В; 1 кВ = 1000 В. Электрические приборы работают при разном напрян<ении. Например, при контактной сварке напряжение составляет 0,1 В, бытовые приборы работают при напряжении 220 В, мощные двигатели — 380 В, а двигатели электровоза — 1500 В. Разные источники тока характеризуются рабочим напряжением. В гальваническом элементе и аккумуляторе (химических источниках тока) значение напряжения небольшое. Если в гальваническом элементе медный и железный электроды, то напряжение 0,78 В, медный и цинковый — 1,1 В, серебряный и цинковый — 1,56 В. Среднее напряжение свинцового кислотного аккумулятора составляет 2 В, а железоникелевого щелочного — 1,25 В. Термоэлементы (термопары) и фотоэлементы (солнечная батарея) создают ещё меньшие напряжения. Например, термоэлемент из графита и карбида Глава 2 титана при нагревании спая до 1 000 °С создаёт напряжение 52 мВ (0,052 В). Солнечная кремниевая батарея площадью 160 см* пр® освещении солнечными лучами даёт 2 В. Чтобы получить большие напряжения, гальванические элементы, аккумуляторы, термо- и фотоэлементы соединяют в батареи. В таблице 2 приведены значения напряжения в некоторых технических устройствах и приборах. Таблица 2 Напряжение в различных технических устройствах и приборах Устройство, прибор Напряжение, В Электронный микроскоп 130 000 Кинескоп телевизора 16 000 Рентгеновская установка 70 000-200 000 Электробритва 220 Электрический фонарик 4.5 Велосипедный генератор {при г> = 12 7,2 Электрическая лампа 220 Электроплитка 220 Генератор автомобиля 12 Двигатель троллейбуса 550 Двигатель электровоза 1 500 Аппарат для контактной сварки 0,1 Для измерения напряжения в электрических цепях используют вольтметр (рис. 62, а) — для школьных опытов, б — для лабораторных работ). Чтобы отличить вольтметры от амперметров или других электрических измерительных приборов, на их шкалах ставят букву V. На схемах вольтметр изображают так, как это показано на рисунке 62, в. Как и у амперметра, возле одного зажима вольтметра ставят знак «+». Этот зажим обязательно надо соединять с проводом, идущим от положительного полюса Рис. 62 ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК источника тока. Иначе стрелка прибора будет отклоняться в обратную сторону', и он может выйти из строя, то есть важно учитывать направление электрического тока. Вольтметр включают иначе, чем амперметр. Измеряем напряжение, которое даёт батарея гальванических элементов (рис. 63). Напряжение на полюсах батареи составляет 4,6 В. (Примечание: нельзя таким образом включать амперметр, так как он выйдет из строя!) Подсоединим теперь вольтметр к одному из зажимов выключателя и лампы. Вольтметр ничего не показывает (рис. 64, а). А если подсоединить вольтметр к обоим зажимам лампы, то он покажет, какое напряжение поступает на лампу (рис. 64, б). Это напряжение равно 4 В. Рис. 63 Рис. 64 Вольтметр подсоединяем параллельно к участку цепи, на котором нужно измерить напряжение, то есть зажимы вольтметра надо подсоединить к тем точкам цепи, между которыми необходимо измерить напряжение. При этом через вольтметр проходит определённый ток из цепи, что приводит к изменению значения напряжения в точках соединения. Чтобы это изменение было как можно меньшим, электрическое сопротивление вольтметра должно быть большим (об электрическом сопротивлении узнаете позднее). На практике также используют вольтметры с цифровыми индикаторами. Измеряем напряжение в электросети, оно равно 217 В (рис. 65). Современными вольтметрами можно измерять ______________"Ж напряжение до 10** В. рис. 65 Глава 2 HHTiricito sum у некоторых рыб есть органы, вырабатывающие электрический ток. Например, электрический сом даёт разряды напряжением до 360 В, электрический скат — до 220 В, электрический угорь — до 650 В и силой тока 2 А. Е> ■опгесы и ЗАДАИНЯ 1. Что такое электрическое напряжение? 2. Как можно определить напряжение, зная работу тока и электрический заряд? 3. Что принято за единицу напряжения? Как называют эту единицу? 4. Каким прибором измеряют напряжение? 5. В каких единицах градуируют шкалу вольтметра? 6. Объясните, как включить вольтметр в электрическую цепь. 7*. Почему вольтметр включают параллельно участку цепи? ‘ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА WS3 • Цель работы: ИЗМ1РЕНИ1 ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ВОЛЬТМЕТРА научиться пользоваться вольтметром, с его помощью измерять напряжение на разных участках цепи. • Приборы источник тока, низковольтная лампа на подставке, и материалы: спираль из проводника, вольтметр, ключ, соединительные провода. Ход работы 1. Рассмотрите шкалу вольтметра. Какова цена деления шкалы прибора? Каковы предельные значения при измерении вольтметром? Цена деления шкалы вольтметра составляет ... В. Вольтметром можно измерить напряжение от О до ... В. 2. Соберите электрическую цепь из источника тока, лампы, спирали и ключа, соединив все приборы, как показано на рисунке 66. 3. Зная, что вольтметр включают параллельно потребителю, подсоедините его к лампе. Замкните цепь. Снимите показания вольтметра. и, - ... В. 4. Присоедините вольтметр к спирали. Замкнув цепь, измерьте напряжение на спирали. [/2=... В. Рис. 66 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 5. Измерьте напряжение на зажимб1Х батареи гальванических элементов. и = ... В. Начертите схему собранной электрической цепи. 6. Определите сумму напряжений 17, + гУз и сравните с напряжением U. 7. Сделайте вывод. Задание для любознательных Возьмите старые гальванические элементы от фонарика, при которых спираль лампочки едва накаляется. Подогрейте гальванические элементы на батарее отопления или другим нагревателем. Снова вставьте их в фонарик. Будет ли лампочка светить ярче? Сделайте вывод. §13) ЭЛ1КТРИЧ1€К01 €0ПР0ТИВЛ1НИЕ ПРОВОДНИКОВ. ЕДИНИЦЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ Вы уже знаете, что электрический ток в цепи — это упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле. Чем сильнее действие электрического поля на заряженные частицы, которые в нём перемещаются, тем больше сила тока в цепи. При этом действие электрического поля характеризуется напряжением. Итак, возникает вопрос: зависит ли сила тока в проводнике от напряжения на его концах? (§) Опыт 1. Собираем электрическую цепь, используя гальванический элемент, ключ, амперметр, никелиновую спираль от магазина сопротивлений, к которой параллельно присоединяем вольтметр (рис. 67). Замкнём цепь и зафиксируем показания приборов (рис. 67, а). К гальваническому элементу последовательно присоединим такой же и снова замкнём цепь. Мы видим, что напряжение на спирали при этом увеличилось в два раза, а амперметр показывает вдвое большую силу тока (рис. 67, б). Если соединить последовательно три элемента, то напряжение на спирали увеличится в три раза, во столько же раз увеличится и сила тока в электрической цепи. Рис. 67 Глава 2 I.A. О, 1- -^1 i 1 i г и 2 4 6 8 и,В Рис. 68 Графически это можно изобразить следующим образом (рис. 68). На горизонтальной оси в выбранном масштабе откладываем значения напряжения, а на вертикальной — соответствующие им значения силы тока. Наносим точки на плоскость и получаем график линейной зависимости: чем большее напряжение приложено к участку цепи, тем больший ток в цепи. Следовательно, сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника. ф Опыт 2. Собираем электрическую цепь (рис. 69). При её замыкании амперметр показывает определённое значение силы тока. Разомкнув цепь, присоединим к лампе никелиновый провод длиной 1— 2 м. Снова замкнём цепь и видим, что сила тока в цепи уменьшилась. Если вместо никелинового провода включить в цепь такого же размера нихромовый провод, то амперметр покажет ещё меньшую си- gg лу тока. При включении медного провода такого же размера сила тока в цепи возрастает. Если при замыкании цепи каждый раз присоединять к концам этих проводников вольтметр, то он будет показывать одинаковое напряжение. Следовательно, сила тока в цели зависит не только от напряжения, но и от свойств проводников, включённых в цепь. Зависимость силы тока от свойств проводника объясняется тем, что направленному движению свободных электронов в металлическом проводнике противодействуют их хаотические столкновения с ионами кристаллической решётки, находящимися в состоянии теплового движения (колебаний). Это противодействие приводит к уменьшению скорости направленного движения заряженных частиц, то есть к уменьшению силы тока в цепи. Величина, характеризующая свойство проводника противодействовать направленному перемещению свободных зарядов внутри него, называется электрическим сопротивлением проводника. Проводники, имеющие одинаковые геометрические размеры (длину и площадь поперечного сечения), но изготовленные из разных металлов, имеют разные значения электрического сопротивления, что объясняется различиями в строении их кристаллических решёток. Электрическое сопротивление обозначают большой латинской буквой R, Единица электрического сопротивления в СИ — один ом (1 Ом); названа в честь немецкого физика Георга Ома. ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК Ш 57 Значение электрического сопротивления один ом (1 Ом) имеет » такой проводник, в котором проходит ток силой один ампер (1 А) при напряжении один вольт (1 В) на его концах. На практике используют следующие единицы сопротивления: миллиом (мОм), килоом (кОм), мегаом (МОм). 1 мОм = 1 • Ю"** Ом; 1 кОм = 1 • 10'^ Ом; 1 МОм =- 1 * 10® Ом. Схемы электрических и электронных приборов состоят из совокупности электрических цепей, сила тока и напряжение которых зависят от значений электрического сопротивления специальных деталей — резисторов разш>1х конструкций. Значение сопротивления резисторов составляет от десятых долей ома до десяти тысяч мегаомов. ■ОПРОСЫ и 1ДДАНИ1 1. Как сила тока в проводнике зависит от напряжения на концах проводника? 2. Опишите опыты, которые показывают, что сила тока в электрической цепи зависит от свойств проводника. 3. Какое сопротивление принято за единицу сопротивления проводника? 4*. Чем объясняется электрическое сопротивление проводника? 5. Какое свойство проводника характеризует его электрическое сопротивление? |§П) ъшон от для ОДНОРОДНОГО учлакд ЭЛ1КТРИЧЕСК0Й ЦЕЛИ Явления, происходящие в электрических цепях, характеризуются взаимосвязанными физическими величинами: силой тока, напряжением и сопротивлением. Вы, например, знаете, что сила тока в проводнике гфямо пропорциональна напряжению на его концах. __________ Впервые явления в электрических цепях подробно изучил Георг Ом. В 1826 г. ему удалось экспериментально установить зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением в электрических цепях. Эта зависимость оказалась очень важной и получила название закона Ома. Чтобы понять его физггческий смысл, выполним опыты. О п ы т 1. Используя источник тока, амперметр, спираль из никелинового провода (резистор), вольтметр, ключ и соединительные проводники, собираем электрическую цепь (рис. 70, а). На рисунке 70, б приведена схема этой цепи. Амперметр, включённый в цепь последовательно, будет показывать си.пу тока, протекающего в спирали. Вольтметр, присоединённый к спирали параллельно, покажет нащ>яжение на её концах. Ск^противление спирали не изменяется. 1 ■»-ч____I-' б Рис. 70 58 Глава 2 Замкнём ключ и снимем показания вольтметра и амперметра: (7 = 4 В; / = 1 А. Если увелитать напряжение в два раза, то есть = 8 В, то амперметр покажет силу тока в два раза большую, то есть I = 2 А, Отсюда следует: при постоянном сопротивлении проводника сила тока, протекающего в нём, прямо пропорциональна напряжению на его концах (рис. 68 на с. 56). (Щ) О п ы т 2. Собираем такую же электрическую цепь, как в предыдущем опыте, но вместо одного нихромового включаем поочерёдно провода, сопротивление которых равно соответственно 1 Ом, 2 Ом, 4 Ом (рис. 71, а). Напряжение па концах каждого проводника в ходе опыта было постоянным, контролируем его значение по показаниям вольтметра. Силу тока в цепи измеряем амперметрда!. Результаты опытов следующие: напряжение на концах проводников составляет 2 В; при включении проводника с сопротивлением 1 Ом сила тока в цепи равна 2 А, 2 Ом - 1 А, 4 Ом — 0,5 А. Отложив эти значения на осях координат, построим график (рис. 71, б). Видим, что это гипербола, то есть чем больше сопротивление проводника, тем меньший ток в нём протекает. Следовательно, при постоянном напряжении сила тока в проводнике обратно пропорциональна его сопротив.пению. По результатам обоих опытов получаем формулу зависимости силы тока в щюводиике I от напряжения на концах проводника U и его сопротивления К: /,А, 2- V и = const 1- i i 1 1 0 1 2 3 4 R. Ом 6 Рис. 71 / = -^-R Эта формула выражает закон Ома. Сила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению на данном участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка. На законе Ома основан экспериментальный способ определения сопротивления проводника. Из закона Ома следует, что Д = и_ I Итак, для определения сопротивления проводника необходимо измерить напряжение на нём и силу тока, затем значение напряжения разделить на ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 59 значение силы тока. Из формулы также следует, что единица электрическое сопротивления равна отношению единицы напряжения к. единидо 1В в силы тока, то есть 1 Ом = = 1 . 1 А А Если известны сопротивление и сила тока на участке цепи, то по закону Ома можно вычислить напряжение на его концах: и = т Чтобы определить напряжение на концах участка цепи, силу тока на этом участке необходимо умножить на его сопротивление. [^»ТО ИН7191€Ие знмь г. Ом после выхода книги «Теоретические исследования электрических цепей», в которой он изложил открытый им закон, писал, что «рекомендует её добрым людям с тёплым чувством отца, не ослеплённого обезьяньей любовью к детям, но удовлетворённого указанием на открытый взгляд, с которым его ребёнок смотрит на недобрый мир». Мир действительно оказался для него недобрым. Спустя год после выхода его работы в одном из журналов была опубликована статья, в которой исследования Г. Ома подвергались сокрушительной критике. «Тот, кто набожными глазами смотрит на Вселенную, — говорилось в статье, — должен отвернуться от этой книги, поскольку она является плодом безусловных заблуждений, преследующих единственную цель — преуменьшить величие природы». Злобные и необоснованные нападки на Г. Ома не npoujnn бесследно. Теорию Ома не приняли. И вместо научных исследований он был вынужден время и энергию тратить на полемику с оппонентами. В одном из своих писем учёный писал: «Появление на свет “Электрических цепей” принесло мне огромные страдания, и я готов проклинать время их зарождения». Но это были временные трудности. Постепенно теория Ома получила повсеместное признание. Закон Ома внёс такую ясность в правила расчёта токов и напряжений в электрических цепях, что американский учёный Дж. Генри, узнав об открытии Ома, не удержался от восклицания: «Когда я впервые прочитал теорию Ома, то она мне показалась молнией, внезапно озарившей комнату, погружённую во тьму». •ОПРОСЫ м здддии?: 1. Как изменится сила тока на участке цепи, если при постоянном сопротивлении увеличить напряжение на её концах? 2. Как изменится сила тока, если при постоянном напряжении увеличить сопротивление участка цепи? 3. Сформулируйте закон Ома. 4. Как с помощью вольтметра и амперметра измерить сопротивление проводника? 5. По какой формуле определяется напряжение, если известны сила тока и сопротивление данного участка? 6*. Объясните, почему формула для определения сопротивления проводника, полученная из закона Ома, не имеет физического смысла. 60 Глава 2 €ОП&>ОТИВЛЕИИЯ П1»С»ЁС>||1№К4 ta^ J С 11@МС$ЩЫО АМП1В»МШ?РА И ВОЛЬТМ1¥£*А / Цель работы: • Приборы и материалы: научиться измерять сопротивление проводника, используя амперметр и вольтметр. Убедиться на опытах, что сопротивление проводника не зависит от силы тока, а также налряжегшя па его когщах. источник тока, исследуемый проводник (нихромо-вая спираль), амперметр, вольтметр, реостат, ключ, соединительные провода. Ход работы 1. Соберите электрическую цепь, соединив последовательно источник тока, амперметр, исследуемый проводник (спираль), реостат, ключ. К концам спирали присоедините вольтметр (у»штьшайте знаки «+» и «-»). 2. Начертите схему полученной электрической цепи. 3. Измерьте силу тока в цепи и напряжение на проводнике. 4. С помощью реостата измените сопротивление цепи, снова измерьте силу тока в цепи и напряжение на проводнике. 5. Результаты измерений запишите в таблицу. Номер проводника Сила тока 1, А Напряжение U, В Сопротивление Я, Ом 1 2 6- Пользуясь законом Ома, вычислите сопротивление проводника по данным каждого измерения. 7. Результаты вычислений запишите в таблицу. Сравните результаттл. Задача для любознательных По данным работы начертите график зависимости силы тока в проводнике от напряжения на его концах. Проанализируйте график. По графику определите сопротивление проводника при каком-либо промежуточном значении силы тока. ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК С идкчы и УПРДЖИШИнГ) у Решаем вместе 1. Сила тока в цепи электрической лампы равна 0,3 А. Сколько электронов проходит через поперечное сечение спирали за 5 мин? Решение Заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время протекания тока, вычисляем по формуле: q = It. Разделив это значение на элементарный заряд, определим количество электронов, прошедших через поперечное сечение проводника: N= — . е Подставив значения известных величин, получим: Дано: 1 = 0,3 А t = 5 мин = 300 с е = -1,6- 10'” Кл п = 3,14 N - - ? N = 0,3 А • 300 с = 5,6 • 10^ электронов. 1,6 • 10 *®Кл Ответ: через поперечное сечеште спирали проходит 5,6 • 10^ электронов. 2. Какое сопротивление имеет вольтметр, рассчитанный на J.50 В, если сила тока в нём не должна превышать 0,01 А? Дано: и = 150 В I = 0,01 А Решение Сопротивление вольтметра опреде- и ЛИМ по закону Ома: Я = -у. н — / Подставив значения, получим: Л = 150 В: 0,01 А = 15 000 Ом = 15 кОм. Ответ: сопрютивление вольтметра равно Л = 15 кОм. 3. Что изменилось на участке цепи, если включённый с ней последовательно амперметр показывает увеличение силы тока? Ответ: увеличилось напряжение или уменьшилось сопротивление. (Уровень Д) 75. Сила тока в цепи электроплитки равна 1,4 А. Какой электрический заряд проходит по спирали за 10 мин? 76. Вычислите силу тока в проводнике, через поперечное сечение которого в минуту проходит заряд 36 Кл. 77. В приборе, включёшюм в электрическую цепь, сила тока равна 6 мкА. Какой заряд проходит через прибор за 10 мин? 78. За какое время через поперечное сечение проводника проходит заряд 10 Кл при силе тока 2 А? 79. Амперметр, включённый в электрическую цепь, показывает силу тока 4 А. За какое время через амперметр проходит заряд 20 Кл? 80. Выразите в амперах силу тока, равную: 2000 мА; 100 мА; 55 мА; 3 кА. 62 Глава 2 \\\ Рис. 72 81. На рисунке 72, а, б изображены шкалы двух амперметров. Определите для каждого амперметра границы измерения и цену деления шкалы. Какую силу тока показывает каждый амперметр? 82. При измерении силы тока в электрической цепи один ученик включил амперметр в цепь последовательно, а другой — параллельно. Какой ученик неправильно присоединил амперметр? Почему? 83. На рисунке 73, а, б изображены электрические цепи. Какие приборы \включены в эти цепи? Начертите электрические схемы цепей. Какую силу тока зафиксировал каждый амперметр? 84. При перемещении заряда 12 Кл по спирали электрической лампы выполнена работа 240 Дж. Какое папряжение на зажимах лампы? 85. Определите напряжение на участке электрической цепи, на которой ток выполнил работу 1.0 кДж при перенесении заряда 10 Кл. 86. Определите напряжение на автомобильной лампе, если для перемещения в ней заряда 100 Кл необходимо вьшолнить работу 600 Дж. 87. На рисунке 74, а, б, в изображены 1пкалы трёх вольтметров. Для каждого вольтметра определите границы измерения и цену деления шкалы. Какое напряжение показывает каждый вольтметр? Рис. 73 Рис. 74 электрический ток 63 88. Один ученик включил вольтметр в электрическую цепь последовательно, а другой — параллельно. Какой вольтметр подключён правильно? 89. Необходимо измерить напр.чжение электролампы, включённой в осветительную сеть. Какой из двух вольтметров — на 300 или 50 В — должен выбрать ученик? Напряжение в сети 220 В. 90. Измерьте напряжение на выводах гальванического элемента и батареи гальванических элементов. Какие показания вы зафиксировали? 91. На рисунке 75, о показано, как соединить элементы для измерения силы тока в электрической цепи, а на рисунке 75, б — напряжение. В чём отличие между измерением силы тока и напряжения в цепи? 92. Измерьте силу тока в электродвигателе и напряжение, при котором он работает. Начертите схему цепи. 93. В электрической лампе, рассчитанной на напряжение 220 В, сила тока равна 0,5 А. Определите сопротивление нити лампы в рабочем состоянии. 94. Электроплитка рассчитана на напряжение 220 В. Сопротивление её спирали равно 75 Ом. Определите силу тока в ней. 95. Чему равна сила тока в электрической лампочке кармазнного фонаря, если сопротивление нити накаливания равно 15 Ом и присоединена она к батарее гальванических элементов напряжением 4,5 В? 96. Вольтметр показывает напряжение 120 В. Какое сопротивление вольтметра, если через него проходит ток 10 мА? 97. Определите сопротивление электрической лампы, сила тока в которой равна 0,5 А при напряжении 120 В. 98. При напряжении 1,2 кА сила тока в цепи одного из блоков телевизора равна 50 мА. Чему равно сопротивление цепи этого блока? 99. Какое напряжение следует приложить к проводнику, сопротивление которого 1000 Ом, чтобы получить в нём силу тока 8 мА? 100. В паспорте амперметра указано, что его сопротивление равно 0,1 Ом. Определите напряжение на зажимах амперметра, если он показывает силу тока 10 А. 101. Определите напряжение на концах проводника, сопротивление которого равно 20 Ом, если сила тока в проводнике равна 0,4 А. ( Уровень Б ) 102. Через одну электрическую лампу проходит заряд 450 Кл каждые 5 мин, а через другую — 15 Кл за 10 с. В какой лампе сила электрического тока больше? 103. Сколько электронов проходит в секунду через поперечное сечение проводника, если сила тока в нём равна 5 А? «4 Глава 2 104. Через поперечное сечение проводника в электрической цепи проходит 3,1 ■ 10‘® электронов в секунду. Определите силу тока в цепи. Сколько электронов проходит через поперечное сечение спирали электрической лампы в этой цепи? 105. На рисунке 76 изображены шкалы измерительных приборов. Как называются эти приборы? Для измерения какой физической величины их применяют? На какое максимальное значение измеренной величины рассчитан каждый прибор? Какова цена деления шкал приборов? Какое значение измеренной величины показывает каждый прибор? 106. Как с помощью вольтметра определить полюса источника постоянного тока? 107. Почему сопротивление — одна из важнейших характеристик проводников? 108. Почему все проводники в определённой степени оказывают сопротивление направленному движению зарядов внутри проводника? 109. Можно ли от батареи аккумуляторов напряжением 12 В получить в проводнике силу сопротивление проводника равно 100 Ом? 110. В электросеть напряжеш1ем 220 В включили электрический чайник и настольную лампу. Сопротивление нагревательного элемента чайника равно 22 Ом, сопротивление нити накаливания лампы — 240 Ом. Определите силу тока в каждом приборе. 111. При непрямых измерениях сопротивления резистора с4х)тографировали амперметр и вольтметр (рис. 77). Определите сопротивление резистора. Рис. 76 тока 140 мА, если Рис. 77 ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК iSj РАСЧ1Т СОПРОТИВЛЕНИЙ ПРОВОДНИКА. УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКА Причиной электрического сопротивления проводника является взаимодействие свободных электронов с ионами кристаллической решётки металла. Рассмотрим, от чего зависит сопротивление проводника. ® Опыт 1. В электрическую цепь (рис. 78) поочерёдно включаем проводники из одного материала, одинакового диаметра, но разной длины. Силу тока измеряем амперметром, а напряжение — вольтметром. По результатам опытов делаем вывод: чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление. Поскольку чем дашынее ир<;водник, тем большее противодействие испытают на своём пути частицы, перемещающиеся направленно. ф Опыт 2. Включаем в электрическую цепь поочерёдно проводники, изготовленные из одного материала и одинаковой длины, но с разньгм поперечным сечением. Измерив силу тока в проводниках и напряжение на их концах, убеждаемся: чем толще проводник, тем меньше его электрическое сопротивление. Увеличение толщины проводника равнозначно ♦расширению русла», по которому перемещаются заряды, поэ^юму сопхютивление проводника уменьшается. ® Опыт 3. Включаем в электрическую цепь поочерёдно проводники, изготовленные из разных веществ, но одинаковой длины и поперечного сечения. Оказывается, что электрическое сощютив.чение проводника зависит от того, из какого вещества он изготовлен. Это объясняется тем, что разные металлы имеют разные кристаллические структуры, следовательно, тормозящее действие столкновений ионов и свободных электронов оказывается разным. Зависимость сопхютивления проводника от его размеров и вещества, из которого он изготовлен, впервые установил опытным путём Г. Ом: сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади поперечного сечения и зависит от вещества, из которого он изготовлен. Глава 2 Зависимость сопротивления проводника от вещества, из которого он изготовлен, характеризуют удельным сопротивлением вещества. Удельное сопротивление вещества — это физическая ве-» личина, численно равная сопротивлению изготовленного из данного вещества проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м^. Если длину проводника обозначить буквой I, площадь его поперечного сечения — S, удельное сопротивление — р, то сопротивление проводника определим по формуле: ________ В = р Из этой формулы можно определить удельное сопротивление вещества: RS I Поскольку единица сопротивления — 1 Ом, единица площади — 1 м^, единица длины — 1 м, то единица удельного сопротивления равна: 1 Ом • 1 м^ 1 м = 1 Ом • м. На практике площадь поперечного сечегшя проводгшков обычно выражают в квадратных миллиметрах, поэтому единицей удельного сопротив- , Ом • мм^ ления вещества в этом случае является 1^—-. В таблице 3 приведены экспериментально полученные значения удельного сопротивления веществ, широко применяемых на практике. Таблица 3 Удельные сопротивления некоторых веществ (при t = 20 “С) 1 1 ; Вещество i . Р. Ом • мм* м Вещество Р. Ом • мм* м Вещество Р, Ом • мм' м 'Серебро 0.016 Свинец 0,21 Нихром (сплав) 1.1 Медь 0,017 Никелин(сплав) 0,40 Фехраль(сплав) 1.3 Золото 0.024 Манганин(сплав) 0,43 Графит 13 Алюминий 0,028 Константан (сплав) 0.50 Фарфор 10'* Вольфрам i Железо 0.050 0,100 Ртуть 0,96 Эбонит 10*“ Лучшими проводниками электричества являются серебро, медь, золото. Но для практических целей (например, создание электросетей) проводники изготовляют из алюминия, меди и железа. В нагревательных элементах используют нихромовые и фехралевые проводники. Фарфор и эбонит являются очень хорошими изоляторами. Итак, для разных веществ значения удельного сопротивления изменяются в очень широких пределах, что объясняется их разным внутренним строением. ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК ■ОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Чем характеризуется электрическое сопротивление, как его обозначают? 2. От чего зависит сопротивление проводника? 3. По какой формуле определяют сопротивление проводника? 4. Что показывает удельное сопротивление? Какой буквой его обозначают? 5. Какие единицы удельного сопротивления вы знаете? 6*. Есть два проводника. В каком из них сопротивление больше, если: а) длина и площадь поперечного сечения одинаковы, но один изготовлен из константа-на, а второй — из фехраля; б) оба изготовлены из одного вещества, имеют одинаковую толщину, но один проводник в два раза длиннее; в) изготовлены из одного вещества, имеют одинаковую длину, но один проводник в два раза тоньше? 7*. Проводники, рассмотренные выше, поочерёдно подсоединяют к одному источнику тока. В каком случае сила тока больше, а в каком — меньше? |§1^ рюадты. ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА от ТЕМПЕРАТУРЫ На практике часто приходится изменять силу тока в цепи, то увеличивая её, то уменьшая. Например, изменяя силу тока в электроплитке, мы регулируем температуру её нагревания. Для регулирования силы тока в электрической цепи применяют специальные приборы — реостаты. На рисунке 79 показан внешний вид реостатов (их условное обозначение см. в таблице на с. I форзаца). Такие реостаты называют но.лзунковыми. В них на керамический цилиндр намотан провод, покрытый тонким слоем окалины, по.этому вии^и провода изолированы один от другого. Над обмоткой размещён металлический стержень, вдоль которого перемещается ползунок. От трения ползунка об витки слой окалины под контактами ползунка стирается, и электрический ток в цепи проходит от витков провода к ползунку, а через него — в стержень Рис. 79 «а Глава 2 С зажимом на конце. Реостат включают в цепь с помощью этого зажима и зажима, соединённого с од1ШМ из концов обмотки и размещённого на корпусе реостата. Перемещая ползунок, можно увеличивать либо уменьшать сопротивление включённого в цепь реостата. На рисунке 80 изображён реостат (а) и магазины сопротивлений (б), позволяющие изменять сопротивление в цепи не плавно, а скачкообразно. Каждый реостат рассчитан на определённое сопротивление и допустимую силу тока, превьнпать которую не следует, поскольку обмотка реостата может накалиться и перегореть. Сопро'гивление реостата и наибольшее допустимое значение силы тока указаны на корпусе реостата. А заввси/га ли сопротивление проводника от его состояния, в частности температуры? ® Опыт 1. Собираем электрическую цепь из источника тока, стальной спирали, амперметра и ключа (рис. 81). Нагреваем спираль в пламени горелки. Амперметр, включённый в цепь, покажет уменьшение силы тока с повышением температуры. Следовательно, с изменением температуры сопротивление металлических проводников изменяется: при повышении температуры — увеличивается, при её понижении — уменьшается. Согласно научным исследованиям в ограниченном диапазоне температур сопротивление металл1гческих проводников возрастает прямо пропорционально температуре (рис. 82), что определяют по формуле: Рис. 80 R = Rq(\ + а()|. де Й — сопротивление проводника при определённой температуре; Ло — сопротивление проводника при 0 °С; # — температура проводника по шкале Цельсия; а — температурный коэффициент сопротивления. Рис. 81 Температурный коэффициент сопротивления характеризует зависимость сопротивления вещества от температуры и определяется относительным изменением сопротивления проводника при нагревании на 1 °С: а = R — Rf, Rot У чистых металлов (с минимальными примесями): 1 а~ 273 °С"'= O.OOS67 °C\ Например, сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания возрастает при прохождении по ней тока в 10 раз и более. Сплав константан (медь с никелем) имеет очень малый температурный коэффициент сопротивления, приблизительно 10 Удельное сопротив- ление константана большое — р = 10”® Ом • м. Такие сплавы используют для изготовления эталонных сопротивлений и дополнительных сопротивлений в измерительных приборах, если необходимо, чтобы сопротивлешяе значительно не изменялось при колебаниях температуры. Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры используют в термометрах сопротивления, рабочим элементом которых является платиновый провод. Изменения температуры окружающей среды определяют по изменению сопротивления провода. Такими термометрами можно измерять очень низкие и очень высокие температуры среды, когда жидкостные термометры непригодны. Для измерения сопротивления проводников используют приборы омметры разных конструкций. На рисунке 83 для измерения сопротивления резистора к нему присоединили омметр. Цифровой индикатор омметра показывает, что сопротивление проводника равно 39,1 Ом. Рис. 83 g> •ОПРОСЫ и ВАДАИИЯ 1. Какие конструкции реостатов вы знаете? Для чего их используют? 2. Как зависит сопротивление металлического проводника от температуры окружающей среды? 3. Приведите формулу для измерения сопротивления проводника при определённой температуре. 4. Что такое температурный коэффициент сопротивления? 5*. Перечислите преимущества термометров сопротивления перед жидкостными. 6. Какими приборами измеряют сопротивление проводников? Глава 2 ЛАБ0РАТ0Р1 РАБОТА № 1У^ ИЗУЧЕНИ1 ЗАВИСИМОаИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ от длины, ПЛОЩАДИ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ И МАТЕРИАЛА ПРОВОДНИКА • Цель работы: на опытах определить зависимость сопротивления ме- таллических проводников от их размеров и материала. • Приборы никелиновые и нихромовые провода разной длины и материалы: и попехжчного сечения, источник тока, амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода. Ход работы 1. Соберите электрическую цепь по схеме (см. рис. 78), подключив к ней никелиновый провод длиной 40 см. Измерьте силу тока в проводе и напряжение на его концах. Определите сопротивление провода. 2. Уменьшите длину никелинового провода до 20 см. Снова измерьте в нём силу тока и напряжение на концах. Определите сопротивление. 3. Сравните полученные результаты. Сделайте выводы. 4. Соберите электрическую цепь по схеме (см. рис. 78), включив в неё иихромовый провод длиной 40 см. Измерьте силу тока, напряжение на его концах. Определите сопротивление провода. 5. Уменьшите длину нихромового провода до 20 см. Снова измерьте в нём силу тока и напряжение на концах. Определите сопротивление. 6. Сравните полученные результаты. Сделайте выводы. 7. Соберите электрическую цепь по схеме (см. рис. 78), подключив к ней никелиновый провод длиной 40 см, но поперечное сечение которого больше, чем в предыдущем опыте. Измерьте силу тока, напряжение на его концах. Определите сопротивление. С ЗДДАНИ И УПУАЖНКНЙЯ^ ^ Решаем шместе 1. Сопротивление одной катушки медного провода равно 1,5 Ом, а другой такой же катушки — 6 Ом. Во сколько раз длина провода в первой катушке меньше, чем во второй? Ответ: Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине. Чем короче медный провод, тем меньше его сопротивление. Отсюда, длина медного провода в первой катушке в 4 раза меньше, чем во вто1ЮЙ. 2. Реостат изготовлен из никелинового провода длиной 40 м и площадью поперечного сечения 0,5 мм^. Напряжение на зажимах реостата 80 В. Чему равна сила тока, который проходит в реостате? ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 71 Дано: i! = 40 м S = 0,05 мм^ С/= 80 В _ Ом • мм^ р=.0.40 ——- Решение Силу тока определим по закону Ома: и Неизвестное сопротивление никелинового провода определим по формуле В = р-^. Удельное сопротивление р находим по таблице 3 (с. 66). Тогда силу тока US можно вычислить по формуле: I = р1 Подставив значения, получим: / = 80 В • 0,05 мм^ 0 4оОм-мм^ -40 м м Ответ: сила тока в реостате равна 2,5 А. = 2,5 А. (Уровень Д) 112. Во сколько раз и как изменится сопротивление проводника, если его длину увеличить в 5 раз? 113. Провод разрезали на три части и сплели в один. Во сколько раз изменилось сопротивление провода? Увеличилось оно или уменьшилось? 114. К зданию подведён кабель с медными жилами общим сечением 100 мм^ Длина кабеля равна 80 м. Каково его сопротивление? 115. Определите сопротивление каждого километра трамвайного медного провода, поперечное сечение которого равно 51 мм^. 116. Рассмотрите какой-либо реостат. Укажите, на какое сопротивление и на какую допустимую силу тока он рассчитан. 117. На реостате написано «50 Ом; 0,2 А». Что это означает? 118. Надо изготовить реостат на 5 Ом из никелинового провода площадью сечения 0,2 мм^. Какой длины провод нужен для этого? 119. Моток изолированного медного провода проводит ток 0,05 А при напряжении 8,5 В. Какая длина пхювода в мотке, если его поперечное сечение равно 0,5 мм^? ( Уровень В ~) 120. Ученик установил на столе лампочку от карманного фонарика. Батарею гальванических элементов он разместил на полу под столом и соединил её с лампочкой посредством двух тонких алюминиевых проводников. Батарея новая, но лампа светит плохо. Объясните, почему. 121. Никелиновый проводник длиной 5 м и поперечным сечением 0,12 мм^ пропускает ток силой 1,5 А при напряжении 24 В. Определите удельное сопротивление никелина. 122. Сопротивление проводника равно 20 Ом. На сколько равных частей его необходимо разрезать, чтобы сопротивление сплетённых в один провод частей было равным 5 Ом? та Глава 2 123. Реостат сопротивлением 30 Ом имеет 50 витков. На сколько увеличивается сопротивление в цепи, если включить последовательно 15 витков реостата? 124. Для изготовления спирали электрического нагревателя, рассчитанного на напряжение 120 В и силу тока 5 А, используется манганиновый провод с поперечным сечением 0,3 мм^. Определите длину этого пфо- водника (р = 0,45 ——----). 'Г М 125. Сколько надо взять метров медного провода сечением 2 мм*, чтобы его сопротивление было таким же, как сопротивление алюминиевого провода сечением 5 мм* и длиной 17 м? 126. Сопротивление спирали лампы в раскалённом состоянии в 10 раз больше, чем в холодном состоянии. Найти сопротивле1Шя спирали лампы в раскалённом и холодном состояниях, если при напряжении 220 В сила тока в ней равна 0,44 А. 127. Определите массу медного провода для проведения линии длиной 2 км, если её соп1Ютивление должно быть равным 1,36 Ом. |§Д) ПОСЛВДОВАТЕЛЬНО! СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ Электрические цепи на практике состоят из нескольких потребителей, которые могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательно и параллельно (смешанное соединение). I При последовательном соединении потребителей ^ (проводников) их соединяют поочерёдно один за другим без I разветвлений проводов мехсду ними. ® Опыт. К источнику тока присоединим последовательно две лампы (рис. 84, а), начертим схему этой электрической цепи (рис. 84, б). Если выключить одну лампу, то цепь разомкнётся, и вторая лампа погаснет (рис. 84, в). После выполнешая лабораторных работ вам уже известно следующее. 1. При последовательном соединении проводников сила тока в любой части электрической цепи одинакова, то есть Рис. 84 электрический ток 2. Полное напряжение U в депи при последовательном соединении, или напряжение на подносах источника тока, равно сумме напряжений на всех отдельных участках цепи, то есть (в случае двух участков) и = и, + f/г. Тогда, по закону Ома, общее сопротивление цепи R при последовательном соединении равно сумме всех сопротивлений отдельных проводников либо отдельных участков цепи, то есть (в случае двух проводников) i? = J?, + 1?2* g> •ОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Почему один из видов соединения проводников называют последователы1ым? 2. Объясните, почему сила тока при последовательном соединении проводников на всех участках одинакова. 3. Почему при последовательном соединении двух потребителей выполняется формула Я = Я, + Яг? 4*. Почему для любой пары проводников при последовательном соединении и, Я. справедливо соотношение; — = . Uo Г»2 ЛАБ0РАТ0Р1 РАБОТА № ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ ПРОВОДНИКОВ исследовать электрические цепи с последовательным соединением проводников, проверить законы последовательного соединения проводников, источник тока, набор проволочных резисторов: 1, 2, 4 Ом, лампа на подставке (на 2,5 или 3,6 В), амперметр, вольтметры, реостат лабораторный (6 Ом), ключ, соединительные провода. Ход работы 1. Определите цену деления шкал амперметра и вольтметра. 2. Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника тока, двух резисторов и электрической лампы, соединённых последовательно, амперметра, вольтметров и ключа. 3. Ск)ставьте электрическую цепь по данной схеме. Цель работы: • Приборы и материалы: Номер опыта Сила тока, 1,А Напряжение, В Сопротивление, Ом и, на резисторе Я, ^2 1 Уз на рези- 1 на стореЯг {лампе Яд 1 и на резисторах и лампе Я Я, п «2 Г Лампа Яз Общее сопротивление Я 1 1 4. Измерьте силу тока в электрической цепи, напряжение на резисторах и электрической лампе. Результаты измерений запишите в таблицу. Глава 2 5. Определите сопротивления резисторов и электрической лампы, общее сопротивление цепи. 6. Проверьте законы последовательного соединения проводников. Сделайте выводы. Задание для любознательных Соедините последовательно три одинаковых по длине и площади поперечного сечения проводника, медный, железный и алюминиевый. С помощью электрической лампочки определите, на концах какого из трёх проводников наибольшее напряжение? § 18; ПАРАЛЛЕЛЬНО! СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ Последовательно соединённые приборы отключаются все одновременно при размыкании цепи, что не всегда удобно. Например, при освещения дома или комнаты нет необходимости одновременно включать все лампы. При последовательном соединении, выключая одну из ламп, мы выключаем и остальные. Если же необходимо, чтобы приборы работали в цепи независимо, используют параллельное соединение. I При параллельном соединении потребителей (проводников) I» выводы каждого из них присоединяют к общей для всех паре зажимов (точек или узлов цепи). На рисунке 85, а показано параллельное соединение двух электрических ламп, а на рисунке 85, б — схему этого соединения (в точках Аи В — узлы цепи). Если одну лампу выключить, то другая продолжает светить. Выполнив опыты, убеждаемся, что напряжение на участке цепи АВ и на концах всех параллельно соединённых проводников одинаково, то есть и = иг=и^. В быту и технике удобно применять параллельное соединение потребителей, поскольку они рассчитаны на одинаковое напряжение. Рис. 85 ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК При параллельном соединении ток I в точке Л (рис. 85, б) разветвляется на два тока — J, и которые сходятся снова в точке Б. Так поток воды в реке разделяется на два рукава, потом снова соединяясь (рис. 85, в). Отсюда очевидна связь между значениями силы тока в ветвях параллельной цепи: сила тока в неразветвлённом участке цепи равна сумме токов в отдельных параллельно соединённых проводниках, то есть / = /, +Гг. При параллельном соединении как бы увеличивается толщина проводника, поэтому общее сопротивление цепи R становится меньше наименьшего из сопротивлений проводников, включённых в цепь. Из закона Ома можно вывести соотношение для определения общего сопротивления цепи при параллельном соединении: R Ri Ri меньше сопротивления одной лампы: R ■■ Если цепь состоит из двух параллельно соединённых одинаковых ламп с сопротивлением R„ каждая, то общее сопротивление цепи будет в два раза 2 • В электрических цепях часто встречается смешанное (или сложное) соединение. Это комбинация последовательного и параллельного соединений. В случае трёх резисторов возможны два варианта смешанного соединения. В первом случае (рис. 86, а) есть два последовательно соединённых участка, один из них является параллельным соединением. Общее сопротивление цепи в данном случае равно: R _ D > ” ^ Б, ч- Лг ■ Во втором случае (рис. 86, б) вся цепь рассматривается как параллельное соединение, в котором одна ветка сама является последовательным соединением. Общее сопротивление цепи в данном случае равно: р__ Rai^i Бг) Б.Ч-Бг-ЬБз • При большем количестве резисторов собирают разные, более сложные схемы смешагпюго соединения. Рис. 86 76 Я le^t-■ ~' Глава 2 ■ОПРОСЫ и 1ДДАМИЯ 1. Почему при параллельном соединении двух проводников выполняется формула / = /, + /г? 2. Почему на практ ике чаще применяют параллельное соединение проводников? 3*. Объясните, почему формула общего сопротивления для параллельного соединения двух проводников имеет следующий вид: J____1_ _1_ R ~ R, R,' Л*. Докажите, что при параллельном соединении сила тока в каждой из лю-бых пар проводников и их сопротивления связаны соотно1лением -г- — 'г “i 5*. Когда параллельное соединение проводников экономичнее, чем последовательное? JMBOPAIOI РАБОТА Цель работы: • Приборы и материалы: ИССЛ1Д0ВАНИ1ЭЛЕКТРИШСКОЙ ЦЕПИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ ПРОВОДНИКОВ исследовать электрические цепи с параллельным соединением проводников, проверить законы параллельного соединения проводников, источник тока, набор проволочных резисторов: 1, 2, 4 Ом, лампа на подставке (на 2,5 или 3,5 В), амперметры, вольтметр, реостат лабораторный (6 Ом), ключ, соединительные провода. Ход работы 1. Определите цену деления шкалы амперметра и вольтметра. 2. Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника тока, двух сопротивлений и электрической лампы, соединёшгых параллельно, амперметров, вольтметра и ключа. 3. Соберите электрическую цепь по начерченной схеме. 4. Измерьте силу тока в электрической цепи, напряжение на сопротивлениях и электрической лампе. Результаты запишите в таблицу. Номер опыта Налря- и,в’ Сила тока, А Сопротивление, Ом /, в резисторе Я, 12 в резисторе Яг h Влампе Яз 1 в резисторах и лампе Я Я, Яг Лампа Яз Общее Я 5. Определите сопротивления резисторов, электрической лампы и общее сопротивление цепи. 6. Проверьте законы параллельного соединения проводников. Сделайте выводы. электрический ток Задание для любознательных Соберите электрическую цепь из гальванического элемента или батареи гальванических элементов, электрической лампы соответствующего напряжения и трёх выключателей, включённых в цепь таким образом, чтобы при замыкании каждого из них лампа светилась. Перед замыканием второго выключателя нужно разомкнуть первый. Начертите схему цепи с использованием указанного способа соединения выключателей. С1ДДА111 н YnfiUKatiHiF) ^ Решаем вместе 1. Два проводника с сопротивлениями R, = 2 Ом и = 3 Ом соединены последовательно. Сила тока в цепи равна 1 А. Определите сопротивление цепи и общее напряжение на проводниках. Дано: R, = 2 Ом i?2 = 3 Ом 1 = 1 А Решение Сила тока во всех последовательно соединённых проводниках одинакова; I,=12 = 1=1 А. Общее сопротивление цепи составляет: R = Ei + R./, R = 2 Ом + 3 Ом = 5 Ом. По закону Ома: U = IR, U = 1 А - 5 Ом = 5 В. Ответ: общее сопротивление цепи R = 5 Ом, напряжение С/ = 5 В. R—7U — 7 Дано: Ri = R„ 440 Ом 2. В осветительную сеть комнаты включены две одинаковые электрические лампь!. Сопротивление каждой лампы равно 440 Ом, напряжение в сети — 220 В. Определите общее сопротивление цепи и силу тока в проводах подводки. Решение Если сопротивления ламп одинаковы, то при параллельном соединении JCJ _ _ _ „ проводников оно равно R = ~^. R = 440 Ом : 2 = 220 Ом. и По закону Ома: I = -j^. I = 220 В : 220 Ом = 1 А. Ответ: общее сопротивление цепи R = 220 Ом, сила тока / = 1 А. Ro = R„ = 440 Ом и = 220 В (^Уровеиь Д} 128. Для новогодней ёлки нужно изготовить гирлянду из одинаковых 12-вольтных лампочек, чтобы включить её в осветительную сеть 220 В. Сколько необходимо таких лампочек? OEKK^JS:-. Глава 2 i iiD. В сеть 220 В включили последовательно две лампы с одинаковым сопротивлением. Каковы напряжения на каждой лампе? 130. Сопротивление цепи, состоящей из двух последовательно соединённых одинаковых ламп и реостата, равно 1 020 Ом. Каково сопротивление каждой лампы, если сопротивление реостата равно 120 Ом? 131. Начертите схему цепи, состоящей из аккумулятора, электрической лампы, реостата и выключателя, соединённых последовательно. 132. Как изменится сила тока в ёлочной гирлянде, если к ней последовательно присоединить ещё одну лампочку? Как изменится свечение ламп? 133. Какая ёлочная гирлянда практичнее: с последовательным или параллельным соединением? Почему? Уровень S ) 134. 135. В осветительную сеть включили последовательно две лампы с разным сопротивлением. Какая из них будет светить ярче? Почему? Как включить для освещения трамвайного вагона электрические лампы на 120 В, если напряжение в контактной сети трамвая составляет 600 В? 136. Салон троллейбуса освещается 14 плафонами, в каждом из них одна лампа рассчитана на напряжение 120 В. Такая же лампа освещает номер маршрута. Начертите схему включения всех ламп в контактную сеть троллейбуса, напряжение в которой составляет 600 В. 137. Составьте простейшую схему пожарной сигнализации с 5 ключами в разных пунктах, источником тока и одним звонком. 138. Один из учеников считает, что шнур, соединённый с электроплиткой, — это два параллельно соединённых проводника, а второй доказывает, что эти проводники последовательно соединены с электроплиткой. Кто из них прав и почему? 139.1’ирлянда комнатной ёлки состоит из 24 лампочек. Если одна перегорает, то остальные гаснут. А если одна из лампочек гирлянды школьной ёлки перегорит, то остальные продолжают светить. Объясните, почему. 140. В осветительную сеть с напряжением 220 В надо включить 4 одинаковых лампы, дающих полный накал при напряжении 110 В. Как соединить лампы, чтобы они не перегорели при включении в сеть? ^J9) РАБОТА ЭЛ1КТРИЧ1€К0Г0 ТОКА Все известные вам электрические приборы действуют за счёт электрической энергии, которую поставляет источник электрического тока. В результате получаем свет, тепло, звук, механическое движение и т. д., то есть разнообразные виды энергии. Работа электрического тока —это физическая величина, характеризующая преобразование электрической энергии в другие виды энергии. электрический ток Вы уже знаете, что напряжение — это физическая величина, характеризующая электрическое поле, которое перемещает свободные заряды, создавая ток. Напряжение на концах определённого участка цепи определяется отношением работы А электрического тока на этом участке к электричес1Сому заряду q, прошедшему по ней, то есть: А <1 Из приведённого соотношения получаем формулу для определения работы электрического тока на участке цепи: и {A=Uq\ I Чтобы определить работу электрического тока на участке цепи, ^ необходимо напряжение на концах этого участка умножить на I электрический заряд, прошедший по ней. За время t ток силой / переносит в цепи электрический заряд q = It. Тогда формула для работы А электрического тока имеет такой вид: где и — напряжение на концах участка; 1 — сила тока в цепи; t — время выполнения работы. Чтобы определить работу электрического тока на участке цепи, I ^ напряжение на концах этого участка умножаем на силу тока в ней и время, в течение которого выполнялась работа. Единицей работы электрического тока, как и механической работы, является 1 Дж. Из формулы для работы электрического тока следует: 1Дж=1В1А1с = 1ВАс. Чтобы измерить работу электрического тока в цепи, необходимо иметь вольтметр, амперметр и часы. # Опыт. Собираем электрическую цепь (рис. 87). С помощью вольтметра определяем напряжение, прилагаемое к электрической лампе, а с помощью амперметра — силу тока в спирали лампы. Итак, вольтметр показывает напряжение 2,3 В, амперметр — силу тока 1,2 А. Для определения работы тока в течение 10 мин, или 600 с, используем формулу А = и It. Подставим значения: А = 2,3 В • 1,2 А • 600 с = = 1656 В • А • с = 1656 Дж = = 1,656 кДж. Рис. 87 Глава 2 Следовательно, работа силы тока равна 132 кДж. На пргкктике работу электрического тока также измеряют специальным прибором — электрическим счётчиком, внешний вид которого вы видите на рисунке 88. Счётчик электрической энергии есть в каждом доме или квартире. Его конструкция объединяет свойства всех ранее перечисленных приборов. g> ■ОПРОСЫ N ЗАДАНИЯ 1. Что называют работой электрического тока? 2. Как определить работу электрического тока? 3. Назовите единицы работы электрического тока в СИ. 4. Как на практике измеряют работу электрического тока? 5*. Пользуясь формулой для вычисления работы электрического тока, покажите, как единицу работы — 1 джоуль — можно выразить через другие единицы. Рис. 88 |§20) мощноаь ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА На баллоне или цоколе элeкtpичecкoй лампы, корпусе многих бытовых электроприборов, в инструкциях к ним обязательно имеются надписи: «220 В; 60 Вт», «мощность электрического утюга 1,2 кВт» и т. д. Вы уже знаете из механики, что в ваттах измеряют мощность, следовательно, здесь речь идёт о мощности электрического тока. Мощность электрического тока —физическая величина, , характеризующая способность электрического тока выполнять определённую работу за единицу времени. Мощность электрического тока обозначают большой латинской буквой Р. Если работа электрического тока А выполнена за время t, то мощность электрического тока Р определяется по формуле: t \р = L Используя известное вам соотношение А = Ult, формулу мощноста электрического тока представим в следующем виде: P = UI Мощность электрического тока определяется произведением напряжения на концах участка цепи и силы тока на этом участке. электрический ток Единицей мощности электрического тока является один ватт (1 Вт). Из формулы мощности следует, что 1Вт=1В-1А=1В'А. Используют также кратные единицы мощности: гектоватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт), гигаватт (ГВт). 1 гВт = 100 Вт; м ал»» 1 кВт = 1 000 Вт; 1 МВт = 1 000 000 Вт; 1 ГВт = 1 000 000 000 Вт. Для измерения мощности электрического токй в цепи применяют вольтметр и амперметр. Есть специальный прибор — ваттметр, которым мощность электрического тока мож- Рис. 89 но измерять непосредственно в цепи. На рисунке 89 вы видите шкалу такого прибора. В таблице 4 приведены значения мощности некоторых потребителей электрического тока. Таблица 4 Мощность некоторых электрических приборов Название прибора Моищость, Вт Лампочка карманного фонарика 1.0 Лампы осветительные (бытовые) (1.1 - 1.6) ю'" Холодильник бытовой (0.15-2.0) 10' Электрический утюг (0.3- 1,0) ю' Стиральная машина (0.35-2,0) 10® Электрическая плитка (6-8) Ю'. (1,0- 1,2) ■ 10® Электропылесос (0,1 - 1.2)- 10® Двигатель трамвая (45-50) - 10® ‘Двигатель электровоза 650-10^ 1 Электродвигатель прокатного стана (6-9)- 10® Большинство бытовых приборов рассчитано на напряжение 220 В, но разную силу тока. Следовательно, мощность потребителей электроэнергии разная, поэтому одну и ту же работу они выполняют за разное время. Из определения могцности электрического тока получаем формулу для расчёта электрической энергии, или работы А: A^Pt где Р — мощность электрического тока; t — время прохождения тока. 1 Работа электрического тока определяется произведением Г мощности электрического тока и времени его потребления. Из этой формулы получаем ещё одно выражение для единицы работы электрического тока; 1 Дж = 1 Вт • 1 с = 1 Вт • с. 82 Глава 2 Если электрическая лампа мощностью 100 Вт будет светить в течение 10 ч, то работа электрического тока будет равна: Р = 100 Вт • 36 000 с = 3 600 000 Дж - 3 600 кДж = 3,6 МДж. Такое значение работы электрического тока называют киловатт-часом; обозначают 1 кВт • ч. 1 кВт -4 = 3 600 000 Дж = 3 600 кДж = 3,6 МДж. Показания электрического счётчика, которым измеряет количество электрической энергии (работу электрического тока), потребляемой приборами в квартире, выражаются именно в киловатт-часах. Механическую работу 3 600 кДж человек может выполнить, ес.ти, например, мешок массой 50 кг поднимет по ступенькам на высоту более 7 км. На тепловой электростанции, чтобы выработать 1 кВт • ч, нужно сжечь всего 330 г угля. В таблице на с. III форзаца приведены виды работ, на выполнение каждой из них затрачивается 1 кВт ■ ч энергии. g> ■ОПРОСЫ и 1АДАНИЯ 1. Почему наряду с понятием «работа электрического тока» большое значение имеет понятие «мощность электрического тока»? 2*. Для определения мощности электрического тока с помощью закона Ома можно получить три эквивалентных формулы: P=UI,P= и Р=1 R. При каких условиях для решения задачи удобно использовать одну из этих формул? 3*. Поясните, почему уменьшается мощность лампы накаливания, если её спираль в результате испарения становится тоньше? ЛАБ0РАТ0Р1 РАБОТА № ИЗМ11»1НИЕ МОЩНОСТИ ПОТРЕБИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Цель работы: научиться измерять мощность потребителей электрического тока. Приборы истотаик тока, гшзковольтная лампа на подставке, ам- и материалы: перметр, вольтметр, ключ, соединителыгые провода. 1. Соберите электрическую цепь из источника тока, лампы на подставке, амперметра и ключа, соединив их последовательно. 2. Измерьте вольтметром напряжение на лампе, амперметром — силу тока, протекающего по спирали лампы. 3. По формуле P = UI определите мощность лампы. 4. По надписям на цоколе лампы определите её мощность и сравните с предьщущим значением. Сделайте выводы. 5. Ознакомьтесь с инструкцией какого-либо бытового электроприбора. Какова мощность этого прибора? На какое напряжение и силу тока он рассчитан? Для чего используется? электрический ток ;§21j ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА Электрический ток нагревает проводник. Это явление вам хорошо известно. Объясняется оно тем, что заряженные частицы, перемещаясь под влиянием электрического поля, взаимодействуют с атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводника увеличивается. Английский физик Д. Джоуль и российский физик Э, Ленц показали на опыте, что в неподвижных металлических проводниках вся работа электрического тока затрачивается на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдаёт полученную жергию окружающим его телам вследствие теплообмена. Учёные установили, что количество теплоты, которое выделяется проводником с током, определяется произведением квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока. Этот закон получил название закона Джоуля—Ленца: = rRtl, где Q — количество теплоты, выделяемой проводником с током; I — сила тока в проводнике; R — сопротивление проводника; t — время прохождения тока. При параллельном соединении проводников напряжения на них однаковы и количество теплоты удобно определять по формуле: Q = ич R Сотасно закону сохранения энергии количество теплоты, которая передаётся окружающей среде, равно работе электрического тока: \0=^А =I'Rt = ич R = ип ionrocu и ЗАДАИМ! 1. Почему именно формула О = f^Rt, которую используют для расчёта количества теплоты, выражает сущность закона Джоуля—Ленца? 2*. Если в цепь параллельно включить медный и стальной провода, длина и площадь поперечного сечения которых одинаковы, то в медном проводнике за одно и то же время выделится больше теплоты. Почему? При последовательном соединении сильнее всего нагревается проводник с наибольшим сопротивлением. Докажите это. 3*. r§22j ПОТРЕБИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ До середины XIX в. для освещения использовались факелы, свечи, керосиновые лампы и газовые горелки. И только в 1878 г. некоторые улицы и площади Парижа начали освещать электрическими свечами — лампами 84 Глава 2 с электрической дугой (рис. 90, а). Электрическую свечу создал российский изобретатель Павел Яблочков, поэтому её называют «свечой Яблочкова». В 1870 г. другой российский электротехник Александр Лодыгин сконструировал электрическую лампу накаливания. Лампа Лодыгина состояла из стеклянного баллона, в котором размещался тонкий угольный стержень, закреплённый между двумя медными проводниками (рис. 90, б). Угольный стержень при работе лампы раскалялся и становился источником света, но быстро перегорал (за 30 40 мин). Когда А. Лодьнин откачал из баллона воздутс, то время рабогы аалшы увеличилось. В 1879 г. американский изобретатель Томас Эдисон изобрёл способ получения тонких учюльных нитей, используя их в конструкции электрической лампы (рис. 91). Он также предложил удобный способ включения лампы в электросеть с помощью винтового цоколя и патрона. Тем самым Т. Эдисон ускорил распространение электрического освещения. В начале XX в. создают более экономичные лампы с металлической зигзагообразной нитью (рис. 92). Один из недостатков этих электроламп — испарение материала нити при её накаливании, поэтому время работы ламп сокращалось. Кроме того, материал, испаряясь, осаждался на стенках стеклянного баллона и затемнял его. В 1906 г. А. Лодьптнн конструирует лампу с нитью из вольфрама. Вольфрам — тугоплавкий металл, он плавится при температуре 3 380 "С. Чтобы уменьшить испарение вольфрама, баллон лампы начали наполнять инертными газами — аргоном (с примесью азота), криптоном. Для уменьшения тепловых потерь вольфрамовую нить в лампе делают в виде спирали (рис. 93). На рисунке 94 показаны современные лампы накаливания. Рис. 90 Рис. 91 Рис. 92 ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК Для освещения в быту и часто на производстве применяют электрические лампы накаливания, рассчитанные на напряжение 220 В, мощностью от 15 до 150—200 Вт; для освещения железнодорожных вагонов используют лампы, рассчитанные на напряжение 50 В, автомобилей — 12 и 6 В, в карманных фонариках — 6,3; 3,5; 2,5 и 1 В. Для специальных потребностей изготовляют лампы накаливания большой мощности. На рисунке 95 вы видите лампу, мощность которой 500 Вт. Лампы такой большой мощности охлаждают специальными вентиляторами. Время работы электрической лампы накаливания составляет 1 000 ч. В значительной степени это зависит от напряжения, которое подаётся на лампу. Например, если на лампу, рассчитанную на 220 В, подавать напряжение 222 В, то время её работы сократится на 130 ч. Кроме ламп накаливания человек использует газоразрядные лампы дневного света (их также называют люминесцентными). Эти лампы представляют собой длинную (от 10 до 120 см) стеклянную запаянную трубку (рис. 96). Воздух из трубки выкачивают, вводят каплю ртути и немного газа — аргона, криптона, неона и т. д. Внутри поверхность прозрачного стекла покрывают веществом, светящимся под действием ультрафиолетового излучения, которое сопровождает электрический разряд в газовой смеси. Подбирая состав этого вещества, можно получить свет любого цвета. При свечении ламп дневного света температура в них не превышает 50 °С. Лампы дневного света экономичнее ламп накаливания в 5—7 раз, а продолжительность их работы в 2—3 раза больше. Тепловое действие тока используют в различных электронагревательных приборах и установках. В быту широко применяют электрические плиты, утюги, чайники, кипятильники, водонагреватели и электрорадиаторы (рис. 97), в промышленности выплавляют гпещ^альные сорта стали и другие металлы, сваривают их (рис. 98), а в сельском хозяйстве обогревают теплицы, инкубаторы, сушат зерно и т. д. Рис. 95 86 Глава 2 Рис. 97 Основной частью нагревательного электрического прибора является нагревательный элемент. Это проводник с большим сопротивлением, способный выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высоких температур (1000—1200 'С). Для изготовления нагревательных элементов применяют преимущественно сплав никеля, железа, хрома и марганца — нихром. Благодаря большому сопротивлению нихрома из него делают очень удобные и компактные нагревательные элементы. В нагревательном элементе проводник в виде провода, ленты или спирали наматывают на каркас либо прикрепляют к арматуре из жаропрочного материала: слюды, керамики. В электрическом утюге (рис. 99) нагревательный элемент (нихромовая лента или спираль) нагревает нижнюю часть (подошву) утюга. Рис. 98 Рис. 99 g> ■ОПРОСЫ и 1АД МИЯ 1. Назовите имена изобретателей ламп накаливания. 2. Какие электрические лампы используют на практике? 3*. Оцените (приблизительно) КПД электрической лампы накаливания. 4. Какие электронагревательные приборы вы знаете? 5. Что такое нагревательный элемент? электрический ток ■'■■'V-aasg, 87 си упрджншня ) У Решаем вместе 1. Амперметр показывает силу тока в цепи 15 А, вольтметр — напряжение на участке 24 В. Какую работу выполняет электрический ток за 20 мин? Дано: / = 15 А (7 = 24 В t = 20 мин ■ 1200 с Решение Чтобы вычислить работу электрического тока, используем формулу: А — Ult. Подставив значения, полу-^___2 чим: А = 24В- 15 А- 1200с = 432 000Дж = 432кДж. Ответ: электрический ток выполнил работу А = 432 кДж. 2. Какую мощность должен иметь электрический двигатель, чтобы за 20 мин выполнить работу 100 кДж? Дано: А = 120 кДж = 120 000 Дж t = 20 мин = 1200 с Р —? Решение Для определения мощности электродвигателя, работу электрического тока разделим на время его работы: А Р = -. Подставив значения, получим: Р = 120 000 Дж : 1200 с = 100 Вт. Ответ: мощность электрического двигателя Р = 100 Вт. 3. Две электрические лампы мощностью 60 Вт и 100 Вт включены в сеть 220 В параллельно. Какая из них светит ярче? Ответ: лампа мощностью 100 Вт. ( YpaieHb Т) 141. Вычислите работу тока в электрической лампе за 10 мин, если сила тока в ней составляет 0,2 А при напряжении 220 В? 142. Сопротивление электрической плиты равно 80 Ом. Напряжение в электросети 220 В. На какую мощность рассчитана плита? 143. Вычислите мощность тока в электрической лампе, если при напряжении 220 В сила тока в ней равна 0,25 А. 144. Электрическая лампа включена в осветительную сеть 220 В. Вычислите силу тока в ней и сопротивление, если мощность лампы равна 100 Вт. 145. Чтобы проверить правильность показаний счётчика, ученик включил на 6 мин несколько потребителей энергии, рассчитанных на общую мощность 1 кВт, и определил, что за это время счётчик сделал 120 оборотов (1 кВт • ч соответствуют 1200 оборотам). Правильно ли измеряет’ потреблённую анергию счётчик? Чему равна работа тока за дашюе время? 146. Какая сила тока в электроплитке, если она рассчитана 1ш напряжение 220 В и мощность 600 Вт? 147. Определите количество теплоты, выделяющееся в проводнике сопротивлением 120 Ом, если по нему в течение 40 мин проходил ток 1,5 А. 88 Глава 2 { Уровень Б ) 148. Пользуясь законом Ома, выразите работу тока через силу тока, сопротивление и время; через напряжение, сопротивление и время. 149 На две электролампочки мощностью 100 и 25 Вт, соединённые параллельно, подаётся напряжение 220 В. Какова сила тока в каждой лампе? В какой из них больше сопротивление нити накаливания? 150. Что означают надписи на электросчётчике: 220 V (220 В), 5-17 А, 1 kW-h (1 кВт-час) = - 1200 оборотам диска! На какую наибольшую мощность рассчитан счётчик? Сколько ламп по 100 Вт можно включить в электросеть? Сколько оборотов сделал диск, если в течение 2 ч был включён электроутюг мощностью 1 кВт? 151. Счётчик зафиксировал значение работы тока, равное 7 500,4 кВт • ч. Что покажет счётчик, если в доме в течение 10 ч были включены 10 электрических ламп мощностью 100 Вт? Сколько денег нужно заплатить, если стоимость 1 кВт ■ ч равна 0,2436 коп.? 152. Две лампы мощностью по 100 Вт каждая рассчитаны на цапряже-ние 120 В и включены последовательно в электросеть 220 В. Определите силу тока в цепи и напряжение каждой лампы. 153. Две электрические лампы сопротивлением 80 и 160 Ом включены в цепь последовательно. В какой из них выделится больше теплоты за одно и то же время? 154. Две электрические лампы сопротивлением 80 и 160 Ом включены в цепь параллельно. В какой из них выделится больше теплоты за одно и то же время? 155. На электрическом чайнике надпись: 1,2 кВт, 220 В. Что она означает? Какой ток возникает в нагревательном элементе чайника при нормальном режиме работы? Какое количество теплоты выделяется в нагревательном элементе за 3 мин? Достаточно ли этой теплоты, чтобы нгггреть до кипения 1,5 л воды при температуре 20 °С? 156. Две лампы мощностью 40 и 100 Вт, рассчитанные на напряжение 110 В, включены в сеть 220 В последовательно. Какая из них будет светить ярче? Долго ли смогут светить лампы в этих условиях? 157. Из хромалевой проволоки сечением 0,5 мм^ нуЖно изготовить спираль для нагревателя мощностью 700 Вт, работающую при напряжении 220 В. Определите длину проволоки, если удельное сопротивление . Ом ■ мм^ хромаля равно 1,4 --—---. 158. Какое количество теплоты выделится за 20 мин в электрическом чайнике с сопротивлением 100 Ом, если его включить в сеть напряжением 220 В? Какова масса воды в чайнике, если она нагрелась за это время с 20 °С до кипения? 159. Электроплита сопротивлением 80 Ом работает при напряжении 220 В. Сколько нужно времени, чтобы закипел чайник, в котором 3 л воды? Исходная температура воды равна 10 'С. КПД нагревательного элемента плиты — 60 %. Теплоёмкостью чайника можно пренебречь. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК S9 |§23j ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК В РАСТВОРАХ И РАСПЛАВАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ Мы уже знаем закономерности прохождения электрического тока в металлах и как велико практическое значение этого явления. А сущест вуют ли проводники электричества из неметаллов? Далее изучая явления электрического тока в разш>1Х средах, убедимся, что кроме металлов он может существовать в жидкостях, газах и даже вакууме. В этих случаях будем рассматривать замкнутую цепь, в которой определённый участок проводника состоит из вещества в жидком или газообразном состоянии, либо является вакуумным промежутком. П;юводни-ки, подводящие напряжение (ток) к этому участку, называют электродами. Электрод, соединённый с положительным полюсом источника тока, называют анодом, а с отрицательным — катодом. При прохождении тока к аноду притягиваются свободные электроны и отрицательные ионы (анионы), а к катподу положительные ионы (1«атионы). Для существования апектрического тока в веществе, пoмeu^PIпюм в электрическое поле, необходимым является наличие свободных электрических зарядов, которые в веществе могут перемещается под действием .глекзд>иче-ского поля на расстояния, ограниченные только размерами образца. В металлических проводниках носителями тока являются свободные электроны, а ионы металла жёстко связаны в узлах кристаллической решётки и могут осущ(?ствлять лишь колебательные движения. В подобном связанном состоянии находятся ионы в ионш>1х кристаллах, например в поваренной соли (NaCl). Электроны, которые отдают атомы металла (Na ), образуют отрицательные ионы галогена (С1 ), в результате возникает химическая связь. Поскольку свободных носителей электричества в ионных кристаллах нет, то при невысоких темтературах они являются хорошими изоляторами. Ес.ли попытаться образовать электрическую цепь, погрузив в колбу с кристаллами сухой поваренной соли два проводника, присоединённых последовательно с микроамперметром к источнику тока, то никакого тока не зарегистрируем. При расплавливании кристаллов ионы приобретают подвижность, и поваренная соль становится проводником тока. Расплавы солей и других соединений проводят ток. Проводниками являются также водные и другие растворы солей кислот и щелочей. Дистиллированная вода — прекрасный изолятор, поскольку не содержит свободных электрических зарядов. I Вещества, водные растворы или расплавы которых проводят Г электрический ток, называют электролитами. ® рис. 47 нас. 42), няльгм пбянку дистиллированную воду. .Пампа не светится; амперметр покязьшаот отсутствие электрического тока в цепи. Глава 2 1 ЕЛ Г' ^ ^ ^ Р tPp е. а Рис. 100 Но если растворить в воде какую-либо соль, кристаллы которой имеют ионную структуру, например поваренную соль (NaCl) или медный купорос (CUSO4), то в цепи возникнет ток, и лампа будет светится. Молекула воды полярна, её можно представить как объект удлинённой формы, на концах которого сосредоточены электрические заряды противоположных знаков. Поэтому электрическое поле молекул воды способствует распаду ионной кристаллической решётки на свободные ионы (рис. 100, а). Кристаллическая решётка разрушается также при плавлении солей, в результате образуется жидкость, состоящая из свободных ионов. 1 Расщепление электролита на ионы в водном растворе или расплаве Г называют электролитической диссоциацией. Типичные электролиты — это соли, кислоты и щёлочи, многие органические соединения. Что произойдёт, если в растворе электролита создать электрическое поле (рис. 100, б)? Положительные ионы (катионы) начнут перемещаться к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные ионы (анионы) — к положительному электроду (аноду). В цепи возникает электрический ток, обусловленный направленным движением ионов обоих знаков. Таким образом, электрический ток в растворах электролитов — это упорядоченное движение ионов. Если ток протекает в растворе медного купороса, то вскоре на катоде образуется тонкий слой меди. Следовательно, в растворе под действием электрического поля к катоду перемещаются положительные ионы Си^*, при контакте с катодом они присоединяют недостающие электроны и в виде нейтральных атомов осаждаются на электроде. В отличие от металлов ток в электролите сопровождается переносом вещества. Процесс выделения вещества на электродах при протекании электрического тока в растворах или расплавах электролитов называют электролизом. В 1833—1834 гг. Майкл Фарадей опытным путём установил количественные соопюшения для описания явления электролиза. Первый закон Фарадея для электролиза позволяет рассчитать массу вещества, выделившегося на электроде. I Масса вещества, выделившегося на элеюгроде при электролизе, I прямо пропорциональна силе тока и времени его прохождения. т = kit где т — масса вьщелившегося на электроде вещества; к — коэффициент пропорциональности — электрохимический эквивалент данного вещества; I — сила тока в цепи; t — время прохождения тока. Из первого закона Фарадея можно экспериментально определить значение электрохимического эквивалента данного вещества. Электрохимический эквивалент определяется отноше-» нием массы вещества, выделившегося на электроде при электролизе, к электрическому заряду, прошедшему через электролит. Единица электрохимического эквивалента в СИ — один килограмм на Электролиз широко применяется в промышленности. Используют электролиз (гальваностегию) для покрытия металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование). Пропуская электрический ток через расплавы некоторых солей, можно выделять металлы в чистом виде. Так пол^'чают алюминий, рафинированную (сверхчистую) медь и другие металлы. Посредством электролиза очищают металлы от примесей, например неочищенную медь, добытую из руды. Её отливают в форме толстых листов, которые потом помещают в ванну как аноды. При этом медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, осаждаются, а на катоде остаётся чистая медь. В 1836 г. Б. Якоби предложил процесс получения отслаиваемых покрытий (гальванопластику) и применил его для изготовления полых фигур, украсивших Исаакиевский собор в Санкт-Петербурге. к> ■ОПГОСЫ и 1АДАНИЯ 1. Охарактеризуйте явление электролитической диссоциации. 2. Почему кристаллы с ионной связью являются электролитами? 3. Объясните механизм возникновения тока в электролитах. 4. Перечислите различия в прохождении электрического тока в металлах и растворах, а также расплавах электролитов. 5. Расскажите, что такое электролиз и где его применяют. 6. Какова единица электрохимического эквивалента? Что показывает значение электрохимического эквивалента определённого вещества? 7*. Каково практическое значение первого закона электролиза Фарадея? Глава 2 РАБОТА ±J Цель работы: Приборы и материалы: ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА исследовать явление электролиза, определить массу вещества, выделившегося на электроде, электролитическая ванна с электродами, источник тока, поваренная соль, весы, набор гирь, дистиллированная вода, раствор медного купороса, бумажные салфетки, низковольтная лампа на подставке, амперметр, ключ, соединительные провода. Ход работы 1. Соедините последовательно электроды электролитической ванны, низковольтную лампу, амперметр, источник тока, ключ. Налейте в ванну дистиллированной воды. Что вы наблюдаете? Что показывает амперметр? Светится ли лампа? 2. В электролитическую ванну с дистиллированной водой насыпьте поваренной соли. Снова замкните ключ. Что вы наблюдаете? Сделайте выводы. 3. Вылейте раствор поваренной соли и налейте в электролитическую ванну раствор медного купороса. 4. Высушите бумажной салфеткой электрод (катод) и взвесьте его. 5. Соберите электрическую цепь, как в предыдущих опытах. Замк1ште цепь ключом на 20 мин. Зафиксируйте силу тока в электрической цепи. 6. Высушите катод, снова взвесьте его. 7. По формуле т = kit определите массу вещества, выделившегося на электроде (для Си** k = 0,33 • 10“® ^)* 8. Сравните результаты. Сделайте выводы. Задание для любознательных Возьмите слабый раствор поваренной соли и опустите в него два медных провода, соединённых с полюсами батареи гальванических элементов. Определите, на каком проводе раньше появляются пузырьки газа и выделяется в большем количестве газ. С каким полюсом соединён этот провод? Определите полюса батареи гальванических элементов. электрический ток шштт 93 |§^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ток В ПОЛУПРОВОДНИКАХ. ЭЛЕКТРОПРОВОДИОаЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Изучая электрические явления, мы в основном пользовались материалами и приборами, изготовленными из веществ, которые были либо изоляторами (стекло, бумага, воздух, пластмасса и др.)» либо проводниками (медь, алюмимий, сталь, уголь, электролиты и др.)* Однако большинство из известных веществ по их электрическим свойствам нельзя отнести ни к проводникам, ни к диэлектрикам. Этот обширный класс веществ, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками, называют полупроводниками. К полупроводникам относятся 12 химических элементов (В, С, Si, Ge, Sn, Р, As, Sb, S, Se, Те, I), соединения элементов III и V групп (InSb, GaAs и др.), соединения элементов II и VI групп (CdS, ZnO и др.), ряд других соединений, некоторые органические вещества. Наибольшее применение в науке и технике имеют полупроводники германий (Ge) и крем1шй (Si). Чем полупроводники отличаются от проводников? Способность любого вещества проводи п, электрический ток под действием электрического поля называют электрической проводимостью, электропроводностью, или просто проводимостью. Тип проводимости обусловлен видом носителей тока. Металлы имеют электронную проводимость. В электролитах носители тока — свободные положительные и отрицательные ионы, поэтому они имеют ионную проводимость. Чем меньше электрическое сопротивление проводника, тем больше его проводимость, и наоборот. Электрическое сопротивление металлов с повышением температуры возрастает прямо пропорционально (см. рис. 82 на с. 68). По результатам научных исследований, полупроводники обладают такими основными свойствами. 1. Электропроводность полупроводников в значительной степени зависит от состояния вещества (температура, освещение, наличие примесей и т. д.). 2. С повышением температуры электрическое сопротивление полупроводников в отличие от металлов резко падает. 3. Прохождение тока в полупроводнике не связано с переносом вещества, то есть ток в полупроводниках обусловлен направленным движением электронов, а не ионов. Рассмотрим подробнее свойства полупроводников. (§) Опыт. Включаем в электрическую цепь полупроводниковый элемент (рис. 101). При его нагревании стрелка гальванометра показывает возрастание силы тока в цепи. Следовательно, сопротивление полупроводника, а значит, и удельное сопро- Рис. 101 f4 Глава 2 Я, 0 м 1000 800 \ 600- \ 400- 200 : и 2o'4o'6o'8o'l6o'l20 \,°С Рис. 102 тивление, уменьшаются с повьпие-нием его температуры. На рисунке 102 изображён график зависимости сопротивления полупроводникового элемента от его температуры. Видим, что сопротивление полупроводника резко уменьшается с повышением температуры. Если нагревание полупроводника прекратить, то стрелка гальванометра вернётся в прежнее положение. Полупроводник охлаждается, его сопротивление возрастает. Электрическое сопротивление полупроводников зависит также от степени их освещения. На рис. 103, а полупроводниковый фотоприёмник закрыт заслонкой, ток в цепи очень мал. При освещении полупроводника (рис. 103, б) сила тока в цепи заметно возрастает. Это говорит об уменьшении сопротивления полупроводника под действием света. Зависимость сопротивления полупроводников от освещения и нагревания связана с внутренним строением этих материалов. Один из типичных полупроводников — германий с порядковым номером 32. Его четыре электронные оболочки имеют 32 электрона. На первой оболочке находятся 2, на второй — 8, на третьей — 18, на четвёртой — 4 электрона (рис. 104, а). Электроны трёх внутренних оболочек не участвуют в химических реакциях. Электроны внешней оболочки слабо связаны с ядром атома. Их называют внешними, или валентными электронами, поскольку они определяют валентность данного элемента — способность его атомов вступать в химическую связь с определённым количеством других атомов. Валентность германия, атом которого имеет на внешней оболочке 4 электрона, равна четырём. При сближении двух атомов их валентные электроны вследствие слабой связи со своими ядрами легко взаимодействуют, образуя устойчивую химическую связь, которую называют ковалентной. Рис. 103 ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК Рис. 104 В твёрдом состоянии атомы германия расположены в узлах кристаллической решётки. У каждого атома есть четыре равноудалённых соседа, с которыми его объединяют парноэлектронные (ковалентные) связи. На рис. 104, б изображена условная плоская схема структуры связей в кристалле германия (ана-логшшая схема у кремния, который также находится в IV группе и обладает подобными химическими и физическими свойствами). При низких температурах; все валентные электроны атомов заняты в этих связях и не являются свободными. За неимением свободньрс электронов полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. Для тсйго чтобы полупроводник проводил ток, надо разорвать парноэлектронные связи, то есть освободить атектроны. При нагревании либо освещении кристалла некоторые электроны получают избыточную энергию и становятся свободными. Чем больше нагревается или освещается полупроводник, тем больше в нём появляется свободных электронов и тем меньше его электрическое сопротивление. Освободившийся электрон покидает своё место в системе связей между атомами — появляется вакансия — незаполнеш1ая электронная связь, которую называют дыркой. Количество таких дырок тем больше, чем больше электронов освобождается в кристалле при нагревании или освещения. Дырка ведёт себя как положительный заряд. Дело в том, что недостаток отрицательного заряда в системе электронной связи равносилен наличию в этом месте положительного заряда. Заряд дырки равен по значению заряду электрона. Дырка может захватывать электрон от соседней связи, в результате там появляется новая дырка, а первичная — исчезает. Это эквивалентно перемещению дырки в пространстве, поэтому она может перемещаться в кристалле как свободный электрон. Свободные электроны и дырки в кристалле полупроводника находя'гся в состоянии хаотического тепловсмпо движегая, но характер их движения существенно изменится, если к кристаллу приложить напряжение. Электрическое поле упорядочит движение как свободных электронов, так и дырок. Положительные дырки под действием электрического поля перемещаются к отрицательному полюсу источника — катоду, а свободные электроны к положительному полюсу — аноду. В кристалле полупроводника возникает электрический ток, обусловленный движением носителей двух типов. Говорят, что в полупроводнике имеются дырочная и электронная проводимости. Проводимость химически чистых полупроводников, возникающая при их нагревании или освещении, называется собственной проводимостью. Собственная проводимость полущюводников при комнатной температуре небольшая. Оказывается, чтобы значительно увеличить электрическую проводимость полупроводника (то есть уменьшить его электрическое сопротивление). п Глава 2 В ЧИСТЫЙ полупроводник необходимо внести специальные пртмеси. Проводимость полупроводников, обусловленную наличием примесных атомов, называют примесной проводимостью. Различают электронную примесную проводимость и дырочную примесную проводимость. Электронная примесная проводимость возникает при замещении некоторых атомов германия или кремния атомами другого вещества с пятью валентными электронами, например мышьяка (As) или сурьмы (Sb). Тогда четыре электрона сурьмы обеспечивают ковалентные связи с соседними атомами, а пятый электрон, слабо связанный с атомом примеси, становится свободным. В веществе объёмом 1 см® содержится до 10®® атомов. Замещение одного атома германия из миллиона на атом сурьмы или мьппьяка приводит к тому, что в каждом кубическом сантиметре полупроводника появляются почти 10"' свободных электронов. Именно эта способность даёт возможность полупр*^воднику проводить элеклричес1сий ток. Примеси, которые легко отдают электроны и, следовательно, увеличивают количество свободных носителей, называют донорными примесялш, пли донорами. Итак, за счёт вкрапления в гермаьшй или кремний атомов пятивалент-Н01Ю элемента получаем полупроводники с примесной электронной проводимостью (рис. 105, а). Их называют полупроводниками п-типа (от латинского слова negativus — отрицательный). Дырочная примесная проводимость возникает, если в полупроводниковом кристалле некоторые атомы замещаются другими атомами, имеющими три валентных электрона, например атомами индия (In). В этом случае для образования ковалентной связи с соседними атомами примесному атому -----------------— необходим ещё один электрон (рис. 105, б). Поэтому в том месте, куда попадает атом примеси, образуется дырка (дефицит электрона). Если заменить один из миллиона атомов основного вещества атомом трёхвалентной примеси, то в каждом Kj/би-ческом сантиметре полухфоводника образуются до 10*® дырок. Примеси этого типа называют акцепторными (приёмными), или акцепторами. Такой полупроводниковый кристалл обеспечивает электрический ток благодаря дрейфу дырок, которые переносят положительный электрический заряд. Итак, при вкраплении в германий или кремний атомов трёхвалентного вещества получаем полупроводники с примесной дырочной проводимостью. Их называют полупроводниками р-типа (от латинского positivus — положительный). Как уже отмечалось, электрическое сопротивление полупроводников зависит от его температуры. Это свойство полупроводников используют для измерения температуры окружающей среды (в диапазонах от -269 до -193 “С; от -103 до Рис. 105 + 297 ‘С; свыше 1000 С) по силе тока в цепи с ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК 97 полупроводником. Такие приборы называют термисторами, или терморезисторами. Их изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусин размером от нескольких микрометров до нескольких сантиметров и применяют для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации и пр. Электрическая проводимость полупроводника возрастает при разрушении связей и образовании свободных электронов и дырок за счёт энергии света, падающего на полупроводник. Это явление называют внутренним фотоэлектрическим эффектом; используют в полупроводниковых приборах — фоторезисторах. С помощью фоторезисторов определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий и т. д. ТТоздттее вы будете изучать устройство и работу различных по.пупро-ВОД1ШКОВЫХ приборов: диодов, транзисторов, электронных интегральных схем. Именно благодаря им электронная аппаратура стала малогабаритной, экономичной и надёжной: первые компьютеры размещались в огромных залах, а современные - помещаются на ладони, глузыкальный плейер не стоит на столе, а висит на шнурке. Полупроводниковый лазер даёт возможность записать данные на CD- или DVD-дисках, а флеш-накопитель — переносить и хранить гигантские объёмы информации. Большой вклад в развитие физики полупроводников, внесли украинские учёные К. Д. Товстюк (1922-2004) и В. Е. Лошкарёв (1903-1974), создавший научную школу специалистов по физике полупроводников. ■ОПГОСЫ и ЗАДАИИ! 1. Почему некоторые вещества называют полупроводниками? Почему полупроводники при низкой температуре имеют свойства диэлектрика? Объясните, почему с повышением температуры проводимость полупроводников возрастает. Каковы причины появления электронов проводимости и дырок? Какие полупроводники называют полупроводниками л-типа? Почему полупроводники с дырочной проводимостью называют полупроводниками р-типа? Почему резисторы и термисторы имеют разные свойства? Почему проводимость полупроводников увеличивается при их освещении? 2. |§2^ ЭЛ1КТРИЧЕСКИЙ ток В ГАЗАХ. САМОаОЯТЕЛЬНЫЙ и НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯДЫ Газы являются хорошими изоляторами, поскольку в обычных условиях — при низких температурах и отсутствии внешнего облучения (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного) — они состоят из нейтральных атомов или молекул. У них нет свободных электрических зарядов, упорядоченное перемещение которых создаёт электрический ток. Но при определённых условиях можно получить электрический ток и в газах. 98 Глава 2 Рис. 106 (§) Опыт 1. Зарядим (например, от электрофорной машины) алюминиевые диски, соединённые проводниками с вьшодами электрометра (рис. 106, а). Видим, что отклонение стрелки электрометра остаётся постоянным, поскольку электрическая проводимость воздуха в условиях кохлнатной температуры и сухого воздуха очень мала, и пластины практически не разряжаются. Внесём в пространство между дисками пламя спички или свечи (рис. 106, б). Наблюдаем быстрый разряд электрометра. Следовательно, воздух вследствие значительного повышетшя температуры уже обладает проводимостью и замыкает цепь, то есть в нагретом газе проходит электрический ток. Процесс прохождения электрического тока в газах называют газовым разрядом. При нагревании или излучении часть атомов газа ионизируется — распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе образуются также отрицательно заряжен1п>1е ионы. Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что некоторые молекулы перемещаются так быстро, что часть из них при столкновении распадается, превращаясь в ионы. Чем выше температура газа, тем больше образуется ионов. В нашем опыте пламя свечи испол1шет роль ионизатора, то есть источника ионов. Явление, вызывающее ионизацию газа и дальнейшее развитие газового разряда, называют ионизатором. Как ионизатор действуют рентгеновские лучи, а также радиоактивное излучение (его вы будете изучать позднее). При нормальных условиях окружающий воздух всегда в определённой степени ионизирован под воздействием солнечшых лучей и космического излучения (поток быстрых заряженных частиц, поступающих на Землю из глубин Космоса). Механизмы проводимости газов, растворов и расплавов электролитов аналогичны. Различие в том, что в газах отрицательный заряд переносится преимуществе1ШО не отрицательными ионами, а свободными электронами. ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК Таким образом, в газах сочетаются электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, которая аналогична проводимости водных растворов и расплавов электролитов. Е1сли мы прекращаем нагревать либо облучать газ, то он снова становится диэлектриком. Ток прекращается тогда, когда все ионы и электроны достигают электродов. Кроме того, при сближении электрона и положительно заряженного иона снова образуется нейтральный атом. Этот процесс называют рекомбинацией заряженных частиц. Если же внешнего электрического поля нет, то заряженные частицы исчезают только при рекомбинации, и газ становится диэлектриком. В газах разряд можно наблюдать без нагревания и облучения. Иногда он может поддерживать себя самостоятельно. При каких условиях это возможно? ® Опыт 2. Возьмём запаянную и наполненнзю воздухом стеклянную трубку с двумя металлическими электродами, к которым прикладьшаем напряжение, собрав цепь, изображённую на рисунке 107. Предположим, что на газ в трубке действует какой-либо ионизатор. Если напряжение между электродами трубки малое, то положительно заряженные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы — к положительному. В результате в трубке возникает электрический ток, то есть происходит газовый разряд. Поскольку в пространстве между электродами одновременно происходит процесс рекомбинации, то не все образованные электроны и ионы достигают электродов трубки. С увеличением напряжения между электродами сила тока в цепи возрастает. Потом наступает момент, когда сила тока не изменяется. Ток достигает насыщения (рис. 108). Если действие ионизатора (нагревание, облучение) прекращается, то прекращается и разряд, поскольку другие источники ионов отсутствуют. Такой разряд называют несамостоятельным разрядом. А что же происходит с разрядом в газе, если увеличивать напряжение на электродах трубки? Опыт показывает, что в газе с увеличением напряжения на электродах трубки сила тока с определённого значе1шя снова увеличивается (рис. 109). Причина в том, что в газе дополнительно происходит ионизация электронным ударом при столкновении электронов, ускоренных электрическим полем, с атомами газа. При этом образуется значительно больше ионов, чем в результате действия ионизатора. Сила тока возрастает в тысячи раз, а количество ионов может стать таким, что отпадает потребность во внешнем ионизаторе. и г J и Рис. 108 Рис. 109 Глава 2 Поскольку такой разряд не требует для своего поддержания внешнего ионизатора, его называют самосто5ггельным разрядом. В зависимости от свойств и состояния газа, характера и размещения электродов, приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда. I Тлеющий разряд наблюдается при I низких давлениях (десятые и сотые доли I миллиметра ртутного столба) и напряжении между электродами в несколько сотен вольт. Тлеющий разряд используют в рекламных трубках (рис. 110). Если трубка наполнена неоном, то возникает красное свечение, если аргоном — синевато-зелёное. В л^ампах дневного света используют разряд в парах ртути. Рис. 110 ; Электрическая дуга — это явление возникновения яркого к светящегося столба газа между двумя угольными электродами I при низком напряжении. Электрическую дугу «зажигают» так. Сначала сближают и вводят в контакт угольные электроды, замыкая цепь. В результате теплового действия тока, протекающего в точечных контактах с большим электрическим сопротивлением, концы электродов накаляются до свечения. С поверхности электродов при этом с огромной скоростью вылетают электроны и при столкновении ионизируют газ в прилегающем пространстве (о явлении тер моэлектронной эмиссии читайте на с. 103). Если теперь развести электроды в разные стороны, то электрический ток в цепи не прекращается, он проходит через ионизированный газ, что сопровождается его накаливанием и ярким свечением. Сила тока в малой дуге достигает нескольких ампер, а в мощных дугах — нескольких сотен ампер при напряжении около 50 В. Во время горения дуги воздух в промежутке между угольными электродами нагревается до нескольких тысяч градусов и, поднимаясь вверх в результате конвекции, изгибает светящийся столб в виде дуги, чем и об'ьясняется название этого вида газового разряда (рис. 111). Дуговой разряд — мощный источник света. Его используют в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах. В металлургии применяют электропечи, в которых источником тепла является дуговой разряд. Используют его также для сварки металлов. Рис. 111 ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК 101 При коронном разряде светящаяся область напоминает . корону, он образуется при атмосферном давлении вблизи острых , частей проводника с большим электрическим зарядом. Газ в этом случае ионизируют ударом электроны, ускоренные силыгым электрическим полем, возникающим возле острых заряженных проводников. Перед грозой или во время грозы часто на вершинах и острых углах высоких предметов возникает кистеобразное свечение, например на корабельных мачтах (рис. 112). Издавна это свечение называют огнями святого Эльма, иногда оно наблюдается даже на кончиках ружейных штыков. Коронный разряд может возникнуть на проводах высоковольтных линий, что приводит к потерям электроэнергии. Чем выше напряжение в линии, тем толще провод следует использовать для предотвращения коронного разряда. Искровой разряд возникает при высоком напряжении между электродами в воздухе (рис. 113, а) и имеет вид пучка ярких зигзагообразных полос, ответвляющихся от тонкого канала. При искровом разряде газ ионизируется ударом ускоренных сильным электрическим полем электронов, возникающих в некоторых местах между электродами вследствие природной ионизации воздуха. С помощью искрового разряда можно обрабатывать детали из тугоплавких металлов, поскольку большая энергия этого разряда выделяется в небольшом объёме за очень малый промежуток времени. При отсутстивии теплообмена с окружающей средой в месте разряда температура металла резко повышается, происходит его испарение. Примером мощного искрового разряда является молния (рис. 113, б). Изучением этого явления природы занимались многие учёные, в частности Б. Франклин, М. В. Ломоносов, Г. В. Рихман. В 1753 г., исследуя атмосферное электричество, Г. В. Рихман погиб от удара молнии. Многолетними исследованиями установлено, что при движения воздуха за счёт конвекции воздушные потоки и облака в результате столкновений Рис. 112 Рис, 113 102 Глава 2 Рис. 114 электризуются. При этом часть облака (например, верхняя) электризуется положительно, а часть — отрицательно. Напряжение между двумя облаками или между облаком и Землёй достигает десятков миллионов вольт. В результате между облаками или между облаком и Землёй возникает гигантская искра — молния (рис. 114). Длина молнии достигает нескольких километров, а диаметр её канала иногда превышает 6 м. Сила тока в канале молнии огромная: от 1—2 до 200 кА. Продолжительность разряда небольшая — тысячные доли секунды. Поэтому общий заряд, протекающий при одной вспышке молнии, не превышает десятков или сотен кулонов. Для защиты сооружений (зданий, опор линий электропередачи и т. д.) поблизости устанавливают мачту с заострённым металлическим стержнем, который надёжно соединяют толстым проводом с закопанным глубоко в землю металлическим предметом, то есть заземляют (рис. 115). Это устройство называют молниеотводом (часто — громоотводом). Поясним упрощённо принцип действия молниеотвода. Грозовое облако своим электрическим полем наводит в молниеотводе электрический заряд, противоположный по знаку заряду облака. Этот заряд создаёт около острия молниеотвода сильное электрическое поле, в котором начинается «тихий» коронный разряд, забирающий на себя энергию взаимодействия наведённого облаком электрического заряда, чем уменьшает вероятность развития молнии. Размеры территории, защищённой молниеотводом на поверхности Земли, определяются высотой молниеотвода. Электрический ток в вакууме. Если из стеклянной трубки в опыте 2 на с. 99 (см. рис. 107) с помощью специального насоса откачать воздух, то в ней Рис. 115 ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК образуется вакуум, то есть безвоздушное пространство. При этом измерительный прибор показывает, что в цепи трубки тока нет. Этот факт можно объяснить: хотя в промежутке между электродами существует электрическое поле, но свободные носители электрического заряда отсутствуют, поэтому вакуумный промежуток является хорошим изолятором. И все же в такой вакуумной трубке возможен электрический ток. Если рядом с катодом трубки поместить миниатю1шый электронагреватель (1шть накала), который нагреет катод до температуры видимого свечения (900—1500 °С), то с его поверхности начнет «испаряться» электроны, образующие электронное «облако», то есть появляются свободные носители электричества. Под действием электрического поля электроны будут перемещаться к аноду и замкнут цепь — измерительный прибор покажет Т1яличие тока. Явление «испарения электронов», названное термоэлектронной эмиссией, в 1883 г. впервые наблюдал Т. Эдисон (эффект Эдисона). Описанный вакуумный прибор имеет важную особенность — одностороннюю проводимость. Если полярность источника тока, соединёшюго с трубкой, поменять на противоположную (катод соединить с положительным полюсом источника, а анод — с отрицательным), то ток в цепи исчезнет. В этом случае положительный катод «не отпускает» отрицательные электроны, а отрицательный анод, в свою очередь, отталкивает их назад, то есть цепь не замыкается. Позднее на основе этого свойства были созданы выпрямители переменных (периодически изменяющих направление) токов, а также электронно-лучевые трубки, которые широко применяли в телевизорах и мониторах компьютеров. 1> ЭТО ИИТЕКСИО ЗНАТЬ • Молния — достаточно частое явление на Земле. Учёные подсчитали, что ежедневно на земном шаре бывает почти 44 000 гроз (приблизительно одна гроза каждые 2 с). Грозы преобладают во второй половине дня. Их продолжительность — приблизительно 1 ч. Но в тропиках и горах они иногда продолжаются по 12—13 ч. • Вольтов столб и батарея открыли возможности для широких экспериментов с сильным электрическим током. В 1802 г. профессор Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петров (1761-1834) сконструировал самую мощную для того времени батарею. Она состояла из 4 200 медных и цинковых кружков, помещённых в четыре деревянных ящика. Присоединив медным проводом к полюсам батареи два угольных стержня (электроды), учёный приблизил их один к другому и увидел, что между ними вдруг вспыхнула яркая дуга. Она осветила лабораторию, куски металла в ней очень быстро плавились. Так была открыта электрическая дуга. Способ сварки металлов с помощью электрической дуги в 1881 г. предложил уроженец с. Мостовое Николаевской области, изобретатель Николай Николаевич Бенардос (1842-1905). Он запатентовал почти 100 изобретений в сфере транспорта и энергетики. Н. Бенардос сконструировал угольные электроды разных форм и комбинированные электроды: один из электродов — угольный, а другим служит свариваемый металлический предмет; предложил специальное приспо- 104 Глава 2 Николай Бенардос Евгений Патон собление для сварки в вертикальном положении; впервые использовал электромагнит для закрепления свариваемых деталей в заданном положении; создал несколько конструкций сварочных полуавтоматов и автоматов; разработал способы подводного сваривания и резания металлов, сварки в газовой струе, точечной и шовной контактной сварки. • Славные традиции достижений украинских учёных в исследовании проблем сварки металлов продолжил Евгений Оскарович Патон (1870-1953) — основатель отечественной школы сварки. По его инициативе при прежней АН УССР оганизовали лабораторию (1929 I.), которая в 1934 i. быт1а преобразована в Институт электросварки, директором и научным руководителем которого был Е. О. Патон. Основные труды учёного посвящены научным и технологическим основам дугового сварочного процесса и проблемам его автоматизации; созданию электросварочной аппаратуры. • В Институте электросварки АН УССР непосредственно под руководством Е. О. Патона в 1939-1940 гг. была завершена разработка метода высокопродуктивной автоматической сварки под флюсом. Институт разработал технологию сварки бронированной стали, что позволило создать поточное механизированное производство бронетанковых корпусов. С помощью автоматической сварки под флюсом было налажено производство авиабомб, артиллерийских снарядов. Довоенный и военный периоды деятельности Института, которому в 1945 г. было присвоено имя Е. О. Патона, можно рассматривать как становление новой научной школы (В. В. Шеверницкий, А. А. Казимиров, Г. В. Раевский, А. М. Макара, Б. Е. Патон, В. И. Медовар, Д. М. Раб-кин, И. И. Фрумин). Именем Е. О. Патона назван сконструированный им мост через Днепр в Киеве (1953 г). Позднее дело отца продолжил сын — Б. Е. Патон, возглавивший Институт электросварки имени Е. О. Патона в 1953 г. « Борис Евгеньевич Патон — выдающийся учёный в области сварки, металлургии и технологии металлов, организатор науки, государственный и общественный деятель. Президент Национальной академии наук Украины с 1962 г. Возглавляемый Б. Е. Патоиом Институт электросварки вырос в мощный научно-технический комплекс, в структуре которого научно-исследовательский институт, конструкторско-технологические и экспериментальные подразделения, три исследовательских Ш завода, а также инновационные организации, научно-инженерные и аттестационный центры. Под его руководством и при непосредственном участии в Институте проведены глубокие исследования и получены важные результаты по разработке прогрессивных технологий неразъёмного соединения. Борис Патон ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 105. обработки металлов и неметаллов в разных условиях и средах. К ним относятся сварка и наплавка под флюсом, сварка в защитных газах сплошным и порошковым проводом, электрошлаковая, стыковая сварка плавлением, газотермическое напыление, лучевые технологии и другие процессы. Фундаментальные исследования Б. Е. Патона и его учеников взаимодействия сварочных источников нагревания с расплавленным металлом заложили основу для создания новой отрасли металлургии — специальной электрометаллургии. Благодаря этому стало возможным получение сверхчистых специальных сталей и сплавов, цветных металлов, а также уникальных композиционных материалов. Открылись перспективы для создания новейших конструкционных и функциональных материалов XXI века. Борис Евгеньевич внёс большой вклад в создание новых типов сварных конструкций, индустриальных способов сварки магистральных трубопроводов, крупногабаритных резервуаров для хранения нефти, кожухов доменных печей, высотных башенных конструкций. Впервые Б. Е. Патон предложил исследования в открытом космосе в сфере технологии металлов, в создании уникальных конструкций. Под его непосредственным руководством в 1984 г космонавты С. F. Савицкая и В. А. Джанибеков впервые в мире провели в открытом космосе исключительно важные исследования и впервые осуществили на практике сваривание, резание и напыление металлов. Под его руководством сотрудники Института и учёные-медики создали новый способ соединения (сваривания) мягких тканей человека и животных, который широко используется в хирургической практике. •ОПРОСЫ и ЗАДАИНЯ 1. Почему при обычных условиях газы являются диэлектриками? 2. Объясните, почему при нагревании или облучении газа рентгеновскими либо ультрафиолетовыми лучами газ становится проводником. 3. Почему при нагревании газ ионизируется? 4. С прекращением действия ионизатора газ снова быстро становится диэлектриком. Почему? 5. Какой газовый разряд называют несамостоятельным? 6. Почему разряд в газах с ионизацией ударом называют самостоятельным? 7*. Опишите процесс возникновения электрической дуги между угольными электродами при низком напряжении. 8. Когда возникает коронный разряд? 9. Расскажите, как возникает молния — искровой разряд. 10*. Обоснуйте, почему электрическая дуга образуется при низких напряжениях, а искровой разряд — при очень высоких. 11 *. Почему электрический ток в газах называют «электрическим раэрядсм»? 12*. Как с помощью искрового разряда можно обрабатывать детали из тугоплавких металлов? 106 Глава 2 Б130ПАСИ0аЬ Ч1ЛОВЕКА во ВРЕМЯ РАБОТЫ € ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПРИБОРАМИ И устройавАми Электрические цепи рассчитывают на опредёленную силу тока. Если сила тока в цепи превышает допустимую, то провода могут перегреться, а их изоляция — загореться. Причины значительного увеличения силы тока в цепи — одновременное включение нескольких мощных потребителей тока (например, электроплитки, электроутюга, стиральной машины, водонагревателя) либо короткое замыкание. (• Опыт. Собираем цепь из источника тока напряжением 36 В, электрической лампы, ключа и отрезка тонкого провода. Замыкаем ключ — лампа светится. Теперь к зажимам лампы присоединим перемычку и снова замыкаем цепь. Лампа гаснет, а тонкий проводник раскаляется до свечения (рис. 116) и может перегореть со вспышкой. 1 Коротким замыканием называют [ соединение концов участка цепи провод-I ником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Короткое замыкание может возникнуть при ремонте проводки под током (рис. 117) или при случайном касании оголённых проводов. Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи резко возрастает сила тока, при этом провода могут загораться. Чтобы предупредить это, в электросеть обязательно включают предохранители. Каково назначение и устройство предохранителей? Назначение предохранителей — сразу же отключить линию, если сила тока вдруг превысит допустимую норму. Основная часть предохранителя (рис. 118) — провод С из легкоплавкого металла (например. Рис. 116 Рис. 117 Рис. 118 электрический ток 107 свинца), размещённый внутри фарфоровой пробки П. Пробка имеет винтовую нарезку Н и центральный контакт К. Нарезка соединена с центральным контактом свинцовым проводом. Пробку вкручивают в патрон, который находится внутри фарфоровой коробки. Следовательно, свинцовый провод — это часть общей цепи. Толщина свинцового провода должна выдерживать определённую силу тока, например 4, 6,10,16, 25, 32 А (рис. 119). Если сила тока в цепи превысит допустимое значение, то свинцовый провод расплавится, и цепь разомкнётся. Предохранители с проводником, который плавится, называютя плавкими предохранителями. На рисунке 120 изображён такой предохранитель со вставкой, которую в случае перегорания можно заменить. В различных приборах применяют разные предохранители (рис. 121). На рисунке 122 показан предохранитель-автомат, действующий на основе теплового расширения тел. При замене предохранителя обязательно соблюдайте следующие правила. Преяеде чем заменить перегоревшие при корют-ком замьпсании предохрэанители, нужно его обнаружить и устранить. Для этого необходимо; 1) выключить в кварлгире или доме все потребители тока; 2) вставить в гнездо одного предохранителя лампу накаливания, которая соответствует напряжению в сети, а в гнездо другого предохранителя — прюбку; 3) если замыкание связано не с потребителями, а с подводньЪш проводами кварггиры, то лампочка ярко будет светить; 4) если замыкания в подводных проводах нет (спирмтль лампы накаляется слабо), то необходимо поочер>едно включать все потребители тока; 5) если замыкания нет ни в одном из потребителей, значит, в вашей квартире сеть перегружена. Выключите лишние потребители тока. При работе с электрюприборами необходимо стрюго и неукоснительно выполнять меры предо-сторюжности. Если этим пренебрегать, то вашей жизни угрюжает смеругельная опасность в случае электрютравмы. Электрютравма — это поражение человека электрическим током. Она возникает Рис. 119 Рис. 120 Рис. 121 Рис. 122 108 Глава 2 при контакте тела человека с электрическим кабелем, прибором или оборудованием, которые находятся под напряжением при условии их неисправности либо нарушении правил безопасности во время ремонта и эксплуатации. При поражении электрическим током имеют значение его сила, напряжение, частота, а также другие факторы: место поражения, время влияния тока на организм, состояние окружающей среды, особенности организма, кожи и одежды пострадавшего. Человеческое тело — проводник. При контакте частей тела с оголёнными проводами или оборудованием, которые находятся под напряжением, через него проходит ток, действие которого может быть более или менее опасным в зависимости от силы тока. Ток силой 0,6—1,5 мА человек уже ощущает как пощипывание кожи и болевые ощущения. Ток силой 5—25 мА может провоцировать непроизвольные и неконтролируемые судороги (сокращение мышц), при этом поражённый не может самостоятельно отключиться от источника опасности. Поскольку мышцы-сгибатели сильнее, чем мышцы-разгибатели, то, касаясь неисправного электроприбора или кабеля, мы рискуем ухватиться за опасную поверхность. Понятно, что лучше, если вы прикоснулись к включённому электроприбору тыльной стороной ладони. Поражение током при этом возможно, но если мышцы-сгибатели сократятся, то рука оттолкнётся от источника опасности. Ток в пределах 50—350 мА вызывает фибрилляцию (беспорядочные сокращения) сердца, то есть нарушение сердечной деятельности, иногда с остановкой сердца. Степень травматизма зависит от места поражения, какие именно органы поражены током. Есть несколько вариантов прохождения электрического тока через тело человека по линии: нога — нога; рука — рука; рука — нога. Наиболее опасно, если ток поражает сердце. Степень поражения зависит и от длительности действия тока на организм. Существенное значение для электротравматизма имеет состояние окружающей среды. Влажность, токопроводящий пол — всё это увеличивает действие тока на организм человека. В особенности опасно пользоваться электроприборами в подсобных помещениях и на открытом воздухе. Последствия электротравм зависят и от состояния организма пострадавшего. Опьянение, болезненное состояние, юный возраст, психологический стресс уменьшают сопротивление организма и увеличивают степень поражения. Специальная одежда, например резиновые перчатки и сапоги, может защитить от действия тока на организм человека или существенно ослабить его. Нормативно установлены значения наибольшего допустимого напряжения касания при достаточно продолжительном действии: для постоянного тока — 8 В (ток протека1шя 1 мА); для переменного тока — 2 В (ток протекания 0,3 мА). Поскольку значение электрического сопротивления человеческого тела может колебаться от 100 Ом до нескольких десятков килоом, то безопасным считают постоянное напряжение 25 В, а в помещениях с повышенной влажностью — напряжение 15 В. электрический ток __ля 109 Учебный физический кабинет в школе относится к помещениям с повышенной опасностью. Во время выполнения лабораторных и других работ учащиеся должны строго соблюдать правила электробезопасности, которые в каждом кабинете физики изложены на специальном плакате. Все, кто пользуется электрическим оборудованием, обслуживает или ремонтирует его, всегда должны помнить следующее. 1. Очень опасно одновременно прикасаться обеими руками к двум оголённым проводам. 2. Очень опасно прикасаться к оголённому проводу, стоя на земле, на влажном или бетонном полу. 3. Опасно пользоваться неисправными электрическими приборами. Их должны периодически проверять специалисты. 4. Нельзя собирать, разбирать или исправлять что-либо в электроприборе, не отключив его от источника тока. 5. Нельзя разбирать вьпелючатели, розетки и другую арматуру электросети, не выкрутив предохранители. Если вы увидите предупредительные знаки (рис. на с. IV форзаца), то это означает: подобное делать категорически запрещается! А как оказать первую помощь человеку, поражённому электрическим током? Запомните: при поражении электричеством дорога каждая минута, нужно немедленно принимать меры по оказанию поражённому первой помощи. Прежде всего необходимо освободить человека от контакта с проводом под напряжением. Если это случилось в помещении, где имеются выключатель или штепсель, то нужно выключить ток выключателем либо вытянуть штепсельную вилку. Если это произошло в цепи, где нет выключателя, надо выкрутить предохранители или выключить главный выключатель — он находится возле счётчика. Если выключатели размещены очень далеко, а человек находится под током, то необходимо надеть резиновые перчатки или обувь, снять с поражённого сухой деревянной (или из другого изоляционного материала) палкой провод либо перерезать его ножом, перерубить топором, «перекусить» кусачками. Но следует помнить, что во всех перечисленных инструментах ручки должны быть изготовлены из изоляционного материала. Освободив потерпевшего от тока, надо положить его на спину, освободить грудь от одежды, вызвать врача или «скорую помощь», а если это невозможно, то сделать искусственное дыхание. 7^ 10ПР0СЫ и MJUHHig 1 *. Если вынуть из воды включённый электрокипятильник, то его спираль может перегореть. Ответ объясните. 2*. Как вы полагаете, можно ли вместо предохранителя вставить толстый провод или пучок тонких медных проводников? 3*. Объясните, можно ли наливать воду в электрочайник, включённый в сеть. 4. Можно ли снимать привод с потерпевшего с помощью мокрой палки или металлического стержня? 5. Почему электромонтёры должны работать в резиновых перчатках и обуви? 110] Глава 2 С 1ДДДЧН Н УПУАЖН1НН^) ^ Решаем iMecie 1. Почему электролиты имеют ионную проводимость? Ответ: носителями тока в электролитах являются ионы обоих знаков. Свободных электронов электролиты не имеют. 2. При прохождении электрического тока в растворе медного купороса на катоде выделилось 52,8 г меди. Какой заряд прошёл через электролит, если электрохимический эквивалент меди равен 0,33 • ^—? Решение Чтобы определить заряд, прошедший в электролите, используем формулу q = It. q — 7 В формуле, выражающей закон Фарадея т = kit, заменим произведение It на q и получим выражение для заряда: о = к Подставив значения физических величин, получим: 0,0528 кг Дано: т = 52,8 г = 0,0528 кг л-6 Кл k = 0,33 • 10-® ^ Я=- -вКГ 160 00ОКл = 160 кКл. 0,33-10-»- Ответ: через электролит прошёл заряд 160 кКл. 3. Почему в технике преимущественно используют не чистые полупроводники, а с донорными или акцепторными примесями? Ответ: при введении в полупроводниковый кристалл примеси можно увеличить электропроводность кристалла кремния в миллиард раз. 4. Почему электрический тсж в газах называют «электрическим разрядом»? Ответ: при прохождении тока в газе между двумя разноимённо заряженными телами эти тела разряжаются. (Уровень Д} 160. Почему сопротивление электролитов уменьшается с повышением температуры? 161. Почему в электролитах в твёрдом состоянии нет свободных электронов? 162. Почему перед гальваническим покрытием изделия тщательно обезжиривают и промывают? 163. Почему для гальванического покрытия изделий используют преимущественно никель и хром? 164. Почему именно водные растворы солей, кислот и щелочей являются проводни кам и ? 165. В каком случае в колбе с электролитом, где имеются носители тока обоих знаков, тока нет? 166. Почему с повышением температуры электролита количество ионов обоих знаков увеличивается? ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 111 I I ■ I Гг: .73 17. Г-7 Тс Почему электролит в растворе или расплаве электрюнейтратен, хотя содержит oi’poMHoe количество ионов обоих знаков? Почему при п1Юхождении тока через электролит на электродах выделяется чистое вещество, которое входит в состав электролита? Почему при прохождении электрического тока через электролиты происходит перенос и осаждение вещества на электродах? Почему электропроводность полущюводников измеряют при слабом освещении, почти в темноте? Почему между угольными электродами при невысоком напряжении возникает газовый разряд — электрическая дуга? Почему для «зажигания» электрической дуги на её электроды подают высокое напряжение, а для поддержания токав дуге такое напряжете не нужно? Почему электроскоп, размещённый возле пламени свечи, очень быстро разряжается? Когда возникает коронный разряд? Почему очень опасно касаться проводов под током влажными руками? Как образуется молния между грозовым облаком и поверхностью Земли? Дождь застал вас в поле. Неподалёку растёт высокое дерево с большой кроной. Следует ли бежать к нему, чтобы спрятаться от дождя? Провод, соединяющий молниеотвод с заземлённой пластиной, оказался порванным. Может ли такой молниеотвод защитить от молнии? I Уравень 179. В растворе нитрата серебра при прохождении заряда 1 Кл на катоде выделяется 1,118 мг серебра. Определите, какая масса серебра выделится при прохождении электрического заряда 500 Кл. 180. При электролизе раствора сульфата цинка выделилось 2,45 г цинка. Определите электрохимический эквивалент этого металла, если через электролит в течение 60 мин проходил электрический ток 2 А. 181 Какой силы был ток при электролизе раствора медного купороса, если за 50 мин на катоде выделилось 1,98 г меди? 182. Наибольшее количество электричества, получаемое при разрядке аккумулятора или гальванического элемента, называют ёмкостью и измеряют в ампер-часах. Определите, какой силы ток проходил через щелочной аккумулятор ёмкостью 42 А • ч при его зарядке в течение 2,8 ч, 183. При электролизе раствора соляной кислоты НС1 на катоде за определённое время выделилось 75 г водорода. Сколько хлора выделилось за это же время на аноде? Электрохимические эквиваленты водорода и МГ хлора соответственно равны 0,0104 и 0,367 j^. 184. Электролизом добыто 3,3 кг меди. Сколько серебра можно получить, если пропустить через соответствующий электролит такой же заряд? 185. Через раствор серной кислоты пропустили 2 • 10® Кл электричества, чтобы выделившимся при электролизе водородом заполнить при нор мальных условиях воздушный шар. Какой груз может поднять этот МГ шар? Электрохимический эквивалент водорода равен 0,0104 j^. m Глава 2 И€Т0РИЧ1СКАЯ СПРАВКА Луиджи Гальвани Гальвани Луиджи (09.09.1737-04.12.1798) — итальянский физик и физиолог. Родился в Болонье. Окончил Болонский университет, с 1775 г. — профессор этого университета. С 1773 г занимается анатомическим исследованием движений мышц лягушек, а в 1780 г провёл на них первые электрофи-зиологические опыты. После 11 лет исследований, что привело учёного к открытию (1786) в ткани лягушки кратковременных импульсов электрического тока («животного» электричества), он опубликовал их результаты в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» (1791). Л. Гальвани отмечал: если соединить металлическим проводником мышцы и нервы только что препарированной лягушки, то сразу же происходит сокращение её мышц. Сокращения становятся более сильными и продолжительными, если проводник состоит из двух разнородных металлов, например железа и меди или серебра. Л. Гальвани сделал вывод, что сокращения мышц лягушки обусловлены возникновением в них электрического тока. Однако причину этого учёный ошибочно усматривал в наличии в каждом животном собственного «животного» электричества. Л. Гальвани — один из основателей учения об электричестве, его исследования с «животным» электричеством положили начало новому научному направлению — электрофизиологии. Вольта Алессандро (18.02.1745-05.03.1827) — итальянский физик, изобретатель гальванического элемента. Родился в Комо, близ Милана. Учился в школе ордена иезуитов. С раннего детства интересовался естественными науками, в частности изучением электрических явлений. В 1774-1779 гг. преподавал физику в родном городе, с 1779 г. работал профессором Павийского университета, а в 1815-1819 гг был деканом философского факультета Падуйского университета. В 1769 г. А. Вольта опубликовал работу о лейденской банке, а в 1775 г. — об изобретении им смоляного электрофора — Ал<=ссан о Вольта ставшего прообразом электрофорной машины. В 1781 г. сконструировал чувствительный электроскоп с соломинками и ввёл его в практику измерений. А. Вольта повторил и развил опыты Л. Гальвани. В результате многочисленных экспериментов, проведённых в 1792-1794 гг, пришёл к выводу, что явления, которые наблюдал Л. Гальвани, связаны с наличием цепи из двух разнородных металлов и жидкости. Чтобы доказать свою правоту, А. Вольта полностью исключил физиологические объекты, заменив лапку лягушки своим электрометром. Описывая эти опыты. Вольта впервые ввёл понятие замкнутой цепи электрического тока. А. Вольта были проведены значительные исследования в области химии. В области физиологии он впервые показал, что нервы животных и человека обладают большой электрической возбудимостью. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 11S С ПЮВ1РЫ1 «ОИ ЗНАНИЯ J (Контрольиые юпросы^ 1 Почему для создания электрического тока в проводнике необходим источник тока? 2, Какие условия необходимы для наличия тока в электрической цепи? 3 Почему металлы имеют электронную проводимость? 4 Мы уверены, что в проводнике проходит ток, хотя движения частиц в нём не видим. Поясните это. 5 Почему магнитное действие тока, в отличие от химического или теплового, является основным его действием? 6 Почему амперметр имеет очень малое сопротивление, а вольтметр — очень большое? 7 Почему формулы работы тока (А = Ult, А = rRt, А = ) используют для н определения количества теплоты, выделяющейся в проводнике? 8 Почему в двух проводниках из одного материала, одинаковой длины, но разного поперечного сечения, соединённых последовательно, за одно время выделяется разное количество теплоты? 9. Какие опыты доказывают ионную теорию проводимости растворов и расплавов электролитов? 10 Дистиллированная вода не является проводником. Почему же водопроводная, речная и морская вода — хорошие проводники? 11 Поясните, чем отличаются отрицательный ион в электролите и электрон. 12.Чтобы газ стал проводником, необходим процесс ионизации газа. Объясните, почему. ^Что 1 »наю н умею делат я знаю, ка1сие бывают источники тока. 1 Какие источники тока вы видите на рисунке 123? Я умею изготовлять простые гальванические элементы 2 В лимон или яблоко вставьте медную и стальную пластины с отводами (рис. 124). Присоедините отводы к гальванометру. Что он показывает? Почему? 114 Глава 2 Рис. 125 Я умею составлять электрические цепи и чертить их схемы. Назовите основные части карманного фонарика (рис. 125). Начертите схему электрической цепи. На рисунке 126 изображены приборы. Какие электрические цепи можно составить с помощью этих приборов? Пользуясь таблицей на с. I форзаца «Условные обозначения элементов электрических цепей», начертите схемы этих цепей. Имеем источник тока напряжением 12 В и четыре электрические лампы, рассчитанные на напряжение 3,5 В каждая. Как их соединить, чтобы они работали в нормальном режиме? Нарисуйте схему такой цепи. Я умею объяснять физические явления. Пользуясь рисунком 127, объясните наблюдаемое в ходе опыта явление. Электрический угорь может парализовать свою добычу. За счёт чего и как он это делает (рис. 128)? Рис. 127 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК " 115 ( > Рис. 130 8 На рисунке 129 изображена ёлочная гирлянда, состоящая из множества маленьких лампочек. Почему лампочки светят неодинаково? Как они соединены между собой? Я умею измерять физические величины с помощью приборов. 9 Какой прибор и шкалы каких приборов изображены на рисунке 130? Какие физические величины можно ими измерять? Запишите в тетрадь показания этих приборов. Я умею определять силу тока в электрической цепи. 10 Через первую электрическую лампу проходит заряд 1350 Кл каждые 15 мин, а через вторую — 30 Кл за 10 с. В какой электрической лампе сила тока больше? Во сколько раз? 11 Определите силу тока в цепи, если 24 Кл электрического заряда протекают в ней за 10 с; 1 мин. 12 Какой ток в проводнике, если через его поперечное сечение за 2 мин протекает заряд 30 Кл? Какое количество электронов проходит при этом через сечение проводника? Я умею определять работу и мощность электрического тока. 13 В нижней части электроутюга имеются надписи (рис. 131). Что они означают? Какова мощность электроутюга? Какую работу выполняет электрический ток, проходящий по его спирали, за 10 мин? 14 Сила тока при разряде молнии равна 100 кА, а напряжение между облаком и Землёй — 30 МВ. Вычислите мощность молнии. Я знаю, как изготовляют электрические лампы накаливания. 15 Используя рисунок 132, расскажите об основных этапах изготовления электрической лампы накаливания. 16 Рассмотрите все имеющиеся у вас электрические лампы и дайте ответ на следующие вопросы. ST 1112 230V-50Hi 1800W j, С€ © f I С653-08716 Рис. 131 Рис. 132 lift Глава 2 1) Отличается ли устройство этих ламп? 2) На какое напряжение они рассчитаны? 3) Пользуясь рисунком 133, укажите основные параметры электрической лампы. Я знаю, какие электрические приборы используют в быту. 17. Какие электрические приборы изображены на верхнем рисунке с. II форзаца и для чего их используют? Я умею изготовлять приборы и устройства. 18. Изготовьте самодельный гальванический элемент. Для этого возьмите раствор уксуса (2 столовых ложки на стакан воды), один электрод — медный или угольный (стержень от старой батарейки), другой — цинковый или железный. В наличии напряжения можно убедиться, коснувшись языком электродов: ощущается кисловатый привкус. Если у вас имеется вольтметр (до 5 В), измерьте напряжение на полюсах гальванического элемента. Какой электрод является анодом; катодом? Я знаю, устройство электросети в доме. 19. По нижнему рисунку на с. И форзаца определите предохранители, необходимые для потребителей электрического тока. Назовите этих потребителей. Какое поперечное сечение проводников должно быть в сети? ( Теимые эндонм ) Вариант I Сила тока в цепи электрической лампы равна 0,3 А. Сколько электронов проходит через поперечное сечение спирали за 5 мин? Рис. 133 1 А. 56- 10^ электронов. Б. 5,6- 10"* электронов. В. 5 600 электронов. Г. 56 электронов. 2. Как называется прибор для измерения напряжения на участке цепи? А. Омметр. Б. Ваттметр. В. Вольтметр. Г Амперметр. 3. Какая физическая величина всегда одинакова в цепи для разных проводников, соединённых последовательно? А. Сила тока. Б. Напряжение. В. Сопротивление. Г. Мощность. 4. Сила тока в железном проводнике длиной 150 см и площадью поперечного сечения 0,02 мм^ равна 250 мА. Какое напряжение на концах проводника? А. 2 В. Б. 20 В. В. 0,2 В. Г. 200 В. 5. Какова сила тока в нити накаливания катода телевизионной трубки (кинескопа), если её сопротивление равно 0,6 Ом, а на концах — напряжение 0,3 В? А. 5 А. Б. 0,5 А. В. 0,2 А. Г. 1,8 А 6. На специальном станке провод протягивают таким образом, что он становится в два раза длиннее и тоньше. Как изменяется его сопротивление? А. Увеличивается в 4 раза. В. Уменьшается в 2 раза. Б. Увеличивается в 2 раза. Г. Не изменяется. ■>20 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 117 7. По какой формуле определяют количество теплоты, которую выделяет проводник с током? 2 А. О = I^Rt. Б. О = IRt. В. О = U^Rt. Г. Q . 8. Выполняется ли закон Ома в условиях невесомости? A. Да, поскольку сопротивление проводников не зависит от их массы. Б. Нет, поскольку закон Ома выполняется на Земле. B. Ответа нет. 9. Почему с помощью контактной сварки нельзя соединить медные или серебряные детали? A. Детали имеют большое удельное сопротивление, и в месте контакта нельзя получить температуру, достаточную для их соединения. Б. Детали имеют малое удельное сопротивление, и в месте контакта нельзя получить температуру, достаточную для их соединения. B. Детали не имеют сопротивления, и в месте контакта нельзя получить температуру, достаточную для их соединения. .10. Что является свободными носителями заряда в полупроводниках с собственной проводимостью? A. Ионы обоих знаков. Б. Положительно заряженные дырки. B. Электроны и дырки. Г. Свободные электроны и электроны, образующие ковалентные связи в кристаллах. 11. В электролитической ванне с раствором AgNOs проходит ток 10 мА. Сколько в атомов серебра выделится на катоде за 1 с, если (Лд, = 1,12 • 10 А. 16 ■ 10^®. Б. 0,16 ■ Ю’®. В. 6,25 ■ 1022. Г. 6, • Ю’®. 12. Как называют вид газового разряда, который сопровождается свечением вокруг острых предметов? А. Дуговой. Б. Искровой. В. Коронный. Г. Тлеющий. 1 Вариант II Сила тока в цепи электрической лампы равна 0,3 А. За какое время через поперечное сечение спирали проходит 5,6 • 10^ электронов? А. 3 мин. Б. 300 с. В. 500 с. Г. 30 мин. 2 Как называется прибор для измерения силы тока? А. Омметр. Б. Ваттметр. В. Вольтметр. Г. Амперметр. 3. Какая физическая величина всегда одинакова для всех проводников в цепи, соединённых параллельно? А. Сила тока. Б. Напряжение. В. Сопротивление. 4 Каково напряжение на концах спирали электрической лампы, сопротивление которой 110 Ом, при этом амперметр показывает 0,2 А? А. 110 В. Б. 20 В. В. 22 В. Г. Ответа нет. 5 Чему равно сопротивление стартёра автомобиля, если при напряжении 12 В сила тока в нём равна 600 А? А. 0,2 Ом. Б. 0,02 Ом. В. 50 Ом. Г. Ответа нет. 118 (лава 2 10 11 В осветительную сеть комнаты включены две электрические лампочки, сопротивления которых соответственно равны 200 и 300 Ом. Напряжение в сети 220 В, Определите силу тока до разветвления, А. 2 А. Б. 1 А. В. 1,8 А. Г. 0,18 А. Два проводника с одинаковыми сопротивлениями соединены сначала последовательно, а потом параллельно и в обоих случаях включены при одинаковом напряжении. В каком случае работа электрического тока за одно и то же время больше и во сколько раз? A. При последовательном соединении работа электрического тока в разы больше. Б. Работа электрического тока в обоих случаях одинакова. B. При параллельном соединении работа электрического тока в 4 раза больше. Г. При параллельном соединении работа электрического тока в 8 раз больше. По какой формуле определяется работа электрического тока? А. А = I^Rt. Б. А = IRt. В. А = U^Rt. Г. А . Что является свободными носителями заряда в металлических проводниках? A. Отрицательно заряженные ионы. Б. Положительно заряженные ионы. B. Ионы обоих знаков. Г. Электроны. При силе тока 1,6 А на катоде за 10 мин отложилась медь массой 0,316 г. Определите злектрохимический эквивалент меди. А. 3,04- 10® la Б. 3,3 -10'^ В. 3,94 кг 1 о® — Г 3 94 10’^ “ ш 1^.1. IU 12 13 Почему говорят, что молния может «находить» зарытый в земле клад? A. Молния попадает чаще в то место, где имеются драгоценные камни. Б. Молния попадает в то место, где имеются залежи металлов — хороших проводников тока. B. Молния попадает в то место, где имеются неметаллы. Г. Молния попадает в то место, где имеются только благородные металлы. Почему с повышением температуры полупроводников их сопротивление уменьшается? A. Изменяется скорость носителей заряда. Б. Увеличивается количество носителей заряда. B. Увеличивается амплитуда колебаний молекул в узлах решёток. Г. Уменьшается количество носителей электрического заряда. Почему при дуговом разряде для прохождения тока в газовом промежутке не нужно высокое напряжение? A. Имеются свободные заряженные частицы. Б. Наличие свободных электрических зарядов обеспечивается высокой температурой. B. Электроды ионизируют газ вокру! себя. Г. Наличие носителей заряда обеспечивается электронной эмиссией. ГЛАВА МАГНИТНОЕ ПОЛЕ • Постоянные магниты, их взаимодействие • Магнитное поле Земли • Магнитное действие тока Электромагниты • Действие магнитного поля на проводник с током • Электродвигатель • Громкоговоритель • Электроизмерительные приборы • Электромагнитная индукция 120 Глава 3 Рис. 134 ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ До сих пор мы изучали явления, связанные с взаимодействием электрических зарядов и электрического поля. Электрическое взаимодействие является составляющей электромагнитных взаимодействий, к которым относится и магнитное взаимодействие. С магнитным действием электрического тока вы ознакомились при изучении § 10. Люди издавна знали, что некоторые руды притягивают железтаге гфедметы. Это явление назвали магнетизмом, а куски магнитных руд — природными магнитами. Богатые залежи магнитного железняка есть в Днепропетровской и Запорожской областях. Благодаря магнитному железняку люди впервые ознакомились с магнитными свойствами тел. Магнит (по-гречески — камень из Магнессии, горюда, вблизи которого были отхсрыты залежи магнитного железняка) — это тело, обладающее магнитными свойствами. Со временем научились изготовлять искусственные постоянные магниты разнообразной формы и размерюв в зависимости от их назначения. Постоянными их называют потому, что они неограниченно долго сохраняют свои магнитные свойства в отличие от электрю-магнитов, которые можно включать и выключать. В технике и в лабораторной практике часто используют полосовые (прямые) и подковообразные магниты (рис. 134). # Опыт 1. На столе находятся предметы, изготовленные из разных веществ. Приблизим к ним магнит. Циркуль, гвозди, иглы, стальная пластина притягиваются к магниту (рис. 135), а рюзинка, монета, спички, алюминиевая фольга, колпачки от ручек остались лежать на столе. Предметы, содержащие железо, сталь, никель, чугун или их сплавы, притягиваются магнитом. Эти вещества относят к классу ферромагнетиков (от лат. феррум— железо). Бумагу, стекло, пластмассу, медь магнит не притягивает. Магниты могут притягивать предметы через лист картона или стекло (рис. 136). I* Опыт 2 На столе лежат гвозди. Разместим на них магниты. Наибольше гвоздей притягивается у концов магнитов (рис. 137). Рис. 136 Рис. 137 Рис. 138 Рис. 139 I Места магнита, где магнитное действие наибольшее, называют ] полюсами магнита. Чем дальше от полюсов расположен участок магнита, тем слабее его магнитное действие, тем меньше гвоздей к нему притягивается, а в средней части их совсем нет. I Участок магнита, 1де не проявляется его магнитное действие, I называют с р е д н е й линией магнита. О пы Подвесим на нити магнит, чтобы он был в горизонтальном положении и свободно поворачивался. Если рядом нет предметов, изготовленных из ферромагнетиков, которые сильно взаимодействуют с магнитами, то магнит всегда будет занимать одно и то же положение в направлении север-юг (рис. 138). Это связано с тем, что Земля имеет два магнитных полюса. На этом основано действие компаса. Полюс магнита, направленный на север, называется северным (N, от англ. North), а на юг — южным (S, от англ. South). Демонстрационные и лабораторные магниты, а также магнитные стрелки, как правило, окрашивают традиционно в два цвета: со стороны северного полюса (N) — в синий, со стороны южного (S) — в красный. Граница окрашивания совпадает со средней линией. А может ли магнит иметь один полюс? # Опыт Разрезаем магнит на две части, отделяя южный полюс от северного. Получили два магнита — с обоими полюсами каждый (рис. 139). Это объясняется тем, что каждый магнит состоит из большого количества малых магнитов, всегда с двумя полюсами (рис. 140). Рис. 140 122 Глава 3 ^ Каждый магнит обязательно имеет два полюс;а: северный и южный. В технике используют сложные магниты с чётным числом чередующихся полюсов (N — S — N — S). Например, магнит велосипедного генератора имеет 81ЮЛЮСОВ (4 северных и 4 южных) (рис. 141). Ориентирова1гае кусков природных и постоянных магнитов в нащшвлении с севера на юг подтверждает, что наша планета обладает магнитными свойствами. Веками многие учёные, мореплава-тели и путешественники изучали магнитные ^ свойства Земли в разных географических пунктах. ^ Странствуя, люди собрали обширные сведения о / направлении стрелки компаса в разных местах земной суши и Мирового океана. В 1595 г. английский физик У. Гильберт изготовил из природного магнита (рис. 142) шар и пришёл к выводу, что у него есть два полюса, а магнитная стрелка вблизи шара устанавливается в направлении от северного полюса к южному. Тогда У. Гильберт предположил, что Земля является большим магнитом (рис. 143). Последующие исследования подтвердили это предположение. Рис. 141 Рис, 142 Вокруг Земли сущсютвует магнитное поле, которое условно изображают магнитными линиями. В каждой точке магнитного поля магнитная стрелка устанавливается вдоль магнитной линии. На этом явлении основано использование компаса. Каждый компас состоит из магнитной стрелки, свободно вращающейся на оси (рис. 144), и шкалы, на которой нанесены деления и основные стороны света. Стрелка компаса окрашена в синекрасный цвет либо на ней нанесена метка (синий конец и метка указывают северное направление). Рис. 144 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ !^|| и Д 123 Рис. 145 Рис. 146 Пользоваться компасом первыми начали китайцы более 4 тысячелетий тому назад. На рисунке 145 вы видите такой компас, а на рисунке 146 — современный компас, его используют на судах. На рисунке 143 схематично изображены магнитные линии поля Земли. Как видим, возле Северного географического полюса размещается Южный магнитный полюс, в котором линии сходятся, а возле Южного географического полюса — Северный магнитный полюс, из которого линии расходятся. Согласно исследованиям намагниченности горных пород магнитные полюса, как и магнитное поле Земли, с течением времени перемещаются, причём это перемещение очень сложное. ^ Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами. В связи с этим направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Поэтому магнитная стрелка компаса лишь приблизительно показывает направление на север. Если активность Солнца возрастает, то с его поверхности в космическое пространство выбрасываются потоки заряженных частиц. Магнитное поле, образующее эти подвижные частицы, изменяет магнитное поле Земли и является причиной магнитных бурь. Во время магнитной бури нарушается радиосвязь, у людей может ухудшаться самочувствие, на Севере наблюдаются полярные сияния и т. д. Земной магнетизм ещё полностью не изучен, поэтому исследованию магнитного поля Земли уделяется большое внимание во время полётов искусственных спутников и космических кораблей. Установлено, что земное магнитное поле надёжно защищает поверхность нашей планеты от космического излучения, действие которого на живые организмы часто является разрушительным. g> ■ОПРОСЫ и ЗАДАНИИ 1. Какие тела называют постоянными магнитами? 2. Что называют магнитными полюсами магнита? 3. Назовите известные вам вещества, которые притягиваются магнитом. 4. Объясните, почему магнитная стрелка устанавливается в данном месте Земли и в определённом направлении. 5. Где размещены магнитные полюса Земли? 6*. Как показать, что Южный магнитный полюс Земли находится на севере, а Северный магнитный полюс — на юге? 7*. Объясните, почему на Луне нельзя ориентироваться по компасу. 8*. Чем объясняются магнитные бури в атмосфере Земли? 9. Для чего предназначен компас? 124 Глава 3 PD ВЗАИМ0ДЕЙСТВИ1 МАГНИТОВ о Подносим к полюсам магнита магнитную стрелку. Северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса и притягивается к северному (рис. 147). Поднесём два магнита сначала их Северными, а потом — южными полюсами. Магниты взаимодействуют между собой, при этом их разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые — отталкиваются. Разместим магнит на карандашах (рис. 148). К магниту приблизим южный (северный) полюс второго магнита. Видим, что и теперь магниты взаимодействуют между собой — притягиваются или отталкиваются. Разноимённые магнитные полюса двух магнитов притягиваются, одноимённые — отталкиваются. Магниты взаимодействуют между собой, поскольку вокруг любого магнита существует магнитное поле. С одной стороны, магнитное поле одного магнита действует на второй магнит; с другой — магнитное поле второго магнита действует на первый. Магнитное поле вокруг магнита можно обнарз^ить разными способами. Один из них состоит в использовании железных опилок (метод спектров). Накроем подковообразный магнит стеклом. На стекло насьшем тонкий слой железных охшлок и легонько постучим по стеклу. Под действием магнитного поля магнита железные опилки размещаются рядом с магнитом не в беспорядке, а в виде замкнутых линий, которые называют линиями магнитного поля, или магнитными линиями (рис. 149, а). I Линии магнитного поля (магнитные линии)магнита — это воображаемые замкнутые линии, которые выходят из северного полю-I са магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита (рис. 149, б). Направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитной линии в этой точке. В данной точке магнитного поля магнитная стрелка имеет единственное направление, это означает, что магнитные линии не пересекаются. Г- Рис. 147 Рис. 148 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 125 Рис. 149 Рис. 150 Рисунок 150 даёт представление о магнитном поле разных магнитов: а — расхгределение железных опилок в магнитном поле двух магнитов, направленных один к другому одноимёнными полюсами, б — двух магнитов, направленных сооэ’ветственно разноимёнными полюсами. Еп](ё в 1269 г. П. Перегрин написал книгу «Письма о магнитах». В ней были описаны почти все известные в то время свойства магнитов. П. Перегрин установил следующее: если потереть стальную спицу природным магнитом, то она становится магнитом, то есть намагничивается (рис. 151). Такие тела также называют магнитами. Каждый из вас может изготовить мапшт дома. Для этого возьмите длинный железный гвоздь, молоток или отвёртку и положите их вдоль направления, которое показывает компас, то есть вдоль линии север-юг. А через несколько недель эти предметы начнут проявлять магнитные свойства — притягивать железные гвозди или винтики (рис. 152). Магнитными свойствами через определённое время будет обладать и лезвие бритвы, если его положить на магнит (рис. 153). Железные или стальные тела также становятся магнитами, если их поместить в катушку изолированного пхювода, по которому проходит электрический ток. Что при этом происходит, рассмотрим позднее. Рис. 151 Рис. 152 Рис. 153 g> tonrocu и ЗАДАНИЯ 1. Как взаимодействуют между собой полюса магнита? 2. Что существует вокруг магнитов? В чём это проявляется? 3. Объясните, что такое магнитные линии постоянного магнита. 4. Расскажите, как можно изготовить магнит. 5*. Возьмите магнит с неизвестным расположением полюсов. Как определить его полюса, если у вас есть магнит с известными полюсами? 6*. Притягиваются ли железные предметы к середине магнита? Ш 126 ПпаваЗ 1§^ ШГНИТНО! Д1ЙаВИЕТОКА, опыт ЭРПЕДА. ГИПОТЕЗА АМПЕРА Рис. 154 Долгое время электрические и магнитные явления рассматривали как независимые. Связь между ними установил в 1820 г. датский физик Г. К. Эрстед. В ходе опыта он заметил, что магнитная стрелка, размещённая под проводником (рис. 154, а), при замыкании цепи поворачивается и размещается почти перпендикулярно к проводнику (рис. 154, б). Если электрическую цепь разомкнуть, то стрелка принимает прежнее положение. Действие электрического тока на магнитную стрелку означает, что между электрическими и магнитными явлениями существует определённая связь. В опыте Эрстеда впервые было выявлено магнитное поле тока. Действительно, если проводник с электрическим током действует на магнитную стрелку, то вокруг этого проводника существует магнитное поле. Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле. Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, следовательно, вокруг движущейся заряженной частицы существуют одновременно магнитное и электрическое поля. А вокруг неподвижных зарядов — только электрическое поле. Для исследования магнитного поля тока воспользуемся методом спектров, который мы применяли для обнаружения магнитного поля постоянных магнитов. ® О п ы т 1. Через отверстие в горизонтально раз-мсщсппом картоне пропускаем вертикальный проводник с током (рис. 155). Картон посыпаем металлическими опилками и замыкаем цепь. В результате видим, что опилки образовали вокруг проводника концентрические окружности. + ! 0 i'int'- 1 Рис. 155 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 127 Если опилки заменить магнитными стрелками, то они размещаются так, как показано на рисунке 156, а. Здесь изображён вид сверху на картон с цепочками огашок. Кружок в центре — поперечное сечение проводника с током. В нём крестиком обозначен ток в направлении за картон (как хвостовое оперение летящей от нас стрелы). Точкой в кружке обозначен ток в направлении из-за картона (как наконечник летящей на нас стрелы). Из опыта следует, что свойства магнитного поля xoica такие же, как у магнитного поля постоянного магнита. Поэтому повторим выводы о графическом изображении магнитного поля. При этом помним, что его источником могут быть и постоянный магнит, и электрический ток. Воображаемые линии, вдоль которых в магнитном поле размещаются продольные оси маленьких магнитных стрелок, называют линиями магнитного поля (магнитными линиями). Направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление линии магнитного поля. В магнитном поле железные или стальные опилки показывают форму магнитных линий этого поля. 1 Линии магнитного поля тока — это замкнутые линии, окружающие Г проводник с током. Выполним предыдущий опыт, изменив ток в проводнике на противоположное направление. Оказывается, что вёе магнитные стрелки поворачиваются на 180“ (рис. 156, б). Направление линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике, на практике его можно установить по правилу буравчика (рис. 156, в). I Если направление поступательного движения буравчика совпадает с I направлением тока, то направление вращения ручки буравчика — с I направлением магнитных линий. 128 Глава 3 ® Опыт 2. Длинный прямой изолированный провод намотаем на деревянную или пластмассовую катушку. Присоедапгам её к источнику тока. В катушке проходит электрический ток, а к её концам притягиваются железные предметы, например винт (рис. 157). # Опыт 3. Подвесим катушку с током на длинных тонких и гибких проводниках. Если рядом нет магнитных материалов или других магнитных полей, то катушка размещается в пространстве так же, как магнитная стрелка компаса: одна CTOfKnia катушки поворачивается на север, другая — на юг (рис. 158). L Катушка с током имеет два магнитных Рис. 157 полюса: северный N и южный S. ® Опыт 4. На пластинку из оргстекла (рис. 159) кладём железные опилки, по катушке пропускаем электрический ток. Опилки ориентируются в определённом порядке. Линии магнитного поля катушки с током также являются замкнутыми кривыми. То есть вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному (рис. 160, о). Магнитное поле катушки с током подобно магнитному полю штабового магнита (рис. 160, б). На рисунке 158, б показано, как отталкиваются постоянный магнит и катушка с током, поскольку они размещены одноимёнными полюсами один к другому. Причину, почему тела имеют магнитные свойства, впервые установил французский учёный А. Ампер. Под впечатлением от наблюдений магнитной стрелки, которая поворачивается вблизи проводника с током в опытах Эрстеда, он предположил, что магнетизм Земли вызывают токи, протекающие внутри земного шара. Следовательно, магнитные свойства тела можно объяснить токами, циркулирующими внутри данного тела. Рис. 158 Рис. 159 Рис. 160 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 129 Рис, 161 Далее А. Ампер делает обобщение: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него. Этот решительный шаг от возможности объяснения магнитных свойств тел токами к категорическому утверикде-нию, что магнитные взаимодействия — это взаимодействия токов, — безусловное доказательство научной смелости А. Ампера. Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. Мы уже знаем, что эти токи образуются вследствие движения электронов в атомах, то есть каждый атом обладает магнитными свойствами. Если атомы внутри тела ориентированы хаотически вследствие теплового движения, то действия внутриатомных токов взаимно компенсируются, и магнитных свойств тело не проявляет (рис. 161, а). В намапшченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы таким образом, что их действия суммируются (рис. 161, б). Гипотеза Ампера объясняет, почему магнитная стрелка и рамка с током в магнитном поле ведут себя одинаково. Стрелку (постоянный магнит) можно рассматривать как большую и сложную совокупность небольших рамок с током, ориентировашп>1Х одинаково. В ферромагнетиках (вещества, в состав которых входят Fe, Со, Ni и др.) элементарные магнитики-атомы образуют участки спонтанной (произвольной) намагниченности с линейными размерами 0,001-0,01 мм, которые называют доменами. В доменах размещается множество одинаково ориентированных атомов, поэтому намагниченность домена максимальна. В ненамагниченном ферромагнетике соседние домены расположены таким образом, что их намагниченности взаимно компенсируются (рис. 162, а). Если образец такого ферромагнетика поместить в магнитное поле постоянного магнита или внутри катушки с током, то под влиянием внешнего магнитного поля атомы в разных доменах преимущественно начинают ориентироваться так, что направление их магнитного поля совмещается с направлением внешнего (рис. 162, б). При этом магнитное поле внутри образца может 5пвеличиться тысячекратно (рис. 162, в). Говорят, что образец намагнитился, при определённых условиях это Рис. 162 Физика 9 130 Глава 3 состояние намагаиченности сохраняется и после исчезновения внешнего поля, то есть образец становится постоянным магнитом. Если его нагревать, то при определённой температуре (для железа 769 °С) домены разрушаются, и намагниченность утрачивается. Температуру, при которой ферромагнетик теряет намагниченность, называют температурой, или точкой Кюри, в честь выдающегося французского физика П. Кюри, открывшего и исследовавшего это явление. g> ■ОПРОСЫ N ЗАДАНИЯ 1. Какие явления наблюдаются в цепях при протекании электрического тока? 2. Опишите сущность опыта Эрстеда. 3*. Как вы полагаете, что является единственным источником магнитного поля? 4. 11очему для изучения магнитного поля используют железные опилки? 5. Как размещаются опилки в магнитном поле прямого тока? 6*. В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных и тонких проводниках? В чём её сходство с магнитной стрелкой? 7*. Каково назначение понятия магнитной линии поля? 8*. Как вы полагаете, каково значение гипотезы Ампера для науки? ( ЗАДАЧИ М УПРАЖН1ННЯ~) ^ Решаем вместе 1. Можно ли изготовить магнит с одним полюсом? Ответ: нет, поскольку магнит может иметь только чётное число полюсов (2, 4, 6 и т. д.). ^ 2. Вспомните, как взаимодействуют магниты, и объясните, где расположены Северный и Южный магнитные полюса Земли. Ответ: в Северном полушарии все магнитные силовые линии Земли сходятся в Южном магнитном полюсе Земли. Северный магнитный полюс размещается в Южном полушарии. 3. Как с помощью магнитной стрелки определить, намагничена ли стальная спица? Ответ: нужно поднести конец спицы к середине стрелки. Если стрелка притягивается, то спица намагниченна. Уровень Д ) 186. Назовите и проверьте на опытах, какие из перечисленных веществ или предметов притягиваются магнитом: а) древесина (карандаш); Рис. 163 Рис. 164 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Рис. 165 Рис. 166 Рис. 167 6) бумага; в) железо (гвоздь, скрепка, винт); г) стекло; д) алюминиевый и медный провода; е) стальной циркуль. К магниту, подвешенному на нити (рис. 163), приближают второй магнит. Как они будут взаимодействовать? Я8. Объясните результаты опытов, изображённых на рисунках 164, 165. 8! Рассмотрите рисунок 166. С какой целью использовали магнит? Почему к магниту притягиваются ненамагниченные железные гвозди? Будут ли правильными показания компаса внутри автобуса? Почему железнодорожные рельсы, долго пролежавшие на складе, намагничиваются? !0f 19i Г 3 Почему при нагревании магнит теряет магнитные свойства? Две иголки подвесили на нити. 1Согда к ним приблизили магнит, они начали отталкиваться (рис. 167). Почему? О-,. Железные опилки притянулись к полюсу магнита. Почему из них на полюсе образуются «кисточки», в которых отдельные опилки отталкиваются одна от другой? 196 Нарисуйте, как хранить два штабовых магнита в коробочке. Проставьте полюса. Почему для лучшей сохранности подковообразный магнит замыкают железной пластинкой (якорем)? '.Почему на поверхности намагниченной детали, покрытой мыльной водой с железным порошком, в тех местах, где извне или внутри появляются трещины, концентрируется железный порошок? 1РС. Почему корпус компаса изготовляют из меди, алюминия, пластмассы, а не из железа? 200. Рассмотрите компас. Изучите его устройство. Положите компас на стол или подставку горизонтально (стрелка должна свободно перемещаться). Отодвиньте от него магнитные вещества (предметы). Поворачивая компас (в горизонтальном положении), определите северную (N), южную (S), западную (W) и восточную (Е) стороны света. В какой стороне света от вас размещаются ваш дом, главная улица села или города, соседние село или город? 132 Глава 3 ЭТО ИНТЕКСИО ЗНАК • В прериях Северной Америки есть растение — сильфиум. Его листки размещены в одной плоскости и всегда ориентированы ребром на север-юг, широкой стороной — на запад-восток. Для путешественников сильфиум служит надёжным компасом. Эта необычная особенность защищает растение от знойных солнечных лучей и избыточного испарения. • Магнитное поле Земли является ориентиром для улиток. Если на пути улитки положить магнит, действие которого больше воздействия магнитного поля Земли, то, поворачивая магнит в ту или другую сторону, можно изменять направление движения улитки. Известно, что даже мухи в определённой степени ощущают магнитное поле Земли. Немецкий учёный Э. Гюнтер заметил, что в 90 случаях из ста они садятся на горизонтальную поверхность точно в направлении север-юг или восток-запад. Такую же особенность он обнаружил у майских жуков и термитов. [§30)МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШКИ € ТОКОМ. ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ Открытие Г. К. Эрстеда ознаменовало собой начало ряда исследований по электромагнетизму. В 1820 г. А. Ампер и Д. Араго исследовали магнитное поле катушки. В 1825 г. У. Стерджен заметил, что магнитное поле катушки значительно усиливается, если в середину её вставить стальной сердечник. Тг1К он получил простейший электромагнит. В 1828 г. Дж. Генри использовал многослойную обмотку из изолированного провода и получил более мощный электромагнит. Электромагнит — это коллективное изобретение, прошедшее ряд этапов, где каждый был невозможен без предыдущего. Электромагнит состоит из следующих деталей (рис. 168): стального сердечника 1, катушки (обмотки) 2 и якоря 3, который притягивается к сердечнику. Выясним, от чего зависит сила, с которой магнитное поле катушки электромагнита действует на его якорь. ® Опыт 1. Замыкаем цепь из электромгигнита и реостата; с помощью реостата будем изменять силу тока в катушках. При определённой силе тока электромагнит удерживает определённый груз (рис. 169, а), а если увеличить силу тока в два раза, то электромагнит может удержать груз приблизительно в два раза тяжелее (рис. 169, б). Рис. 168 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 1331 Рис. 169 IT в кат большей силой притягивается к нему якорь. ^ Чем больший ток проходит в катушке электромагнита, тем с ® Опыт 2. Повторим опыт 1 при начальной силе тока, когда электромагнит удерживал меньший груз, но используем катушку такой же конструкции, содержащую в два раза больше витков. Убедимся, что в этом случае электромагнит способен удерживать такой же большой груз, как в опыте 1, когда в два раза увеличили ток (рис. 169, б). J Чем больше витков в катушке электромагнита, тем с большей Г силой притягивается к нему якорь. Итак, «грузоподъёмность» электромагнита зависит от «ампер-витков» его обмотки, то есть от произведения силы тока в катушке на количество витков в ней. Электромагниты широко применяют в технике, быту, медицине и т. д. благодаря своим особенностям: быстро размагничиваются при выключении тока; в зависимости от назначения их изготовляют разных размеров; при работе электромагнита можно регулировать его магнитное действие, изменяя силу тока в обмотке. Электромг1гниты имеются в каждом автомобиле, телефоне, телевизоре, самолёте, космическом корабле, теплоходе и т. д. Электромапшт-ный подъёмный кран применяют при погрузке или разгрузке металлолома (рис. 170). Такой кран удобен тем, что груз не требует никаких креплений. Машинист крана размещает электромагнит, например, возле металлолома, включает ток в обмотке и подбирает лом. После выключения тока металло- „ , Рис. 170 Глава 3 Рис. 171 V«X‘5i Рис. 172 лом просто отпадает от сердечника. А электромагнит заводского крана, который используют, например, для перенесения бобин листовой стали, имеет 4 обмотки и может поднять бобину диаметром 2 м и массой 28 т (рис. 171). На рисунке 172 в разрезе показан магнитный сепаратор для очистки зерна от семян сорняков. В зерно подмешивают сильно измельчённые железные опилки, которые не прилипают к зерну, а только к семенам сорняков. При вращении барабана с электромагнитом внутри происходит распределение зерна и семян сорняков с металлическими опилками. Если в глаз попадают тела, на которые действует магнит, то в больнице для их удаления наряду с постоянными магнитами используют электромагниты. Изменяя силу тока в обмотке, регулируют интенсивность магнитного поля и удаляют посторонее тело с глубины до 2,5 мм. ■ОПРОСЫ и ЗА^ИЯ 1. Как усилить магнитное действие катушки с током? 2. Что называют электромагнитом? 3. Расскажите, для чего используют электромагниты. 4. Как работает зерновой магнитный сепаратор? 5*. Будет ли катушка, изготовленная из неизолированного медного провода с плотно прилегающими витками, действовать как магнит, если по ней пропускать ток? МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 135 IUБOPATOI>liAЯ^ PABOIAMHO^ • Цель работы: • Приборы и материалы: ИЗГ0Т0ВЛЕНИ1 ЭЛЕКТР01^ГИИТА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО ДЕИаВИЯ изготовить электромагнит и на опытах проверить его действие. источник тока, ключ, соединительные провода, магнитная стрелка или компас, стальной болт или гвоздь, небольшие предметы из разных материалов: мелкие гвозди, скрепки, монеты, резинка, лист картона и др. Рис. 173 Ход работы 1. Изготовьте простейший электромагнит. Для этого на стальной болт или гвоздь намотайте несколько слоёв изолированного провода. Подсоедините один конец провода к полюсу батареи гальванических элементов или другому источнику тока, а второй — к одному из зажимов ключа и соберите электрическую цепь (рис. 173). 2. Включите электромагнит с помощью ключа и подносите его к небольшим предметам из разных материалов. Какие из них притягиваются электромагнитом? Сделайте вывод. 3. Между электромагнитом и мелкими гвоздями разместите лист тонкого картона. Притягиваются ли гвозди электромагнитом? Сделайте вывод. 4. Положите электромагнит на стол. Поднесите (не касаясь) к нему магнитную стрелку или компас. Какой полюс магнитной стрелки притягивается к электромгпииту? 5. Провод, соединённый ранее с положительным полюсом источника тока, подсоедините к отрицательному и наоборот. Какой полюс магнитной стрелки притягивается к электромагниту в этом случае? Почему? 6. Сделайте вывод. Задание для любознательных Наполните железными опилками пробирку и закройте её, хорошо уплотнив опилки. Вставьте пробирку с опилками в катушку, по которой проходит постоянный электрический ток. Разомкните цепь. С помощью магнитной стрелки убедитесь, что пробирка с опилками имеет свойства постоянного магнита. Объясните намагничивание железных опилок. Выньте пробку из пробирки и хорошо встряхните опилки. С помощью магнитной стрелки исследуйте, сохранили ли опилки магнитные свойства. Объясните результаты опыта. 136 i- Глава 3 \fzi) ДЕЙСТВИ1 МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОВОДНИК € током. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ Два проводника, по которым протекает электрический ток, взаимодействуют между собой с определённой силой, так как на каждый проводник с током действует магнитное поле тока другого проводника. Магнитное поле действует с определённой силой на любой проводник с током, размещённый в этом поле. Такую силу называют силой Ампера в честь А.-М. Ампера, который исследовал и определил зависимость значения и направления этой силы от условий эксперимента. (§) Опыт 1. Подвесим на подсоединённых к источнику тока гибких проводниках отрезок толстого медного провода АВ. Разместим его горизонтально между полюсами подковообразного магнита (рис. 174, а). В этом случае проводник АВ размещается в магнитном поле, которое образует вокруг себя магнит. Если замкнуть электрическую цепь, то проводник АВ начнёт перемещаться, втягиваясь внутрь магнита (рис. 174, б). Если изменить направление электрического тока, то проводник АВ будет выталкиваться из магнита (рис. 174, в). Проводник АВ также выталкивается, если поменять местами полюса магнита. Направление движения проводника в магнитном поле определяется направлением силы Ампера, действующей на него, и зависит от направления тока в проводнике и размещения относительно полюсов магнита. Направление силы Ампера, действующей на проводник с током, удобно определять с помощью правила левой руки (рис. 174, в). Если ладонь левой руки разместить так, чтобы четыре выпрямленных пальца указывали направление тока в проводнике, а линии магнитного поля входили в ладонь, то отогнутый под прямым углом большой палец укажет направление силы Ампера, действующей на проводник с током. На практике большое значение имеет вращательное движение проводника с током в магнитном поле как механическое действие электриче- Рис. 174 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 137 Рис. 175 Рис. 176 СКОРО тока. Иа рисунке 175 изображён прибор, с помощью которого можно осуществлять такое движение. В этом приборе лёгкая прямоугольная ремк&АВВС посажена на вертикальную ось. На paivtKy намотано несколько десятков витков провода с изоляцией. Концы кат^'шки соединены с металлическими полукольцами коллектора 2. Один конец провода присоединён к одному полукольцу, а второй — к другому. К каждому полукольцу прижимается металлическая пластина-щётка 1. Щётки необходимы для подведения тока от источника тока к рамке. Одна щётка всегда соединена с положительным полюсом источника, а другая — с отрицательным. Так как в частях рамкиЛС и BD ток имеет противоположные направления, то они перемещаются в противоположные стороны, и рамка поворачивается. Присоединённые к её концам полукольца повернутся вместе с ней, и каждое прижмётся к другой щётке, поэтому ток в рамке изменит направление не противоположное. Поскольку после поворота рамки на 180° одновременно поменялись на противоположные относительно неё и направление магнитного поля, и направление тока, то направления сил Ампера, действующих на части АС и BD рамки не изменяются, а рамка продолжит вра1цаться в одном направлении. Если бы коллектор 2 не переключал автоматически направление тока в рамке на противоположное, то она останавливалась бы после каждого полуоборота. Вращение катушки с током в магнитном поле используют в конструкции электрического двигателя и электроизмерительных приборов. Без электрических двигателей невозможно представить жизнь современного человека. Вот далеко не полный перечень известных вам устройств, механизмов и машин, в которых используются электрические двигатели: автомобиль, самолёт, трактор, трамвай, троллейбус, лифт и т. д. Существует множество конструкций разных электродвигателей, но мы будем изучать устройство и принцип действия широко распространённого коллекторного электродвигателя. Он состоит из следующих основных узлов (рис. 176). 1. Статор 1 (англ, stator, от латинского слова sto — стою) является 138 ■■ Глава 3 Рис. 177 Рис. 178 постоянным магнитом с наконечниками S и N, или электромагнитом. Он составляет одно целое с корпусом электродвигателя. Статор коллекторного двигателя часто называют индуктором. Эта часть двигателя служит для возбуждения магнитного поля. 2. Ротор 2 (от латинского слова roto вращаюсь), или якорь двигателя — собранный из листов специальной стали сердечник определённой формы, на который наматывают изолированный провод — обмотку. 3. Концы обмотки припаяны к медным пластинам коллектора, закреплённым на хорошо изолированном барабане на оси ротора. 4. Две угольные щётки специальными пружинами плотно прижимаются к коллекторным пластинам. К щёткам от источника тока подаётся напряжение для питания электродвигателя. Принцип работы рассмотрим на примере простого двигателя (рис. 177). К щёткам 1 и 2 подаётся необходимое для работы электродвигателя напряжение. При взаимодействии тока, проходящего по обмотке, с магнитным полем статора 6 ротор 5 поворачивается таким образом, что рамка оказывается в вертикальном положении, и тока в ней нет, так как щётки касаются не пластин коллектора 3 и 4, а изоляции между ними. Однако благодаря инерции ротор проходит это положение, и щётки снова касаются коллекторных пластин. Каждые пол-оборота коллектор переключает полярность напряжения, поэтому направление тока в обмотке всегда соответствует вращению ротора в одну сторону. При одинаковой мощности размеры электродвигателей меньше, чем у тепловых двигателей. Они не выделяют газов, дыма и пара. Можно изготовить электрический двигатель любой мощности и установить в любом месте. Например, двигатель (рис. 178) имеет мощность 890 кВт, работает при напряжении 1 400 В, и в нём проходит ток 635 А. Один из первых в мире электрических двигателей, пригодных для практического применения, изобрёл российский 5Д1ёный Б. Якоби. 80ПГ>0СЫ И ЗАДАНИЯ ~ 1. Из какого эксперимента следует, что магнитное поле может действовать с определённой силой на помещённый в нём проводник с током? 2. От чего зависит направление силы, действующей на проводник с током. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 139 3. Какое устройство автоматически изменяет направление тока в обмотке рамки, которая вращается между полюсами магнита? 4. Какое физическое явление используют в конструкции электродвигателей? 5. Назовите основные части электродвигателя. 6*. Каковы преимущества электрических двигателей по сравнению с тепловыми такой же мощности? 7*. Какой коэффициент полезного действия мощных электрических двигателей? 8. Назовите бытовые машины, имеющие электродвигатели. §32) ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ Громкоговоритель предназначен для преобразования электрической энергии в энергию звуковых колебаний. В электродинамическом громкоговорителе используют действие магнитного поля постоянного магнита на переменный ток в подвижной катушке. Внешний вид и схема устройства громкоговорителя приведены на рисунке 179. Звуковая ка-тутпка 1 установлена в зазоре кольцевого магнита 2. С катушкой жёстко соединён бумажный конус — диффузор 4, который по периметру укреплён на упругих подвесках 3. По катушке проходит переменный электрический ток с частотой звукового сигнала микрофона или радиоприёмника, проигрывателя, магнитофона. Под действием силы Ампера катушка колеблется вдоль своей оси в такт изменениям силы тока. Эти колебания передаются диффузору, и его поверхность излучает звуковые волны. Громкоговорители высокого качества передают без значительных искажений звуковые колебания от 40 до 15 000 Гц. Но такие устройства очень сложные. Поэтому используют систему из нескольких громкоговорителей, при этом каждый из них передаёт звук в опреде.пённом небольшом интервале частот. Недостаток всех громкоговорителей — малый КПД. Они излучают лишь 1—35 % всей направленной к ним энергии. В технике широко используют стрелочные измерители электрических величин, основанью на магнитном действии тока. Существуют несколько систем электроизмерителей магнитного действия: в приборах электромагнитной системы стрелка-указатель связана с ферромагнитным сердечником, который втягивается в катушку, где протекает измеряемый ток; в приборах магнитоэлектрической системы указатель связан с Рис. 179 140 Глава 3 легкой рамкой с измеряемым током, которая поворачивается в поле магнита на угол, пропорциональный значению этого тока. Рассмотрим подробнее устройство и действие наиболее распространённых приборов магнитоэлектрической системы (рис. 180). Они состоят из подковообразного магнита 1, возле полюсов которого размещаются наконечники 6, между которыми на двух полуосях вращается лёгкая алюминиевая рамка 3. На рамку наматывают тонкий изолированный проводник, в пространстве между полюсами размещают неподвижный железный цилиндр 2. К передней полуоси рамки прикрепляют лёгкую алюьшниевую стрелку 4. Концы проводника на рамке припаивают к двум пружинам 5, по которым подаётся ток к обмотке рамки. При прохождении тока по обмотке рамки она поворачивается. Чем большая сила тока проходит через рамку, тем на больший угол поворачивается стрелка. Если электрическую цепь разомкнзтть, то пружины под действием сил упругости, возникающих при повороте рамки, возвращают стрелку в нулевое положение шкалы 7. С помощью приборов магнитоэлектрической системы можно измерять такие электрические величины, как силу тока, напряжение. Рис. 180 Для усиления магнитного поля ■onrocu и 1ДА"ИИ1 1. Расскажите, для чего предназначен громкоговоритель. Как он устроен? 2. Какой недостаток имеют громкоговорители? 3. Как устроен электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы? Какие физические величины им можно измерять? ( 1ДДАЧИ И УП>*ЖИ1ИНЯ) ^ Решаем «месте 1. В произведении французского физика Д. Ф. Араго «Гром и молния» приводится много случаев перемагничивания компасной стрелки, намагаи-чивания стальных предметов под действием молнии. Как объяснить эти явления? Ответ: молния — это искровой разряд. Вокруг неё возникает сильное магнитное поле, которое действует на стальные предметы, намагничивая и перемягничивяя их. 2. Объясните результаты опыта (рис. 181). Ответ: если цепь не замкнута, то все магнитные стрелки размещаются в направлении север-юг. Если цепь замкнуть, то катушка становится магнитом, и магнитные стрелки взаимодействуют с ней. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 141 Рис. 181 3. Рамка с током размещена между полюсами подковообразнст’о магнита, при этом её плоскость перпендикулярна линиям магнитного поля. Будет ли поворачиваться рамка? Ответ: нет, поскольку в этом случае у рамки отсутствует вращательный момент. (УровеньА ) 201. Почему катушка отталкивается от магнита (рис. 182)? 202. Как быстро и просто разделить лом чёрных и цветных металлов? 203. Притягивает ли электромагнитный кран закрытую цинковую коробку со стальными гвоздями, шпильками или шурупами? 204. Поток зерна, поступающего на мельничшые жернова, пропускают сначала между полюсами сильного электромагнита. С какой целью? 205. Как быстро рассортировать и сложить латунные гвозди, медные шурупы, стальные шпильки в заводских условиях? 206. Что происходит с рамкой, если по ней пропускать электрический ток (рис. 183)? 207. На рисунке 184 приведена схема устройства гальвано.метра. Как устроен прибор и как он действует? Почему нулевое деление размещено посередине шкалы? В какую сторону откло-няетс’я стрелка при указанном направлении тока? 208. Концы проволочной рамки (рис. 185), размещённой между полюсами магнита, соединены с Рис. 182 Рис. 184 142 Глава 3 полукольцами А и В, к которым подводится ток от источника тока через щётки кит. Каким будет направление тока в витке в момент замыкания цепи? В каком направлении будет поворачиваться рамка? 209. На рисунке 186 изображён разрез электродвигателя постоянного тока. Какими цифрами обозначены коллектор; электромагниты; щётки? 210 На рисунке 187 изображён разрез электродвигателя, по обмотке которого проходит ток. В каком направлении вращается ротор (якорь): по часовой стрелке или против неё? 211. Какова конструкция электродвигателя (рис. 188)? Определите по-лнюа электромагнита и направление вращения ротора (якоря). Рис. 186 Рис. 187 (Уроаань Б} Рис. 188 212. Почему к одной катушке притягивается больше гвоздей, чем к другой (рис. 189)? 213. Почему лучше использовать подковообразные, а не прямые электромагниты? 214. На рисушсе 190 изображены первые электромагниты, изготовленные английским механиком Стердженом. Какое направление тока в обмотках этих электромагнитов? 215. На рисунке 191 изобргокён современный мощный электромагнитный кран. Перечислите его основные конструктивные элементы. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 143 1 ^ л- аб- ' is Т s Ач ♦ Z' 1 3 nI I i " ш m И! Рис. 189 Рис. 190 Y 216. Во время работы электромагаитного подъём- --j_ ного крана часть груза при выключении тока осталась на полюсах электромагнита. Крановщик пропустил через обмотку слабый ток противоположного направления, и груз упал. Поясните, почему. 217. Можно ли с помощью электромагнитного крана поднимать и переносить раскалённые куски стали? 218. На рисунке 192 приведена схе.ма устройства амперметра, который состоит из катушки I, железной пластины 2, пружины 3 и стрелки 4. Как действует этот прибор? Почему пластину 2 делают из железа? Почезму при пользовании такими приборами их нельзя раз.мещать рядом? 219. На рисунке 193 изображён разрез ротора (якоря) электродвигателя, размещёшЕый между полюсами магнита. Ротор (якорь) поворачивается в направлении, указанном стрелками. Какое направление тока в обмотке правой и левой половины ротора (якоря)? 220. Поясните устройство электродвигателя (рис. 194). Как соединены между собой обмотки статора (индуктора) и ротора (якоря)? Рис. 191 . ш Рис. 192 Рис. 193 Рис. 194 144 Глава 3 [§^ ЭЛ1КТР0МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ, опыты ФАРАДЕЯ Вы уже знаете свойства электрического поля неподвижных электрических зарядов и магнитного поля постоянных магнитов и постоянных электрических токов в неподвижных проводниках. После открытия в 1820 г. Эрстедом явления возникновения магнитного поля вокруг проводника с током начались исследования явлений в электрических и магнитных полях, изменяющихся с течением времени. Если электрический ток создаёт магнитное поле, то можно предположить существование обратного явления: возникновение электрического тока в проводнике, помещённом в магнитное поле. Многочисленные попытки обнаружить это явление не принесли ожидаемых результатов. В неподвижных замкнутых проводниках, помещённых в наиболее мощные на то время магнитные поля, электрический ток не возхгакал. В 1831 г. М. Фарадей экспериментально открыл новое явление электромагнитной индукции, ставшее основой совремехгаой электротехники и радиотехники. Его нельзя было предсказать на основе известных в то время сведений о магнитных полях и электрических токах. Выяснилось, что электрический ток все-таки возхшкает в неподвижном замкнутом проводнгасе, помещённом в магнитное поле, но лишь при изменении этого магнитного поля. Опыты Фарадея, которые привели к открытию явления электромагнитной индукции, достаточно просты, их легко провести в условиях школы. # Опыт 1. Присоединим к гальванометру гибкий проводник и поместим его между полюсами магнита (рис. 195). Если проводник и магнит неподвижны, то тока в проводнике нет. При перемещении проводника гальванометр сразу же фиксирует в нём наличие тока. Если при перемещении проводника в одном направлении стрелка гальванометра отклоняется, например, вправо, то при движении в обратном направлении она будет отклоняться влево, то есть направлехше тока в проводнике изменяется. Ток в проводхпхке возникает и в случае перемещения магнита относительно проводника. т Опыт 2. Присоединим к гальванометру катушку. Если в эту катушку вводить или выводить магнит (рис. 196), то гальванометр показывает возникновение электрического тока в цепи. Если магнит неподвижен — тока нет. # Опыт 3. Закрепим полосовой .магнит в штативе и наденем катушку, присоединив её к гальванометру, на магнит (рис. 197). В катушке снова возхгикает электрический ток. Этот ток протекает только при движении катушки относительно магнита и изменяет свое направление при изменении направления движения катушки. Рис. 195 Рис. 196 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Рис. 197 Рис. 198 • О п ыт 4. Замкнём катушку 2 через гальванометр и вставим в неё катушку 1, которую можно присоединить к источнику тока (рис. 198). В момент замыкания цепи катушки 1 стрелка гальванометра отклоняется, то есть при изменении (возникновении) магнитного поля катушки 1 по катушке 2 протекает электрический ток. Но после установления в катушке 1 тока магнитное поле перестаёт изменяться, ток в катушке 2 исчезает — стрелка гальванометра устанавливается на нуле. Разомкнём цепь катушки. При исчезновении в ней тока, а вместе с ним и его мапштного поля стрелка гальванометра отклоняется в противоположную сторону. Это означает, что в катушке 2 возникает электрический ток, направление которого обратно тому, который проходил при замыкании катушки I. В этих опытах при замыкании цепи катушки 1 возникает магнитное поле, а при размыкании — исчезает. В результате изменений маг-1ШТНОГО поля в катушке возникает переменный ток, который называют индукционным. В цепь катушки 1 можно включить реостат для изменения силы тока в цепи. Итак, при увеличении силы тока в цепи катушки 1 в катушке 2 возникает индукционный ток одного направления, при уменьшении — противоположного направления. В результате изменешгя силы тока в катушке 1 изменяется также .магнитное поле тока, при этом в катушке 2 возникает индукционный ток. Явление возникновения в замкнутом проводнике переменного электрического тока при пересечении этим проводником линий магнитного поля называют электромагнитной индукцией. Ток, встзникающий при этом, называется индукционным. Из данных примеров следует, что индукционный электрический ток возникает при изменении в пространстве или во времени интенсивности магнитного поля, линии которого окружают проводник замкнутого контура. Изучая свойства электромагнитов, мы узнали, что интенсивность магнитного поля катушки с током можно изменять, регулируя в ней силу тока. Види.м, что такие изменения .можно выполнить разными способами. 146 Глава 3 Магнитное поле изображают с помощью магнитных линий. Оказалось, что в местах поля, где его интенсивность меньше, линии проходят реже, а где больше — размещаются гуще. Это видно на рисунках 143,149,150, 160, где изображены магнитные поля Земли, постоянных магаитов и катушки с током. Поля с пере.менными плотностью и направлением линий иазьтают неоднородными. Если плотность и направление линий постоянны, то есть магнитные линии параллельны, а расстояния между соседними лиго1ями одинаковы, то такое поле называют однородньпи. К однородным приближаются мапштные поля внутри длинной катушки с током (см. рис. 160, а) или между широкими полюсами постоянных магнитов. В замкнутом проводящем контуре индукционный ток возникает только при изменении плотности магнитных линий, пронизывающих этот контур. Индукционный ток тем больше, чем больше скорость изменения магнитного поля. Проводник, перемещаясь, обязательно должен пересекать магнитные линии. Если проводник контура движется вдоль магнитных линий или катушка перемещается поступательно в однородном мапштном поле, то индукционный ток не возникает. Индукционный ток в проводнике может иметь разные направления. Опыты показывают, что направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле, зависит от направления линий магнитного поля и направления движения проводника. На практике направление индукционного тока в подвижном проводнике определяют по правилу правой руки (рис. 199). Рис. 199 Если ладонь правой руки разместить так, чтобы в неё входили линии магнитного поля, а отведённый под прямым углом большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца руки укажут направление индукционного тока в проводнике. g> ■ОПГОСЫ и 1АДАНИ1 1. Приведите примеры, когда в замкнутом проводнике, помещённом в магнитное поле, возникает индукционный ток. Что происходит, если в катушку, соединённую с гальванометром, вносить магнит или вынимать его из катушки? Что происходит со стрелкой гальванометра, соединённого с проводником, если проводник неподвижен либо движется, не пересекая силовых линий магнитного поля? При каких условиях сила тока в замкнутом проводнике увеличивается? Что такое явление электромагнитной индукции? Кто его открыл? 6*. От чего зависит направление индукционного тока в проводнике, который перемещается в магнитном поле? 2. 3. 4* 5. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 147 ( МДА1Н И YflMUKHIHHa) ^ Решаем еместе Если разместить проволочный прямоугольник в плоскости магнитного меридиана и перемещать его в этой плоскости, то будет ли в нём возникать индукционный ток? Ответ: нет, поскольку стороны прямоугольника не пересекают магнитных линий магнитного поля Земля. Рис. 200 ( Уровень iT) 221. Замкнутое .металлическое кольцо движется в однородном магнитном поле поступательно. Возникает ли ток в кольце? Почему? 222. Определите направление индукционного тока, если известно раз.мещение полюсов магнита и направление движения проводника (рис. 200). 223. Будет ли индуцировать ток, если проводник перемещать, как показано на рис. 201? 224. Обозначьте полюса магнита на рис. 202, если известны направления движения проводника и индукционного тока в нём. Рис. 201 Рис. 202 (Уроаень В) 225. Рама автомобиля является замкнутым контуром. Возникает ли в ней индукционный ток во время движении мапшны? Магнитное поле Земли возле её поверхности однородно. 226. Провод, соединённый с чувствительным галь- вано.метром, перемещают в магнитном поле Земли с запада на восток. Как нужно раз.местить провод — горизонтально или вертикально, чтобы стрелка гальванометра откло1шлась на больший угол? Что изменится в показаниях гальванометра, если провод перемещать с востока на запад? Будет ли возникать ток, если перемещать провод с севера на юг? 227. Над катушкой висит на пружине железный стержень. Что с ним будет происходить, если по катушке пропускать постоянный ток? Изменить направление тока в катушке? Изменить силу тока в катушке? 148 Глава 3 ИСТ0РИЧЕСКА1CRPABK4 Майкл Фарадей Фарадей Майкл (22.09.1791-25.08.1867) — английский физик, член Лондонского королевского общества. Родился в предместье Лондона в семье кузнеца. Из-за бедности не получил систематического образования. Слушая воскресные лекции Г. Деви, попросил взять его на работу в Королевский институт, в котором работал с 1813 г., в 1825 г. возглавил лабораторию в этом институте, с 1827 г. — профессор кафедры химии. Выполнил фундаментальные исследования по электромагнетизму. Поставил перед собой задачу «преобразовать магнетизм В электричество» и получить электрический ток из магнитного поля. В 1831 г. открыл явление электромагнитной индукции, то есть получил индукционный ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании тока в первичной обмотке. М. Фарадей детально исследовал явления электромагнитной индукции и самоиндукции, высказал предположение, что электрические и магнитные действия не передаются от тела к телу непосредственно, а переносятся в диэлектрической среде, размещённой между ними. В 1833—1834 гг. установил законы электролиза и ввёл основную терминологию этого явления. Ввёл понятия электрического и магнитного поля, а также электрических и магнитных силовых линий. После исследований М. Фарадея материю начали рассматривать не только в форме вещества, но и в форме поля. В 1843 г. экспериментально доказал закон сохранения электрического заряда. Сделал открытия в области магнетизма (1845) и действия магнитного поля на свет (1846). С ПРОВЕРЬТЕ еЖОИ^АИИЯ J (Контрольные lonpocM ^ Почему магнитные свойства постоянных магнитов уменьшаются либо исчезают, если подвергаются механическим ударам? Как объяснить, что магнитные линии постоянного магнита не пересекаются? Почему магнитная стрелка возле проводника с током поворачивается и изменяет направление? Как Ампер объяснял намагничивание железа? Почему опыт Эрстеда имел такое большое значение для дальнейшего развития электродинамики? Как взаимодействуют параллельные проводники с током? Почему вещества в магнитном поле намагничиваются? Как изготовить сильный электромагнит, если задача конструктора, чтобы ток в электромагните был относительно малым? Электромагниты, которые используют в подъёмном кране, имеют огромную мощность. Электромагниты, с помощью которых удаляют случайно попавшие в глаза железные опилки, очень слабые. Какими способами достигается ^ьтакое различие? МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 149 10 с помощью какого устройства можно непрерывно вращать рамку с током в магнитном поле? 11. Опишите конструкцию и работу электродвигателя. 12. Длинный изолированный провод складывают вдвое и наматывают на катушку (как из обычного одинарного провода). Концы провода присоединяют к гальванометру. Возникает ли ток в катушке при вводе в неё штабового магнита? (^Что ■»на1о м уме» делат!^ я знаю, где используют магнитнью материалы. 1. Какие магнитные материалы используют в предметах, изображённых на рисунке 203? Я умею объяснять, как работают электрические приборы и устройства. 2. На рисунке 204 изображена схема прибора. Что это за прибор? Как он работает? 3. В каких бытовых устройствах используются электродвигатели? Как они работают? Рис. 203 Рис. 204 Рис. 205 Я знаю, как работает велосипедный генератор. 4. Назовите основные детали велосипедного генератора (динамо-машины, или динамо) (рис. 205). Поясните, как он работает и для чего предназначен. 5. Почему от велосипедного генератора идёт только один провод к электрическим лампочкам переднего и заднего освещения (рис. 206)? Я умею изготовлять приборы и выполнять эксперимент. 6. Какое устройство изготовил ученик (рис. 207)? При каких условиях это устройство будет работать? 7. К одному из полюсов магнита подвесьте мелкие гвозди в виде гирлянды. Проверьте, каким полюсом (одно- или разноимённым) надо перемещать сверху вниз второй магнит, чтобы гвозди один за другим отпадали от первого магнита. Поясните явление. Рис. 206 Рис. 207 150 Глава 3 8. Притягивает ли железные опилки магнит через бумагу, стекло, медь и другие вещества? Я знаю, как определяются полюса магнитов и полюса источников питания, намагниченность веществ. 9. С помощью компаса определите полюса магнита, завёрнутого в бумагу. 10. Необходимо подзарядить свинцовые аккумуляторы, но не видно обозначений полюсов. Как определить полярность, если есть магнитная стрелка или компас, проводники и реостат? 11. Как узнать, какой из двух стальных стержней является намагниченным? Я знаю, почему научно-исследовательские суда имеют такую конструкцию. 12. Почему научно-исследовательские суда для изучения магнитного поля Земли строят не стальными, а деревянными и для скрепления деталей используют винты из бронзы, латуни и других немагнитных материалов? (Теоовые аодонна) Вариант I 1 В технике, в частности, используют сталь, чугун, никель, кобальт. Какие из этих металлов притягиваются магнитами? А. Чугун. Б. Кобальт. В. Никель. Г. Сталь. Д. Всё перечисленное — это металлы. 2. Подвешенный на нити магнит поворачивается в направлении север-юг. Каким полюсом магнит повернётся к Северному магнитному полюсу Земли? А. Северным. Б. Южным. В. Ни одним. 3. Что такое магнитная аномалия? А. Размагничивание стрелки компаса вследствие сильного нагревания. Б. Постоянное и значительное отклонение в некоторых местах направления магнитного поля от нормы. 4. Вокруг каких зарядов существует магнитное поле? A. Вокруг неподвижных и подвижных электрических зарядов. Б. Вокруг неподвижных электрических зарядов. B. Вокруг подвижных электрических зарядов. 5. Возле проводника с током размещена магнитная стрелка. Что с ней произойдет, если изменится направление тока в проводнике? A. Стрелка повернётся на 180°. Б. Стрелка повернётся на 90°. B. Стрелка повернётся на 45°. Г. Стрелка останется неподвижной. 6 Как изменится магнитное поле катушки с током, если в неё, не изменяя тока, поместить железный сердечник? А. Увеличится. Б. Уменьшится. В. Не изменится. 7. Вы уже знаете, что на проводник с током, размещённый между полюсами магнита, действует сила, и проводник движется. В каких устройствах используется это явление? МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 151 A. В электродвигателях. Б. В электронагревательных приборах. B. В электромагнитных кранах. 8. В электродвигателе под напряжением 1 500 В сила тока составляет 275 А. Двигатель развивает мощность 340 кВт. Определите КПД электродвигателя. А. 82 %. Б. 8.2 %. В. 28 %. Г. 2,8 %. 9. Что нужно сделать, чтобы изменить магнитные полюса катушки с током на противоположные? A. Изменить направление тока. Б. Изменить силу тока. B. Ввести в катушку железный сердечник. Г. Вынуть железный сердечник. 10 Какие устройства используются для регулирования тока в катушке электромагнита? А. Предохранитель. Б. Реостат. В. Ключ. 11 Что надёжно защищает человека на Земле от космического излучения? A. Атмосфера Земли. Б. Магнитное поле Земли. B. Земная атмосфера и магнитное поле Земли. 12. Кто первый изготовил электродвигатель? A. А. Ампер. Б. Дж. Джоуль. B, К. Г. Якоби. Г. Э. X. Ленц. Вариант II 1 К концу стального стержня притягиваются южный и северный полюса магнитной стрелки. Намагничен ли стержень? A. Да, поскольку иначе стрелка не притягивалась бы. Б. Однозначного ответа нет. B. Нет. К намагниченному стержню притягивался бы только один полюс. 2. Какова основная причина появления магнитных бурь? A. Сильные ураганы на Земле. Б. Землетрясения. B. Солнечная активность. Г. Ультрафиолетовое излучение. 3 Какое физическое явление демонстрируется в опыте Эрстеда? A. Взаимодействие проводников с током. Б. Взаимодействие магнитной стрелки и проводника с током. B. Взаимодействие наэлектризованных тел. 4. Как изменится действие магнитного поля катушки с током, если эту катушку заменить другой — с большим количеством витков? A. Увеличится. Б. Уменьшится. B. Не изменится. 152 Глава 3 5. Поток зерна на мельничные жернова пропускают между полюсами сильного магнита. С какой целью? A. Для подсушивания зерна. Б. Для отбора лучшего зерна, B. Для очистки зерна от семян сорняков и железных предметов. 6. Что такое магнитная аномалия? A. Намагничивание стрелки компаса при сильном нагревании. Б. Постоянное и значительное отклонение от нормального направления магнитного поля в некоторых местностях, B. Изменение магнитного поля Земли вследствие космического излучения. 7 Электродвигатель мощностью 3 кВт работает под напряжением 380 В, КПД двигателя 98 %. Определите силу тока в двигателе. А. 80 А. Б. 8 А. В. 0,8 А. Г. 0,08 А. 8. Как будет вести себя катушка с током, если её закрепить на дощечке и опустить на поверхность воды в широкой посудине? A. Повернётся в направлении юг-север. Б. Повернётся перпендикулярно направлению юг-север. B. Останется неподвижной. 9, Для чего предназначен громкоговоритель? A. Для изменения электрического тока. Б. Для возбуждения звуковых волн под действием переменного тока, который изменяется вместе со звуковой частотой. B. Для изменения магнитного поля. 10. Какова причина поворота алюминиевой рамки в электроизмерительном приборе магнитоэлектрической системы? A. Действие магнитного поля постоянного магнита на алюминиевую рамку. Б. Тепловое действие электрического тока в рамке. B. Действие магнитного поля на проводник с током. 11. Какие преобразования энергии происходят в электрическом двигателе? A. Механической — в электрическую. Б. Механической — в механическую. B. Электрической — в механическую. Г. Электрической — в электрическую. 12. Кто впервые проводил опыт, демонстрирующий взаимодействие проводника стоком и магнитной стрелкой? A. А. Вольта. Б. Л. Гальвани. B. Г. X. Эрстед. Г. Дж. Джоуль. i idi-j MOMHOi ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ГЛАВА ^I • Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома 4 Радиоа1стивность. Виды радиоа1стивного излучения Строение ядра атома. Изотопы э Ядерные превращения. Реакции деления. Термоядерные реакции • Ионизирующее действие радиоактивного излучения. Дозиметры • Влияние радиоактивного излучения на живые организмы • Ядернаяэнергетика. Развитие ядерной энергетики в Украине • Ядерная энергетика и современные проблемы экологии 154 Глава 4 ОПЫТЫ РЕ31РФОРДА. ЯДЕРИАЯ МОДЕЛЬ АТОМА Положительно заряженный шар Электроны Со cipoeimeM атома и атомного ядра вы уже ознакомились, изучая материал § 3 нашего курса, а также разделы из курса химии. Исходя из предположения, что атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг него, можно объяснить электрические и магнитные явления. Все электрические явления — электризация трением, возникновение электрического тока в металлах и полупроводниках, газах и электролитах — убедительно свидетельствуют о том, что электрически заряженные частицы входят в состав атомов, а значит, и в состав всех веществ. Важную роль в понимании природы атома сыграл периодический закон, открытый в 1868 г. Дмитрием Менделеевым и свидетельствущий о сложности строения атомов элементов. В курсе химии вы изучили этот закон: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер, и широко пользовались им для обт>яснения свойств химических элементов и химических явлений. Дж. Дж. Томсон открыл электрон ещё в 1897 г. Исходя из представлений об электронейтралыюсти атома, учёный создал модель: атом состоит из положительно заряженного шара, заряд которого равномерно распределён по всему объёму, и отрицательно заряженных электронов, размещённых в его объёме. Модель бьша похожа на кекс с изюмом (рис. 208). Модель атома Томсона позволяла объяснить явления ионизации атомов, электролиза, периодическую систему элементов, но исходя из неё нельзя было объяснить электромагнитные и оптические явления, результаты опыта Резерфорда и явление радиоактивности, описахшые ниже. Немецкий физик Ф. Ленард в 1903 г. предложил модель «пустого» атома, внутри которого летают некие никем не установленные (ни ранее, ни теперь) нейтральные частицы, состоящие из взаимно уравновешенных положительных и отрицательных зарядов. Решению проблемы строения атома посвятили свою жизнь выдающиеся учёные мира Э. Резерфорд, X. Гейгер, Н. Бор и др. Наиболее важную роль для выяснения строения атома сыграли опыты Э. Резерфорда. Резерфорд знал, что электрон в 2000 раз легче атома водорода. Атом электронейтрален, значит, именно па положительный заряд приходится вся его масса. Если выяснить, как распределён положительный заряд, то станет ясно, как распределена масса атома. Учёный приходит к мысли о бомбардировке атома а-частицами, масса которых приблизительно в 7 300 раз больше массы электрона. Их положительный заряд вдвое больше по модулю заряда электрона (это дважды ионизированные атомы гелия), а скорость движения равна приблизительно 15 000 Рис. 208 АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 155 Рис. 209 Рассмотрим экспериментальную установку Резерфорда (jHic. 209, а). На столе 5, вращающемся вокруг вертикальной оси, в ватсууме размещались свинцовый контейнер 1 с источтшком а-частиц; в центре стола — золотая фольга 2; на краю стола — неподвижные экран из сульфида тщнка (ZnS) 3 и микроскоп 4. «-Частица — это своего рода «снаряд» атомного мира, который молшо направить на слой вещества, чтобы исследовать, как оно будет влиять на траекторию частицы. Сплошные атомы Томсона должны были бы тормозить частицы и не пропускать их дальше. Чтобы частица встретила как можно меньше атомов, на её пути следует установить как можно более тонкую пластинку. Тончайшую фольгу можно получить из золота. Те частицы, которые пройдут сквозь фольгу, вызовут на экране сцинтилляции (световые вспышки), наблюдаемые с помощью микроскопа. Если в установке достигнут высокий вакуум и нет фольги, то на экране появляется светлое пятно, образованное сцинтилляциями, вызванными тонким пучком а-частиц. Если на пути а-частиц установить золотую фольгу, то они будут рассеиваться, а пятно — размываться на большую площадь. Почти все частицы свободно проходят сквозь фольгу и практически не отклоняются от прежней траектории, лишь 2-3 % из них рассеиваются, отклоняясь от начального направления на несколько градусов. Во время продолжительных наблюдений ученик Резерфорда изредка замечал вспьпнки, соответствующие значительным отклонениям «-частиц от начального направления движения после прохождения сквозь фольгу. В поисках ответа на вопрос, почему резко отклоняются одиночные а-частицы, Резерфорд предлагает исследовать, бывают ли частицы, которые, отражаясь от фольги, рассеиваются на углы, большие 90°, а то и на все 180°? И такие одиночные частицы — одна из тысячи — бывают (рис. 209, а, б). Этот факт казался непонятным. Выясним, по каким причинам «-частица может изменить направление полета. «-Частица имеет массу и заряд, поэтому на неё могут действовать как сила тяготения, так и электрическая сила. Известно, что электрические силы взаимодействия заряженных частиц значительно превосходят силы тяготения между ними. Например, электрическая сила взаимодействия «-частицы с протоном или электроном в 10°* раз превьппает силу тяготения между «-частицей и массивным атомом свинца. Это означает, что во 15« Глава 4 взаимодействии а-частицы с атомами фольги роль сил тяготения незначительна, и ими можно пренебречь. Следовательно, отклонение а-частицы от начального направления полёта обусловлено действием электрически заряженных частиц, содержащихся внутри атомов. Что это за частицы? Как они размещены в атомах? Ответы на эти вопросы и должны были дать опыты Резерфорда. Очевидно, что заряженная частица, отклоняющая а-частицу на большой угол, не может быть электроном. Ведь масса электрона приблизительно в 7 300 раз меньше массы а-частицы. Поскольку столкновения с электронами не изменяют направления движения а-частиц, то их отклонения на большие углы обусловлены взаимодействием не с элек1^ ронами, а с положительно заряженными частицами. Но в «сплошном» атоме в модели Томсона электрическое поле положительного заряда недостаточно сильное, чтобы отклонить быструю и массивную а-частицу на большой угол. Результаты опытов Резерфорда свидетельствуют, что хотя атомы в твёрдом теле очень плотно прилегают друг к другу, подавляющее большинство а-частиц пронизывают, почти не отклоняясь, несколько тысяч атомов. Отсюда он сделал вывод, что атомы практически пустые, и лишь в центре находится положительно заряженное ядро размером порядка 10 м. Из опытов также следует, что в ядре сосредоточена почти вся масса атома. Значит, масса положительно заряженного ядра, с которым сталкивается а-частица, отклоняющаяся на угол, близкий к 180°, значительно превьппает массу самой а-частицы (рис. 209, б). Опыты Резерфорда вместе с установ.1ением ядерной структуры атома свидетельствуют ещё и о высокой «прочности» атомных ядер, не разрушающихся даже при лобовых столкновениях с а-частицами, налетавшими на ядра с большой скоростью. В мае 1911 г. Резерфорд печатает в «Философском журнале» статью, в которой рассказывает об экспериментах, натолкщтвших его на мысль о планетарной модели атома. Это была эпохальная научная работа. Ск)гласно этой модели атом состоит из положительно заряжешюго массивного ядра размером порядка 10 м. Вокруг ядра движутся электрогвы, образуя так называемую электронную оболочку атома (рис. 210). Заряд ядра по значению равен модулю суммарного заряда всех электронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (99,95 % ). Планетарная модель атома хорошо объясняла результаты опытов по рассеянию а-частиц веществом. Исходя из этой модели английский физик Г. Мозли на основе результатов своих С — опытов установил, что заряд атомного ядра q„ ^ ^ равен произведению порядкового номера Z элемента в периодической системе элементов и элементарного электрического заряда е: = Ze Рис. 210 где е « 1,6 • 10 и равно модулю заряда электрона. АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 157 Порядковый номер химического элемента Z {зарядовое число) оцределяет количество гфотонов в ядре и тем самым — количество электронов вокруг ядра- |^ЭТО ИИТЕРКИО ЗНАТЬ Ганс Гейгер, коллега и ученик знаменитого физика Эрнеста Резерфорда, упоминая как-то о важном событии в истории физики, произошедшем в первых числах 1911 г, написал в письме к другому ученику своего учителя—Джеймсу Чедвику: «Однажды Резерфорд вошёл в мою комнату, очевидно, в прекрасном расположении духа, исказал, что теперь он знает, как выглядит атом...». Резерфорд утвердился в планетарной модели атома на основе результатов своих опытов, но ему было известно, что сам Эйнштейн дважды приходил к мысли о планетарном строении атома и не осмеливался это опубликовать. •ОПРОСЫ и ЗАДАИИ1 1. Расскажите, какие известные вам физические явления свидетельствуют о сложном строении атома. 2*. Опишите содержание опытов Э. Резерфорда по рассеянию а-частиц. Какой вывод можно сделать? 3. Почему именно <х-частицы являются инструментом в исследовании атома? 4. Какими явлениями сопровождаются столкновения а-частиц с экраном из сульфида цинка? 5*. Какие ограничения имела модель атома Томсона в объяснении физических явлений? 6. Опишите модель строения атома, предложенную Э. Резерфордом. 7*. Какие научные факты хорошо объясняются на основе планетарной модели атома? РАДИОАКТИВНОаЬ. виды РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Открытие радиоактивности в 1896 г. стало переворотом в науке. Французский физик А. Беккерелъ исследовал фосфоресценцию (свечение) солей урана. Его интересовало, не могут ли открытые незадолго до этого Х-лз^ги (рентгеновские лз^чи) излз^аться телами, в которых наблюдается явление фосфоресценции под действием солнечного облз^ения. Беккерелъ подверг кристаллы солей урана сильному солнечному облучению и поместил их на завёрнутую в чёрнзто бумагу фотопластинку. После проявления фотопластинки на ней были видны котуры образца. «Очевидно, урановая соль испз^кает какие-то лзтчи, которые проходят сквозь бумагу и засвечивают фотопластинку. Интересно, связано ли это с фосфоресценцией?» — подумал згчёный. Счастливый случай помог Беккерелю ответить на этот вопрос. Пасмурным днём, когда провести очередной опыт не удалось, учёный спрятал препарат в ящик. На завёрнуггой в чёрнучо бучлагу фотопластинке лежал медный крест, а на нём — препарат из двойного сульфата калия и урана. Проявив пластинку, Беккерель неожиданно увидел, что на ней образовался чёткий контуф креста. Значит, излучение происходит в темноте и без предварительного освещения соли урана солне^гными лучами. Необыкновенным было то, что оно подобно 158 Глава 4 Рис. 211 Х-лучам имеет чрезвычайную проникающую способность. В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри после продолжительной и упорной работы (рис. 211) выделили из урановой руды новые химические элементы — радий и полоний, которые подобно урану спонтанно (самопроизвольно), но в несколько тысяч раз интенсивнее испускали невидимые лучи. В следующем, 1899 г. Э. Резерфорд исследовал прохождение щ'чей, открытых Беккерелем, в сильном магаитном поле и установил, что «излучение урана является сложным и в нём присутствует, по крайней мере, два излучения различного типа». Он наблюдал, что пучок лучей, испускаемых источником, в магнитном поле расщеплялся: один из его компонентов отклонялся от начального направления в одну сторону, а другой — в противоположную. Это означало, что лучи переносят электрический заряд разных знаков. Пучок, который переносил положительный заряд, отклонялся на меньший угол и сильно поглощалсл, Резерфорд назвал а-излучением, а тот, который переносил отрицательный заряд, отхсяюнялсл на больший угол и был более проникающим, — Р-излучением. Важным свойством обнаруженного излучения оказалась его полная независимость от внешних условий: освещёшюсти, температуры, давлегшя, электрического и магнитного полей и др. Свойство веществ самопроизвольно (спонтанно) испускать излучение было названо радиоактивностью, а вещества, испускающие такое излучение, — радиоактивными. В 1900 г. французский учёный П. Вийяр показал, что существует и третья составляющая излучения урана с очень высокой проникающей способностью, не отклоняющаяся в мах'нитном поле (рис. 212). Её назвали третьей буквой греческого алфавита — у-излучением. В том же году П. Кюри и М. Склодовская-Кюри показали, что р-излучение — это поток электронов, летящих с большой скоростью. Резерфорд своими знамшштыми опытами доказал, что а-излучение — это поток относительно тяжёлых частиц, которые оказались ядрами атомов гелия. Электроны, летящие с большой скоростью, называют Р-частицами, ядра атомов гелия — а-час-тицами. у-Лучи по своей природе подобны Х-лучам, видимому свету и радиоволнам, но имеют значительно меньшую длину волны и очень высокую проникающую способность. Характерным признаком а-частиц является их огромная энергия. Радиоактивные вещества испускают а-часгицы, энергия которых разлишха. Чаще всего радиоактивное вещество излучает не АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕР1-1АЯ ЭНЕРГЕТИКА 15? одну, а несколько групп «-частиц, которым присущи определенные значения начальной энергии. Двигаясь в веществе, «-частица постепенно теряет энергию, расходуя её на ионизацию молекул вещества, и, в конце концов, останавливается. Чем больше плотность вещества, тем короче путь частиц до остановки. В воздухе при нормальном давлении путь «-частицы равен нескольким сантиметрам. В твёрдом веществе путь частиц составляет всего несколько десятков микронов («-частицы задерживаются обычным листом бумаги). В-Излучение — это поток электронов, В отличие от «-частиц значения их энергии лежат в пределах от нуля до определённого максимального значения Максимальная энергия £„ является характерной постояшюй для данного химического элемента. Из-за относительно малой массы р-частиц при прохождении сквозь вещество возможны их отклонения на значительные утлы — рассеяние в разные стороны. Траектории р-частиц в веществе очень изломанны. Тем не менее суммарная толщина слоя, на которую р-частица проникает в вещество, в десятки раз превышает пробег а-частиц. Отсутствие отклонений в электрическом и магнитном полях, ощюмная проникающая способность у-лучей указывали на то, что по своей природе они аналогичны рентгеновским лучам. Проникающая способность у-лучей увеличивается с уменьшением длины волны у-излучения и уменьшается с ростом плотности вещества-поглотителя. Радиоактивность — это явление спонтанного (самопроизвольного) превращения неустойчивых ядер одного элемента в ядра другого элемента, сопровождающееся излучением различных частиц и электромагнитных волн. Природа радиоактивных излучений указывает на то, что их причиной является самопроизвольный распад атомных ядер радиоактивных элементов. При этом некоторые из ядер испускают лишь «-частицы, другие — р-частицы. Есть радиоактивные ядра, испускающие и те, и другие частицы. Большинство ядер одновременно испускают и у-лучи. Исследуя превращения радиоактивных веществ, учёные установили, что интенсивность излучения одних веществ со временем уменьшается быстро, других — намного медленнее. Для каждого радиоактивного вещества существует определённое время, в течение которого количество его атомов уменьшается вдвое. Этот интервал называют периодом полураспада Т. Период полураспада — это промежуток времени, в течение ко-> торого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается в два раза. Пусть в начальный момент времени (t = О) количество радиоактивных атомов равно Nq. Через время, равное периоду полураспада Т, число атомов N будет составлять, по определению, Через время, равное двум периодам Глава 4 « ^0 No полураспада, их будет = -^, через п периодов полураспада радиоактивных атомов останется N = Поскольку п = то ЛГ = ЛГ„2'’- Рис, 213 характеризующая скорость 1)идиоактивного распада Это выражение называют законом радиоактивного распада, он устанавливает зависимость числа радиоактивных атомов вещества от времени распада и был открыт Э. Резерфордом и Ф. Содди в 1902 г. График этой зависимости приведён на рис. 213. Период полураспада — физическая величина. Скоростью радиоактивного распада, или активностью радиоактивного источника (препарата), называют число распадов, происходящих за единицу времени. Из закона радиоактивного распада следует, что активность прямо пропорциональна количеству ядер, или массе препарата, и обратно пропорциональна периоду полураспада. Единицы активности будем изучать позднее. Чем меньше период полураспада, тем короче время жизни атомов, тем быстрее происходит распад. Для разных веществ его значения очень отличаются. g> ■ОПРОСЫ и 1ДДАИН1 1. Что понимают под радиоактивностью? 2*. Каким способом можно разделить радиоактивное излучение на составляющие части? 3*. Объясните физическую природу а-, р- и у-излучения. 4. Какие превращения происходят в веществе вследствие радиоактивного излучения? 5. Что такое период полураспада? |§^ аРОЕИИЕ ЯДРА АТОМА. ИЗОТОПЫ Еям уже известно, что ядро атома — это центральная, по.ложите.льно заряженная часть атома, в которой сконцентрирована почти вся его масса. Заряд ядра атома равен модулю суммарного заряда электронов оболочки, вследствие чего атом в целом электронейтрален. Линейные размеры разных ядер неодинаковы. Они находятся в пределах от о • 10 м до 10 • 10 м, что АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНДЯ ЭНЕРГЕТИКА 161 В 10 -10 раз меньше поперечного размера самого атома. Ядерное вещество г имеет чрезвычайно большую плотность — 10 см Масса чайной ложки, наполненной только ядрами, составляла бы сотни миллионов тонн. Убедившись, что атом не является «неделимым», физики старались установить, из каких «кирпичиков» он состоит, то есть найти структурные элементы материи, BHyrpeiraee строение которых на дшпшш момент неизвестно, и которые назвали элементарными частицами. Электрон — первая из известных элементарных частиц, структура атомного ядра была ещё не устгшовлена. В 1913 г. Э. Резерфорд предположил, что ядро атома водорода является элементарной частицей, которую назваши протоном, и которая входит в состав других атомных ядер. Эта гипотеза была подтверждена экспериментально в 1919 г., когда в опытах обнаружили отдельные протоны. Масса протона в 1 840 раз больше массы электрона, его электрический заряд по значению такой же, как у электрона, но положительный. У следующего элемента — гелия — ядро в четыре раза тяжелее ядра водорода, а у последнего природного элемента урана — в 238 раз. Массовое число А является ближайшим целым числом к значению относительной атомной массы химического элемента, для урана А = 238. Но зарядовое число для урана Z = 92, то есть в его состав входят 92 протона и остальная масса ядра должна приходиться ещё на какие-то частицы. В 1932 г. английский физик Дж. Чедвик на опыте установил, что неизвестное излучение с большой проникающей способностью, которое наблюдали он и другие учёные, является потоком нейтральных частиц, масса которых близка к массе протона. Существование такой частицы ещё в 1920 г. предполагал Э. Резерфорд, её назвали нейтроном. В том же году Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра атома, в дальнейшем подтверждённую всеми исследованиями. Согласно этой модели ядро атома состоит из протонов и нейтфоиов, которым дали общее название нуклоны. Количество нейтронов N в ядре химического элемента равно разности между массовым и зарядовым числами, то есть = J Ядра атомов обобщённо называют нуклидами. Нуклиды обозначают символом химического элемента с указанием значений массового числа А сверху и зарядового числа Z внизу с левой стороны. Например, |Н — ядро атома водорода, jHe — ядро атома гелия (а-частица), — ядро атома урана. Но как удерживаются в ядре одноимённо заряженные частицы? Что удерживает нуклоны в ядре? Ведь электрические силы отталкивания между положительно заряженными протонами в ядре должны обусловить их разлёт в разные стороны. Но протоны не только не разлетаются, а ещё и противодействуют попыткам разрушить ядро. Учёные выяснили: чтобы расщепить ядро, нужно сообщить бомбардирующим частицам значительную энергию. 162 Глава 4 Силы, удерживающие частицы в ядре, силами. называют ядерными Ядерные силы являются короткодействующими в отличие от далънодейстеующих электромагнитных сил и сил тяготения. Радиус действия ядерных сил приблизительно равен 10 м, то есть размеру нуклонов. На этих расстояниях ядерные силы притяжения в сотни раз превышают электрические силы отталкивания между протонами. О ядерных силах образно говорят, что это «богатырь с очень короткими руками». Ядерные силы зарядонезависимы, это свойство проявляется в том, что протон с протоном взаимодействуют так же, как и протон с нейтроном. Ядерные силы относятся к сильным взаимодействиям, для расщепления ядра необходима значительная энергия, поэтому ядра очень «прочные». Наименьшее значение энергии, при котором происходит расщепление ядра на составляющие частицы, может быть мерой энергии связи ядра, то есть его «прочности». Ядра химических элементов имеют разную «прочность». Слабее всего связаны частицы в ядрах лёгких элементов, расположешгых в начале периодической системы элементов. Энергия связи быстро растёт с увели1ением количества частиц в ядре, возрастает и «прочность» ядер, достигая максимума для ядер железа и близких к нему элементов. Однако, поскольку ядерные силы являются короткодействующими, то, начиная с некоторого элемента, связь между нуклонами не увеличивается, хотя их количество в ядре возрастает. Вот почему «прочность» ядер элементов средней части периодической системы элементов почти одинакова. В ядрах тяжёлых элементов, расположенных в конце периодической системы элементов, возрастает роль электрических сил отталкивания. Эти силы «расталкивают» протоны ядра, делают его менее «прочным». Поэтому уран радиоактивен, его ядра неустойчивы вследствие значительной роли электрических сил. Элементы, расположенные за ураном, в природе совсем не встречаются, их получают искусственно. В ядре атома сосредоточена огромная энергия взаимодействия составляющих частиц, она в миллионы раз превышает энергию взаимодействия электронов с ядром в атомах, которая может выделяться при химических реакциях. Позднее вы узнаете, что вследствие описанш>1х выше свойств ядер элементов во время ядерных превращений можно добиться выделения значительной энергии при синтезе (слиянии) лёгких ядер или при делении (расщеплении) тяжёлых ядер урана, плутония и др. Изотопы. Так называют разновидности элементов, занимающих в периодической системе одно и то же место, но отличающихся атомной массой. В переводе с греческого языка изос означает одшгаковый, а топос — место. Изотопы — это разновидности атомов химического элемента, ядра которых содержат одинаковое количество протонов и неодинаковое число нейтронов. Например, у элемента водорода три изотопа: протий — |Н, дейтерий — *Н и тритий — (рис. 214, а). Ядро протия состоит из единственного протона. АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ш Го': ' ® ) f 9? 1 Протий Дейтерий Тритий а I ; t Ч -v^/ ^ > Ч Атом Атом Атом кислорода тяжёлого сверхтяжёлого б кислорода кислорода Рис. 214 дейтерий имеет ещё один нейтрон, а тритий — два нейтрона. Природный еле-мент кислород является смесью трёх изотопов: *gO, *'0, '®0(рис. 214, б). Наиболее распространён в природе изотоп кислорода ‘|0, доля которого составляет 99,8 %. Химические свойства изотопов одинаковы, так как определяются строением электронных оболочек, а в атомах изотопов они одинаковы. Используя некоторые различия в свойствах изотопов, учёные научились отделять один изотоп от другого, обогащать хиглический элемент тем или иным изотопом. Все элементы периодической системы элементов имеют изотопы — стабильные или радиоактивные, природные или полученные искусственно. Учёным известен изотопный состав всех природных элементов. Радиоактивные изотопы широко применяются в разных областях науки, техники и производства. По своим химическим свойствам радиоактивный изотоп ничем не отличается от основного изотопа химического элемента Поэтому, наблюдая за движением изотопов, молено точно исследовать, как проявляет себя химический элемент в различных процессах. С помощью изотопов контролируют металлургические процессы, следят за состоянием доменных и мартеновских печей. Так, применяя радиоактивный фосфор, можно быстро узнать во время плавки, насколько полно прошла очистка металла от фосфора — одной из вредных примесей. Раньше химический анализ на содержание фосфора длился около 30 мин, теперь для этого необходимо лишь измерить радиоактивность шлака, в который перешёл фосфор, следовательно, время плавки значительно сокращается. Чтобы выяснить степень износа домны, в её стенку на определённую глубину помещают небольшое количество радиоактивного изотопа, а пробы металла из каждой плавки проверяют на радиоактивность. Наличие радиоактивных атомов в чугуне является чётким признаком износа домны. Теперь не нужно прерывать работу печи с целью проверки состояния стенок домны, достаточно лабораторного контроля. Железо, ста.ль и чугун отличаются лишь содержанием в них углерода. Химический метод определения процентного содержания углерода в железном сплаве продолжителен и кропотлив. Вместо него пробу железа облучают быстрыми протонами. При этом углерод превращается в радиоактивный изотоп азота. По радиоактивности азота и определяют содержание углерода в пробе. Методом радиоактивных изотопов исследуют также скорость износа под- 164 Г>1ава4 шипников. Медные детали подонип-ника облучают нейтронами, при этом атомы меди становятся радиоактивными. Во время работы подшипника вследствие износа вкладыша частицы меди, а значит и её радиоактивные атомы, переходят в смазку. Измеряя её радиоактивность, быстро и точно определяют степень износа подшиггаика. Радиоизотопы, введённые в химические соединения, являются мощным средством в руках химиков для изучения и усовершенствования технологических процессов на химических заводах, а также для контроля химических процессов без остановки, дистанционно. Такой метод упрощает решение технологических задач, сокращает необходимые для этого время и средства. Иногда он является единственным, с помощью которого можно установить оптимальные параметры технологического процесса и разработать совершенную химическую аппаратуру. Применяют радиоактивные изотопы и в сельском хозяйстве. С помощью меченых атомов изучают круговорот кальция и фосфора в природе для лучшего использования искусственных удобрений. Добавляя к пыльце растений радиоактивный фосфор, изучают процесс их опыления. Изотопы дают возможность проследить миграцию вредителей. Добавляя в пищу изотопы, учёные установили, что почти все вещества, содержащиеся в организме человека, постоянно обновляются, и быстрее всего обновляются жиры. Радиоактивные атомы позволили определить время жизни белка в разных тканях и органах, скорость кровообращения и т. п. Они помогают изучать процессы в головном мозгу. Используя радиоактивные препараты, можно диагностихювать заболевания. Например, с помощью радиоактивного иода исследуют функцию щитовидной железы, с помощью радиофосфора изучают процесс и место образования мозговых опухолей. Пациент принимает препарат, концентрирующийся в клетках опухолей, их размещение легко определить с помощью регистрирующего устройства. На рисунке 215 показано, как проводят Y-облучение пациента с лечебной целью. Исто^шиком у-лучей является изотоп ^Со. 9 > ЮПРССЫ и ЗАДАНИЯ 1. Каково строение ядра атома? 2. Что такое нуклон? 3*. Какие силы определяют «прочность» атомных ядер? Назовите свойства этих сил. 4. Что называют изотопами? 5. (де используют радиоактивные изотопы? АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 165 § ЯД1РНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ. РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ Процессы, в которых одни ядра переходят в другие, называют ядерными превращениями. Ядерные превращения разделяют на радиоактивность (радиоактивный распад) и ядерные реакции. При радиоактивном распаде одно ядро (его называют материнским) превращается в одно или два дочерних вследствие самопроизвольного испускания элементарных частиц, ядер и электромагнитного излучения. Ядерные реакции происходят тогда, когда вследствие столкновений частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил, которые и вызывают изменение ядер. Ядерные превращения обычно записывают подобно химическим реакциям: слева записывают частицы и ядра, вступающие во взаимодействие, а справа — продукты реакции, то есть новые частицы, ядра и электромагнитное излучение. Из материала предыдущего параграфа вы 5^е знаете, что нуклиды обозначают символом '^Х. Элементарные частицы обозначают так: е" (_“е или Р ) — электрон, р (или [Н) — щютон, п (или ‘ п ) — нейтрон, Y — электромагнитное излучение (свет, хюнтгеновские лучи или у-излучение). а-Частицу обозначают буквой а или символом ^Не (ядро гелия). В опытах А. Веккереля с солями урана происходил а-распад ядер который сопровождался образованием ядер изотопа тория ^Th с испусканием а-частиц и у-излучения: ^“и-^*::ть + :не+у. Превращение ядер происходит по так называемому правилу смещения, которое впервые сформулировал английский химик Ф. Содди: при а-распаде ядро теряет положительный заряд 2е, а масса ядра уменьшается приблизительно на 4 атомных единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы элементов: + ^Не. При Р-распаде ядро приобретает допо.тнительный положительный заряд е, и элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы: А '\т А -ж г I О ziiY + -1^» Например, при р-распаде изотопа калия j®K продуктом распада является ядро изотопа кальция упрощенно можно записать так: 40 40 I О jgK —> 20^® -1^* 166 ГИаеа4 Y-Излучеиие не сопровождается изменением заряда, масса ядра изменяется чрезвычайно мало. Изменения атомных ядер в результате их взаимодействия с > элементарными частицами или между собой называют ядер-ными реакциями. Для осуществления ядерной реакции частицы необходимо приблизить к ядру на расстояние около 10 м. Если это положительно заряженная частица, то она должна иметь кинетическую энергию, достаточную для преодоления действия сил электрического отталкивания. Такую энергию сообщают протонам, а-частицам и другим более тяжёлым ядрам с помощью ускорителей элементарных частиц и ионов. Один джоуль — слишком крупная единица для записи значений энергий, характерных для элементарных ядерных процессов. Для этого обычно применяют один электрон-вольт (1 эВ), один килоэлектрон-вольт (1 кэВ) и один мегаэлектрон-вольт (1 МэВ). Один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон, ускоряясь в электрическом поле, при напряжении один вольт. 1 эВ = et/ = 1,6 • 10 ‘" Кл • 1 В = 1,6 • 10 ‘® Дж. 1 кэВ = 10* эВ = 1,6 • 10“ Дж. 1 МэВ = 10® эВ = 1,6 • 10“ Дж. Исторически первой ядерной реакцией, осуществлённой человеком, была реакция превращения ядра азота в ядро кислорода в опытах Э. Резерфорда в 1919 г.: “N -I- зНе -> “О + ;н. Для осуществления ядерных реа1{ций ускоренные частицы более эффективны, чем а-частицы, испускаемые природными радиоактивными элементами. Во-первых, им можно сообщить значительно большую энергию (порядка 10® МэВ), чем у обычных а-частиц (максимально 9 МэВ). Во-вторых, можно использовать протоны, которые при радиоактивном распаде не образуются (так как их заряд вдвое меньше заряда а-частиц, то сила, действующая на протоны со стороны ядер, тоже вдвое меньше). В-третьих, можно ускорять ядра, которые тяжелее ядер гелия. Первое превращение атомных ядер с помощью протонов большой энергии, полученных в ускорителе, осуществлено в 1932 г., когда удалось расщепить литий на две а-частицы: зЫ + ;н ^ зНе ч- зНе. Открытие нейтрона стало поворотным пунктом в исследованиях ядерных реакций. Поскольку нейтроны не имеют заряда, то они без препятствий проникают в атомные ядра и вызывают их щювращения. Например, происходит такая реакция: А1 + > ^ uNa + :Не. Великий итальянский физик Энрико Ферми, первым начавший изучать АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 167 реакции с использованием нейтронов, обнаружил, что ядерные превращения вызывают даже медленные нейтроны, причём эффективнее, чем быстрые. Поэтому быстрые нейтроны сначгила замедляют до тепловых скоростей с помощью веществ-замедлителей, одним из которых может быть и обычная вода. Этот эффект объясняется тем, что в воде содержится много ядер водорода — протонов, масса которых почти равна массе нейтронов, А при столкновении шаров одинаковой массы кинетическая энергия передаётся наиболее эффективно. При центральном столкновении нейтрона с покоящимся протоном он замедляется до скоростей теплового движения. Подобно химическим реакциям некоторые ядерные реакции происходят с выделением энергии, а некоторые — с поглощением (соответственно экзотермические и эндотермические реакции). Деление атомньгк ядер — это особый вид ядерных реакций, когда ядро тяжёлого элемента делится на две части, одновременно испуская два-три нейтрона и У'излучение с выделением значительной энергии. Деление ядер урана открыли в 1938 г. немецкие учёные О. Ган и Ф. Штрассман. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер изотопа урана нейтронами образуются элементы из средней части периодической системы: барий *^Ва, криптон *6 Кг и несколько нейтронов: 23511 1 + о” ?Ва -Ь ^Кг + ЗпЛ. Но правильное толкование этого факта именно как деления ядра урана, захватившего нейтрон, в 1939 г. дали физики — англичанин О. Фриш и австрийка Л. Мейтнер, Прямые измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана U, подтвердили приведённые соображения и дали значение = 200 МэВ. Большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кшютическую энергию ядер-осколков. Энергия, выделяющаяся при делении ядер, электростатического, а не ядерного происхождения. Одновременно с больпшми силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют ещё большие ядерные силы притяжения. Эти силы не дают ядру распадаться. Ядро урана-235 имеет форму шара (см. рис. 216, а на с. 168). Захватив лишний нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться, принимая вытянутую форму (рис. 216, б). Ядро растяпшзается до тех пор, пока силы отталкивания между концами вытянутого ядра не начнут превосходить силы сцепления, действующие на перешейке (рис. 216, в). Растягиваясь всё сильнее, ядро разрывается на две части (рис. 216, г). Под действием электрических сил отталкивания эти обломки, или осколки, разлетаются „ 1 со скоростью, равной — скорости распространения света. oU Фундаментальным фактом ядерного деления является испускание в 168 Глава 4 Рис. 216 этом процессе двух-трёх нейтронов. Именно благодаря этому ста.то возможным практическое использование внутриядерной энергии. Понять, почему выделяются свободные нейтроны, можно, исходя из таких соображений. Известно, что относительное количество нейтронов в стабильных ядрах возрастает с увеличением атомного номера. Поэтому в осколках, образующихся при деле-1ШИ, отношение числа нейтронов к числу протонов больше допустимого для ядер атомов, находящихся в середине периодической системы элементов. Вследствие этого несколько нейтронов освобождаются в процессе деления. Их энергия имеет разные значения — от нескольких мегаэлектрон-вольт до совсем малых, близких к нулю. Это позволяет осуществить цепную реакцию деления урана. Ядерные цепные реакции — это ядерные реакции, при которых частицы, их вызывающие, образуются как продукты этих реакций. Любой из нейтронов, вылетевший из ядра в процессе деления, может в свою чередь послужить причиной распада соседнего ядра, которое также выделяет нейтроны, способные вызвать деление. Поэтому число делящихся ядер быстро увеличивается, и возникает самоподдерживащаяся цепная реакция, схема которой показана на рисунке 217. Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При каждом делении ядра вьщеляется около 200 МэВ энергии. От деления всех ядер 1 г урана выделяется 2,3 • Ю** кВт • ч энергии, эквивалентной энергии, образующейся при сжигахгии 3 т угля И.ПИ 2,.5 т нефти. Цепная реакция практически осуществима лишь на трёх изотопах. АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 169 Один из них „ 239 Т-. плутонии 94 Ри — — содержится в природном уране, а два других получают искусственно. :и и I Термоядерные реакции — это реакции синтеза (слияния) I лёгких ядер при очень высокой температуре. Чтобы такие ядра, например водорода, слились, они должны сблизит1>ся на расстояние около 10 м, то есть попасть в сферу действия ядерных сил. Этому сближению противодействует электрическое отталкивание ядер, которое они могут преодолеть, если будут иметь большую кинепгческую энергию теплового движения. Энергия, выделяющаяся при термоядерных реакциях в одном акте синтеза из расчёта на один нуклон, больше энергии, выделяющейся в цепных реакциях деления ядер. Так, при слиянии ядер тяжёлого водорода дейтерия с ядрами изотопа водорода — трития выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон, тогда как во время деления урана на один нуклон выделяется энергия около 1 МэВ. Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и других звёзд — термоядерного происхождения. На ранней стадии развития звезда состоит преимуществехшо из водорода. Температура внутри звезды настолько велика, что в ней происходят реакции слияния протонов и образуется гелий. Потом от слияния ядер гелия образуются более тяжёлые элементы. Все эти реакции сощювождаются выделением энергии, благодаря которой звёзды излу'чают свет на протяжении миллиардов лет. На Земле неуправляемая термоядерная реакция происходит при взрыве водородной бомбы. Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. Наиболее перспективна в этом отношении реакция слияния ядер дейтерия и трития: ^Н -Г ®Н ^Не -1- >. В этой реакции выделяется энергия 17,6 МэВ на одшг нуклон. Поскольку тритий в природе не встречается, его необходимо получать в самом термоядерном реакторе из лития. Согласно проекту ИТЕР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) в г. Кадараш (Франция) ведётся строительство первого в мире международного экспериментального термоядерного реактора. Цель проекта — продемонстрировать научную и техническую возможность получения тепловой и электрической э1юргии на основе термоядерного синтеза. По прогнозам специа-листов, через 30-40 лет может начаться эра промьпплен-ного использования термоядерной энергии. g> ■ОПГОСЫ111АДАИИ1 1. Какие ядерные превращения вы знаете? 2. Что такое ядерная реакция? 3. Какие реакции называют цепными? 4. В чём сущность термоядерных реакций? 1Ш 170 ^ v У у Глава 4 [§3aj ИОИИЗИРУЮЩ11 ДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. ДОЗИМЕТРЫ При работе на ядерных установках и с радиоактивными препаратами, использующимися в науке и технике (радиоизотопные приборы для дефектоскопии, контроля толщины материала, уровня жидкости, лучевые датчики, устройства для автоматизации производственных процессов, медицинское оборудование, добыча и переработка урановых руд и др.)» человек подвергается внешнему радиоактивному облучению. Ионизирующим называют излучение, которое при взаимодействии с веществом вызывает ионизацию составляюищх его атомов и молекул, то есть превращает нейтральные атомы и молекулы в ионы. К известным вам видам ионизирующего излучения (а-, р- и уизлучение, рентгеновские лучи), следует добавить потоки нейтронов, протонов и др. Когда излучение проходит через вещество, атомы и молекулы возбуждаются, или ионизируются. Вследствие возбуждения молекул в живом организме их функции могут нарушаться. В случае ионизации атомов живой клетки она повреждается. Электроны атомов или молекул среды, отрываются от них и могут перемещаться по всему веществу. Например, при облучении увеличивается степень диссоциации молекул воды на ионы водорода и гидроксид-ионы. Ионы и радикалы, образующиеся в тканях организма под действием излучения, взаимодействуют с другими молекулами. Продукты вторичных реакций реагируют с новыми молекулами, вследствие чего состав веществе тканях изменяется. Состав соединений, регулирующих деятельность организма, изменяется, это может привести к лучевой болезни, лейкемии (белокровию) и др. Нейтроны непосредственно ионизации не вызывают, но, вступая в реакцию с различными тканями тела человека, служат причиной возникновения вторичного ионизирующего излучения. Любые изменения в облучённом об'ьекте, вызванные ионизирующим излучением, назьшаютрадиационно индуцированным эффектом. В зависимости от уровня биологической организации живого вещества радиобиологи различают такие виды биоповреждений ионизирующим излучением произвольной природы: молекулярный — повреждения молекул ДИК, РЬПС, ферментов, отрицательное влияние на процессы обмена; субклеточный — повреждения биомембран и составляющих элементов клеток; клеточный — торможение и прекращение деления клеток, частичное преобразование их в злокачественные; тканевый — повреждение наиболее чувствительных тканей и органов (например, красный костный мозг); организменный — заметное сокращение продолжительности жизни или быстрая гибель организма; популяционный — изменение генетических характеристик у отдельных индивидов. АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 171 Для количественной характеристики действия ионизирующего излучения на окружающую среду введены такие физические величины и их единицы, I Основная физическая величина, характеризующая радиоактивный ] источник, называется активностью А: ^ t где N — число радиоактивных распадов за время t. В СИ за единицу активности принят один беккерель (1 Бк). Активности 1 Бк соответствует один распад в секунду. Исторически первым веществом, на котором изучали закон радиоактивного распада, был радий-226. В 1 г радия происходят 3,7 • 10*“ распадов в секунду. Поэтому в практической дозиметрии и радиационной физике пользуются и другой единицей активности — один кюри (1 Ки); 1 Ки = 3,7 • 10“* Бк. Принято считать, что изменения, происходящие в облучённом веществе, определяются поглощённой энергией радиоа1стивного излучения. Поглощённой дозой излучения D называют отношение поглощён-^ ной энергии ионизирующего излучения Е к массе т облучённого вещества: D = К т В СИ единицей поглощённой дозы излучения служит один грэй (1 Гр). Один грэй равен поглощённой дозе излучения, при которой облучённому веществу массой 1 кг передаётся энергия ионизиру- JTIw ющего излучения 1 Дж: 1 Гр = 1 . Используют также внесистемную единицу один рад {rad -буквам английского словосочетания «radiation absorbed dose» по первым - поглощён- ная доза излучения). 1 рад = 10 -2 Дж кг = 10* Гр. Однако если бы даже удалось измерить поглощённую дозу излучения непосредственно в живой ткани, несмотря на сложность, ценность этих измерений была бы невелика, поскольку одинаковая энергия различных частиц вызывает неодинаковый биологический эффект. Поэтому для медицинской диагностики используют способность рентгеновских лучей, проходящих сквозь ткани организма, ионизировать также тканевоэквивалентное вещество — воздух. Измерение степени этой ионизации привело к появлению дозиметрической величины — экспозиционной дозы Пе как меры ионизирующего действия на воздух. 172 Глава 4 Экспозиционная доза — количественная характеристика у- и рентгеновского излучений, которая характеризует их ионизирующее действие и определяется суммарным электрическим зарядом ионов одного знака, образованных в единице массы воздуха: где q — заряд образованных ионов; т — масса вещества. Кл. Единица СИ экспозиционной дозы — один кулон на килограмм (1—). ICT* При такой экспозиционной дозе вследствие ионизирующего действия излучения на воздух и мягкие ткани в 1 кг сухого воздуха при нормальных условиях образуются ионы каждого знака, имеющие заряд 1 Кл. Эта единица дала возможность связать поглощённую энергию с ионизирующим и биологическим эффектами. В практической дозиметрии используют экспозиционную дозу излучения — один рентген (1 Р). Один рентген — это такая экспозиционная доза у- или рентгеновского излучения, при которой в 1 см° сухого воздуха {1,29-10~® кг) приО'С и давлении 760 мм рт. ст. образуются ионы, имеющие заряд каждого знака, равный 3,34 • 10'^° Кл. Экспозиционная доза практически удобна, поскольку ионизацию воздуха легко измерить с помощью дозиметра. Связь между внесистемной (1 Р) и системной (Кл/кг) единицами такова: 1 Р = 2,58 • 10-^—; 1— = 3,88 • 10® Р. кг кг При дозе 1 Р образуется приблизительно 2,08 -10® пар ионов. В 1 см* воздуха и мягких тканей организма человека одинаковые экспозиционные дозы у- или рентгеновского излучения создают приблизительно одинаковое количество ионов. Поэтому поглощение энергии мягкими тканями можно оценивать не по поглощённой дозе излучения D, а по эквивалентной дозе Пд. Эквивалентная доза (Dg) — это поглощенная доза О, умноженная на коэффициент качества излучения К, отображающий способность излучения определённого типа оказывать действие на ткани организма: L Коэффициент К ещё называют относительной биологической эффективностью (ОБЭ). Для у-, р- и рентгеновского излучений К = 1, для тепловых нейтронов К = 5, для быстрых нейтронов и протонов К = 10, для «-частиц К = 20. Единица СИ эквивалентной дозы — один зиверт (1 Зв) (в честь шведского АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 173 Дж радиобиолога Р. Зиверта). 1 Зв = 1------ для а-, р- и рентгеновского кг излучении. Различные части тела тямеют разную чувствительность к облучению, поэтому дозы облучения органов и тканей нужно рассчитывать с разными коэффициентами радиационного риска (рис. 218). Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты радиационного риска для всех органов и тканей и сложив их, получим значение эффективной эквивалентной дозы, отображающей сзтлмарный эффект облучения организма. Эффективная эквивалентная доза введена Международной комиссией по радиационной защите (МКРЗ). Её единица в СИ — также один зиверт (1 Зв). Сложив индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные 1^уппой людей, определим коллективную эффективную эквивалентную дозу. Её единица в СИ — один человеко-зиверт. Имеется необходимость ещё в одном определении, поскольку многие радиоактивные нуклиды распадаются довольно медленно и надолго остаются радиоактивными. Коллективную еффективную дозу, которую получат многие поколения людей от радиоактивного источника в течение всего времени его дальнейшего существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой. Для контроля за облучением используют дозиметрические приборы. В помещениях для работы с излучениями устанавливают дозиметры — приборы для измерения доз излучения в данном месте помещения. Они часто могут автоматически подавать звуковой или световой сигнал, если доза излучения превышает допустимое значение. Каждый человек во время работы с радиоактивными веществами должен иметь при себе контрольный прибор для измерения дозы, полученной им на протяжении рабочего дня. С этой целью используют специальные кассеты с фотоплёнкой, которую в конце рабочего дня (или недели) проявляют и по степени её почернения определяют дозу, полученную работником. В качестве карманных дозиметров используют также интегрирующие ионизационные камеры, напомингиощие по форме авторучку. В нашей стране бытовые дозиметрические приборы начали выпускать после аварии на Чернобыльской АЭС. Дозиметрические 218 0,12- красный костный мозг 0,03 - костная ткань 0,03 - щитовидная железа 0,15- молочная железа 0,12-лёгкие 0,25 - половые железы 0,30 - другие органы 1,00 - организм в целом 174 Глава 4 g> Рис. 219 приборы подразделяются по назначе1шю на индикаторы — простые приборы для обнаружения излучения и приблизительной оценки его интенсивности («Рось», «Щелкун» и др.); рентгеномет-ры — предназначены для измерения дозы у-излуче-ния(«Стриж-Ц», «Козодой-М» и др.); радиометры— универсальные приборы, которые могут измерять дозы основных видов излучения, активность образцов почвы и пищевых продуктов, радиоактивное загрязнение поверхностей («Припять», «Велла», «Бриз», «Бета» идр.). Отметим, что лишь радиометры со свинцовыми камерами (например, радиометр «Бета») дают достоверные значения измерений. В основе работы дозиметрических приборов лежат физические методы регистрации ионизирующего излучения. На рисунке 219, а, б изображены дозиметры разных типов. ■ОПГОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Что такое ионизирующее излучение? Что называют поглощённой дозой? Дайте определение одного грэя. Какие заряды учитываются в экспозиционной дозе? Какова единица эквивалентной дозы? Чем отличается эффективная эквивалентная доза от коллективной эффективной эквивалентной дозы? Какие типы дозиметров вы знаете? 2, 3. 4. 5. 6* 7. § 3^ ВЛИЯИИ! РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧ1ИИЯ ИА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ Естественный радиационный фон. Проблемы биологического влияния ионизирующих излучений на живые организмы и установление значений безопасных доз облучения тесно связаны с существованием естественного радиакщонного фона. В любом месте на поверхности Земли, под землёй, в воде, в атмосферном воздухе и в космическом пространстве имеются ионизирующие излучения (радиация) различных видов и разного происхождения. Эти излучения существовали, когда ещё не было жизни на Земле, они есть сейчас, будут и в дальнейшем. В условиях естественного радиационного фона на Земле возникла жизнь, которая прошла эволюционный путь до настоящего состояния. Можно с уверенностью сказать, что дозы облучения, близкие к уровню естественного фона, не представляют какой-либо серьёзной опасности для живых организмов. Чем же обусловлено существование естественного радиационного фона и каково значение фоновой дозы облучения! АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 175 В большинстае мест на Земле значительная часть дозы естественного фона обусловлена внешним облучением, создаваемым у-излучением естественных радиоактивных изотопов земной коры — урана, тория, калия и других элементов. Интенсивность внешнего облучения зависит от типа пород земной коры в данной местности, от материалов, из которых сооружены постройки. Наибольшую радиоактивность имеют гранитные породы и стены каменных домов, наименьшую — стены деревянных домов. Доза внешнего фонового у-излучения колеблется в большинстве мест от 0,3 до 0,6 мЗв в год. Есть местности, в которых почвы содержат большое количество урана и тория, поэтому уровень внешнего у-облучения в них может достигать 8-15 мЗв в год. Среднее значение эквивалентной дозы от внешнего фонового у-излучения можно принять равным 0,4 мЗв в год. Второй источник облучения — космическое излучение. Космическим излучением у поверхности Земли (вторичное космическое излучение) называют поток у-излучения и быстрых заряженных частиц, возникающих в атмосфере под действием первичного космического излучения, которое состоит в основном из протонов и приходит из космоса. Земная атмосфера, эквивалентная десятиметровому слою воды, поглощает большую часть космического излучения и надёжно защищает всё живое на Земле от его действия. На уровне моря доза космического облучения равна 0,3 мЗв в год. При подъёме в верхние слои атмосферы интенсивность космического излучения возрастает. На высоте 3 000 м над уровнем моря она увеличивается почти втрое. Кроме внешнего облучения каждый живой организм подвергается внутреннему облучению. Оно обусловлено тем, что с пищей, водой и воздухом в организм попадают различные химические элементы, имеющие естественную радиоактивность: углерод, калий, уран, торий, радий, радон. Количество этих элементов в организме человека зависит от потребляемой им пищи. Среднее значение эквивалентной дозы облучения, обусловленного природными радиоактивными изотопами, попадающими в организм человека с пищей и водой, равно приблизительно 0,3 мЗв в год. Наибольший вклад в дозу внутреннего облучения в большинстве мест вносит радиоактивный радон и продукты его распада, попадающие в организм человека при дыхании. Инертный газ радон повсеместно образуется в почве, где он не удерживается и постепенно выходит в атмосферу. Концентрация радона повышается в закрытых непроветриваемых помещениях, особенно она высока в подвальных помещениях, нижних этажах домов, близких к почве. В большинстве домов удельная активность радона и продуктов его распада близка к 50 Вк/м®, что примерно в 25 раз выше среднего уровня удельной гиктивности атмосферного воздуха на открытой местности. Среднее значение годовой эквивалентной дозы облучеттия, обусловленной радоном й продуктами его распада, равно 1 мЗв, Среднее значение общей эквивалентной дозы облучения, обусловленной естественным радиационным фоном, равно приблизительно 2 мЗв в год. В современном мире все люди подвергаются действию ионизирующего 176 Глава 4 излучения (радиации) не только естественного, ни и искусственного происхождения. Искусственными источниками радиации, то есть созданными человеком, являются рентгеновские медицинские и терапевтические установки, радиоизотопные средства автоматического контроля и управления, ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц и высоковольтные электхювакуумные приборы, отходы тепловых и атомных электростанций, продукты ядерных взрывов. Из всех искусственных источников ионизирующего излзтчения для большинства людей наибольшее значение имеют источники рентгеновского излучения, используемые в медицине. Средняя эквивалентная доза, получаемая человеком за год в промышленно развитых странах, равна примерно 1 мЗв, то есть около половины дозы естественного фона. При работах с радиоактивными источниками всегда существует радиационная опасность, она очень «коварна», поскольку тяжёлые, часто непоправимые патологические изменения в организме под действием излучения могут происходить без каких-либо субъективных признаков, сигнализирующих об опасности. Эти изменения накапливаются и могут проявиться спустя очень большое время (десятилетия) после облучения, когда лечение оказывается запоздалым. Поэтому легкомысленное отношение к радиации абсолютно недопустимо. Уменьшение поглощённой дозы излучения (защита от излугчения) при работе с источниками радиации обычно обеспечивают такими мероприятиями и требованиями. «Защита расстоянием» — с увеличением расстояния от точечного источника радиации интенсивность излз^ения и поглощённая доза уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния. «Зашита временем» — чем меньше время пребьюания в зоне действия излучения, тем меньше поглощённая доза. Использование защитных экранов, поглощающих излучение. Степень экранирования зависит от проникающей способности различных типов излучения. Обязательное знание и выполнение персоналом правил безопасности во время работы в зоне действия излучения, а также информирование персонала и населения о наличии опасности радиоактивного облучения или загрязнения. На рис. 220, а показан основной знак радиационной опасности, а на рис. 220, б — дополнительный знак радиационной опасности. Обычно такими знаками обозначают транспортные средства для перевозки радиоактивных веществ, тару и места для их хранения, рабочие зоны, в которых есть радиация, .загрязнённые участки территории. Поскольку радиоактивное излучение оказывает вредное воздействие на живые клетки, то необходимо организовать защиту от него. Необхо- Рис. 220 АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 177 димо иметь конкретные сведения о действии радиоактивного излучения и радиоа1стивных осадков на человека и окружающую среду. С этой целью Генеральная Ассамблея ООН в декабре 1955 г. создала Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР) для оценки в мировом масштабе доз облучения, их эффекта и связанного с ним риска. С учётом проведённых исследований установлены предельно допустимые дозы облучения. Для населения любого возраста независимо от места проживания предельно допустимая доза облучения равна 0,05 Гр в год. Доза общего облучения человека, равная 2 Гр, вызывает лучевую болезнь, доза, равная 6 Гр и больше, почти всегда смертельна. Для снижения дозы облучения вокруг источников радиоактивного излучения размещают биологическую защиту из веществ, сильно поглощающих излучение. Простейший метод защиты — удаление от источников излучения на достаточное расстояние. Источники р-излучения даже малой активности необходимо экранировать, например, слоем пластмассы или специального стекла, содержащих свинец. Для защиты от у-излучения нужна более мощная защита, как правило, свинцовые контейнеры. Работы с радиационными отходами проводятся с помощью матипуляторов в специальных камерах (рис. 221). Для защиты от особенно мощных источников излучения (работающие реакторы, ускорители и др.) сооружают бетонные стены необходимой толщины. Радиоактивные вещества могут попасть в организм при вдыхании воздуха, загрязнённого радиоактивными элементами, с загрязнёнными пищевыми продуктами или водой, через кожу. Вероятность попадания твёрдых частиц в органы дыхания зависит от их размеров. Частицы размерами более 5 мкм почти все задерживаются носовой полостью. Если радионуклиды, попавшие в организм, однотипны с элементами, которые употребляет человек с пищей, то они деля'г'ся на такие, что усваиваются организмом, то есть становятся его частью, и такие, что долго не задерживаются в организме и удаляются естественньшг путем. Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нём более-менее равномерно, другие — концентрируются в определённых В11утренних органах. Элементы, химически связанные с тканями организма, очень медленно выводятся из него. Чтобы в некоторой степени защитить организм от радиации, применяют Рис. 221 Физика 12 178 Глава 4 вещества-оксиданты, являющиеся радиопротекторами (защитниками), но их необходимо употреблять до облучения. Организация постоянного медицинского контроля среди населения, соблюдение правил гигиены на рабочих местах и в местах проживания, а также личной гигиены значительно снижают риск для здоровья человека. Биологическое действие радиации на организм человека можно оценить по результатам испытаний атомного оружия в атмосфере, а также радиационных катастроф, которые испытало человечество. Первой катастрофой бьш взрыв двух атомных бомб над городами Хиросимой и Нагасаки в 1945 г. В Японии людей, пострадавших от атомных взрывов, назьшают хибакуся. Одной из катастроф стал взрыв четвёртого энергетического блока на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. Анализ последствий этих катастроф показал, что радиация влияет на функции организма человека, что сопровождается активным делением клеток. Повреждаются также иммунная, кроветворная системы, эпителии кишечного тракта, бронхов, лёгких. В Японии сначала наблюдался резкий рост заболеваемости лейкемией, раком желудка и молочной железы. Такие заболевания наблюдались и у ликвидаторов аварии на ЧАЭС. В 1986 г. характерным заболеванием был рак щитовидной железы (свыше 600 сверхфоновых заболеваний). В Японии через 25-30 лет после бомбардировки увеличилось количество сердечно-сосудистых заболеваний. Это явление наблюдается также в Украине. У хибакуся средняя продолжительность жизни равна 82-83 года, то есть они являются долгожителями, несмотря на облучение. Период полураспада иода-131 равен 8,04 суток. Через 8 суток после аварии на ЧАЭС осталась половина его исходного количества, ещё через о 1 11,, 8 суток -г, потом — и т. д. Через два месяца активность иода сни- 4 о 1о зилась почти до нуля. Его биологическое действие на организм человека проявилось лишь через 3 года. Следствием ядерных превращений стало появление радиоактивного цезия. У него период полураспада больше, чем у иода, поэтому интенсивность излучения меньше. Особенно опасны для человека и животных изотопы цезия и стронция. Химические свойства Sr-90 и Cs-137 подобны свойствам соответственно кальция и калия, которые входят в состав костей и мьппц человека и животных. Содержание калия в массе мышц составляет 0,3 %, а кальция — 14,7 % массы костей. Если человек потребляет загрязнённые цезием и стронцием пищевые продукты, а в его рационе недостаточно калия (богаты калием — фасоль, горох, бобы, картофель, помидоры, шпинат, абрикосы, изюм, яблоки) или кальция (богаты кальцием — капуста, орехи, горох, творог, яйца, рыба, морковь, овсяная крупа), то в организме человека атомы цезия замещают в мышцах атомы калия, а атомы стронция в костях — атомы кальция. Период полураспада Sr-90 составляет 28 лет, а период, на протяжении которого организм человека освободится от половины стронция (физиологический период полувывода изотопа из организма). АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 179 составляет 50 лет. Практически стронций, попавший в кости человека или животного, из них уже не уходит. До испытаний ядерного оружия в организме человека цезия не обнаруживали. Об отдалённых последствиях действия малых доз радиоактивного излучения на живые организмы можно сделать определённые выводы, наблюдая за растениями. Отклонения в развитии растений становятся заметными через несколько поколений после их облучения. Исследователи брали пшеницу, выросшую близ реактора. В первый год высева не происходило никаких изменений. «Чернобыльские гены» проявились начиная с третьего поколения. С каждым высевом колргчество мутантов возрастает. Радиоактивное излучение может поражать человеческий организм тремя способами: 1) внешним действием — поражение высокой дозой радиации большого количества клеток организма. В этом случае тяжёлые повреждения живой ткани и признаки лучевой болезни проявляются на протяжении нескольких дней. Если организм подвергся очень тяжёлому поражению, то человек умирает. Степень болезни зависит от уровня радиации и способности организма противостоять радиации; 2) внутренним действием — через органы пищеварения, если туда попадают радиоактивно «зах'рязнённые» пища и вода. Поражение имеет продолжительный характер и наступает вследствие повреждения отдельной клетки. Повреждённая клетка может выжить и оставаться в «сонном» состоянии в течение многих лет, однако это уже значительно изменённая клетка. Со временем начинают развиваться генетические мутации, приводящие к тяжёлым болезням; 3) внутренним действием через лёгкие, если человек вдыхает радиоактивную пыль. g> ■ОПРОСЫ и lAAAlifi» 1. Расскажите, как радиация влияет на человеческий организм. 2. О каких радиационных катастрофах вы знаете? Когда они произошли? 3. Объясните, чем опасны стронций и цезий. 4*. В чём заключается действие радиоактивного излучения на живой организм? ЛАБОРАТОРНДд^ РАБ0¥А № 1 h ИЗУЧ1ИИЕ УСТРОИаВА ДОЗИМЕТРА и ПРОВЕДЕНИЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ • Цель работы: изучить устройство дозиметра и научиться проводить дозиметрические измерения. • Приборы дозиметр-радиометр МКС-05 «Терра-П» или дози- и материалы: метр-радиометр другого типа, пищевые продукты. 180 Глава 4 Ход работы 1. Изучите инструкцию к дозиметру-радиометру (рис. 222, а, б). Ответьте на вопросы. Для чего предназначен дозиметр? Каковы технические характеристики дозиметра? Каково устройство дозиметра и правила работы с ним? Ответы запишите в тетрадь. 2. Определите уровень мощности эквивалентной дозы естестве1шого на в классе. Вставьте в отсек питания гальванические элементы. Кратковременно нажмите кнопку «Режим». Дозиметр начнёт работать в режиме МЭД (мощности эквива- Рис. 222 лентной дозы) у-излучения, о чём будут свидетельствовать наличие на цифровом индикаторе единиц МЭД — « mSv » (миллизиверты в час) и кратковременные звуковые сигналы от зарегистрированных импульсов у-излучения. До окончания интервала измерения будет наблюдаться мигание цифровых разрядов индикатора. По окончании интервала измерения на цифровом индикаторе высветится значение естественного у-фона. Запишите его в тетрадь. 3. Определите эквивалентную дозу естественного фона ^•излучения в классе. Кратковременно нажмите кнопку «Режим» и убедитесь в переходе дозиметра в режим индикации эквивалентной дозы (ЭД) у-излучения. При этом на цифровом индикаторе высветятся единицы ЭД — «mSv» (миллизиверты). Выполните измерение, результаты запишите в тетрадь. 4. Выберите пищевые продукты, привезённые из разных регионов. Повторите измерения. Сделайте выводы. 5. Исследуйте с помощью радиометра свою одежду, обувь. Сделайт’е выводы. Задание для любознательных Возьмите яблоко (или другой фрукт или овощ), проведите дозиметрические измерения. Высушите яблоко, разрезав его на мелкие кусочки. Повторите измерение. Сожгите сухие семена яблока и проведите дозиметрические измерения золы. Сделайте выводы. АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 181 l§4ij) ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. РАЗВИТИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В УКРАИНЕ Вы уже знаете, что цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. Со временем встал вопрос, как эту энергию можно «приручить» и практически использовать. После проведения своих опытов Э. Резерфорд считал, что его работы эго чистая теория, и человечество никогда не использует энергию, дремлющую в атоме. Но после открытия в 1938 г. Ф. Жопио-Кюри цепной реакции стало понятным, что энергия атома — это огромный источник энергии, которая может быть использована на благо человечества, а может привести и к трагическим последствиям. В июле 1945 г. в Лос-Аламосе (США) созданы атомные бомбы, которые 6 и 9 августа были сброшены на японские города Хиросиму и Нагасаки. Энергия атома была использована для уничтожения людей и материальных ценностей. Тем самым именно в ядерном оружии была использована неуправляемая цепная реакция деления зфана. Впервые управляемую цепную ядерную реакцию деления урана осуществил в США коллектив учёных под руководством Э. Ферми в декабре 1942 г. В январе 1947 г. И. В. Курчатов осуществил первую на европейском континенте управляемую цепную реакцию деления урана. В 1955 г. в Женеве состоялась первая Международная конференция по мирному использованию атомной энергии. Научно-технический прогресс определяется развитием энергетики страны. Энергетика — важнейшая отрасль народного хозяйства, которая охватывает энергетические ресурсы, производство, преобразование, передачу и использование разнообразных видов энергии. Ядерной энергетикой называют осуществляемое в промышленных масштабах преобразование ядерной энергии в другие виды (механическую, электрическую и т. д.), использующиеся для производственных и бытовых потребностей. Преобразование ядерной энергии в электрическую происходит на атомных электростанциях (АЭС), принципиально отличающихся от обычных тепловых электростанций только тем, что источником тепловой энергии для получения водяного пара, который приводит в действие турбину и электрогенератор, является не органическое топливо, а энергия, выделяющаяся в ядерном реакторе в ходе управляемой цепной ядерной реакции (см. рис. 223 на с. 182). 1 Ядерный реактор—это устройство, в котором происходит управ-Г ляемая цепная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Использование ядерной энергии для превращения её в электрическую началось в 1954 г. в г. Обнинске на первой атомной электростанции мощностью 5 000 кВт. 182 Глава 4 Рис. 223 Исторически первым был реализован реактор на медленных (тепловых) нейтронах. Главной частью реактора является активная зона 1; состоящая из таких компонентов: ядерное топливо, замедлитель нейтронов, отражатель нейтронов 2. В качестве топлива используют природный урап, обогащённый до 5 % нуклидом Медленные нейтроны в ядерных реакциях более эффективны, чем быстрые, поэтому быстрые нейтроны, образующиеся при делении ядер замедляют до тепловых скоростей с помощью вещества-заледли-теля (графит, обьпшая вода, тяжёлая вода D2O, в которой обычный водород замещён на его изотоп дейтерий). Одним из первых способов смепшвания топлива с замедлителем было поочерёдное заполнение активной зоны урановыми и графитовыми блоками. В современных конструхсциях реакторе® ядерное топливо (уран) вводят в активную зону, как правило, в виде стержней, между которыми размещён замедлитель нейтронов. Для уменьшения потерь вторшшых нейтронов, вылетающих из области активной зоны, её окружают стенкемк-отражателем 2 из материалов, ядра атомов которых хорошо отражают нейтроны, обычно из графита или бериллия. Для защиты персонала от ионизирующего излучения реактор извне обнесён защитными стенками 3 из железобетона и слоями воды. В процессе цепной реакции температура в активной зоне достигает 500-600 °С. Для отвода теплоты из активной зоны реактора по трубам 5 пропускают теплоноситель 6, например обычную воду или жидкий натрий. В теплообменнике 7 энергия передаётся рабочему телу 8 (водяной пар), которое поступает в турбину 9, а из конденсатора 11 вода возвращается в теплообменник. Электрогенератор 10 вырабатывает электрический ток, готовый для использования в промышленности, на транспорте и в быту. Управляют цепной реакцией с помощью регулирующих стержней 4, изготовленных из бора или кадмия, которые хорошо поглощают тепловые нейтроны. Эти стержни можно полностью или частично вводить в АТОМНОЕ ЯДРО- ЯДЁРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 183 Рис. 225 активную зону, параметры которой рассчитаны так, чтобы при полностью введённых стержнях реакция не проходила. Постепенно вытягивая стержни, увеличивают количество нейтронов в активной зоне до определённого порогового значения, когда реактор начинает работать. В случае внезапного повышения интенсивности реакции в реакторе предусмотрены дополнительные аварийные стержни, введение которых в активную зону немедленно прекращает реакцию. Управление стержнями автоматизировано. В 1971 г. началось строительство первой атомной электростанции в Украине в Чернобыле. После аварии 1986 г. её закрыли в 2000 г. В настоящее время в Украине действуют 4 атомные электростанции установленной мощности 12 818 млн. кВт (рис. 224): Запорожская АЭС, Ровенская АЭС (рис. 225), Хмельницкая АЭС, Южно-Украинская АЭС. Реакторы этих станций имеют мощность 500-1000 Мвт. В структуре прои.зводства электроенергии АЭС составляют свыше 40 %. ^ ЮПГОСЫ ^ ^JLOAHHfl 1. Назовите основные этапы становления ядерной энергетики. 2. Дайте определение ядерной энергетики. 3. Чем отличается устройство АЭС от обычных тепловых электростанций? 4. Каково устройство ядерного реактора? 5*. Для чего нужны замедлитель и отражатель нейтронов? 6. Как управляют ходом цепной реакции? 7. Какие атомные электростанции действуют в Украине? $ 41) ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ' И СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ Преимуществами АЭС перед тепловыми электростахщиями является то, что они не требуют дефицитного органического топлиня и не загружают железную дорогу доставкой угля. Атомные электростанции не расходуют атмосферный кислород и не загрязнют окружающую среду золой и продуктами сгорания. Имеются данные, что выбросы АЭС в атмосферу 184 Глава 4 содержат радиоактивных веществ меньше, чем выбросы тепловых электростанций. Но АЭС имеют также вредные и опасные факторы влияния на окружающую среду, прежде всего - это угроза радиоактивного загрязнения окружающей среды во время аварийных ситуаций. Проекты АЭС гарантируют безопасность персонала станции и населения. Мировой опыт эксплуатации АЭС свидетельствует, что биосфера надёжно защищена от радиационного влияния станции в нормальном режиме эксплуатации. Но ошибки персонала и просчёты в конструкциях реакторов не исключают аварий, как это произошло во время взрыва четвёртого реактора Чернобыльской АЭС. После этих событий резко возросла интенсивность научных исследо-ва1шй в области гарантирования безопасности объектов атомной энергетики. Анализ результатов многих исследований проблем безопасности АЭС хотя и выявил недостатки, упущения, даже ошибки в обеспечении безопасности АЭС, но и подтвердил убеждённость специалистов в том, что на основе современных знаний и технологий можно достичь высокого уровня безопасности АЭС. Теоретически ядерная энергия близка к идеальной. Тем не менее с её производством связано немало проблем. Во время работы ядерных реакторов накапливаются радиоактивные отходы. Распадаясь, они выделяют тегшо, поэтому их нужно ещё продолжительное время охдаждать после окончания управляемого процесса деления. На сегодня пока нет приемлемого способа хранения отходов, остающихся долгое время высокорадиоактивными. Имеются проблемы надёжности хранилищ радиоактивных веществ, дамб для защиты рек и водоёмов от радиоактивного загрязнения. Высокорадиоактивные отходы невозможно уничтожить: их необходимо изолировать от окружающей среды на десятки тысяч лет — лишь тогда они не будут причинять никакого вреда. Производство ядерной энергии выросло из производства ядерного оружия. Ядерное оружие намного разрушительнее, чем все прежние его виды. Ядерный реактор по ряду пршгии не может взорваться, как ядерная бомба. Однако он содержит такое количество радиоактивных веществ, которое в тысячу раз превышает колш1ество веществ, высвобождённых над Хиросимой. Следовательно, высвобождение даже незначительной части этих материалов может нанести огромный вред и человеку, и окружающей среде. Загрязнение окружающей среды происходит и в результате техногенных выбросов, происходящих при работе атомных реакторов. До 1994 г. построено почти 430 энергетических атомных реакторов, которые в десятки раз увеличили выбросы радиоактивных веществ в окружающую среду. Выбросы не должны превышать то количество веществ, которые может поглотить, переработать биосфера без вреда для себя. Проблема загрязнения биосферы — важнейшая, потому что её решение касается других проблем — энергии, ресурсов, питьевой воды и др. АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 185 Загрязнение территории Украины радиоактивными выбросами во время катастрофы на Чернобыльшсой АЭС не имеет аналогов ни по масштабам, ни по тяжести экологических, социальных и экономических последствий. В результате аварии загрязнено около 12 млн гектаров территории, из них 8,41йлн гектаров сельскохозяйственных угодий. В период эксплуатации АЭС, а также после выработки её ресурса вокруг АЭС необходимо создавать санитарную зону, что приводит к утрате больших площадей, пригодных для хозяйственной деятельности человека. Производство атомной энергии требует высокой квалификации персонала, обслуживающего атомные реакторы, что позволяет избегать ошибок, могущих привести к аварии. ■ОПРОСЫ N ЗАДАНИЯ 1. 2. 3*. Каковы преимущества АЭС? Назовите основные проблемы ядерной энергетики. Почему радиоактивное загрязнение близ действующих АЭС оказывается меньшим, чем возле тепловых электростанций, работающих на каменном угле? ( ТЩЧИ и VHFHRIinnia ) у Решоем вместе 1. Что произойдёт, если изолированный медный шарик покрыть полонием, излучающим а-частицы, и поместить его в вакуум? Ответ: полоний, теряя положительный заряд, сообщает шарику отрицательный заряд. 2. Почему основное количество а-часгиц свободно проходит сквозь золотую фольгу? Ответ: так как положительно заряженное ядро атома занимает малый объём, то лишь отдельные а-частицы могут с ним столкнуться. (УровеиьА } 228. Что даёт основание утверждать, что положительный заряд атома сосредоточен в малом объёме и определяет массу атома? 229. Почему на мемориальной доске, установленной на здании колледжа, где учился Э. Резерфорд, написано: «Он соорудил себе памятник недосягаемый, который переживёт столетия»? 230. Почему радиоактивные препараты хранят в толстостенных свинцовых контейнерах? 231. Чем обусловлено внутреннее облучение человека и какова его эквивалентная доза? 232. Чем обусловлено внешнее облучение человека и какова его эквивалентная доза? 233. Почему нейтроны, не вызывающие ионизации, отрицате.пьно влияют на ткани тела человека? 234. Почему радиоактивные изотопы иода-131 и плутония-239 очень вредны для организма? 235. Является ли телевизор источником радиоактивного излучения? НП 186^ Глава 4 к: 36. Как защититься от действия ионизирующего излучения? ?3Почему свинец является наилучшей защитой от радиации? ;i38. Как уменьшить чувствительность организма к радиации? ( YpoicHbB ) 239. Почему врачи-рентгенологи во время работы пользуются рутсавицами, фартуком и очками, изготовленными из материалов, содержащих соли свинца? 240. Доза 1 Гр поглощённого излучения а-частиц оказывает на живой организм приблизительно Taicoe же биологическое действие, как 20 Гр 7-и.злучения. Определите коэффициент относительной биологической эффективности для а-частиц. 241. Во врехйя работы атомного реактора в тепловыделяющих элементах накапливается значительное количество радиоахстивных изотопов различных химических элементов. Среди них изотопы иода-131, иода-133, иода-135. Периоды полураспада этих изотопов соответственно равны 8 сут., 20 ч, 7 ч. Во время аварии на Чернобыльской АЭС выброс Э1’их изотопов составлял значительную часть от общего количества. Определите, какая часть каждого из изотопов иода распалась до конца первого месяца после аварии на Чернобыльской АЭС. 242. Среди радиоактивных загрязнений, вызванных аварией на Чернобыльской АЭС, самые опасные — долгоживущие продукты деления — стронций-90, цезий-137. Рассчитайте время до момента, когда активность этих загрязнений уменьшится в 10 раз. Периоды полураспада этих изотопов соответственно равны 28 и 30 лет. ИСТ0РИЧ1СКАЯ СПРАВКА Иваненко Дмтрий Дмитриевич (29.07.1904 — 30.12.1994) — доктор физико-математических наук, профессор Московского университета им. М. В. Ломоносова. Родился в Полтаве. Дед Дмитрия со стороны отца, как и многие из его рода, был священником. Отец издавал газету «Полтавский вестник». В 1920 г. Дмитрий окончил Полтавскую гимназию, где за высокую эрудицию его называли «профессором». В 1920-1923 гг. работал учителем физики и математики в Полтавской трудовой школе. Одновременно учился в Полтавском педагогическом институте, который успешно окончил. Тогда же поступил в Харьковский университет, рабо-Дмитрий Иваненко ^ ^ Полтавской астрономической обсерватории. Со временем был переведён в Ленинградский университет, который окончил в 1927 г Возглавлял отдел теоретической физики в Украинском физико-техническом институте в Харькове, работал в Ленинградском физико-техническом институте, в научно-исследовательских учреждениях Томска и Свердловска. В 1940-1941 гг был профессором, заведующим кафедрой теоретической физики Киевского АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЁРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 187 университета. С 1943 г. — профессор Московского университета, с 1949 г. также работал в Институте истории естествознания и техники АН СССР. Основные направления научной деятельности; теоретическая физика, теория гравитации (тяготения), история физики. В конце февраля 1932 г. английский физик Д. Чедвик на страницах английского журнала Nature сообщил об открытии им третьей элементарной частицы — нейтрона, а уже 28 мая 1932 г. Д. Д. Иваненко выступил на страницах этого же журнала со статьёй «Гипотеза о роли нейтронов», в которой впервые высказал мысль, что нейтрон наряду с протоном является структурным элементом ядра, и впервые сформулировал протонно-нейтронную модель ядра, ныне общепризнанную. За исследования по теории электрона, «светящегося» при быстром движении по окружности в магнитном поле, и современных проблем электродинамики, изложенных в монографии «Классическая теория поля» (1949), в 1950 г он вместе с И. Я. Померанчуком и А. А. Соколовым удостоен Государственной премии СССР. Автор многочисленных научных работ, в частности «Квантовой теории поля» (1952). Пионером в области ядерных исследований в Украине был Харьковский физико-технический институт. В 1932 г. здесь впервые осуществлено расщепление ядра атома лития быстрыми протонами на две а-частицы {К. Д. Синельников, А. И. Лейпунский, А. К. Вальтер, Г. Д. Латышев). В 1939 г. в Харькове построен первый электростатический ускоритель заряженных частиц на 2,5 МэВ, с помощью которого К. Д. Синельников и А. К. Вальтер исследовали поглощение быстрых электронов веществом. Весомый вклад в развитие ядерной физики и ядерной энергетики сделал А. И. Лейпунский. Он получил в 1934 г первое косвенное подтверждение гипотезы нейтрино, исследуя импульсы отдачи ядер во время а-распада. В 1935-1939 гг. под руководством А. И. Лейпунского исследовано взаимодействие нейтронов с различными веществами — водой, парафином, железом и никелем (Т. А. Голо-бородько, л. В. Розенкевич, Д. В. Тимощук). В Киеве ядерные исследования начались в 1944 г. под руководством А. И. Лейпунского. С 1946 г. этими исследованиями в Институте физики АН УССР руководил М. В. Пасечник. Учёные изучали взаимодействия ядер с нейтронами радон-бериллиевого источника в 100 мКи. В 1960 г. в Украине запущен экспериментальный ядерный реактор ВВР-М с тепловой мощностью 10 МВт. С целью ускорения протонов построен электростатический генератор в сжатом газе на энергию 2,5 МэВ для протонов. В. И. Стрижак, М. Д. Борисов и другие разработали Кирилл Синельников Александр Лейпунский Антон Вальтер Георгий Латышев 188 Глава 4 низковольтные генераторы протонов. С 1953 г. в Институте физики АН УССР действует циклотрон У-120, на котором можно ускорять протоны, ядра дейтерия и а-частицы до энергий соответственно 6,8; 13,6 и 27,2 МэВ. Исследования на ядерном реакторе дали важные сведения о взаимодействии нейтронов с различными веществами, необходимыми для выбора конструкционных материалов при строительстве промышленных атомных электростанций. На ядерном реакторе сотрудниками многих научно-исследовательских институтов исследовано влияние нейтронов и у-излучения на различные материалы, растения, микробы и другие биологические объекты. В 1964 г. создан электростатический генератор на 5 МэВ. На базе ядерных отделов Института физики в 1970 г. в Академии наук Украины образован Институт ядерных исследований АН УССР. В 1977 г. здесь введён в эксплуатацию изохронный циклотрон У-240. Наряду с экспериментальными проводились широкие теоретические исследования по ядерной физике. Первой по теории ядра была работа Л. Д. Ландау (1937), посвящённая статистической теории ядер, которую он выполнил в Харьковском физико-техническом институте. Это была одна из основных работ в мировой науке, которая развивала идею Н. Бора о возможности исследования тяжёлых ядер с помощью методов статистической механики. Л. Д. Ландау рассчитал плотность уровней в возбуждённом ядре и впервые получил теоретическое соотношение между плотностью уровней и энергией возбуждения. Большое значение для развития ядерной физики имели работы одного из основателей харьковской школы физиков-теоретиков, руководителя отдела теоретической физики Украинского физико-технического института А. И. Ахиезера, в частности его монография «Некоторые вопросы теории атомного ядра» (в соавторстве с И. Я. Померанчуком). Лев Ландау nPOBiPbTi СЮИ ЗНАНИЯ Скоитрольные теиросы^ 1 Какое научное значение имели опыты Э. Резерфорда? 2. Почему модель атома назвали «планетарной»? 3. Что такое радиоактивность и какие существуют её виды? 4. Какие радиоактивные вещества вы знаете? 5. Назовите величины для определения дозы облучения. Чем они различаются? 6 Назовите основные единицы доз излучения. Покажите связь между ними. 7. Каким образом может поражать организм человека радиоактивное излучение? 8. Одинаково ли реагируют органы человека на радиоактивное излучение? Докажите это. 9. Какие радиоактивные вещества при ядерных катастрофах наиболее опасны? 10. За счёт какого вида энергии вырабатывают электрическую энергию на атомных станциях? АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 189 11, Почему атомные реакторы размещают за массивными железобетонными стенами и другими защитными сооружениями? 12. Каковы перспективы развития ядерной энергетики в Украине? Я знаю, какие опыты выполнил Э. Резерфорд. 1. Почему в своих опытах Э. Резерфорд использовал именно золотую фольгу? 2. Почему в своих опытах Э. Резерфорд использовал а-частицы, а не электроны? Я знаю, что такое радиоактивность. 3. Какие частицы имеют большую энергию: а- или р-частицы? 4. Какие вещества используют для защиты от радиоактивного излучения? Я умею определять период полураспада атомных ядер. 5. Определите период полураспада ядер урана-235 (воспользуйтесь таблицей в справочнике). Я умею пользоваться дозиметрами. 6. Какие приборы изображены на рисунке 226? Для чего их исполь>зуют? 7. Можно ли с помощью дозиметра измерить эквивалентную дозу у-излучения? Я знаю, как человек заидищает свой организм от радиации. 0. Почему радиологи при измерении радиационного загрязнения среды надевают специальные костюмы (рис. 227)? 9 Почему в стекло для радиационных камер добавляют свинец? 10. Какими химическими элементами более всего «загрязнена» «чернобыльская зона»? Я знаю строение атома. 11. На рисунке 228 показаны образцы металлического натрия и жидкого хлора. Какое вещество образуется при их соединении? 12. Почему атом может терять электрон или захватывать его? Что при этом образуется? Рис. 227 Рис. 226 Рис. 228 190 /— Глава 4 (тестовые задоннш) Вариант I 1 Какое из излучений отклоняется в магнитном поле? А. 7-Излучение. Б. Поток протонов. В. Поток нейтронов. Г. Световые лучи. 2 Сколько протонов Z и нейтронов N в ядре изотопа кислорода 'gO? А. Z=8. Л/=17. B.Z = 8. Л/ = 9. B.Z=17.A/ = 8. r.Z=8.A/ = 8. 3. Какое из перечисленных излучений имеет наибольшую проникающую способность? А. р-Излучение. Б. а-Излучение. В. 7-Излучение. Г. Рентгеновское излучение. 4 Каков порядковый номер у элемента, образовавшегося в результате а-распада ядра элемента с порядковым номером Z? А. Z+2. B.Z-2. B.Z-4. Г. Z-1. 5 К какому типу относится реакция ?зА1 + in -> *|Na + ^Не? А. Ядерная реакция. Б, Термоядерная реакция. В. Управляемая ядерная реакция. Г. Цепная реакция. 6. Каков период полураспада иода-131? А. 6 сут. Б. 18 сут. В. 8 сут. Г. 80 сут. 7. Какой физический фактор влияет на значение активности радиоактивного препарата? А. Температура. Б. Масса. В. Давление. Г. Электрическое поле. 8. Чем отличаются изотопы определённого химического элемента? А. Числом протонов в ядре. Б. Химическими свойствами. В. Числом электронов в оболочке. Г. Числом нейтронов в ядре. 9 Какой материал является наилучшим для защиты от 7- и рентгеновского излучений? А. Дерево. Б. Свинец. В. Железо. Г. Бетон. I о На каких электростанциях используют ядерное топливо? А. ВЭС. Б. ГЭС. В. АЭС. Г. ГРЭС. II Какой прибор применяют для измерения дозы радиоактивного излучения? А. Вольтметр. Б. Амперметр. В. Дозиметр. Г. Ваттметр. 12 Каким продуктом питания следует обогатить свой рацион, чтобы предупредить накопление в организме стронция? А. Сало. Б. Хлеб. В. Творог. Г. Сахар. Вариант II Какие частицы использовал в своих опытах Э. Резерфорд? А. Нейтроны. Б. Электроны. В. Протоны. Г. Ядра гелия. Какие из частиц, движущихся в магнитном поле, не отклоняются им? А. Электроны. Б. Нейтроны. В. Протоны. Г. Никакие. Сколько протонов Z и нейтронов N в ядре изотопа углерода ’^С? A.Z = 6,W=13.B.Z=6.A/ = 7. B.Z=13,A/ = 6. r.Z=6, Л/ = 6. Каков период полураспада стронция-90? А. 28 лет. Б. 24 сут. В. 240 сут. Г. 240 лет. АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 5 Каков порядковый номер у элемента, образовавшегося в результате Р-распада ядра элемента с порядковым номером Z? A.Z+1.B.Z-0. B.Z-2.r.Z-1. 6 К какому типу относится реакция *Н + ?Н -> jHe + 1п7 А. Ядерная реакция. Б. Термоядерная реакция. В, Управляемая ядерная реакция. Г. Цепная реакция. 7 От какого из перечисленных факторов зависит активность радиоактивного препарата? А. Период полураспада. Б. Магнитное поле. В. Давление. Г. Температура. 8 Какой из перечисленных изотопов не может быть топливом в реакторах на медленных нейтронах? А. ’SPu. б. ’^и. В. 'йи. Г =’^U. 9 В каких регионах Украины размещаются наибольшие залежи урановых руд? A. В западных областях. Б. В Днепропетровской и Кировоградской областях. B. В Донецкой и Луганской областях. Г. Ни в одном из регионов. 10 Какое из перечисленных веществ является наилучшим замедлителем быстрых нейтронов? А. Золото. Б. Ртуть. В. Вода. Г. Железо. Какой из перечисленных источников радиации является искусственным? A. Космические лучи. Б. Отходы тепловых и атомных электростанций. B. Гранитные породы. Г. Радиоактивный радон. 12. Каким продуктом питания нужно обогатить свой рацион, чтобы предупредить накопление в организме цезия? А. Сало. Б. Хлеб. В. Изюм. Г. Сахар. 192 ОБОБЩАЮЩИ! ЗАНЯТИЯ [§^ ВЛИЯНИ! ФИЗИКИ ИА ОБЩ1СТВЕИИОЕ РАЗВИТИЕ И ИАУЧИО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС Научно-технический прогресс характеризуется связью науки с производственными процессами. Р1а базе научных открытий в физике совершенствуются, например, электрофизические, электронные, электрохимические, ультразвуковые технологические процессы и возникают новые отрасли промышленности: на основе достижений ядерной физики — ядерная энергетика и производство радиоактивных изотопов; на основе достижений физики твёрдого тела — производство полупроводниковых приборов, новых материалов с заданными свойствами. Резко сокращаются сроки внедрения научных открытий в производство. Большое значение для научно-технического прогресса имеет энергетическая база техники. Ньше основным видом энергии является электрическая — наиболее универсальный вид энергии — она широко применяется в технологических процессах, использующих тепловые, световые, электромагнитные и другие действия электричества, в системах управления, транспорта, связи и во всех сферах быта. Во всём мире наблюдается рост потребления электроэнергии. Каждые 8-9 лет производство электроэнергии на Земле удваивается. Свыше 80 % электроэнергии производится на ТЭС, их значение в энергетике ещё долгое время будет оставаться определяющим. Со времени введения в действие первой АЭС в Украине прошло более 40 лет. За это время в технике АЭС произошли большие изменения: резко возросли мощности ядерных реакторов, повысились технико-экономические показатели АЭС. Для районов, удалённых от ресурсов химического топлива, себестоимость 1 кВт • ч для АЭС меньше, чем для ТЭС. Развитие атомной энергетики происходит на основе использования ядерных реакторов на тепловых нейтронах. Важными задачами усовершенствования таких реакторов и развития АЭС являются увеличение мощности реакторов (до 1,5-2,0 млн киловатт) и турбогенераторов для них, создание высокотемпературных реакторов (800-1000 °С и выше), которые позволят улзгчшить использование ядерного топлива и применить ядерную энергию в высокотемпературных технологических процессах. В развитии энергетики Украины значительную роль играет гидроэнергетика. Преимущество ГЭС состоит в неисчерпаемости гидроресзфсов, очень низкой себестоимости произведённой энергии, отсутствии вредного влияния на окружающую среду. Недостатком ГЭС является относительно высокая стоимость их сооружения. ___________________________________________~-------------------1 193 , Разрабатываются также новые методы и способы получения электроэнергии. В частности, достигнут большой прогресс в преобразовании солнечной и ветровой энергии в электрическую, начинают применяться магнитогидродинг1мические способы генерирования электрического тока. Во всём мире ведётся большая работа над проблемой термоядерного синтеза. Эксперты прогнозируют появление и использование промышленных термоядерных реакторов к середине нынешнего столетия. Важным направлением современного научно-технического прогресса является радиоэлектроника, развитие её технических средств и их применение во многих областях человеческой деятельности. Современная радиоэлектроника является воплощением синтеза научных методов и технических средств для запоминания, переработки и передачи информации на основе использования электромагнитных явлений. Трудно назвать другую область техники, которая по своему влиянию на жизнь и деятельность человека занимала бы такое важное место. Современную радиоэлектронику по праву считают определяющим направлением научно-технического прогресса. Усложнение современного промышленного производства, возрастающие взаимосвязи отдельных предприятий между собой требуют автоматизации многих функций управления. Это можно сделать лишь с помощью электронных автоматизированных систем управления, материальной основой которых являются компьютерные технологии. Компьютеры широко применяются во всех сферах науки, техники и производства. Использова11ие компьютеров для автоматизации умственного труда позволяет решать проблему оперативного поиска, обработки и передачи огромных объёмов информации, накопленных к настоящему времени во всех сферах общественной деятельности. Они открыли широкие Физика 13 194 Обобщающие занятия возможнскти в управлении производственными процессами на основе автоматизированных систем управления как в технологической сфере, так и в сфере администрирования. Без применения компьютеров не обходится ни одно научное исследование. Широко применяются компьютерные системы в практической медицине для диагностики заболеваЕшй и поддержания жизнедеятельности пациентов на этапах лечения и реабилитации. Без них невозможны запуски космических кораблей, для вывода их на орбиту необходимо за короткое время переработать огромный объём информации. Все данные о полёте корабля, состоянии бортовых систем и самочувствии космонавтов вводятся в бортовые вычислительные устройства, передаются на Землю и после обработки поступают в системы корабля и наземных комплексов в виде команд на выполнение. Задачи автоматизации производства потребовали создания гибких, точных и надёжных систем управления технологическими процессами. Области использования таких систем чрезвычайно широки. Это и нагрев в высокочастотных электромагнитных полях при термической обработке деталей (закалка, плавление, пайка, сварка), и применение ультразвука для интенсификации различных технологических процессов (очистка деталей, ударная ультразвуковая притирка, резка крупногабаритных заготовок, пайка, сварка) — электронные системы позволяют автоматизировать все современные технологические процессы, связанные с обработкой различных материалов. Наибольшая степень автоматизации наблюдается в энергетической, металл5фгической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, машиностроении и на транспорте. Компьютеры применяются в станках с программным управлением, они управляют электропоездами, самолётами, кораблями, контролируют движение в аэропортах и на автострадгос. Очень важным направлением научно-технического прогресса являются космические исследования, развитие космонавтики. Успехи в этой области обеспечиваются развитием надёжной ракетной техники, способной выводить в космос спутники разного назначения и корабли со сложной аппаратурой и человеком на борту. Уже отмечалось, что прогресс космонавтики оказался возможным благодаря развитию электронной вычислительной техники, микроэлектроники и систем автоматики. В наше время уже трудно представить современные системы связи, навигации, метеорологии без искусственных спутников Земли и космических станций, которые позволили обеспечить глобальный характер этих систем и оперативность в выполнении их функций. Стали обыденными спутниковые телевидение, Интернет и мобильная связь как составляющие единой информационной системы. Орбитальные телескопы расширили границы наблюдаемого космоса, межпланетные станции уже позволяют учёным исследовать ближайшие планеты и создавать проекты их использования, а также наблюдать далёкие планеты и их спутники. Одним из ключевых направлений научно-технического прогресса является создание новых материалов с заданными свойствами, использование редких химических элементов. 195 Успехи космонавтики, радиоэлектроники, атомной энергетики, авиации, машиностроения во многом связаны с достижениями в области производства сверхтвёрдых, жаропрочных, антикоррозионных материалов, получением в необходимых количествах редких металлов и их сплавов, синтезом искусственных материалов с уникальными свойствами. Знание зависимости химических и физических свойств вещества от его состава, структуры и условий производства позволяет учёным предвидеть свойства новых материалов и целенаправленно синтезировать их с заранее заданными механическими, магнитными, оптическими и электрическими характеристиками. Одним из ярких примеров в этой области является производство разнообразных полупроводниковых материалов, обеспечивших создание малогабаритных, надёжных и экономичных электронных ус1ройств. g> ■ОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1 *. Каковы основные направления научно-технического прогресса? 2. Расскажите о роли автоматизации в развитии промышленности. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА Вы много поработали в течение года, круг ваших знаний, полученных на уроках по разным предметам и в процессе самостоятельных занятий значительно расширился, ваши предстггвления об окружающем мире стали чётче и полнее. Изученный вами материал по физике является результатом гигантской исследовательской работы, выполненной на протяжении многих столетий учёными всего мира по исследованию разных форм движения материи, строения и свойств материальных тел. Вы убедились в том, что при всём разнообразии окружающий материальный мир един. Это единство проявляется в том, что все явления, какими сложными они не казались бы, — это различные состояния и свойства движущейся материи, то есть их природа материальна. Единство мира проявляется во взаимосвязи всех явлений, возможности взаимопревращений форм материи и движения, а также в существовании общих законов движения материи. Задача физики и других естественных наук заключается в том, чтобы выявить и изучить законы природы, объяснить на их основе конкретные явления и процессы. Отображением единства мира в познании является синтез научных знаний, полученных в процессе исследования природы различньпми науками. На каждом этапе развития науки возникает необходимость объединения научных знаний в единую систему знаний о явлениях, процессах и других объектах природы — в сстсствешюпау'шую картину мира. Физическая картина мира представляет часть всей системы знаний о природе, поскольку она касается лишь физических свойств материальных тел и физических форм движения материи. Физическая картина мира даёт общее представление о сути физических явлений на определённом этапе 13- 196 Обобщающие занятия развития физической науки. Естественно, что с развитием физики увеличивается количество открытых законов. Одновременно устанавливается связь между этими законами, некоторые из них получают теоретическое обоснование и дальнейшее обобщение, на основе чего часто оказывается возможным вывести известные ранее законы из более общих физических теорий и принципов. Так, из электронной теории строения вещества можно вывести законы Ома, Джоуля-Ленца и Фарадея. В древнем мире все знания о природе объединяла в себе физика, и уже к тому времени были сформулированы основные элементы материалистического понимания мира. Мыслители Древней Греции Левкипп, Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар утверждали, что окружающий мир по своей природе материален, он несотворим и неуничтожим, существует вечно во времени и беспределен в пространстве. Все тела состоят из первичных, далее неделимых частиц — атомов, которые при всех изменениях не возникают из ничего и не уничтожаются, а лишь взаимодействуют и преобразуются. Николай Коперник в 1543 г. предложил гелиоцентрическую систему мира. Прогресс физических знаний подготовил почву для формирования механической картины мира на основе законов механики Ньютона. Согласно учению Ньютона весь мир состоит из твёрдых, непроницаемых частиц — атомов, обладающих массой и свойством инертности. Физика Ньютона давала общую и наглядную картину мира. Законы механики позволяли очень точно рассчитать положения небесных тел на многие годы вперёд, предсказать солнечные и лунные затмения, в наше время на их основе проводятся расчёты орбит искусственных спутников и траектории межпланетных станций. Механика успешно описывала движение молекул в газе и деталей сконструированных на её основе механизмов. Ко второй половине XIX ст. механическая картина мира представлялась учёным завершённой и способной объяснить все известные явления природы. 197 Однако результаты исследований электромагнитных явлений, вьтолне-нных Эрстедом, Ампером, Араго и другими, показали, что эти явления невозможно объяснить на основе законов механики. Трудности развития теории электромагнитных явлений ещё более углубились исследованиями Фарадея, который установил взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями. Только после создания теории электромагнитных явлений английским учёным Дж. К. Максвеллом в физике постепенно утверждается представление о мире как о всеобщей системе, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих между собой посредством электромагнитного поля. Было начато создание единой электромагнитной картины мира, все события в которой подчиняются законам электромагнитных взаимодействий. Однако дальнейшее развитие физики показало ограниченность и электромагнитной картины мира. Она не смогла объяснить многие известные явления: устойчивость атомов, химическую связь атомов в молекулах, явления радиоактивности, не охватывала явление тяготения (закон всемирного тяготения нельзя вывести из теории электромагнитного поля) и др. Фундаментальные открытия в физике в начале XX в. привели к замене электромагнитной картины мира качественно новой — квантово-полевой, с основами которой вы ознакомитесь на уроках физики в старшей школе. Она основана на достижениях квантовой механики, которая в целом объяснила структуру атомов и молекул, природу химической связи, физико-химические свойства макроскопических тел, описала многие свойства и законы мира микрочастиц, С точки зрения современной физики существуют две основные формы материи — вещество и поле. Вещество имеет прерывистую (дискретную) структуру, а поле — непрерывную. Современная физическая картина мира является результатом обобщения всех достижений физической науки. Однако, хотя эта картина мира и отличается большой общностью и успешно описывает большинство известных природных явлений, среди них остаются и такие, которые современная физика объяснить не может. Физическая картина мира постоянно развивается и совершенствуется, на смену существующим квантово-полевым представлениям придёт новая картина, которая глубже и точнее будет отображать объективный мир физических явлений. Но в этой картине мира составной частью будет всё то, что мы уже знаем о физических явлениях. [?> ВОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ 1. Почему возникает необходимость в изменении существующей научной картины мира и формировании новой? 2*. Какова практическая ценность изучения развития научной картины мира? 3*. Возможно ли с накоплением достоверных знаний создание окончательной и «правильной» картины мира? ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ВОКРУГ НАС 1. Можно ли трением наэлектризовать эбонитовую палочку как положительно, так и отрицательно? 2. Можно ли наэлектризовать медный стержень, держа его в руке? 3. Почему в грозу возникают электрические разряды в атмосфере? 4. Почему покрытый пылью заряженный проводник теряет заряд быстрее? 5. Для чего верхний конец молниеотвода заостряют? 6. В Антарктиде во время снежных бурь часто можно наблюдать появление в воздухе электрических искр длиной до 50 см. Почему они возникают? 7. Если имеется положительно заряженный изолированный проводник, то как зарядить два изолированных металлических шара с помощью этого проводника, не уменьшая его заряда, при этом на одном шаре получить положительный заряд, а на другом — отрицательный? 8. Дождь застал вас в поле. Недалеко стоит высокое дерево с большой кроной. Можно ли использовать его для защиты от дождя? 9. На рисунке 219 изображены простейшие самодельные электроскопы. Изготовьте электроскоп, используя стеклянную банку Б, металлический стержень С, загнутый на конце, тонкую полоску металлической фольги Ф, пластмассовую крышку К. Испытайте действие электроскопа с помощью наэлектризованного тела. Какие опыты вы можете показать, используя электроскоп? 10. В срез сырой картофелины на расстоянии 1 -2 см воткните две иглы и присоедините их к полюсам гальванического элемента. Наблюдайте за изменением цвета картофеля возле катода и анода. Можно ли таким методом выявить наличие нитратов в картофеле? Какой здесь тип электропроводности? 11. Рассмотрите гальванические элементы от фонарика. Запишите напряжение каждого элемента. Нарисуйте схему соединения элементов в фонарике. Измерьте вольтметром напряжение на элементе и на батарее, сравните их. 12. Если в помещении включают прибор большой мощности, например электроутюг, то накал электроламп становится слабее. Объясните, почему. 13. На протяжении года на Земле возникают около 8 млн молний. Вычислите суммарную мощность молний, если сила тока во время разряда равна приблизительно 10 000 А. я напряжение — 100 млн вольт. 14. Иногда перегоревшую электролампу можно «оживить» встряхиванием — нить накала снова замыкается, но становится короче. Почему такая лампа светит ярче? 15. Почему температура нагревательного элемента электроплитки не возрастает со временем беспредельно, хотя плитка расходует электроэнергию? 16. Почему иногда сильно нагреваются выключатели, розетки, штепсельные вилки? Рис. 219 ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ВОКРУГ НАС 17. Почему на улицах города загораются все фонари одновременно, хотя фонари и источник тока могут быть расположены один от другого на расстоянии нескольких километров, а скорость направленного движения электронов внутри проводника м крайне мала (порядка 0,01 ^)? 18. Почему электрический ток не проходит в дистиллированной воде? 19. Имеет ли значение для химического действия направление электрического тока? 20. Можно ли создать гальванический элемент, опустив в раствор кислоты или соли две цинковые пластины? 21. Начертите схему электрической цепи, состоящей из батареи и двух ламп, каждую из которых можно включать независимо одна от другой. 22. На посту дежурной медсестры есть электрический звонок. Начертите схему цепи, позволяющей включать звонок больным в трёх разных палатах. 23. В одну и ту же сеть включают различные бытовые приборы; лампу, плитку, вентилятор и др. Почему сила тока в этих приборах разная? 24. В сеть напряжением 120 В включены электрический чайник и настольная лампа. Сопротивление спирали чайника равно 22 Ом, сопротивление нити накала лампы — 240 Ом. Определите силу тока в каждом из приборов. 25. По параметрам, написанным на цоколе лампочки карманного фонарика, определите номинальное сопротивление лампы. 26. Электрическая лампа, сопротивление которой равно 240 Ом, светится полным накалом при силе тока 0,5 А. Каково напряжение на зажимах лампы? 27. Объясните характеристики, указанные на электрической лампе, электроутюге, электроплитке. Почему приведены именно эти данные? 28. Как определить, может ли электросчётчик, установленный в квартире, выдержать нагрузку всех имеющихся электропотребителей? 29. В течение 15 мин лечебной электропроцедуры человек получает без негативных последствий электрический заряд около 10 Кл. При ударе молнии через тело человека проходит приблизительно такой же электрический заряд, оказывающийся смертельным. Почему? 30. Определите си лу и мощность тока, если через проводник сопротивлением 20 кОм в течение 0,01 с проходит электрический заряд 10 Кл. 31. Сколько лампочек сопротивлением 20 Ом каждая и рассчитанных на силу тока 0,3 А нужно соединить последовательно в ёлочную гирлянду, чтобы её можно было включить в сеть 220 В? 32. Какие лампы, включённые в сеть, будут светить ярче — с боЛьшим или меньшим сопротивлением? 33. Рассмотрите запасные плавкие предохранители к бытовым электроприборам. Запишите предельные значения токов плавких вставок. Начертите схему соединения электропотребителя с предохранителем. 34. Почему запрещается вместо промышленных плавких предохранителей применять медные проводники («жучки»)? 35. В правилах безопасности подчёркивается, что проводники, вспыхнувшие во время короткого замыкания, нельзя гасить водой, а нужно забросать песком или землёй. Объясните, почему. 36. Почему практически не известны случаи, когда молния попадает в громоотвод? 37. Как с помощью магнита отделить железные опилки от медных? Почему это можно сделать? 38. Одну из двух стальных игл намагнитили. Как узнать, какая из них намагничена, если в распоряжении имеются только эти иглы? Что будет с иглами, если их разместить на пробках, плавающих в воде? i200 ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. Стрелка компаса отклоняется от начального положения, если к ней поднести магнит. Отклонится ли она, если к ней поднести стальной брусок? медный брусок? В поддоне двигателя трактора имеется сливное отверстие для масла, в которое вкручивают намагниченную пробку. С какой целью намагничивают пробку? Вдоль магнита в разных его частях размещены железные пластинки Какую из них легче оторвать от магнита и почему? Почему к магниту притягиваются ненамагьиченные железные гвозди? Притягиваются ли железные предметы к середине магнита? Почему оправу для компаса не изготовляют из железа? Изучите взаимодействие магнитной стрелки компаса и железного провода. Для этого подносите железный провод поочерёдно к северному и южному полюсам магнитной стрелки компаса. Что вы наблюдаете? Объясните результаты опыта. Изучите устройство громкоговорителя (динамика). Рассмотрите, как соединяется катушка с мембраной (диффузором). Из какой стали должен быть изготовлен электромагнит (индуктор) электродвигателя? Изменится ли направление вращения ротора, если изменить направление тока: в нём; в обмотках злектромагнитов; одновременно в роторе и электромагнитах? Радиоактивный источник, испускающий три вида излучений, намерены использовать для дезинсекции зерна. Какое излучение наиболее эффективно для этого? Как нужно разместить источник относительно зерна? Наибольшую проникающую способность имеет у-излучение, а наибольшее ионизирующее действие оказывает а-излучение. Почему? Для выявления повреждений в трубопроводах в транспортируемую жидкость добавляют радиоактивную примесь. Как при зтом можно обнаружить место повреждения трубопровода? СЛОВАРЬ ФИЗИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ А Аккумулятор — источник тока периодического действия, способный накапливать электрическую энергию вследствие пропускания через кислотный или щелочной раствор электрического тока. Альфа-(а)-частица — ядро атома гелия, испускаемое ядрами некоторых радиоактивных элементов; «-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Ампер (1 А) — сила тока, который, протекая в двух параллельных прямолинейных бесконечной длины тонких проводниках, размещённых в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия 2 ■ 10"' Н. Амперметр — электроизмерительный прибор для измерения силы тока; в электрическую цепь включается последовательно. Атом — мельчайшая частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса; состоит из протонов и нейтронов; имеет положительный электрический заряд, Б Батарея — совокупность одинаковых приборов (гальванических элементов, аккумуляторов, термоэлементов, конденсаторов), объединённых в определённую систему для общего действия. Ваттметр — прибор для измерения мощности электрического тока в цепи. Ватт (1 Вт) — единица мощности электрического тока, равен мощности тока силой 1 А при напряжении на концах проводника 1 В. СЛОВАРЬ ФИЗИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ Вольт (1В) — единица электрического напряжения, равен напряжению на концах проводника, при котором работа по перемещению по этому проводнику электрического заряда один кулон (1 Кл) равна одному джоулю (1 Дж). Вольтметр — прибор для измерения напряжения между двумя точками электрической цепи; включается в цепь параллельно участку, на котором измеряют напряжение. Газовый разряд — процесс прохождения электрического тока в газе. Гальванический элемент — источник тока, в котором энергия, выделяющаяся в ходе химической реакции, превращается непосредственно в электрическую. Гальванометр — высокочувствительный прибор для измерения малых токов, напряжений или количества электричества. Диэлектрик — вещество, которое не проводит электрический ток. 3 Закон Джоуля-Ленца: количество теплоты, выделившейся в проводнике с током, определяется произведением квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока. Закон Кулона: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной. Излучение — процесс испускания атомами электромагнитной энергии или частиц; поток испускаемых электромагнитной энергии или частиц. Искровой разряд — разряд, возникающий при высоком напряжении между электродами в воздухе, имеет вид пучка ярких зигзагообразных полос, ответвляющихся от тонкого канала. Источник электрического тока — устройство, в котором выполняется работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Коронный разряд — разряд, светящийся участок которого напоминает корону, возникает при атмосферном давлении вблизи острых частей проводника, имеющего большой электрический заряд. Лампа накаливаня — источник света, в котором свет излучает тугоплавкий проводник (вольфрам), накалённый электрическим током. Линии магнитного поля — это воображаемые линии, вдоль которых в магнитном поле тока или постоянного магнита размещаются продольные оси маленьких магнитных стрелок. Магнит — тело, обладающее магнитными свойствами. Магнитная буря — физическое явление сильного искажения магнитного поля Земли вследствие «солнечного ветра». Молния — кратковременный гигантский искровой разряд в атмосфере (между облаками или между облаком и Землёй). Мощность электрического тока — физическая величина, равная отношению работы злектрического тока на участке цепи ко времени прохождения тока в этом участке. Ч Нагревательный элемент — проводник с большим сопротивлением, способный выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высокой температуры (1 000-1 200 °С). 202 м. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Напряжение электрическое — это физическая величина, характеризующая электрическое поле, которое создаёт ток; определяется отношением работы тока на определённом участке цепи к електрическому заряду, прошедшему по этому участку. О Ом (1 Ом) — единица электрического сопротивления, равна сопротивлению такого проводника, в котором при напряжении один вольт (1 В) на его концах сила тока равна одному амперу (1 А). Омметр — прибор для измерения электрического сопротивления. П Параллельное соединение проводников — соединение потребителей электрической энергии (проводников), при котором выводы каждого из них присоединяют к общей для всех паре зажимов (точек или узлов цепи). Период полураспада — физическая величина, характеризующая скорость радиоактивного распада; равна времени, за которое число радиоактивных атомов вследствие распада уменьшается вдвое. Последовательное соединение проводников — соединение потребителей злектри-ческой энергии (проводников) в цепи поочерёдно один за другим без разветвлений проводов между ними. Постоянный ток — злектрический ток, не изменяющийся со временем ни по значению, ни по направлению. Правило левой руки: если ладонь левой руки разместить так, чтобы четыре выпрямленных пальца указывали направление тока в проводнике, а линии магнитного поля входили в ладонь, то отогнутый под прямым углом большой палец укажет направление силы Ампера, действующей на проводник с током. Правило правой руки: если ладонь правой руки разместить так, чтобы в неё входили линии магнитного поля, а отогнутый под прямым углом большой палец указывал направление движения проводника, то выпрямленные четыре пальца руки определяют направление индукционного тока в проводнике. Р Работа электрического тока — физическая величина, характеризующая преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Радиоактивность — явление спонтанного (самопроизвольного) превращения одних ядер в другие, сопровождающееся излучением различных частиц и электромагнитных волн. Реостат — прибор для регулирования силы тока в электрической цепи. Ротор — вращающаяся часть машины (турбины, генератора). С Сила тока — физическая величина, определяется отношением электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения. Силовые линии электрического поля — это воображаемые линии, направление которых в каждой точке поля совпадает с направлением силы, действующей со стороны этого поля на размещённое в нём маленькое положительно заряженное тело. Сопротивление электрическое — физическая величина, характеризующая свойство проводника противодействовать направленному перемещению зарядов; равна отношению напряжения на концах проводника к силе тока в нём. Статор — неподвижная часть электрической машины. Схема электрической цепи — чертёж, на котором изображают способы соединения элементов электрической цепи. Температурный коэффициент сопротивления — величина, характеризущая зависимость сопротивления вещества от температуры и равная относительному изменению сопротивления проводника при его нагревании на 1 °С. СЛОВАРЬ ФИЗИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ Точечный заряд — заряженные тела, размеры которых очень малы по сравнению с расстоянием, на которых они взаимодействуют. У Удельное сопротивление вещества — физическая величина, значение которой в СИ равно сопротивлению изготовленного из этого вещества проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м*. Э Эбонит — твёрдая резина, продукт вулканизации натуральных и синтетических каучуков в присутствии большой примеси серы. Характеризуется высокой прочностью при растяжении, повышенной твёрдостью, высокими электроизоляционными свойствами. Электризация — физическое явление сообщения телу электрического заряда. Электрическая дуга — явление возникновения яркого светящегося столба в газе между двумя угольными или металлическими электродами при атмосферном давлении и низком напряжении. Электрическая сила — сила, с которой электрическое поле действует на электрические заряды, находящиеся в этом поле. Электрический заряд — источник электромагнитного поля; физическое свойство частиц или тела. Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Электрический ток в металлах (металлических проводниках) — упорядоченное движение электронов под действием электрического поля, создаваемого источником электрического тока. Электрический ток в растворах электролитов — упорядоченное движение ионов под действием электрического поля, создаваемого источником электрического тока. Электрическое поле — это вид материи, отличающийся от вещества и существующий вокруг всех заряженных тел. Электролиз — процесс выделения вещества на электродах при прохождении электрического тока через растворы или расплавы электролитов. Электролит — вещество, которое под действием растворителя или при нагревании диссоциирует (распадается) на ионы. Электромагнитная индукция — явление возникновения в замкнутом проводнике электрического тока вследствие пересечения этим проводником линий неоднородного магнитного поля. Электроскоп — прибор, с помощью которого обнаруживают назлектризованность тел. Янтарь — ископаемая окаменевшая смола хвойных деревьев, хороший изолятор, сильно электризуется. ОТВЕТЫ К ЗАДАЧАМ И УПРАЖНЕНИЯМ 3. Потому что она приобретает такой же заряд, как и палочка. 5. Сухие волосы, расчёска или рука приобретают различные заряды, и они притягиваются между собой. 6. Металлическую палочку следует изолировать от руки. 8. В мехе. 13. Электризация влиянием. Листочки опадают, так как прекращается влияние наэлектризованной палочки. 18. Потому что пластмасса и фарфор являются изоляторами. 57. Может. 63. Электрон — к положительному полюсу; положительный ион — к отрицательному полюсу, а отрицательный ион — к положительному. 64. 0,1 с; 500 с. 65. 21,6 см. 70. а) Тепловое; б) световое; в) химическое; г) тепловое; д) магнитное. 73. Нет. 75. 840 Кл. 76. 0.6 А. 77. 3.6 мКл. 78. 5 с. 79. 5 с. 82. Второй. 84. 20 В. 85. 1 кВ. 86. 6 В. 88. Второй. 89. Вольтметр на 300 В. 93. 440 Ом. 94. 2,9 А. 95. 0,3 А. 96. 12 кОм. 97, 40 Ом. 98. 24 кОм. 99. 8 В. 100. 1 В. 101. 8 В. 102. Одинаковая. 103. 3,125 ■ 10’®. 104. = 0,5 А; 3,1 • Ю'®. 109. Нельзя. 110. 10 А; 0,9 А. 112. Увеличится в 5 раз. 113. Уменьшится в 9 раз. 114. 13,6 мОм. 115. 0,3 Ом. 118. 2,5 м. 119. 5 км. 204 ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 121.0,384 Ом -мм7м. 122. 4. 123. На 9 Ом. 124.16 м. 125. 11,2 м. 126. 500 Ом, 50 Ом. 127. 44,5 т. 128. Не меньше 19. 129. 110 В. 130. 450 Ом. 132. Уменьшится. Ослабнет. 134. Лампа с боЛьшим сопротивлением. 135. Последовательно. 139. 24 лампы соединены последовательно, а в школьной гирлянде — параллельно. 141. 26,4 кДж. 142. 605 Вт 143. 55 Вт 144. 0,45 А. 145. Правильно. 0,1 кВт ■ ч. 146. 2,7 А. 147. 64,8 кДж. 149. 0,45 А; 0,11 А. В лампе мощностью 25 Вт. 151.7 510,4 кВт ■ ч; 2 грн. 44 коп. 152. 0,9 А. 153. В лампе сопротивлением 160 Ом. 154. В лампе сопротивлением 80 Ом. 155. 5,45 А; 216 кДж. Недостаточно. 156. Лампа мощностью 40 Вт. 157. 24,7 м. 158. 580,8 кДж; 1,7 кг 159. 3124 с = 52 мин. 192. Рельсы намагничиваются под действием магнитного поля Земли. 202. С помощью электромагнита. 203. Притянет. 204. Чтобы извлечь из зерна металлические предметы, которые могут повредить мельницу. 205. Поместить их в поле сильного магнита. 212. Так как по ней проходит больший ток и создаётся более сильное магнитное поле. 216. Электромагнит меняет полюса, и намагниченные металлы отталкиваются от него. 217. Нет. ответы к РУБРИКЕ «что я ЗНАЮ и УМЕЮ ДЕЛАТЬ» Глава 1.1. Отрицательный. 2. Положительно. 4. Положительный; отрицательный. 6. Будут. 10. Ион; положительный. 12. 2 ■ 10®. 13 — 3 нКл. 14. 9 000 Н. 15. 9 см. Глава 2. 5. Последовательно. 10. Во второй лампе сила тока в 2 раза больше. 11.2,4А;0,4А. 12. 0,25 А; 18,75- Ю’®. 14. ЗТВт Глава 3. 5. Сама рама является проводником. 8. Магнит притягивает железные опилки через бумагу. 12. Для того чтобы корпус судна не влиял на работу приборов. Глава 4. 2. а-Частицы имеют положительный заряд. 3. р-Частицы. 4. Свинец. 8. Для защиты от радиоактивного излучения. 9. Свинец является хорошей защитой от радиоактивного излучения. 11. Поваренная соль. 12. Положительный или отрицательный ион. ОТВЕТЫ К РУБРИКЕ «ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ВОКРУГ НАС» 1. Можно. 2. Нельзя. 3. Электризация облаков. 7. Воспользоваться методом электростатической индукции. 8. Нельзя. 13. 8 - 10’°Bt = 8 ЕВт. 14. Уменшилось сопротивление спирали лампы. 15. Потому что энергия электронагревательного элемента плитки отдаётся окружающей среде. 16. Из-за плохого контакта. 18. Нет свободных носителей заряда. 23. Бытовые приборы имеют разное сопротивление. 24. 5,45 А; 0,5 А. 26. 120 В. 30. 1000 А; 20 МВт. 31. 37 лампочек. 32. С меньшим. 35. Недистиллированная вода является проводником электрического тока. 37. Медные опилки не притягиваются магнитом. 38. Намагниченная игла сориентируется в магнитном поле Земли. 39. Если поднести стальной брусок, то стрелка компаса отклонится, а если медный — останется на месте. 40. Для притягивания стальных частиц, попавших в поддон двигателя. 44. Чтобы стрелка магнита не притягивалась к корпусу. 51. В месте повреждения повышается интенсивность излучения. 205 ПРЕДМЕТНО-ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ Аккумуляторы 36, 37 Активность 160, 171 Альфа-(а)-частица 158 Ампер Андре-Мари 46 Ампер 47 Амперметр 48, 49 Анион 89 Анод 89 Атом 13 Ьенардос Николай 103, 104 Бета-(Р)-частица 158 Ваттметр 81 Весы крутильные 22 Вольт 51 Вольта Алессандро 35, 112 Вольтметр 52 Гальвани Луиджи 35, 112 Гальванические элементы 35 Гамма-(у)-излучение 158 Громкоговоритель 139 Доза поглощённая 171 -эквивалентная 172 -экспозиционная 171, 172 Дозиметры 173 Дуга электрическая 100 Закон Джоуля-Ленца 83 - Кулона 22 - Ома 57 - радиоактивного распада 160 - сохранения электрического заряда 16,17 - Фарадея 91 Заряд отрицательный 9 - положительный 9 - точечный 22 - электрический 8 I Иваненко Дмитрий 186, 187 Изолятор 12 Индикаторы 174 Индукция электромагнитная 144, 145 Ион отрицательный 15 - положительный 15 Источники электрического тока 35 Катион 89 Катод 89 Коллектор 137 Компас 122 Короткое замыкание 106 Коэффициент сопротивления температурный 68, 69 Кулон 13, 43 Кулон Шарль 13, 22, 28 Линии магнитные 124, 127 - силовые 19 Лодыгин Александр 84 Магнит 120, 124 Магнитная буря 123 Магнитное действие тока 42 Магнитное поле Земли 122, 123 Магнитные полюса Земли 123 Модель атома 14 Мощность электрического тока 80, 81 Напряжение электрическое 51 Нейтрон 14, 1б1 Омметр 69 Патон Борис 104 Патон Евгений 104 Период полураспада 159 Поле электрическое 18 Полупроводники 93 - л-типа 96 - р-типа 96 Полюс магнита северный 121 - южный 121 Правило левой руки 136 - правой руки 146 Предохранители 106, 107 Проводимость дырочная 95 - собственная 95 - электронная 95 Протон 14, 161 206^ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Работа электрического тока 78, 79, 81 Радиоактивность 157-159 Радиометр 174 Радиопротекторы 178 Разряд газовый 98 - искровой 101 - коронный 101 - несамостоятельный 99 - самостоятельный 100 -тлеющий 100 Резерфорд Эрнест 13, 154 Рекомбинация 99 Рентгенометр 174 Реостаты 67, 68 Ротор 138 Световое действие тока 42 Сила Ампера 136 Сила тока 46 Сила электрическая 18 Соединение проводников - параллельное 74, 75 - последовательное 72, 73 - смешанное 75 Солнечные батареи 37 Сопротивление удельное 65, 66 - электрическое 55, 56 Статор 137 Тепловое действие тока 41 Термистор 96, 97 Термометры сопротивления 69 Термоэлементы 37, 38 Ток индукционный 145 - электрический 34 Фарадей Майкл 18, 90, 144, 148 Физическая картина мира 195-197 Фоторезистор 97 Франклин Бенджамин 17, 101 ^^имическое действие тока 42 Цепь электрическая 38, 39 Эдисон Томас 84 Электрический ток 34 - - в металлах 39. 40 - в растворах электролитов 89-91 Электролиз 90 Электролит 89 Электроскоп 11 Электротравма 108 Элемент нагревательный 86 Яблочков Павел 84 Ядерные реакции 165, 166 Ядерный реактор 181-183 Якоби Борис 91 Янтарь 8 Условные обозначения элементов электрических цепей Внешний вид Условное 1 обозначение Батарея элементов. ИЛИ аккумуляторов ^ Л н| ('оединение проводов "Л' \1ш Электрические бытовые приборы (К заданию 17 на с. 116) Квартирная электросеть и потребители электроэнергии {К заданию 19 на с. 116) Электросчётчик 9 Центральный выключатель Предохранители ВЙ№Я Поперечное сечениГТ^5 ^^2 ПГ^5 проводника * ь ММ'' 2,5 мм® I 6 мм® Предохранители Поперечное сечение I 2 5 проводника 2,5 мм® 12,5 мм® 2,5 мм® (Г I I \ Я ё1 Ill Один киловатт-час электроэнергии обеспечивает выполнение таких работ {К материалу на с. 82) 1 кВт•ч Выпекание 80 кг хлеба Нагревание до 1сипеиня 7 л воды Выведение в инкубаторе 30 1(ыпл)1т Освещение помещения люминесцентной лампой мощностью 40 Вт в течение суток Работа электронных часов в течение трёх месяцев Рабок! за настольным 1сом1п.ютером в течешю 5 ч Работа вентилятора в течение 20 ч Помол 100 кг зерна Доение 40 коров Сверление отвер<ггий в деталях в течение 4 ч Работа 1Гылесоса в течение 2 ч \Уш Предупреждающие знаки показывают, чего нельзя делать при пользовании электрическим оборудованием (К материалу на с. 109)