Страница 9 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

1. Каково назначение источника тока?

Каково назначение источника тока?

Решение:

Назначение источника тока заключается в создании и поддержании электрического тока в электрической цепи. Для того чтобы в проводнике существовал длительный электрический ток, необходимо постоянно поддерживать в нём электрическое поле. Именно эту задачу и выполняет источник тока.

Внутри источника тока действуют так называемые сторонние силы. Эти силы имеют неэлектрическую природу (например, химическую в батарейках или механическую в генераторах). Они совершают работу по разделению электрических зарядов: перемещают положительные заряды к одному полюсу (положительному), а отрицательные — к другому (отрицательному). В результате этого на полюсах источника возникает и поддерживается разность потенциалов (напряжение).

Когда источник подключают к цепи, созданная им разность потенциалов вызывает электрическое поле по всей длине проводников. Это поле заставляет свободные носители заряда (например, электроны в металлах) упорядоченно двигаться. Это упорядоченное движение зарядов и является электрическим током.

Таким образом, фундаментальная функция источника тока — это преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Примеры:

• Гальванические элементы и аккумуляторы: преобразуют химическую энергию в электрическую.

• Электрогенераторы: преобразуют механическую энергию в электрическую.

• Фотоэлементы: преобразуют световую энергию в электрическую.

• Термоэлементы: преобразуют тепловую энергию в электрическую.

Ответ:

Основное назначение источника тока — преобразовывать различные виды неэлектрической энергии (химическую, механическую, световую и др.) в электрическую энергию для создания и поддержания длительного электрического тока в цепи.

2. Какие силы называют сторонними? Почему накопление зарядов на полюсах источника тока может происходить лишь под действием сторонних сил?

Какие силы называют сторонними?

Сторонними силами называют любые силы, действующие на заряженные частицы (носители тока) внутри источника тока, которые имеют неэлектростатическую (некулоновскую) природу. В отличие от сил электростатического поля, которые всегда стремятся переместить заряды так, чтобы уменьшить разность потенциалов (например, перемещая положительные заряды от «+» к «−»), сторонние силы действуют против этих электростатических сил, разделяя заряды.

Происхождение сторонних сил может быть разным в зависимости от типа источника тока:

• В гальванических элементах и аккумуляторах это силы химической природы, возникающие в результате окислительно-восстановительных реакций.
• В генераторах постоянного и переменного тока это сила Лоренца, действующая на электроны в проводнике, который движется в магнитном поле.
• В термоэлементах это силы, связанные с термоэлектрическими явлениями (например, диффузией носителей заряда из-за разности температур на спаях).
• В фотоэлементах это силы, возникающие при поглощении света и освобождении электронов.

Основная задача сторонних сил — совершать работу по разделению положительных и отрицательных зарядов, перемещая их к разным полюсам источника и тем самым создавая и поддерживая разность потенциалов (напряжение).

Ответ: Сторонние силы — это любые силы неэлектростатического происхождения, которые действуют на носители заряда внутри источника тока, вызывают их перемещение против сил электростатического поля и тем самым создают и поддерживают разность потенциалов на полюсах источника.

Почему накопление зарядов на полюсах источника тока может происходить лишь под действием сторонних сил?

Когда под действием сторонних сил начинается разделение зарядов, на одном полюсе источника накапливается избыточный положительный заряд, а на другом — избыточный отрицательный. Эти накопленные заряды создают между полюсами и внутри источника электростатическое (кулоновское) поле $\vec{E}$, направленное от положительного полюса к отрицательному.

Это электростатическое поле действует на любой заряд $q$ внутри источника с кулоновской силой $\vec{F}_k = q\vec{E}$. Эта сила всегда направлена против движения, создаваемого сторонними силами. Например, она отталкивает положительный заряд от положительного полюса и притягивает его к отрицательному, то есть препятствует дальнейшему разделению зарядов.

Чтобы процесс накопления зарядов на полюсах был возможен, необходимо наличие силы, которая способна преодолевать это противодействие кулоновского поля. Такой силой и является сторонняя сила $\vec{F}_{ст}$. Она совершает работу по перемещению зарядов против сил электростатического поля, "затаскивая" их на соответствующие полюса.

Накопление зарядов продолжается до тех пор, пока кулоновская сила, стремящаяся вернуть заряды обратно, не уравновесит по модулю стороннюю силу: $|\vec{F}_k| = |\vec{F}_{ст}|$. После этого разделение зарядов прекращается, и на полюсах устанавливается постоянная разность потенциалов, равная электродвижущей силе (ЭДС) источника. Без сторонних сил кулоновские силы немедленно свели бы на нет любое разделение зарядов, и создать устойчивую разность потенциалов было бы невозможно.

Ответ: Накопление зарядов на полюсах создает электростатическое поле, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов. Только сторонние силы, имеющие неэлектростатическую природу, способны совершать работу против сил этого поля, перемещая заряды к полюсам и обеспечивая таким образом создание и поддержание разности потенциалов.

3. Опишите особенности движения заряженной частицы в электролите источника тока.

Движение заряженных частиц в электролите источника тока представляет собой сложный процесс, который имеет несколько ключевых особенностей, отличающих его от движения электронов в металлическом проводнике.

Во-первых, носителями электрического заряда в электролитах являются не свободные электроны, а ионы — атомы или группы атомов, имеющие положительный или отрицательный заряд. Ток создается одновременным упорядоченным движением двух типов носителей:

• Положительно заряженных ионов (катионов), движущихся к отрицательному полюсу (катоду).
• Отрицательно заряженных ионов (анионов), движущихся к положительному полюсу (аноду).

Это движение ионов в противоположных направлениях и формирует электрический ток внутри источника.

Во-вторых, на каждую заряженную частицу (ион) в электролите действуют две основные силы, определяющие ее движение:

1. Сила со стороны электростатического поля (кулоновская сила) $ \vec{F}_{э} $. Между положительным и отрицательным электродами источника существует электрическое поле $ \vec{E} $, направленное от «+» к «–». Это поле действует на ионы с силой $ \vec{F}_{э} = q\vec{E} $. Она стремится переместить положительные ионы к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному, то есть препятствует разделению зарядов.
2. Сторонние силы $ \vec{F}_{ст} $. Это силы неэлектростатического происхождения (в гальванических элементах и аккумуляторах они возникают в результате химических реакций). Именно сторонние силы отвечают за разделение зарядов и поддержание разности потенциалов. Они действуют против сил электростатического поля, перемещая положительные ионы к положительному электроду, а отрицательные — к отрицательному. Работа, совершаемая сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника $ \mathcal{E} $.

В-третьих, характер движения ионов — это не свободное ускорение, а медленный дрейф. Когда через источник течет ток, сторонняя сила $ \vec{F}_{ст} $ преобладает над электростатической $ \vec{F}_{э} $, что и вызывает направленное движение ионов. Однако ионы движутся в вязкой среде электролита и постоянно сталкиваются с другими ионами и нейтральными молекулами растворителя. Эти столкновения создают силу сопротивления, которая мешает движению. В результате ионы движутся с некоторой установившейся, очень малой средней скоростью, называемой дрейфовой скоростью. Именно это сопротивление движению ионов является причиной наличия у источника тока внутреннего сопротивления $ r $.

Ответ: Особенностью движения заряженной частицы в электролите источника тока является то, что это упорядоченное встречное движение положительных и отрицательных ионов (а не электронов). Это движение происходит под действием двух основных сил: сторонних сил неэлектрической природы, которые разделяют заряды и создают ЭДС, и противодействующих им сил электростатического поля. Из-за постоянных столкновений в вязкой среде электролита ионы движутся не с ускорением, а с малой постоянной дрейфовой скоростью, что обуславливает наличие у источника внутреннего сопротивления.

4. Дайте определение ЭДС. В каких единицах она измеряется?

Дайте определение ЭДС.

Электродвижущая сила (ЭДС), обозначаемая символом $\mathcal{E}$, — это скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (сил неэлектростатического происхождения) по перемещению электрических зарядов в источниках тока. Численно ЭДС равна работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного положительного заряда вдоль всей замкнутой электрической цепи.

Сторонние силы (например, химические в батарейке, механические в генераторе, световые в фотоэлементе) действуют против сил электростатического поля, разделяя положительные и отрицательные заряды и создавая разность потенциалов на полюсах источника. Именно благодаря ЭДС в замкнутой цепи поддерживается электрический ток.

Формула для определения ЭДС:

$\mathcal{E} = \frac{A_{ст}}{q}$

где $A_{ст}$ — работа сторонних сил, а $q$ — величина перемещенного по контуру заряда.

Ответ: Электродвижущая сила (ЭДС) — это физическая величина, равная работе сторонних (неэлектростатических) сил по перемещению единичного положительного заряда по всей замкнутой электрической цепи.

В каких единицах она измеряется?

Электродвижущая сила измеряется в тех же единицах, что и электрическое напряжение и потенциал. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения ЭДС является вольт (русское обозначение: В; международное: V).

Единица названа в честь итальянского ученого Алессандро Вольта. Один вольт — это такая ЭДС, при которой сторонние силы совершают работу в 1 джоуль при перемещении по цепи заряда, равного 1 кулону:

$1 \text{ В} = \frac{1 \text{ Дж}}{1 \text{ Кл}}$

Ответ: ЭДС измеряется в вольтах (В).

5. Может ли напряжение источника тока равняться его ЭДС? Если да, то при каком условии?

Решение

Да, напряжение на выводах (клеммах) источника тока может быть равно его электродвижущей силе (ЭДС). Чтобы понять, при каком условии это возможно, обратимся к закону Ома для полной цепи.

Напряжение $U$ на клеммах источника связано с его ЭДС, обозначаемой как $\mathcal{E}$, и током $I$ в цепи следующим соотношением: $U = \mathcal{E} - I \cdot r$ где $r$ — это внутреннее сопротивление источника тока, а произведение $I \cdot r$ — падение напряжения внутри источника.

Из этой формулы видно, что напряжение $U$ будет равно ЭДС $\mathcal{E}$ только в том случае, если падение напряжения внутри источника равно нулю: $I \cdot r = 0$

Это равенство выполняется в двух основных случаях.

Первый случай: ток в цепи равен нулю ($I = 0$). Согласно закону Ома для полной цепи, $I = \frac{\mathcal{E}}{R+r}$ (где $R$ — сопротивление внешней цепи), ток равен нулю, когда сопротивление внешней цепи бесконечно велико ($R \to \infty$). Такая ситуация соответствует разомкнутой цепи. То есть, если к источнику ничего не подключено (или вольтметр с очень большим сопротивлением), напряжение на его клеммах будет равно его ЭДС.

Второй случай: внутреннее сопротивление источника равно нулю ($r = 0$). Источник тока, не обладающий внутренним сопротивлением, называется идеальным источником ЭДС. Для такого гипотетического источника напряжение на его клеммах всегда равно ЭДС, независимо от тока в цепи. Реальные источники всегда имеют некоторое, пусть и очень малое, внутреннее сопротивление.

Таким образом, для реального источника тока его напряжение равно ЭДС только при разомкнутой цепи.

Ответ: Да, может. Напряжение на клеммах источника тока равно его ЭДС, если электрическая цепь разомкнута (ток через источник не течет) или если источник является идеальным (его внутреннее сопротивление равно нулю).