Номер 5.77, страница 115 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Колебания и волны. Глава 5. Электромагнитные колебания. Переменный ток - номер 5.77, страница 115.

Условие.

5.77. Почему жидкостные реостаты применяют только в цепях переменного тока? Почему для измерения сопротивления жидкостей используют не постоянный, а переменный ток?

Решение.

Почему жидкостные реостаты применяют только в цепях переменного тока?

Жидкостные реостаты используют в качестве проводящей среды электролиты — водные растворы солей, кислот или щелочей. Прохождение электрического тока через электролит обеспечивается упорядоченным движением ионов. При использовании постоянного тока возникает явление электролиза: положительно заряженные ионы (катионы) движутся к отрицательному электроду (катоду), а отрицательно заряженные (анионы) — к положительному (аноду). Достигая электродов, ионы вступают в химические реакции, что приводит к выделению на электродах различных веществ (например, металлов или газов).

Этот процесс вызывает два основных нежелательных эффекта. Во-первых, изменяется химический состав и концентрация электролита в приэлектродных слоях, что ведет к изменению его удельного сопротивления. Во-вторых, на электродах возникает ЭДС поляризации. Продукты электролиза, скопившиеся на поверхности электродов, создают гальванический элемент, ЭДС которого направлена навстречу внешнему напряжению. Эта встречная ЭДС уменьшает ток в цепи, что равносильно увеличению общего сопротивления.

Из-за этих явлений сопротивление жидкостного реостата в цепи постоянного тока становится нестабильным и зависит не только от геометрии, но и от времени протекания тока, что делает его непригодным для использования. Применение переменного тока высокой частоты решает эту проблему. Полярность электродов постоянно меняется, ионы колеблются около своего положения равновесия, не успевая достичь электродов и разрядиться на них. В результате электролиз и поляризация практически не происходят, и сопротивление реостата остается стабильным.

Ответ: Жидкостные реостаты применяют в цепях переменного тока для того, чтобы избежать явления электролиза и связанной с ним поляризации электродов. Эти процессы, возникающие при постоянном токе, приводят к нестабильности сопротивления, что недопустимо для реостата. Переменный ток предотвращает эти явления, обеспечивая стабильную работу устройства.

Почему для измерения сопротивления жидкостей используют не постоянный, а переменный ток?

Причина использования переменного тока для измерения сопротивления жидкостей (электролитов) аналогична причине его использования в жидкостных реостатах — необходимость устранить влияние электролиза и получить точный результат.

Цель измерения — определить собственное омическое сопротивление электролита. При использовании постоянного тока неизбежно возникает ЭДС поляризации, которая направлена против приложенного напряжения. В итоге, измеренное по закону Ома сопротивление $R = U/I$ окажется завышенным, поскольку ток $\text{I}$ в цепи будет меньше из-за действия встречной ЭДС. Рассчитанное значение будет представлять собой сумму реального сопротивления жидкости и эффекта поляризации. Более того, это значение будет нестабильным и будет изменяться со временем по мере протекания электролиза.

Чтобы получить точное значение сопротивления самого электролита, необходимо исключить влияние поляризации. Это достигается использованием переменного тока, как правило, звуковой или ультразвуковой частоты. При быстрой смене направления тока ионы в электролите совершают колебательные движения, не успевая дойти до электродов и вступить в химическую реакцию. Таким образом, ЭДС поляризации не возникает, и измерительные приборы фиксируют значения, соответствующие истинному омическому сопротивлению жидкости.

Ответ: Переменный ток используют для измерения сопротивления жидкостей, чтобы исключить искажающее влияние электролиза и ЭДС поляризации, которые возникают при постоянном токе. Это позволяет провести точное и воспроизводимое измерение чистого омического сопротивления электролита.