Страница 179 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

49.11 [н] В проводнике есть как положительно, так и отрицательно заряженные частицы. Создаёте ли вы электрический ток, перенося незаряженный проводник?

Решение

Электрический ток по определению — это упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. Сила тока определяется как суммарный заряд, проходящий через некоторую поверхность (например, поперечное сечение проводника) в единицу времени. Важно подчеркнуть, что речь идет о переносе результирующего (суммарного) заряда.

В любом проводнике, например, в металлическом, есть положительно заряженные частицы (ионы в узлах кристаллической решетки) и отрицательно заряженные частицы (свободные электроны). Незаряженный проводник является электрически нейтральным. Это означает, что суммарный заряд положительных ионов в точности равен по модулю и противоположен по знаку суммарному заряду всех свободных электронов. Таким образом, полная плотность заряда в любой точке проводника равна нулю: $ \rho = \rho_+ + \rho_- = 0 $, где $ \rho_+ $ — плотность положительного заряда, а $ \rho_- $ — плотность отрицательного заряда.

Когда мы перемещаем весь проводник как единое целое со скоростью $ \vec{v} $, все его частицы — и положительные ионы, и отрицательные электроны — движутся с этой же скоростью $ \vec{v} $.

Рассмотрим ток, создаваемый движением этих зарядов. Движение положительных ионов создает электрический ток. Плотность этого тока равна $ \vec{j}_+ = \rho_+ \vec{v} $. Движение свободных электронов также создает электрический ток. Плотность этого тока равна $ \vec{j}_- = \rho_- \vec{v} $.

Суммарная плотность тока в проводнике будет равна векторной сумме плотностей токов, создаваемых положительными и отрицательными зарядами: $ \vec{j}_{общ} = \vec{j}_+ + \vec{j}_- = \rho_+ \vec{v} + \rho_- \vec{v} = (\rho_+ + \rho_-)\vec{v} $

Поскольку проводник электрически нейтрален, суммарная плотность заряда $ \rho_+ + \rho_- = 0 $. Следовательно, суммарная плотность тока также равна нулю: $ \vec{j}_{общ} = 0 \cdot \vec{v} = 0 $

Так как плотность тока равна нулю, то и полный ток $ I $ через любое сечение проводника также равен нулю.

Таким образом, хотя при перемещении проводника происходит направленное движение как положительных, так и отрицательных зарядов, эти два потока зарядов полностью компенсируют друг друга. Поток положительного заряда в одном направлении эквивалентен потоку отрицательного заряда в противоположном направлении. В данном же случае оба типа зарядов движутся в одном направлении, но их суммарный заряд равен нулю, поэтому и результирующий ток равен нулю.

Ответ: нет, при переносе незаряженного проводника электрический ток не создается. Несмотря на то, что и положительные, и отрицательные заряды в проводнике движутся, их движение не создает результирующего переноса заряда, так как проводник в целом электрически нейтрален.

49.12 [н] Может ли в неподвижном проводнике существовать электрический ток при отсутствии электрического поля?

Решение

Да, электрический ток в неподвижном проводнике может существовать при отсутствии электрического поля. Хотя в большинстве стандартных случаев электрический ток в проводниках (согласно закону Ома в дифференциальной форме $ \vec{j} = \sigma \vec{E} $) вызывается именно электрическим полем, существуют физические явления, при которых это условие не является необходимым.

1. Сверхпроводимость

В сверхпроводниках электрическое сопротивление равно нулю при температуре ниже критической. Если в замкнутом сверхпроводящем контуре создать электрический ток (например, с помощью кратковременного изменения магнитного потока), то после прекращения внешнего воздействия этот ток будет существовать неограниченно долго без затухания. Поскольку сопротивление равно нулю ($ R=0 $), для поддержания тока не требуется разность потенциалов (напряжение $ U = IR = 0 $), а следовательно, не требуется и электрическое поле внутри проводника ($ \vec{E}=0 $). Носители заряда (куперовские пары) движутся по инерции, не испытывая сопротивления со стороны кристаллической решетки.

2. Диффузионный ток

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение носителей заряда. Это движение может быть вызвано не только электрическим полем, но и неоднородной концентрацией носителей заряда в проводнике. Если в какой-то области проводника создать избыточную концентрацию носителей заряда (например, электронов), они начнут перемещаться в область с меньшей концентрацией. Этот процесс называется диффузией. Направленное движение зарядов в процессе диффузии и есть электрический ток, называемый диффузионным. Плотность диффузионного тока $ \vec{j}_{диф} $ пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда $ \nabla n $: $ \vec{j}_{диф} = -Dq \nabla n $, где $ D $ — коэффициент диффузии, а $ q $ — заряд носителя. Как видно из формулы, для возникновения этого тока наличие электрического поля $ \vec{E} $ не требуется. Такой ток играет ключевую роль в работе полупроводниковых приборов (например, в p-n переходах), но может существовать и в обычных металлах при искусственном создании градиента концентрации носителей.

Таким образом, оба этих явления демонстрируют возможность существования электрического тока в неподвижном проводнике без наличия в нём электрического поля.

Ответ: Да, может. Примерами являются незатухающий ток в сверхпроводящем контуре и диффузионный ток, вызванный неоднородной концентрацией носителей заряда.

49.13 [1235] Является ли электрическим током искра, проскакивающая между шариками разрядника электрофорной машины?

Решение

Да, искра, проскакивающая между шариками разрядника электрофорной машины, является электрическим током.

По определению, электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. В случае искрового разряда такими частицами являются электроны и ионы.

Процесс происходит следующим образом:

1. Электрофорная машина создает на шариках разрядника большую разность потенциалов (высокое напряжение).
2. Между шариками возникает сильное электрическое поле. Воздух, находящийся в этом поле, в обычных условиях является диэлектриком (не проводит ток).
3. Когда напряженность электрического поля достигает критического значения (пробивной напряженности для воздуха), происходит электрический пробой воздуха.
4. Сильное поле отрывает электроны от молекул газов, входящих в состав воздуха (в основном азота и кислорода). Этот процесс называется ионизацией. В результате в пространстве между шариками образуются свободные заряженные частицы: отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы.
5. Под действием электрического поля эти заряженные частицы приходят в упорядоченное движение: электроны движутся к положительно заряженному шарику, а положительные ионы — к отрицательно заряженному.

Это направленное движение заряженных частиц и есть электрический ток. Искра — это видимое проявление этого тока, которое сопровождается свечением и выделением тепла из-за ионизации и возбуждения атомов газа. Данный вид тока является кратковременным и называется искровым разрядом.

Ответ: Да, искра является кратковременным электрическим током в газе (искровым разрядом).

49.14 [1236] Является ли электрическим током молния, возникшая между облаком и Землёй? между облаками?

Решение

Электрический ток по определению — это направленное (упорядоченное) движение частиц, являющихся носителями электрического заряда. Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей заряда и электрического поля, которое создает и поддерживает их упорядоченное движение. Молния представляет собой гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, который полностью соответствует этому определению в обоих рассматриваемых случаях.

между облаком и Землей?
В результате атмосферных процессов, таких как трение капель воды и кристаллов льда, в грозовых облаках происходит разделение электрических зарядов. Чаще всего нижняя часть облака заряжается отрицательно, а поверхность Земли под ним приобретает индуцированный положительный заряд. Между облаком и Землей возникает огромная разность потенциалов, которая создает сильное электрическое поле. Когда напряженность этого поля превышает диэлектрическую прочность воздуха, происходит его ионизация (электрический пробой). Образуется канал из плазмы, который является проводящей средой. По этому каналу устремляется мощный поток заряженных частиц (в основном электронов), нейтрализующий разность потенциалов. Этот упорядоченный поток зарядов и есть электрический ток.

Ответ: Да, молния, возникшая между облаком и Землей, является электрическим током.

между облаками?
Аналогичный механизм лежит в основе возникновения молнии между двумя облаками или между разными, противоположно заряженными, частями одного большого облака. Разность потенциалов между такими областями также создает сильное электрическое поле. Когда это поле становится достаточно сильным для пробоя воздуха, между облаками образуется плазменный канал. По нему начинается направленное движение заряженных частиц, которое, по определению, является электрическим током.

Ответ: Да, молния, возникшая между облаками, является электрическим током.

49.15 [н] Может ли электрический ток идти по молниеотводу (см. рис. VII-15) как сверху вниз, так и снизу вверх?

Да, электрический ток может протекать по молниеотводу в обоих направлениях: как сверху вниз, так и снизу вверх. Направление тока зависит от знаков электрических зарядов, накопленных в грозовом облаке и на поверхности Земли.

В наиболее распространенном случае нижняя часть грозового облака несет отрицательный заряд, в то время как поверхность Земли под облаком за счет электростатической индукции приобретает положительный заряд. Молниеотвод, будучи соединенным с землей и имея заостренную верхушку, концентрирует на себе значительный положительный заряд. Разряд молнии в этом случае представляет собой мощный поток электронов, устремляющихся от облака к земле. Протекая по молниеотводу, электроны движутся вниз. Поскольку по определению направление электрического тока противоположно направлению движения электронов, условный (технический) ток в молниеотводе направлен снизу вверх.

Однако возможна и обратная ситуация, хотя она встречается реже. Нижняя часть облака может быть заряжена положительно, а земля под ним — отрицательно. В этом случае разряд молнии будет представлять собой поток электронов от земли к облаку. Электроны будут двигаться вверх по молниеотводу, чтобы нейтрализовать положительный заряд облака. В этом случае направление электрического тока, которое по определению противоположно направлению движения электронов, будет направлено сверху вниз. Такие разряды часто инициируются с высоких объектов на земле и называются восходящими молниями.

Таким образом, в зависимости от полярности разряда, ток в молниеотводе может течь в любом из двух направлений.

Ответ: да, электрический ток может идти по молниеотводу как сверху вниз, так и снизу вверх. Направление тока зависит от знаков зарядов облака и земли. В большинстве случаев (отрицательно заряженное облако) по молниеотводу текут электроны вниз, что соответствует направлению тока снизу вверх. В более редких случаях (положительно заряженное облако) электроны текут по молниеотводу вверх, и направление тока — сверху вниз.

49.16 [1237] Можно ли утверждать, что между шариками разрядника электрофорной машины существует электрический ток (см. задачу 48.14)? Почему?

49.16 [1237]

Да, можно с полной уверенностью утверждать, что между шариками разрядника электрофорной машины в момент пробоя существует электрический ток.

Почему?

По определению, электрический ток — это любое упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц. Рассмотрим процесс, происходящий в разряднике:

1. В процессе работы электрофорная машина разделяет и накапливает электрические заряды на двух кондукторах, соединённых с шариками разрядника. На одном шарике скапливается избыточный положительный заряд, а на другом — избыточный отрицательный.
2. Из-за накопленных зарядов между шариками возникает большая разность потенциалов (напряжение), которая создаёт в воздушном промежутке очень сильное электрическое поле.
3. Когда напряжённость этого поля достигает критического значения (так называемой диэлектрической прочности воздуха, примерно 3∙10⁶ В/м), происходит электрический пробой воздуха.
4. Сильное электрическое поле отрывает электроны от молекул газов, входящих в состав воздуха (в основном, азота и кислорода). Этот процесс называется ионизацией. В результате в пространстве между шариками образуются свободные заряженные частицы: отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы.
5. Под действием того же электрического поля эти свободные заряженные частицы приходят в упорядоченное движение: электроны движутся к положительно заряженному шарику, а положительные ионы — к отрицательно заряженному.

Это направленное движение потоков заряженных частиц и есть электрический ток. Мы наблюдаем этот кратковременный, но мощный ток в виде яркой и громкой электрической искры. Таким образом, искра — это не что иное, как форма газового разряда, являющегося электрическим током.

Ответ: да, можно. Электрическая искра, возникающая между шариками, представляет собой кратковременный электрический ток в газе (воздухе). Этот ток является направленным движением свободных электронов и ионов, которые образуются в результате ионизации воздуха сильным электрическим полем.

49.17° [1238°] Если шарики разряд-ной части электрофорной машины со-единить с металлическими пласти-нами, укреплёнными на изоляторах (рис. VII-26), то при работе машины крупинки манки, насыпанные на нижнюю пластину, придут в движе-ние. Можно ли утверждать, что меж-ду пластинами существует электриче-ский ток?

Рис. VII-26

Решение

Когда шарики разрядной части электрофорной машины, обладающие разноименными зарядами, соединяют с металлическими пластинами, эти пластины заряжаются. Согласно рисунку, верхняя пластина приобретает положительный заряд, а нижняя — отрицательный. Между пластинами создается электрическое поле, направленное от положительной пластины к отрицательной (сверху вниз).

Крупинки манки, изначально находящиеся на нижней, отрицательно заряженной, пластине, при контакте с ней приобретают отрицательный заряд. На каждую отрицательно заряженную крупинку в электрическом поле начинает действовать электрическая сила $F_э$, направленная против вектора напряженности поля, то есть вверх. Когда эта сила превышает силу тяжести $F_т$, действующую на крупинку ($F_э > F_т$), крупинка отрывается от пластины и движется вверх.

Достигнув верхней, положительно заряженной, пластины, крупинка отдает ей свой отрицательный заряд и заряжается положительно. Теперь на положительно заряженную крупинку электрическое поле действует с силой, направленной вниз (в том же направлении, что и поле). Эта сила вместе с силой тяжести заставляет крупинку двигаться обратно к нижней пластине.

При контакте с нижней пластиной процесс повторяется: крупинка снова заряжается отрицательно и устремляется вверх. Таким образом, возникает непрерывное колебательное движение крупинок между пластинами.

Электрический ток по определению — это упорядоченное движение заряженных частиц. В данном случае мы наблюдаем именно такое движение: заряженные крупинки манки (которые выступают в роли носителей заряда) упорядоченно перемещаются от одной пластины к другой, осуществляя перенос заряда. Следовательно, можно утверждать, что между пластинами существует электрический ток. Такой вид тока, переносимый макроскопическими телами, называется конвекционным током.

Ответ: Да, можно утверждать, что между пластинами существует электрический ток, поскольку наблюдается упорядоченное движение заряженных частиц (крупинок манки), что является определением электрического тока.

49.18 [1239] В чём состоит главное различие между током, возникшим в металлическом проводнике, с помощью которого разряжают электроскоп, и током, идущим по проводнику, соединяющему полюсы гальванического элемента?

Рис. VII-26

Рассмотрим оба случая по отдельности, чтобы выявить ключевое различие между ними.

1. Ток при разрядке электроскопа.
Заряженный электроскоп обладает избытком или недостатком электронов, что создает разность потенциалов между ним и заземленным проводником (или любым другим крупным нейтральным телом). Когда их соединяют проводником, возникает электрическое поле, которое заставляет свободные заряды (электроны) в проводнике двигаться. Это упорядоченное движение зарядов и есть электрический ток. Однако этот ток является кратковременным. Он существует лишь до тех пор, пока весь избыточный заряд не перетечет с электроскопа, и потенциалы не выровняются. После этого электрическое поле в проводнике исчезает, и движение зарядов прекращается. В этом процессе действуют только силы электростатического поля.

2. Ток от гальванического элемента.
Гальванический элемент (например, батарейка) является источником постоянного тока. Внутри него происходят химические реакции, в ходе которых действуют так называемые сторонние силы. Эти силы неэлектростатической природы совершают работу по разделению положительных и отрицательных зарядов, накапливая их на полюсах элемента. Таким образом, они создают и постоянно поддерживают разность потенциалов между полюсами. Когда полюсы соединяют проводником, эта постоянная разность потенциалов создает в проводнике электрическое поле, которое вызывает длительный, непрерывный ток. Сторонние силы внутри элемента продолжают работать, чтобы поддерживать разность потенциалов, компенсируя расход энергии во внешней цепи. Ток будет течь до тех пор, пока не исчерпаются химические реагенты в элементе.

Таким образом, главное различие заключается в наличии или отсутствии механизма, поддерживающего ток в течение длительного времени.

Ответ: Главное различие состоит в том, что ток при разрядке электроскопа является кратковременным, так как он существует только за счет электростатического поля и прекращается после выравнивания потенциалов. Ток же в цепи с гальваническим элементом является длительным (постоянным), поскольку он непрерывно поддерживается работой сторонних сил внутри элемента, которые поддерживают постоянную разность потенциалов на его полюсах.

49.19 [1240] В чём состоит главное отличие электрофорной машины как генератора тока от гальванического элемента?

Главное отличие электрофорной машины как генератора тока от гальванического элемента заключается в принципе их действия и, следовательно, в виде энергии, которая преобразуется в электрическую.

В электрофорной машине электрический ток возникает в результате преобразования механической энергии в электрическую. Она работает на основе явления электростатической индукции. Для разделения электрических зарядов и создания высокого напряжения необходимо совершать механическую работу, вращая диски машины. Силы, которые разделяют заряды (так называемые сторонние силы), в данном случае имеют механическую природу. Электрофорная машина способна создавать очень высокое напряжение (десятки и сотни киловольт), но при этом генерируемый ею ток чрезвычайно мал (порядка микроампер) и обычно носит характер кратковременного разряда (искры).

В гальваническом элементе (например, в обычной батарейке) электрический ток является результатом преобразования химической энергии в электрическую. Разделение зарядов и создание электродвижущей силы (ЭДС) происходит за счёт энергии окислительно-восстановительных химических реакций, протекающих на границе электродов с электролитом. Здесь сторонние силы имеют химическую природу. Гальванический элемент создаёт постоянное, но относительно низкое напряжение (обычно 1–2 В), однако он способен поддерживать в цепи значительно больший и стабильный ток в течение длительного времени.

Таким образом, основное различие сводится к источнику энергии и природе сторонних сил, создающих ток: механические силы в электрофорной машине и химические процессы в гальваническом элементе.

Ответ: Главное отличие состоит в том, что электрофорная машина преобразует механическую энергию в электрическую, создавая высокое напряжение и очень малый ток, в то время как гальванический элемент преобразует химическую энергию в электрическую, создавая низкое напряжение, но способный поддерживать значительно больший и стабильный ток.

49.20 [1241] Начертите в тетради таблицу:

Энергия

механическая внутренняя химическая световая

Впишите, какие виды энергии используются для получения электрического тока при работе аккумулятора, фотоэлемента, теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), гидроэлектростанции (ГЭС), термоэлемента, солнечной электробатареи, гальванического элемента, ветроэлектрогенератора.

механическая
Для получения электрического тока используется механическая энергия движущихся масс (воды или воздуха). В гидроэлектростанции (ГЭС) потенциальная энергия воды, запасенная на высоте, преобразуется в кинетическую энергию потока, который вращает лопасти турбины. В ветроэлектрогенераторе кинетическая энергия движущегося воздуха (ветра) вращает лопасти генератора. В обоих случаях механическая энергия вращения турбины преобразуется в электрическую энергию с помощью электромагнитной индукции в генераторе.
Ответ: гидроэлектростанция (ГЭС), ветроэлектрогенератор.

внутренняя
Для получения электрического тока используется внутренняя энергия (теплота). В теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) при сжигании топлива (угля, газа, мазута) выделяется большое количество теплоты. Эта теплота (внутренняя энергия) используется для нагрева воды и превращения её в пар. Пар под высоким давлением вращает турбину, которая соединена с электрогенератором. В термоэлементе электрический ток возникает непосредственно при нагревании спая двух разнородных проводников (эффект Зеебека), то есть происходит прямое преобразование внутренней энергии в электрическую.
Ответ: теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), термоэлемент.

химическая
Для получения электрического тока используется энергия, запасенная в химических связях веществ. В гальванических элементах и аккумуляторах происходят окислительно-восстановительные реакции. В ходе этих реакций химическая энергия преобразуется непосредственно в электрическую энергию, создавая направленное движение заряженных частиц (электрический ток).
Ответ: аккумулятор, гальванический элемент.

световая
Для получения электрического тока используется энергия света (электромагнитного излучения). В фотоэлементах и солнечных электробатареях под действием квантов света (фотонов) из полупроводникового материала высвобождаются электроны. Возникает фотоэлектрический эффект, который приводит к появлению электрического тока при подключении к внешней цепи. Это прямое преобразование световой энергии в электрическую.
Ответ: фотоэлемент, солнечная электробатарея.