Страница 180 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

50.1 [1242] Появится ли в медном проводнике ток, если концы проводника погрузить в одинаковый водный раствор серной кислоты (рис. VII-27)?

Рис. VII-27

Решение

Для возникновения электрического тока в замкнутой цепи необходимо наличие источника электродвижущей силы (ЭДС), то есть разности потенциалов. В рассматриваемой системе концы медного проводника выступают в роли электродов, а водный раствор серной кислоты — в роли электролита.

При погружении металлического электрода в раствор электролита на границе их соприкосновения возникает электродный потенциал. Его величина зависит от материала электрода, а также от концентрации и температуры электролита.

В данном случае оба электрода изготовлены из одного и того же материала — меди. Кроме того, они погружены в одинаковый водный раствор серной кислоты, что означает одинаковую концентрацию и температуру раствора в обоих сосудах.

Поскольку условия на обоих концах проводника (электродах) абсолютно идентичны, возникающие на них электродные потенциалы будут равны. Обозначим потенциал на левом конце как $ \varphi_1 $, а на правом — как $ \varphi_2 $. Таким образом, $ \varphi_1 = \varphi_2 $.

ЭДС цепи определяется как разность потенциалов между электродами: $ \text{ЭДС} = \varphi_2 - \varphi_1 $. Подставив значения, получаем $ \text{ЭДС} = \varphi_1 - \varphi_1 = 0 $.

Согласно закону Ома для полной цепи, сила тока $ I $ прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи $ R $: $ I = \frac{\text{ЭДС}}{R} $. Так как ЭДС равна нулю, то и сила тока в цепи будет равна нулю.

Ответ: нет, ток в медном проводнике не появится. Это связано с тем, что концы проводника погружены в одинаковый электролит, из-за чего разность потенциалов между ними равна нулю и ЭДС не возникает.

50.2 [1243] Укажите основные составные элементы, входящие в цепь электрического тока.

Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока. Для создания и функционирования простейшей электрической цепи необходимы следующие основные составные элементы:

Источник тока

Это устройство, которое создает и длительное время поддерживает разность потенциалов (напряжение) между двумя точками (полюсами), за счет чего в цепи возникает и поддерживается электрический ток. Источник преобразует какой-либо вид энергии (химическую, механическую, световую, внутреннюю) в электрическую. Примерами источников тока являются гальванические элементы (батарейки), аккумуляторы, электромеханические генераторы.

Потребитель (или нагрузка)

Это любой элемент или устройство, которое для своей работы использует электрическую энергию, преобразуя ее в другие виды энергии. Например, лампа накаливания преобразует электрическую энергию в световую и тепловую, электродвигатель — в механическую, а резистор — в тепловую. Потребитель является основной целью создания цепи.

Соединительные провода

Это проводники, которые служат для соединения всех элементов цепи в единое целое, обеспечивая замкнутый контур для протекания электрического тока. Чтобы уменьшить потери энергии, провода изготавливают из материалов с хорошей проводимостью (малым электрическим сопротивлением), например, из меди или алюминия.

Замыкающие и размыкающие устройства

Это компоненты, предназначенные для управления работой цепи. Они позволяют включать (замыкать) и выключать (размыкать) цепь по желанию. К таким устройствам относятся ключи, выключатели, кнопки, рубильники. При замыкании цепи создается непрерывный путь для тока, а при размыкании — в цепи образуется разрыв, и ток прекращается.

Помимо этих основных элементов, в электрические цепи могут входить вспомогательные: измерительные приборы (амперметры, вольтметры), защитные устройства (предохранители, автоматические выключатели) и регулирующие элементы (реостаты, потенциометры).

Ответ:

Основными составными элементами электрической цепи являются: источник тока, потребитель электрической энергии (нагрузка), соединительные провода и замыкающие/размыкающие устройства (например, ключ или выключатель).

50.3 [1244] Начертите схему электрической цепи, состоящей из гальванического элемента (или аккумулятора), выключателя и электрической лампы.

Решение

Чтобы начертить схему электрической цепи, нужно использовать стандартные условные обозначения для каждого элемента. В данной задаче требуется составить схему из источника тока (гальванического элемента), выключателя и лампы, соединенных последовательно.

Условные обозначения элементов:

Гальванический элемент (источник тока) обозначается двумя параллельными линиями разной длины. Длинная линия — это положительный полюс (+), а короткая и толстая — отрицательный (–).

Электрическая лампа (потребитель) обозначается кружком с крестом внутри.

Выключатель (ключ) обозначается разрывом в цепи с подвижным контактом, который служит для замыкания и размыкания цепи.

Соединив эти три элемента последовательно, то есть один за другим, с помощью проводников (изображаемых линиями), мы получим требуемую электрическую схему. Ниже представлена такая схема с разомкнутым выключателем.

Ответ:

Схема электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных гальванического элемента, выключателя и электрической лампы, изображена на рисунке выше. Элементы соединены проводниками и образуют единый контур. При замыкании выключателя в цепи возникает электрический ток, в результате чего лампа начинает светиться.

50.4 [1245] Укажите направление тока в проводах, подведённых к лампе, в установке, изображённой на рисунке VII-28.

Для определения направления тока в цепи воспользуемся законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Поскольку точная схема установки (рисунок VII-28) не предоставлена, рассмотрим стандартный случай: к катушке, замкнутой на лампу, приближают постоянный магнит.

Решение

Примем, что к правому торцу катушки приближают постоянный магнит своим северным полюсом (N). Обмотка катушки выполнена таким образом, что витки на передней, видимой нам, стороне направлены сверху вниз.

1. Когда северный полюс (N) магнита приближается к катушке, магнитный поток, создаваемый полем магнита, пронизывающий витки катушки, увеличивается. Векторы магнитной индукции $ \vec{B} $ выходят из северного полюса, следовательно, внутри катушки внешнее магнитное поле направлено влево, и его поток возрастает.

2. Согласно правилу Ленца, индукционный ток, возникающий в катушке, создает собственное магнитное поле $ \vec{B}_{инд} $, которое препятствует нарастанию внешнего потока. Для этого вектор $ \vec{B}_{инд} $ должен быть направлен в сторону, противоположную вектору $ \vec{B} $, то есть вправо.

3. Магнитное поле, созданное индукционным током, направлено вправо. Это означает, что правый торец катушки становится северным полюсом (N), а левый — южным (S). Таким образом, катушка отталкивается от приближающегося магнита, противодействуя причине возникновения тока.

4. Чтобы определить направление тока в витках катушки, воспользуемся правилом правой руки для соленоида. Если направить большой палец правой руки по направлению индукционного поля $ \vec{B}_{инд} $ (вправо), то согнутые четыре пальца покажут направление индукционного тока в витках. Для нашей катушки это означает, что в передней (видимой) части витков ток течет вниз, а в задней — вверх.

5. Катушка является источником ЭДС для лампы. Ток в витках течет вниз, значит, он входит в обмотку через верхний вывод и выходит из нее через нижний. Во внешней цепи (провода и лампа) ток течет от положительного полюса к отрицательному. Полюсом, из которого ток вытекает во внешнюю цепь, является положительный (в нашем случае — нижний вывод). Полюсом, в который ток втекает, является отрицательный (верхний вывод). Следовательно, в проводах, соединяющих катушку и лампу, ток течет от нижнего провода через лампу к верхнему проводу.

Ответ: При приближении к катушке северного полюса магнита ток в нижнем проводе течет по направлению к лампе, а в верхнем проводе — от лампы. При изменении условий (например, приближение южным полюсом или удаление северного полюса) направление тока изменится на противоположное.

50.5 [н] Почему гальванический элемент в цепи, изображённой на рисунке VII-28, со временем разрядится? Куда деваются заряды, первоначально сосредоточенные на полюсах источника тока? Выполняется ли закон сохранения заряда в замкнутой цепи?

Почему гальванический элемент в цепи, изображённой на рисунке VII-28, со временем разрядится?
Гальванический элемент является источником электрической энергии, а не неиссякаемым источником заряда. Его работа основана на преобразовании химической энергии в электрическую за счет протекания окислительно-восстановительных реакций. Внутри элемента находятся химические вещества (реагенты). Когда цепь замкнута и по ней течет ток, эти реагенты расходуются.
На одном электроде (аноде) происходит реакция окисления, в результате которой высвобождаются электроны. На другом электроде (катоде) происходит реакция восстановления, которая потребляет электроны, пришедшие по внешней цепи. Этот процесс не может продолжаться вечно, так как количество реагентов в гальваническом элементе ограничено.
Со временем, по мере расходования реагентов, химические реакции замедляются и в конце концов прекращаются. Когда реакции останавливаются, сторонние силы химической природы перестают совершать работу по разделению зарядов, и электродвижущая сила (ЭДС) источника падает до нуля. Элемент больше не может поддерживать ток в цепи — он "разряжается". Таким образом, разрядка гальванического элемента — это процесс исчерпания его внутреннего запаса химической энергии.

Ответ: Гальванический элемент разряжается, потому что запас химических веществ (реагентов), участвующих в реакциях для создания тока, конечен. По мере работы элемента эти вещества расходуются, химические реакции прекращаются, и элемент перестает быть источником энергии.

Куда деваются заряды, первоначально сосредоточенные на полюсах источника тока?
Представление о том, что на полюсах источника накоплен некий большой статический заряд, который затем расходуется, не совсем корректно. На полюсах действительно существует избыток одних зарядов и недостаток других, что создает разность потенциалов. Однако этот избыток очень мал. Главная функция источника — непрерывно поддерживать эту разность потенциалов.
Заряды не "деваются" и не исчезают. Они находятся в непрерывном движении, образуя замкнутый круг. Когда цепь замыкается, электроны начинают двигаться по внешней цепи от отрицательного полюса к положительному. Внутри источника тока, в электролите, движение зарядов обеспечивается ионами. Положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные — к аноду.
Таким образом, заряд циркулирует по замкнутой цепи. За каждый электрон, покинувший отрицательный полюс и пришедший на положительный, химическая реакция внутри источника "поставляет" новый электрон на отрицательный полюс и "забирает" пришедший электрон на положительном. Источник тока работает как "насос для зарядов", который, используя химическую энергию, заставляет заряды двигаться по кругу. Расходуется не заряд, а энергия, затрачиваемая на его перемещение.

Ответ: Заряды не исчезают. Они непрерывно циркулируют по замкнутой цепи: электроны движутся во внешней цепи, а ионы — внутри источника тока. Химические реакции в источнике постоянно восполняют заряды на полюсах, поддерживая их непрерывное движение.

Выполняется ли закон сохранения заряда в замкнутой цепи?
Да, закон сохранения заряда является одним из фундаментальных законов физики и в замкнутой электрической цепи он выполняется неукоснительно. Этот закон гласит, что алгебраическая сумма зарядов в любой электрически изолированной системе остается постоянной.
В замкнутой цепи заряды не создаются из ничего и не исчезают бесследно. Происходит лишь их упорядоченное перемещение. Гальванический элемент не создает заряд, а лишь разделяет существующие в веществе положительные и отрицательные заряды, совершая работу против сил электростатического поля.
Следствием закона сохранения заряда для электрических цепей является первое правило Кирхгофа (закон токов): алгебраическая сумма токов, сходящихся в любой точке (узле) цепи, равна нулю: $ \sum I_k = 0 $. Это означает, что сколько заряда втекает в узел за единицу времени, ровно столько же из него и вытекает. Ни в одной точке цепи заряд не накапливается и не исчезает.

Ответ: Да, закон сохранения заряда в замкнутой цепи выполняется строго. Заряды не создаются и не уничтожаются, а только перераспределяются и движутся по замкнутому контуру.

50.6 [1246] Каково направление тока внутри аккумуляторной батареи, питающей электрическую цепь, изображённую на рисунке VII-28?

Решение

По определению, за направление электрического тока принимается направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц.

Аккумуляторная батарея в электрической цепи выступает в роли источника электродвижущей силы (ЭДС). Она создает и поддерживает разность потенциалов на своих клеммах. Во внешней части цепи (провода, потребители) электрический ток течет от точки с более высоким потенциалом (положительный полюс, «+») к точке с более низким потенциалом (отрицательный полюс, «–»).

Электрическая цепь является замкнутой, поэтому ток должен протекать и внутри самого источника. Для того чтобы поддерживать разность потенциалов и обеспечивать непрерывное движение зарядов по всей цепи, внутри источника тока должны действовать сторонние силы (в аккумуляторе это силы химической природы). Эти силы совершают работу по перемещению положительных зарядов против сил электрического поля, то есть от отрицательного полюса к положительному.

Таким образом, для замыкания цепи ток внутри аккумуляторной батареи, питающей цепь, направлен от ее отрицательного полюса к положительному.

Ответ: Внутри аккумуляторной батареи, когда она питает электрическую цепь, ток направлен от отрицательного полюса к положительному.

50.7 [1247] Что надо сделать, чтобы изменить направление тока в лампе (см. рис. VII-28)?

Решение

Направление электрического тока в цепи постоянного тока определяется полярностью источника этого тока (например, батареи или аккумулятора). По определению, техническое (или условное) направление тока в_ внешней цепи — это направление движения положительно заряженных частиц. Оно совпадает с_ направлением вектора напряженности электрического поля и направлено от положительного полюса (+) источника к его отрицательному полюсу (-).

Лампа является элементом внешней цепи. Следовательно, ток через нее течет от точки с_ более высоким потенциалом к точке с_ более низким потенциалом. Чтобы изменить направление тока на противоположное, необходимо изменить полярность напряжения, приложенного к лампе. Этого можно достичь, поменяв местами провода, подключенные к клеммам источника питания. В_ этом случае положительный и отрицательный полюса поменяются местами относительно цепи, и ток потечет в_ обратном направлении.

Ответ: Чтобы изменить направление тока в лампе, нужно поменять местами полюса источника тока (изменить полярность его подключения).

50.8 [н] Изменится ли направление тока в электрической цепи (см. рис. VII-28), если ключ и лампу поменять местами?

Рис. VII-28

Решение

В соответствии с общепринятым соглашением, за направление электрического тока во внешней цепи принимается направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. В представленной на рисунке VII-28 электрической цепи источник тока, лампа и ключ соединены последовательно.

При последовательном соединении все элементы цепи располагаются друг за другом, образуя единый неразветвленный контур. Это означает, что через каждый элемент цепи протекает один и тот же ток.

В исходной схеме (как на рисунке) при замыкании ключа электрический ток течет от положительного полюса (+) источника, проходит через лампу, затем через ключ и возвращается к отрицательному полюсу (−) источника.

Если поменять местами ключ и лампу, то они по-прежнему останутся соединены последовательно. В этом случае ток будет течь от положительного полюса (+), проходить сначала через ключ, затем через лампу и возвращаться к отрицательному полюсу (−).

Как видно из анализа, порядок расположения элементов в последовательной цепи не влияет на общее направление движения зарядов в контуре. Ток в обоих случаях течет от положительного полюса к отрицательному. Меняется лишь последовательность прохождения тока через конкретные элементы, но не его направление в цепи в целом.

Ответ: Нет, направление тока в электрической цепи не изменится.

50.9 [1248] Рассмотрите электрическую установку, изображённую на рисунке VII-29. Что в ней является источником тока, а что — приёмником электрической энергии? Каково направление тока в проводнике, соединяющем лампу со звонком, когда ключ замкнут?

Рис. VII-29

Что в ней является источником тока, а что — приёмником электрической энергии?

Источником тока в данной электрической цепи является устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в электрическую. На рисунке в качестве источника тока выступает гальванический элемент или аккумулятор, обозначенный прямоугольником с клеммами «+» (положительный полюс) и «−» (отрицательный полюс).

Приёмниками (или потребителями) электрической энергии являются устройства, которые преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии (световую, тепловую, звуковую, механическую). В данной установке приёмниками являются электрическая лампа и электрический звонок. Лампа преобразует электрическую энергию в световую и тепловую, а звонок — в звуковую.

Ответ: источником тока является гальванический элемент (аккумулятор), а приёмниками электрической энергии — электрическая лампа и электрический звонок.

Каково направление тока в проводнике, соединяющем лампу со звонком, когда ключ замкнут?

Когда ключ замкнут, в цепи возникает электрический ток. Согласно общепринятому соглашению, за направление электрического тока в цепи принимается направление движения положительных зарядов. Во внешней цепи (вне источника) ток течёт от положительного полюса источника к отрицательному.

Проследим путь тока в изображённой цепи при замкнутом ключе: ток выходит из положительной клеммы («+») источника, проходит через ключ, затем поступает на электрический звонок. После звонка ток течёт по проводнику к электрической лампе, проходит через неё и по другому проводнику возвращается к отрицательной клемме («−») источника.

Таким образом, в проводнике, который соединяет звонок и лампу, электрический ток направлен от звонка к лампе.

Ответ: когда ключ замкнут, ток в проводнике, соединяющем лампу со звонком, направлен от звонка к лампе.

50.10 [1249] Для питания фары от источника тока, установленного на велосипеде, к электрической лампе подведён только один провод. Почему нет второго провода?

Решение

Для того чтобы электрическая лампа горела, необходима замкнутая электрическая цепь. Это означает, что ток должен иметь возможность течь от одного полюса источника питания (например, динамо-машины или батарейки), через нить накала лампы, и возвращаться к другому полюсу источника. Обычно для этого требуется два провода.

В случае с велосипедной фарой, а также во многих других транспортных средствах (автомобилях, мотоциклах), в целях экономии и упрощения конструкции в качестве второго провода используется сама металлическая рама. Она является хорошим проводником электрического тока.

Таким образом, электрическая цепь устроена следующим образом: один полюс источника тока соединен с одним контактом лампы с помощью изолированного провода. Второй полюс источника и второй контакт лампы имеют электрическое соединение с металлической рамой велосипеда. В результате ток течет от источника по проводу к лампе, проходит через нее, а затем по раме возвращается обратно к источнику, замыкая цепь.

Ответ: Роль второго провода выполняет металлическая рама велосипеда, которая является проводником и замыкает электрическую цепь.