Неоднородная электрическая цепь, страница 46, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 5. Электрический ток. Параграф 58. Лабораторные и исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 46.

Условие.

НЕОДНОРОДНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ

Неоднородными являются электрические цепи, содержащие проводники, обладающие разными типами носителей заряда, например, электроны в металлах и ионы в электролитах.

Цель работы

Изучить особенности прохождения электрического тока в цепи, составленной из металлических и неметаллических проводников.

Этапы выполнения задания

• В качестве оборудования можно использовать батарейку, лампочку для карманного фонаря, амперметр, две полоски жести, два куска медной проволоки с зачищенными концами, раствор поваренной соли, коммутационную плату, прищепку, спиртовку.

• Соберите электрическую цепь, состоящую из батарейки, лампочки, амперметра и двух полосок жести, разделённых воздушным промежутком шириной $1-3$ мм.

• С помощью пипетки введите в этот промежуток (на одну из полосок) небольшое количество раствора соли.

• Наблюдайте за изменениями силы тока в цепи и характера свечения лампочки, если полоски жести осторожно смещать относительно друг друга.

• Придерживая верхнюю полоску жести прищепкой, нагрейте её с помощью горящей спиртовки.

• Объясните наблюдаемые явления.

Решение.

Цель работы

Изучить особенности прохождения электрического тока в цепи, составленной из металлических (провода, амперметр, полоски жести) и неметаллических (раствор соли) проводников.

Этапы выполнения задания

• Соберите электрическую цепь, состоящую из батарейки, лампочки, амперметра и двух полосок жести, разделённых воздушным промежутком шириной 1–3 мм.
При сборке цепи с воздушным промежутком лампочка не горит, и амперметр показывает нулевое значение силы тока. Это происходит потому, что воздух является диэлектриком и практически не содержит свободных носителей заряда, необходимых для прохождения электрического тока. Цепь оказывается разомкнутой.
Ответ: В исходном состоянии цепь разомкнута из-за воздушного промежутка, ток отсутствует.

• С помощью пипетки введите в этот промежуток (на одну из полосок) небольшое количество раствора соли.
После добавления раствора поваренной соли ($NaCl$) в промежуток между полосками лампочка загорается, а амперметр фиксирует появление тока. Водный раствор соли является электролитом. В нем молекулы соли диссоциируют на ионы: $NaCl \leftrightarrow Na^+ + Cl^-$. Под действием электрического поля, создаваемого источником тока, положительно заряженные ионы натрия ($Na^+$) начинают двигаться к отрицательному электроду (катоду), а отрицательно заряженные ионы хлора ($Cl^-$) — к положительному электроду (аноду). Это упорядоченное движение ионов и представляет собой электрический ток в жидкости. Таким образом, электролит замыкает цепь.
Ответ: Раствор соли является электролитом, который проводит ток за счет движения ионов, замыкая цепь. Лампочка загорается, амперметр фиксирует ток.

• Наблюдайте за изменениями силы тока в цепи и характера свечения лампочки, если полоски жести осторожно смещать относительно друг друга.
При смещении полосок таким образом, что их площадь взаимного перекрытия, заполненная раствором, уменьшается, яркость свечения лампочки падает, и амперметр показывает меньшую силу тока. При увеличении площади перекрытия яркость и сила тока возрастают. Это объясняется зависимостью сопротивления проводника от его геометрических размеров: $R = \rho \frac{l}{S}$, где $\rho$ — удельное сопротивление электролита, $\text{l}$ — расстояние между полосками (в данном опыте оно постоянно), а $\text{S}$ — площадь поперечного сечения проводящей жидкости, которая прямо пропорциональна площади перекрытия полосок. Уменьшение площади $\text{S}$ ведет к увеличению сопротивления $\text{R}$ участка цепи с электролитом. Согласно закону Ома для полной цепи, $I = \frac{\mathcal{E}}{R_{цепи}}$, увеличение сопротивления приводит к уменьшению силы тока.
Ответ: Сила тока и яркость лампочки прямо пропорциональны площади перекрытия полосок, так как от нее обратно пропорционально зависит сопротивление участка цепи с электролитом.

• Придерживая верхнюю полоску жести прищепкой, нагрейте её с помощью горящей спиртовки.
При нагревании полоски жести, которая, в свою очередь, нагревает раствор электролита, яркость свечения лампочки увеличивается, а сила тока возрастает. Это связано с тем, что сопротивление электролитов, в отличие от металлов, уменьшается с ростом температуры. Нагрев увеличивает кинетическую энергию ионов, что повышает их подвижность и уменьшает вязкость раствора, облегчая прохождение тока. Уменьшение сопротивления электролита приводит к увеличению общей силы тока в цепи в соответствии с законом Ома.
Ответ: При нагревании электролита его сопротивление падает, что приводит к увеличению силы тока в цепи.

• Объясните наблюдаемые явления.
Наблюдаемые явления демонстрируют принципиальные различия в механизмах электропроводности разных сред, входящих в состав неоднородной цепи.
1. В металлических частях цепи (провода, электроды, нить накала лампы) ток обусловлен направленным движением свободных электронов.
2. Воздух при нормальных условиях является диэлектриком, разрывающим цепь.
3. Раствор поваренной соли является проводником второго рода (электролитом), где носителями заряда служат положительные и отрицательные ионы ($Na^+$ и $Cl^-$), образующиеся в результате электролитической диссоциации.
4. Сопротивление участка с электролитом зависит от его геометрических размеров (в частности, от площади поперечного сечения $\text{S}$), что наблюдалось при смещении полосок.
5. Температурная зависимость сопротивления электролитов обратна таковой для металлов: с ростом температуры сопротивление электролита падает (а проводимость растет), так как увеличивается подвижность ионов. У металлов же с ростом температуры сопротивление растет из-за увеличения частоты столкновений электронов с колеблющимися ионами кристаллической решетки.
Ответ: Наблюдаемые явления объясняются наличием разных типов носителей заряда в цепи (электроны в металлах и ионы в электролите) и различными свойствами этих проводников, в частности, зависимостью их сопротивления от геометрических размеров и температуры.