Вопросы, страница 31 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Вопросы

1. В чём суть открытия Гальвани?

2. Как можно объяснить результаты опыта Вольта с разнородными пластинами на языке?

3. Как возникает электрическое напряжение на концах термопары?

4. Что такое фотоэлемент?

5. Где применяются термоэлементы и фотоэлементы?

1. В чём суть открытия Гальвани?

Суть открытия итальянского учёного Луиджи Гальвани, сделанного в конце XVIII века, заключается в обнаружении явления, которое он назвал «животным электричеством». В ходе экспериментов с препарированными лягушками он заметил, что мышцы их лапок сокращаются, если к ним одновременно прикоснуться двумя соединёнными между собой проводниками из разных металлов (например, меди и железа).

Гальвани ошибочно предположил, что источником электричества является сама живая ткань, а металлы лишь замыкают цепь. Однако, несмотря на неверную трактовку, его открытие было фундаментальным. Оно впервые продемонстрировало связь между электрическими явлениями и физиологическими процессами в живых организмах. Это наблюдение положило начало электрофизиологии и вдохновило другого учёного, Алессандро Вольта, на дальнейшие исследования, которые привели к созданию первого химического источника тока — вольтова столба — и к правильному объяснению этого явления.

Ответ: Суть открытия Гальвани состоит в экспериментальном обнаружении того, что электрический ток вызывает сокращение мышц, что установило фундаментальную связь между электричеством и биологическими процессами.

2. Как можно объяснить результаты опыта Вольта с разнородными пластинами на языке?

Алессандро Вольта, чтобы доказать, что источником электричества являются металлы, а не «животное электричество», провёл простой опыт. Он помещал на свой язык две пластинки из разных металлов (например, цинковую и медную) и, когда их края соприкасались, чувствовал кисловатый привкус.

Это явление объясняется возникновением гальванического элемента, в котором роль электродов играют разнородные металлические пластины, а роль электролита — слюна. При контакте двух разных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов. Когда они погружены в электролит, начинается химическая реакция: более активный металл (цинк) начинает окисляться, отдавая электроны, и становится отрицательным полюсом, а менее активный (медь) — положительным. При замыкании цепи (когда пластины соприкасаются вне языка) возникает направленное движение заряженных частиц — электрический ток. Этот слабый ток, проходя через нервные окончания на языке, раздражает вкусовые рецепторы, что и воспринимается как кисловатый или металлический привкус.

Ответ: Ощущение вкуса в опыте Вольта объясняется возникновением слабого электрического тока, который генерируется простейшим гальваническим элементом, состоящим из двух разнородных металлов (электродов) и слюны (электролита).

3. Как возникает электрическое напряжение на концах термопары?

Возникновение электрического напряжения (точнее, термо-ЭДС) на концах термопары основано на термоэлектрическом явлении, известном как эффект Зеебека. Термопара представляет собой замкнутую электрическую цепь, состоящую из двух последовательно соединённых проводников, изготовленных из разных материалов (например, металлов или полупроводников). Места соединения проводников называются спаями.

Если эти два спая поддерживать при разной температуре (один сделать «горячим», а другой — «холодным»), то в цепи возникает электрический ток. Причина в том, что концентрация и средняя энергия свободных носителей заряда (в металлах — электронов) зависят от температуры. На горячем конце электроны обладают большей энергией и начинают диффундировать в сторону холодного конца. Скорость этой диффузии в разных материалах различна. Из-за разницы в скоростях диффузии электронов в двух разных проводниках на их свободных (разомкнутых) концах возникает разность потенциалов — напряжение. Величина этого напряжения прямо пропорциональна разности температур между горячим и холодным спаями: $U \approx \alpha \cdot (T_{горяч} - T_{холод})$, где $\alpha$ — коэффициент термо-ЭДС, зависящий от пары материалов.

Ответ: Напряжение на концах термопары возникает вследствие эффекта Зеебека: разность температур между двумя спаями разнородных проводников вызывает различную интенсивность диффузии носителей заряда в них, что приводит к появлению разности потенциалов (ЭДС).

4. Что такое фотоэлемент?

Фотоэлемент — это электронный прибор, преобразующий энергию света (фотонов) в электрическую энергию. Его работа основана на явлении фотоэффекта в полупроводниках. Самый распространённый тип фотоэлемента — вентильный фотоэлемент, который является основой солнечных батарей.

Он представляет собой полупроводниковую пластину (чаще всего из кремния), в которой создан p-n-переход — граница между областями с разным типом проводимости: p-типа (дырочной) и n-типа (электронной). В области p-n-перехода существует внутреннее электрическое поле. Когда свет попадает на фотоэлемент, фотоны с достаточной энергией выбивают электроны из атомов, создавая пары «электрон-дырка». Под действием внутреннего поля p-n-перехода эти носители заряда разделяются: электроны устремляются в n-область, а дырки — в p-область. В результате на выводах фотоэлемента возникает разность потенциалов (напряжение). Если к фотоэлементу подключить внешнюю нагрузку, в цепи потечёт электрический ток.

Ответ: Фотоэлемент — это полупроводниковый прибор, который преобразует энергию света в электрическую энергию за счёт фотоэлектрического эффекта (фотовольтаического эффекта).

5. Где применяются термоэлементы и фотоэлементы?

Термоэлементы и фотоэлементы имеют широкое и разнообразное применение благодаря своим уникальным свойствам.

Применение термоэлементов (термопар):

• Измерение температуры: это их основное применение. Термопары используются как надёжные и недорогие датчики для измерения очень широкого диапазона температур (от -200 °C до более 2000 °C) в промышленности (печи, двигатели, химические реакторы), научных исследованиях и бытовой технике (газовые котлы, духовки).

• Преобразование тепла в электричество: термоэлектрические генераторы (ТЭГ) применяются там, где важна автономность и надёжность. Например, для питания оборудования на удалённых газопроводах, в космических аппаратах (РИТЭГи на аппаратах «Вояджер», «Кьюриосити»), а также в туристических гаджетах, заряжающих устройства от тепла костра.

• Охлаждение: на основе обратного эффекта Пельтье создаются компактные холодильные модули, используемые в автомобильных холодильниках, кулерах для воды и для охлаждения электронных компонентов (например, процессоров).

Применение фотоэлементов:

• Производство электроэнергии: это самое масштабное применение в виде солнечных панелей (батарей) для электроснабжения частных домов, предприятий, целых электростанций, а также для питания спутников и космических станций.

• Датчики и сенсоры: фотоэлементы используются в качестве датчиков света в различных автоматических устройствах: для включения уличного освещения в сумерках, в экспонометрах фотоаппаратов, в системах безопасности (например, турникеты или сигнализации, реагирующие на прерывание светового луча), в некоторых типах датчиков дыма.

• Бытовая электроника: они служат источником питания для калькуляторов, часов, садовых фонарей и портативных зарядных устройств.

Ответ: Термоэлементы в основном применяются для измерения температуры, а также для генерации электричества из тепла в нишевых областях и для охлаждения. Фотоэлементы главным образом используются для производства электроэнергии из солнечного света (солнечные батареи) и в качестве датчиков света в огромном количестве автоматических устройств.