Вариант 8, страница 80 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Самостоятельные работы. СР-7. Электрический ток - страница 80.

Условие.

Вариант 8

1. Почему горизонтально натянутая проволока заметно провисает при наличии в ней электрического тока?

2. Открытие физика Араго в 1820 г. заключалось в следующем: когда тонкая медная проволока, соединённая с источником тока, погружалась в железные опилки, то они притягивались к ней. Объясните это явление.

3. В чём различие в движении свободных электронов в металлическом проводнике, когда он присоединён к полюсам источника тока и когда он отсоединён от него?

Решение.

1. Почему горизонтально натянутая проволока заметно провисает при наличии в ней электрического тока?

Когда по металлической проволоке проходит электрический ток, она нагревается. Это явление называется тепловым действием тока и описывается законом Джоуля-Ленца. Количество теплоты $\text{Q}$, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока $\text{I}$, сопротивлению проводника $\text{R}$ и времени прохождения тока $\text{t}$: $Q = I^2 R t$.

Повышение температуры приводит к тепловому расширению материала проволоки. Длина проволоки увеличивается в соответствии с формулой линейного теплового расширения: $\Delta L = \alpha L_0 \Delta T$, где $L_0$ – начальная длина, $\Delta T$ – изменение температуры, а $\alpha$ – коэффициент линейного теплового расширения материала.

Из-за этого удлинения натяжение проволоки ослабевает, и под действием собственной силы тяжести она провисает заметно сильнее, чем в холодном состоянии без тока.

Ответ: Проволока провисает из-за теплового расширения, вызванного её нагревом при прохождении электрического тока.

2. Открытие физика Араго в 1820 г. заключалось в следующем: когда тонкая медная проволока, соединённая с источником тока, погружалась в железные опилки, то они притягивались к ней. Объясните это явление.

Это явление объясняется тем, что электрический ток, протекающий по проводнику, создаёт вокруг себя магнитное поле. Это было одно из первых наблюдений, установивших связь между электричеством и магнетизмом (наряду с опытами Эрстеда).

Медная проволока сама по себе не является магнитом. Однако, когда по ней течёт ток, она становится источником магнитного поля, то есть, по сути, превращается в электромагнит. Железные опилки являются ферромагнетиком – материалом, который сильно взаимодействует с магнитным полем.

Магнитное поле, созданное током в проволоке, намагничивает железные опилки, превращая каждую из них в маленький магнит. После этого намагниченные опилки притягиваются к источнику поля, то есть к проволоке с током.

Ответ: Электрический ток в медной проволоке создаёт вокруг неё магнитное поле, которое намагничивает железные опилки и притягивает их к проволоке.

3. В чём различие в движении свободных электронов в металлическом проводнике, когда он присоединён к полюсам источника тока и когда он отсоединён от него?

Различие в характере движения свободных электронов в этих двух случаях является принципиальным.

Когда проводник отсоединён от источника тока:
В металле существует большое количество свободных электронов, которые не связаны с конкретными атомами и образуют так называемый «электронный газ». Эти электроны находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Они движутся с большими скоростями (порядка $10^5$ м/с) в случайных направлениях, постоянно сталкиваясь с ионами кристаллической решётки и друг с другом. Из-за случайности направлений движения суммарный перенос заряда через любое поперечное сечение проводника в среднем равен нулю. Поэтому электрический ток отсутствует.

Когда проводник присоединён к полюсам источника тока:
Подключение к источнику тока создаёт внутри проводника электрическое поле. Это поле действует на свободные электроны с силой, заставляя их двигаться в направлении, противоположном вектору напряжённости электрического поля. В результате на хаотическое тепловое движение электронов накладывается их упорядоченное, направленное движение (дрейф). Скорость этого дрейфа невелика (обычно доли миллиметра в секунду), но именно это упорядоченное движение всех свободных электронов в одном направлении и представляет собой электрический ток. Таким образом, движение электронов становится суммой двух составляющих: быстрого хаотического теплового движения и медленного направленного дрейфа.

Ответ: Когда проводник отсоединён от источника, движение свободных электронов является хаотическим тепловым, и нет направленного переноса заряда. Когда проводник присоединён к источнику, на хаотическое движение накладывается упорядоченное направленное движение (дрейф) под действием электрического поля, что и создаёт электрический ток.