Страница 118 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

УПРАЖНЕНИЕ 25

1. В чём преимущество аккумулятора перед гальваническим элементом?

1. Главное и фундаментальное преимущество аккумулятора перед гальваническим элементом (например, обычной одноразовой батарейкой) заключается в его многоразовости. Это означает, что работоспособность аккумулятора можно многократно восстанавливать путем зарядки от внешнего источника тока.

Это ключевое отличие обусловлено разным характером химических процессов, лежащих в основе их работы:

• В гальваническом элементе протекает необратимая химическая реакция, в ходе которой химическая энергия преобразуется в электрическую. После того как реагенты полностью израсходуются, элемент прекращает работать и его необходимо утилизировать.
• В аккумуляторе химическая реакция, генерирующая ток (процесс разряда), является обратимой. При подключении аккумулятора к зарядному устройству электрическая энергия извне заставляет реакцию протекать в обратном направлении. Продукты реакции снова превращаются в исходные реагенты, и аккумулятор накапливает (аккумулирует) химическую энергию, то есть заряжается.

Возможность многократной перезарядки дает аккумуляторам ряд важных преимуществ:

1. Экономическая выгода. Несмотря на более высокую первоначальную стоимость аккумулятора и зарядного устройства, их использование в долгосрочной перспективе оказывается значительно дешевле, так как один аккумулятор способен заменить от нескольких десятков до тысяч одноразовых гальванических элементов.
2. Экологичность. Использование аккумуляторов существенно снижает количество опасных отходов. Отработанные батарейки содержат токсичные тяжелые металлы (свинец, ртуть, кадмий) и другие вредные вещества, загрязняющие окружающую среду. Многоразовое использование одного источника тока вместо сотен одноразовых уменьшает этот вред.
3. Практичность и мощность. Аккумуляторы часто способны отдавать больший ток по сравнению с гальваническими элементами аналогичного размера, что делает их предпочтительными для использования в мощных и энергоемких устройствах (например, в смартфонах, ноутбуках, электроинструментах, электромобилях).

Ответ: Главное преимущество аккумулятора перед гальваническим элементом — это возможность многократного восстановления его заряда (многоразовость) благодаря обратимости протекающих в нем химических реакций. Это ведет к экономической выгоде при длительном использовании и снижению негативного воздействия на окружающую среду.

2. На рисунке 67 изображены заряженный и незаряженный электрометры. Потечёт ли электрический ток по металлическому стержню, если им коснуться одновременно шариков электрометров?

Рис. 67

Решение

Да, по металлическому стержню потечёт электрический ток.

Объяснение заключается в следующем:

1. На рисунке мы видим два электрометра. Левый электрометр заряжен, что подтверждается отклонением его стрелки. Заряженное тело всегда обладает электрическим потенциалом, который отличается от потенциала незаряженного тела. Обозначим его потенциал как $\phi_1$.

2. Правый электрометр не заряжен (его стрелка находится в нулевом положении), следовательно, его электрический потенциал можно принять за ноль ($\phi_2 = 0$). Таким образом, между шариками двух электрометров существует разность потенциалов $\Delta\phi = \phi_1 - \phi_2 \neq 0$.

3. Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Обязательным условием для возникновения и поддержания тока в проводнике является наличие разности потенциалов на его концах.

4. Металлический стержень является проводником, так как в нём есть свободные электроны. Когда этим стержнем одновременно коснуться шариков обоих электрометров, он создаст между ними проводящее соединение.

5. Из-за существующей разности потенциалов свободные заряды придут в движение: избыточный заряд с левого электрометра начнёт перетекать через стержень на правый электрометр. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока потенциалы обоих электрометров не станут одинаковыми. Это кратковременное направленное движение зарядов и является электрическим током.

После этого заряд с первого электрометра перераспределится между двумя электрометрами, и оба они станут заряженными, что будет видно по отклонению стрелок на обоих приборах.

Ответ: Да, по металлическому стержню потечёт кратковременный электрический ток, так как между заряженным и незаряженным электрометрами существует разность потенциалов, которая заставит свободные заряды в стержне двигаться упорядоченно.

3. Имеется заряженный электроскоп и металлический стержень. Что нужно сделать, чтобы по стержню потёк электрический ток?

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Для того чтобы в проводнике, которым является металлический стержень, возник электрический ток, необходимо создать на его концах разность потенциалов (напряжение). Это, в свою очередь, создаст внутри стержня электрическое поле, которое заставит свободные электроны двигаться направленно.

В нашем распоряжении есть заряженный электроскоп и металлический стержень.

• Заряженный электроскоп обладает электрическим потенциалом, отличным от нуля. Обозначим его потенциал как $\phi_{э}$.
• Металлический стержень является проводником, так как в нем есть свободные носители заряда — электроны.

Чтобы создать разность потенциалов на концах стержня, нужно соединить им две точки с разными потенциалами. Одной точкой является заряженный электроскоп. В качестве второй точки с другим потенциалом можно использовать любой массивный проводник, потенциал которого отличается от потенциала электроскопа. Самым простым и доступным примером такого объекта является Земля, электрический потенциал которой условно принимается равным нулю ($\phi_{З} = 0$). Тело человека также является проводником и может быть использовано для соединения с Землей.

Следовательно, необходимо выполнить следующую последовательность действий:

1. Одним концом металлического стержня коснуться шара (или стержня) заряженного электроскопа.
2. Другой конец металлического стержня соединить с Землей. Это можно сделать, коснувшись им заземленного предмета (например, радиатора отопления) или просто держа этот конец в руке (тело человека выступит в роли проводника, соединяющего стержень с Землей).

В момент такого соединения на концах стержня возникнет разность потенциалов $\Delta \phi = \phi_{э} - \phi_{З} \neq 0$. Это приведет к возникновению кратковременного электрического тока. Заряженные частицы (электроны) будут перемещаться по стержню до тех пор, пока потенциалы электроскопа и Земли не выровняются, то есть пока электроскоп полностью не разрядится. После этого разность потенциалов станет равной нулю, и ток прекратится.

Ответ: Чтобы по стержню потёк электрический ток, необходимо соединить им заряженный электроскоп и землю (или любой другой массивный незаряженный проводник). Например, можно одним концом стержня коснуться электроскопа, а другого конца коснуться рукой.

4. В чём главное отличие электрического тока, возникающего в металлическом проводнике, соединяющем полюсы гальванического элемента, от тока, возникающего при разрядке электрометра?

Решение

Основное различие между этими двумя видами электрического тока заключается в механизме его поддержания и, как следствие, в его продолжительности.

Когда металлический проводник соединяет полюсы гальванического элемента, в цепи возникает электрический ток. Внутри гальванического элемента (источника тока) происходят химические реакции, работа так называемых сторонних сил. Эти силы разделяют положительные и отрицательные заряды и поддерживают постоянную разность потенциалов на полюсах. Благодаря этому в проводнике существует постоянное электрическое поле, которое вызывает непрерывное упорядоченное движение свободных электронов. Такой ток является длительным и постоянным по величине (или слабо меняющимся). Он будет существовать до тех пор, пока в гальваническом элементе не иссякнут химические реагенты.

При разрядке электрометра ситуация иная. Заряженный электрометр обладает некоторым количеством статического электрического заряда. Когда его соединяют проводником с другим телом (например, с землей), этот избыточный заряд быстро перетекает по проводнику, стремясь к выравниванию потенциалов. Этот кратковременный поток зарядов и представляет собой электрический ток. Однако в этом процессе нет никаких сторонних сил, которые бы возобновляли заряд на электрометре. Как только весь накопленный заряд стекает и потенциал электрометра выравнивается с потенциалом земли, электрическое поле в проводнике исчезает, и ток прекращается. Весь процесс занимает очень малое время. Такой ток является кратковременным (импульсным).

Ответ: Главное отличие состоит в том, что ток от гальванического элемента является постоянным и длительным, поскольку он поддерживается непрерывной работой сторонних сил внутри источника тока. Ток же при разрядке электрометра является кратковременным, так как он представляет собой быструю нейтрализацию накопленного статического заряда и прекращается, как только заряд полностью стекает.