Страница 126 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. На каком опыте можно показать тепловое действие тока?

1. На каком опыте можно показать тепловое действие тока?

Тепловое действие тока можно продемонстрировать с помощью простого опыта, показывающего нагревание проводника при прохождении через него электрического тока. Этот эффект, известный как закон Джоуля-Ленца, является фундаментальным и лежит в основе работы множества бытовых и промышленных приборов, таких как электрические чайники, утюги, обогреватели и лампы накаливания.

Решение

Описание опыта

Для демонстрации теплового действия тока можно собрать простую электрическую цепь.

Необходимое оборудование:

• Источник постоянного тока (например, аккумулятор или лабораторный блок питания, способный выдать ток в несколько ампер);
• Проводник с высоким электрическим сопротивлением (чаще всего используют отрезок нихромовой проволоки, например, в виде спирали);
• Соединительные провода с зажимами ("крокодилами");
• Ключ (выключатель) для замыкания и размыкания цепи.

Порядок проведения опыта:

1. Собрать электрическую цепь, последовательно соединив источник тока, ключ и нихромовую проволоку. Проволоку следует закрепить на непроводящем и негорючем основании.
2. Перед началом опыта убедиться, что проволока имеет комнатную температуру.
3. Замкнуть ключ. По проволоке начнет протекать электрический ток.
4. Наблюдать за изменениями, происходящими с проволокой. Уже через несколько секунд можно будет заметить, что она сильно нагрелась. Если сила тока достаточно велика, проволока раскалится и начнет светиться сначала красным, а затем и оранжево-желтым светом.
5. Для более наглядной демонстрации можно поднести к раскаленной проволоке кусочек бумаги (он обуглится и может загореться) или капнуть на нее водой (вода мгновенно зашипит и испарится).
6. Разомкнуть ключ, чтобы прекратить нагрев.

Физическое объяснение:

Прохождение электрического тока через металлический проводник представляет собой направленное движение свободных электронов. Двигаясь, электроны постоянно сталкиваются с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки металла. В результате этих столкновений электроны передают часть своей кинетической энергии ионам, что приводит к увеличению амплитуды их колебаний. Усиление колебаний ионов кристаллической решетки и есть нагревание тела, то есть увеличение его внутренней энергии. Эта внутренняя энергия выделяется в окружающую среду в виде теплоты.

Количество выделяемой теплоты ($Q$) определяется законом Джоуля-Ленца:

$Q = I^2 R t$

где $I$ — сила тока, $R$ — сопротивление проводника, $t$ — время прохождения тока. Опыт наглядно подтверждает этот закон: чем больше сила тока и сопротивление проводника, тем быстрее и сильнее он нагревается.

Ответ: Тепловое действие тока можно продемонстрировать на опыте, в котором через проводник с высоким сопротивлением (например, нихромовую проволоку) пропускают электрический ток. Для этого собирают цепь из источника тока, ключа и проволоки. При замыкании цепи проволока нагревается, что можно наблюдать визуально (покраснение, свечение) и по воздействию на другие предметы (обугливание бумаги, испарение воды). Этот опыт показывает превращение электрической энергии в тепловую.

2. Какие заряженные частицы образуют электрический ток в растворах и расплавах солей, кислот и щелочей?

1. Тепловое действие тока можно продемонстрировать на простом опыте. Для этого необходимо собрать электрическую цепь, состоящую из источника тока, выключателя и проводника с высоким сопротивлением (например, нихромовой спирали). При замыкании цепи через спираль пойдет электрический ток. В результате прохождения тока проводник начнет нагреваться, что можно почувствовать на ощупь (соблюдая осторожность) или увидеть, если довести его до красного свечения. Более наглядно этот эффект можно показать, погрузив спираль в сосуд с водой и термометром. Спустя некоторое время после включения тока термометр покажет повышение температуры воды. Это явление объясняется тем, что движущиеся под действием электрического поля электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки проводника, передавая им свою энергию, которая и выделяется в виде тепла. Количество выделившейся теплоты описывается законом Джоуля-Ленца: $Q = I^2Rt$.

Ответ: Тепловое действие тока можно показать на опыте с прохождением тока через проводник с высоким сопротивлением (например, нихромовую спираль), который при этом заметно нагревается.

2. В растворах и расплавах солей, кислот и щелочей (электролитах) электрический ток представляет собой упорядоченное движение не электронов, как в металлах, а ионов. При растворении или плавлении этих веществ происходит процесс электролитической диссоциации — распад молекул на положительно и отрицательно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы называются катионами, а отрицательно заряженные — анионами. Когда в такой раствор или расплав помещают электроды, подключенные к источнику тока, ионы приходят в движение: катионы движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду), а анионы — к положительно заряженному электроду (аноду). Это направленное движение ионов двух знаков и является электрическим током в электролитах.

Ответ: Электрический ток в растворах и расплавах солей, кислот и щелочей образуют положительно и отрицательно заряженные ионы (катионы и анионы).

3. Вопрос на изображении неполный. Вероятнее всего, он касается названий электродов в зависимости от их подключения к полюсам источника тока.

• Электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, называется анодом. К нему движутся отрицательно заряженные ионы — анионы.
• Электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника тока, называется катодом. К нему движутся положительно заряженные ионы — катионы.

Ответ: Электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, называют анодом, а с отрицательным полюсом — катодом.

3. Как называют электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока; отрицательным?

3. Электрод, который соединён с положительным полюсом источника тока, называется анодом. Электрод, соединённый с отрицательным полюсом источника тока, называется катодом. В процессе электролиза, который представляет собой химическое действие тока, к положительному аноду притягиваются отрицательно заряженные ионы (анионы), а к отрицательному катоду — положительно заряженные ионы (катионы).

Ответ: Электрод, подключенный к положительному полюсу, — анод; к отрицательному полюсу — катод.

4. Тепловое и химическое действия тока имеют широкое практическое применение.

Тепловое действие тока заключается в нагревании проводника при прохождении по нему электрического тока. Это явление описывается законом Джоуля-Ленца, согласно которому количество выделившейся теплоты $Q$ прямо пропорционально квадрату силы тока $I$, сопротивлению проводника $R$ и времени прохождения тока $t$: $Q = I^2 \cdot R \cdot t$.

Примеры использования теплового действия тока:

• Бытовые и промышленные нагревательные приборы: электрические плиты, чайники, утюги, обогреватели, бойлеры, паяльники.
• Осветительные приборы: лампы накаливания, в которых вольфрамовая нить раскаляется до высокой температуры и начинает ярко светиться.
• Электросварка: создание высокой температуры в месте контакта для плавления и соединения металлических деталей.
• Плавкие предохранители: защита электрических цепей от перегрузок и коротких замыканий за счет плавления проволочки при превышении допустимого тока.

Химическое действие тока проявляется только тогда, когда ток проходит через проводники второго рода — электролиты (растворы и расплавы солей, кислот и щелочей). Прохождение тока вызывает химические реакции на электродах — электролиз.

Примеры использования химического действия тока:

• Электрометаллургия: получение чистых металлов (алюминия, натрия, магния) и рафинирование (очистка) металлов (меди, никеля) из их соединений.
• Гальванотехника: это совокупность двух процессов:
  • Гальваностегия: нанесение на поверхность изделия тонкого слоя другого металла (например, хромирование, никелирование, оцинковка, позолота) для защиты от коррозии или в декоративных целях.
  • Гальванопластика: получение точных металлических копий предметов.
• Зарядка аккумуляторов: электрический ток используется для восстановления химического состава электродов и электролита, то есть для накопления энергии.
• Получение химических веществ: например, производство водорода и кислорода из воды, а также хлора и щелочей из раствора поваренной соли.

Ответ: Тепловое действие тока используется в нагревательных и осветительных приборах, электросварке, плавких предохранителях. Химическое действие тока используется для получения и очистки металлов (электрометаллургия), для нанесения металлических покрытий (гальванотехника), для зарядки аккумуляторов и для получения различных химических веществ (водорода, хлора).

4. Где используют тепловое и химическое действие тока?

Тепловое действие тока

Тепловое действие электрического тока заключается в выделении теплоты в проводнике при прохождении по нему электрического тока. Это явление описывается законом Джоуля–Ленца: $Q = I^2 \cdot R \cdot t$. Это свойство нашло широкое применение в различных устройствах и технологиях:

• Нагревательные приборы: основа работы бытовых и промышленных устройств, таких как электрические плиты, чайники, утюги, бойлеры, обогреватели, паяльники. В них используются нагревательные элементы из материалов с высоким удельным сопротивлением (например, сплав нихром), которые сильно нагреваются при прохождении тока.
• Лампы накаливания: в этих лампах электрический ток, проходя через тонкую вольфрамовую нить, раскаляет её до высокой температуры (2500–3000 °C), заставляя её ярко светиться.
• Плавкие предохранители: устройства для защиты электрических цепей от перегрузок и коротких замыканий. Предохранитель содержит тонкую проволоку из легкоплавкого металла. Когда ток превышает допустимое значение, проволока нагревается, плавится и разрывает цепь, предотвращая повреждение оборудования.
• Электрическая сварка и резка металлов: используется высокая температура электрической дуги (до 7000 °C) или контактного нагрева для плавления, соединения или разделения металлических деталей.

Ответ: тепловое действие тока используется в электронагревательных приборах (плиты, чайники, обогреватели), осветительных приборах (лампы накаливания), защитных устройствах (плавкие предохранители), а также в промышленности для электросварки и резки металлов.

Химическое действие тока

Химическое действие тока проявляется только в проводящих жидкостях – электролитах (растворах или расплавах солей, кислот и щелочей). При прохождении тока через электролит на электродах, опущенных в него, происходят химические реакции – выделяются вещества, содержащиеся в электролите. Этот процесс называется электролизом. Применение химического действия тока:

• Гальваностегия: нанесение тонких металлических покрытий на поверхность изделий для защиты от коррозии (хромирование, никелирование, цинкование) или в декоративных целях (позолота, серебрение).
• Гальванопластика: получение точных металлических копий предметов. Этот метод используется для изготовления печатных плат, клише, матриц для тиражирования.
• Электрометаллургия: получение и очистка металлов. С помощью электролиза из рудных концентратов получают такие металлы, как алюминий, магний, натрий, кальций. Также электролиз применяют для рафинирования (очистки) металлов, например, меди.
• Получение химических веществ: электролиз используют для промышленного производства водорода, кислорода, хлора, щелочей (например, гидроксида натрия).
• Зарядка аккумуляторов: в аккумуляторах (например, автомобильных свинцово-кислотных) под действием электрического тока происходят обратные химические реакции, которые восстанавливают их работоспособность.

Ответ: химическое действие тока (электролиз) используется для получения чистых металлов (алюминий, медь) и химических веществ (хлор, водород), для нанесения защитных и декоративных покрытий на металлы (гальваностегия), для создания точных металлических копий (гальванопластика) и для зарядки аккумуляторов.

5. Приведите примеры магнитного действия тока.

Примеры магнитного действия тока

Решение

Магнитное действие тока — это явление, при котором вокруг любого проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Это свойство является фундаментальным для электродинамики и нашло широкое применение в технике. Основные примеры:

1. Электромагниты. Это катушки из провода, которые при пропускании через них тока ведут себя как магниты. Магнитное поле можно многократно усилить, поместив внутрь катушки сердечник из ферромагнитного материала (например, железа). Электромагниты являются ключевыми компонентами во множестве устройств: грузоподъемных кранах, магнитных замках, электрических звонках, а также в основе электромагнитных реле, которые позволяют слабым током управлять цепями с большим током.

2. Электродвигатели. Их работа основана на действии силы Ампера: на рамку с током, помещенную в магнитное поле, действует вращающий момент. Этот момент заставляет ротор двигателя вращаться, преобразуя таким образом электрическую энергию в механическую.

3. Громкоговорители (динамики). В них переменный ток звуковой частоты проходит через звуковую катушку, жестко связанную с диффузором (конусом) и находящуюся в поле постоянного магнита. Взаимодействие магнитного поля тока с полем постоянного магнита создает переменную силу, которая заставляет диффузор колебаться и порождать в окружающем воздухе звуковые волны.

4. Опыт Эрстеда. Классическая демонстрация магнитного действия тока — отклонение магнитной стрелки компаса, помещенной рядом с проводником, по которому пропускают электрический ток. Это наглядно доказывает существование магнитного поля вокруг проводника с током.

Ответ: Примерами магнитного действия тока являются работа электромагнитов (в кранах, реле, замках), электродвигателей, громкоговорителей, а также отклонение стрелки компаса рядом с проводником с током.

Принцип работы гальванометра

Решение

В основе работы гальванометра лежит то же самое магнитное действие тока. Гальванометр — это прибор, предназначенный для обнаружения и измерения очень малых электрических токов. Его конструкция включает легкую катушку (рамку) с намотанным тонким проводом, которая может поворачиваться в магнитном поле, создаваемом сильным постоянным магнитом. Когда через катушку проходит измеряемый ток, на нее начинает действовать вращающий момент, обусловленный силой Ампера. Величина этого момента $M$ прямо пропорциональна силе тока $I$. В упрощенном виде эту зависимость можно выразить формулой:

$M = N \cdot B \cdot S \cdot I$

где $N$ — число витков в катушке, $B$ — индукция магнитного поля, $S$ — площадь рамки.

Вращению катушки противодействует упругий момент, создаваемый спиральной пружиной. В результате катушка поворачивается до тех пор, пока вращающий момент от действия магнитного поля не уравновесится упругим моментом пружины. К катушке прикреплена стрелка, которая перемещается по градуированной шкале. Так как угол поворота стрелки в итоге оказывается пропорциональным силе тока, прибор позволяет измерять его величину.

Ответ: В основе работы гальванометра лежит силовое действие магнитного поля на рамку с током. Возникающий вращающий момент поворачивает рамку со стрелкой на угол, пропорциональный силе измеряемого тока.

5. Приведите примеры магнитного действия тока.

5. Магнитное действие тока — это явление возникновения магнитного поля вокруг любого проводника, по которому протекает электрический ток. Это одно из фундаментальных свойств электрического тока, которое находит широкое применение в науке и технике.

Ключевые примеры магнитного действия тока:

• Электромагниты: Катушка из провода (соленоид), по которой пропускают электрический ток, создает магнитное поле, аналогичное полю постоянного магнита. Если внутрь катушки поместить железный сердечник, магнитное поле значительно усилится. Электромагниты являются основой грузоподъемных кранов, электромагнитных реле, электрических звонков, клапанов и замков.
• Электрические двигатели: Принцип их работы основан на силе Ампера — силе, действующей на проводник с током в магнитном поле. Взаимодействие магнитного поля, создаваемого током в обмотках ротора (вращающейся части), с магнитным полем статора (неподвижной части) создает вращающий момент, который приводит ротор в движение.
• Громкоговорители и наушники: Звуковой сигнал в виде переменного тока подается на звуковую катушку, которая жестко связана с диффузором (мембраной). Катушка находится в магнитном поле постоянного магнита. Взаимодействие переменного магнитного поля катушки с полем постоянного магнита заставляет катушку и диффузор колебаться, создавая звуковые волны.
• Взаимодействие проводников с током: Два параллельных проводника, по которым текут электрические токи, взаимодействуют друг с другом посредством своих магнитных полей. Если токи направлены в одну сторону, проводники притягиваются; если в противоположные — отталкиваются.

Ответ: Примерами магнитного действия тока являются работа электромагнитов, электродвигателей, громкоговорителей, а также силовое взаимодействие между проводниками с током.

6. В работе гальванометра используется магнитное действие тока.

Гальванометр — это высокочувствительный измерительный прибор, предназначенный для обнаружения и измерения малых по величине электрических токов. Его принцип действия основан на том, что на рамку (катушку) с током, помещенную в магнитное поле, действует вращающий момент.

Устройство и работа магнитоэлектрического гальванометра:

1. Внутри прибора находится сильный постоянный магнит, который создает постоянное магнитное поле.
2. В этом поле может свободно вращаться легкая рамка с намотанным на нее большим количеством витков тонкого провода.
3. Измеряемый ток пропускается через эту рамку. Вокруг рамки возникает собственное магнитное поле.
4. Взаимодействие магнитного поля рамки с полем постоянного магнита создает вращающий момент (силу Ампера), который поворачивает рамку. Величина этого момента прямо пропорциональна силе тока.
5. Повороту рамки противодействует упругая спиральная пружина.
6. Рамка поворачивается на такой угол, при котором вращающий момент от магнитного взаимодействия уравновешивается упругим моментом пружины.
7. К рамке прикреплена стрелка, которая движется по шкале. Так как угол поворота пропорционален силе тока, по отклонению стрелки можно судить о величине тока.

Ответ: В работе гальванометра используют магнитное действие тока, а именно возникновение вращающего момента, который действует на катушку с током в поле постоянного магнита и вызывает ее поворот.

1. Почему нельзя гасить огонь, вызванный электрическим током, водой или обычным огнетушителем, а необходимо применять сухой песок или пескоструйный огнетушитель?

Тушение пожара, вызванного неисправностью электропроводки или электроприборов, требует особого подхода, так как источник возгорания может находиться под электрическим напряжением. Применение неправильных средств пожаротушения в такой ситуации крайне опасно.

Почему нельзя гасить огонь, вызванный электрическим током, водой или обычным огнетушителем

Основная причина заключается в электропроводности. Вода, особенно водопроводная, содержит растворенные соли и минералы, что делает ее хорошим проводником электрического тока. При попытке залить водой электроустановку под напряжением, струя воды создаст токопроводящий канал между источником высокого напряжения и человеком, который пытается потушить огонь. Это неминуемо приведет к тяжелому поражению электрическим током или даже к летальному исходу.

Под "обычными" огнетушителями, как правило, понимают пенные (ОХП, ОВП) или водные (ОВ) огнетушители. Их огнетушащее вещество основано на воде, поэтому они так же, как и чистая вода, являются проводниками электричества. Их применение для тушения оборудования под напряжением категорически запрещено по той же причине.

Почему необходимо применять сухой песок или пескоструйный огнетушитель

Средства, предназначенные для тушения электроустановок, должны быть диэлектриками, то есть не проводить электрический ток.

Сухой песок является отличным диэлектриком. Засыпая им очаг возгорания, можно перекрыть доступ кислорода к огню, что приведет к его затуханию. Поскольку песок не проводит ток, его использование абсолютно безопасно для человека, даже если оборудование не удалось предварительно обесточить.

Термин "пескоструйный огнетушитель" является не совсем корректным, вероятно, имеются в виду порошковые огнетушители (ОП). Они заряжены специальным мелкодисперсным минеральным порошком, который является диэлектриком. При распылении порошок изолирует горящую поверхность от кислорода и ингибирует (замедляет) химические реакции горения. Такие огнетушители специально маркируются для применения на электроустановках под напряжением (обычно до 1000 Вольт). Для этих же целей эффективно используются углекислотные огнетушители (ОУ), так как углекислый газ также является диэлектриком.

Ответ: Нельзя гасить огонь, вызванный электрическим током, водой или обычными (пенными, водными) огнетушителями, потому что вода и составы на ее основе являются проводниками электричества, и их использование может привести к смертельно опасному поражению током. Необходимо применять сухой песок или специальные порошковые/углекислотные огнетушители, так как их огнетушащие вещества являются диэлектриками (не проводят электрический ток) и, перекрывая доступ кислорода к огню, делают тушение безопасным и эффективным.

2. Имеет ли значение для теплового действия тока его направление?

Нет, направление электрического тока не имеет значения для его теплового действия. Это следует из физического смысла явления и математического выражения закона Джоуля — Ленца.

Решение

Тепловое действие тока описывается законом Джоуля — Ленца, который устанавливает связь между количеством выделившейся в проводнике теплоты и параметрами электрического тока. Формула закона выглядит следующим образом:

$Q = I^2 \cdot R \cdot t$

где:

$Q$ – количество теплоты,

$I$ – сила тока,

$R$ – сопротивление проводника,

$t$ – время прохождения тока.

В этой формуле сила тока $I$ находится в квадрате ($I^2$). Это означает, что даже если мы изменим направление тока на противоположное (что математически эквивалентно изменению знака $I$ на $-I$), результат вычислений не изменится, так как квадрат отрицательного числа равен квадрату положительного числа: $(-I)^2 = I^2$.

Следовательно, количество выделяемой теплоты зависит от величины (модуля) силы тока, но не от его направления.

На микроскопическом уровне нагрев проводника происходит из-за того, что движущиеся под действием электрического поля заряженные частицы (например, электроны в металлах) сталкиваются с ионами кристаллической решетки. В результате этих столкновений часть кинетической энергии направленного движения частиц передается решетке, увеличивая ее внутреннюю энергию, что мы и воспринимаем как нагрев. Этот процесс передачи энергии при столкновениях не зависит от того, в каком направлении движется поток зарядов.

Практическим подтверждением этого факта является работа бытовых нагревательных приборов (электрических плит, чайников, обогревателей, ламп накаливания) в сетях переменного тока. В таких сетях направление тока меняется на противоположное 100 раз в секунду (при частоте 50 Гц), однако приборы стабильно выделяют тепло, так как нагрев происходит в течение обоих полупериодов.

Ответ: нет, направление тока для его теплового действия значения не имеет, поскольку количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату силы тока, а квадрат величины не зависит от ее знака (направления).

3. Могут ли жидкости быть проводниками; диэлектриками?

Да, жидкости могут быть как проводниками электрического тока, так и диэлектриками. Электрические свойства жидкости определяются наличием или отсутствием в ней свободных носителей заряда.

Жидкость является проводником, если в ней присутствуют свободные заряженные частицы, способные упорядоченно перемещаться под действием электрического поля. В зависимости от природы этих частиц, жидкие проводники делятся на два типа.

1. Электролиты. Это растворы или расплавы солей, кислот и щелочей. В них носителями заряда являются ионы — положительно и отрицательно заряженные частицы, которые образуются в результате процесса электролитической диссоциации. Примерами служат водный раствор поваренной соли (NaCl), раствор серной кислоты (H₂SO₄), расплав гидроксида натрия (NaOH).

2. Жидкие металлы. Например, ртуть (Hg) или галлий (Ga). В них, как и в твёрдых металлах, носителями заряда являются свободные электроны, не связанные с конкретными атомами.

Ответ: Да, жидкости могут быть проводниками. Примерами являются электролиты (растворы солей, кислот, щелочей) и жидкие металлы (ртуть).

Жидкость является диэлектриком (изолятором), если в ней практически отсутствуют свободные носители заряда. Электроны в молекулах таких жидкостей прочно связаны со своими атомами, а сами молекулы электрически нейтральны и не склонны к диссоциации на ионы. Вследствие этого такие жидкости очень плохо проводят электрический ток.

Примерами жидких диэлектриков являются:

• Дистиллированная вода (H₂O). В отличие от водопроводной воды, которая содержит растворенные соли и является проводником, химически чистая вода — диэлектрик.

• Различные масла (например, трансформаторное, касторовое).

• Некоторые органические растворители (бензин, керосин).

• Сжиженные газы (жидкий азот, жидкий кислород).

Ответ: Да, жидкости могут быть диэлектриками. Примерами являются дистиллированная вода, масла, керосин.

1. Возьмите батарейку КБС или «Крона». Приложите контакты батарейки к свежему срезу картофеля (рис. 78). Через несколько минут рассмотрите следы от контактов на картофеле. Опишите наблюдаемую картину.

Рис. 78

1. При прикладывании контактов батарейки к свежему срезу картофеля создается электрическая цепь. Картофельный сок, который содержит воду и различные соли (например, хлорид калия), выступает в роли электролита — вещества, проводящего электрический ток за счет движения ионов. В результате прохождения тока через электролит начинаются химические процессы, называемые электролизом.

Электролиз — это совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих на электродах при прохождении через раствор или расплав электролита электрического тока. В данном эксперименте контакты батарейки являются электродами.

• У положительного электрода (анода) происходит процесс окисления. Срез картофеля в этом месте потемнеет или приобретет зеленоватый оттенок. Это связано с тем, что анионы (отрицательно заряженные ионы), присутствующие в соке, отдают свои электроны. Например, если в картофеле есть иодиды, они окислятся до свободного йода ($I_2$), который, реагируя с крахмалом в картофеле, дает интенсивное сине-фиолетовое или почти черное окрашивание. Также может окисляться и сам материал электрода.

• У отрицательного электрода (катода) происходит процесс восстановления. Срез картофеля здесь практически не изменит свой цвет. К катоду притягиваются катионы (положительно заряженные ионы) и молекулы воды. Происходит восстановление молекул воды с выделением газообразного водорода и образованием щелочной среды (гидроксид-ионов $OH^-$):

  $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

  В результате у этого контакта можно заметить образование мелких пузырьков газа (вспенивание).

Таким образом, по разнице в следах можно определить полярность батарейки: потемнение указывает на положительный полюс, а выделение газа без изменения цвета — на отрицательный.

Ответ: Через несколько минут после приложения контактов батарейки к срезу картофеля можно наблюдать следующую картину: область вокруг одного из контактов (положительного, анода) потемнеет или позеленеет, а область вокруг другого контакта (отрицательного, катода) останется светлой, и у нее может наблюдаться образование небольших пузырьков газа.

2. Приложите к языку контакты батарейки. Вы почувствуете кислый привкус, что свидетельствует о появлении нового вещества, т. е. о прошедшей химической реакции.

Возьмите два предмета из различного металла, например алюминиевую фольгу и стальной ключ или медную проволоку и серебряную вилку. Попробуйте на вкус каждый из предметов по отдельности. Затем соедините концы этих предметов и одновременно попробуйте на вкус их свободные концы. Расскажите о своих ощущениях.

Этот эксперимент демонстрирует принцип работы гальванического элемента, где в качестве электродов выступают два разных металла, а в качестве электролита — слюна.

Описание ощущений при проведении опыта

При пробе на вкус каждого из металлических предметов по отдельности (например, алюминиевой фольги и стального ключа) не возникает никаких особенных вкусовых ощущений, кроме слабого, едва уловимого "металлического" привкуса, свойственного самому материалу.

Однако, если соединить эти два предмета (например, скрутить вместе фольгу и ключ с одного конца), а затем одновременно прикоснуться свободными концами к языку, то ощущения кардинально меняются. Во рту появляется отчетливый кисловатый, иногда слегка солоноватый или металлический привкус. Может также ощущаться легкое покалывание или пощипывание, похожее на то, которое возникает при касании языком контактов слабой батарейки.

Научное объяснение

Наблюдаемое явление объясняется возникновением простейшего гальванического элемента («батарейки»), где:

• Электроды — это два предмета из разных металлов (например, алюминий и железо, из которого в основном состоит сталь). Металлы обладают разной способностью отдавать электроны (разной химической активностью).
• Электролит — это слюна. Она содержит соли и воду, поэтому может проводить электрический ток.

Когда такая система замыкается (металлы соединены между собой и одновременно касаются языка), между металлами возникает разность потенциалов. Более активный металл (в паре алюминий-сталь это алюминий) становится отрицательным полюсом — анодом. Он начинает окисляться (растворяться), отдавая электроны.

Процесс на аноде (алюминий): $Al - 3e^- \rightarrow Al^{3+}$

Менее активный металл (сталь/железо) становится положительным полюсом — катодом. Возникшие электроны по замкнутой цепи (через место соединения металлов) перетекают от анода к катоду. Этот направленный поток электронов и есть электрический ток. Проходя через влажную ткань языка, этот слабый ток воздействует на вкусовые рецепторы, вызывая иллюзию кислого вкуса и ощущение покалывания.

Ответ: При пробе на вкус отдельных металлических предметов выраженные вкусовые ощущения отсутствуют. При одновременном касании языка свободными концами соединенных вместе предметов из разных металлов возникает отчетливый кисловатый или металлический привкус, иногда с легким покалыванием, что объясняется возникновением слабого электрического тока в образовавшемся гальваническом элементе.

3. Сделайте простейший гальванический элемент и гальваноскоп и проверьте их действие.

Возьмите кислое яблоко или солёный помидор и воткните в него две проволочки: железную и медную (вместо железной проволоки лучше взять цинковую пластинку). Гальванический элемент готов (рис. 79).

Гальваноскоп — прибор для обнаружения очень слабых токов. Для его изготовления моток тонкой изолированной проволоки прикрепите к небольшой дощечке, в середину которой вставьте иглу остриём вверх. На остриё положите маленькую магнитную стрелку (рис. 80) (можно поместить внутри мотка компас). Дайте магнитной стрелке установиться в направлении магнитного меридиана.

Замкните электрическую цепь (см. рис. 80). Отклонение стрелки гальваноскопа покажет наличие электрического тока, созданного в проводнике вашим гальваническим элементом.

Решение

Для выполнения данного задания необходимо последовательно изготовить два устройства — простейший гальванический элемент и гальваноскоп, — а затем соединить их для проверки работоспособности. Ниже приведено пошаговое руководство с объяснением физических принципов.

Изготовление простейшего гальванического элемента

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, в котором энергия химической реакции преобразуется в электрическую энергию. Для его создания, согласно инструкции, потребуются: кислое яблоко или соленый помидор (выступают в роли электролита); два электрода из разных металлов, например, медная проволока и железная проволока (вместо железной лучше использовать цинковую пластинку для получения большего тока).

Процесс изготовления: 1. Возьмите яблоко. Его сок, содержащий в основном яблочную кислоту и соли, будет служить электролитом — средой, проводящей электрический ток за счет движения ионов. 2. Воткните в мякоть яблока на небольшом расстоянии друг от друга медную и железную (или цинковую) проволочки. Важно, чтобы электроды не соприкасались друг с другом внутри яблока.

Принцип действия заключается в следующем. Когда два различных металла (например, медь (Cu) и цинк (Zn)) погружены в электролит, между ними возникает разность потенциалов из-за разной химической активности. Более активный металл (цинк) будет выступать в роли отрицательного электрода (анода). На нем происходит процесс окисления: атомы цинка отдают электроны и переходят в раствор в виде ионов по реакции $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}$. Менее активный металл (медь) становится положительным электродом (катодом). Электроны, высвободившиеся на аноде, по внешней цепи (проводам) перемещаются к катоду. На катоде происходит процесс восстановления, как правило, ионов водорода, присутствующих в кислой среде яблочного сока: $2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_{2}\uparrow$. В результате этого направленного движения электронов во внешней цепи возникает электрический ток. Гальванический элемент готов.

Изготовление гальваноскопа и проверка действия

Гальваноскоп — это прибор для качественного обнаружения слабых электрических токов. Его действие основано на явлении, открытом Г. Х. Эрстедом: электрический ток, протекающий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле.

Для изготовления потребуются: моток тонкой изолированной проволоки; небольшая дощечка в качестве основания; швейная игла; маленькая магнитная стрелка (можно взять от компаса).

Процесс изготовления и проверки: 1. Закрепите моток проволоки (катушку) на дощечке. 2. В центре катушки установите вертикально иглу острием вверх. 3. Аккуратно поместите магнитную стрелку на острие иглы так, чтобы она могла свободно вращаться в горизонтальной плоскости. 4. Дайте стрелке успокоиться и установиться в направлении магнитного меридиана Земли (север-юг). Расположите катушку так, чтобы ее витки были параллельны установившейся стрелке. 5. Замкните электрическую цепь, соединив проводами выводы катушки гальваноскопа с электродами вашего гальванического элемента (яблока), как показано на рис. 80.

Как только цепь будет замкнута, по проводам и катушке гальваноскопа потечет электрический ток. Согласно правилу буравчика (или правилу правой руки), этот ток создаст внутри катушки магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости витков. Это поле будет взаимодействовать с полем постоянного магнита (стрелки), в результате чего на стрелку подействует вращающий момент, и она отклонится от своего первоначального положения. Степень отклонения зависит от силы тока.

Ответ: При замыкании цепи, состоящей из гальванического элемента (яблока с двумя разными металлическими электродами) и гальваноскопа, магнитная стрелка гальваноскопа отклоняется от своего первоначального положения (север-юг). Это наблюдаемое явление доказывает, что созданный гальванический элемент является источником электрического тока, а гальваноскоп успешно его регистрирует.