Страница 127 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Что такое электрический ток?

Электрический ток — это направленное (упорядоченное) движение частиц, обладающих электрическим зарядом.

Для того чтобы в среде существовал электрический ток, необходимо выполнение двух основных условий:

1. Наличие свободных носителей заряда. Это частицы, которые могут перемещаться по всему объему вещества. В разных средах носители заряда различны:
   • В металлах: свободные электроны.
   • В электролитах (растворы и расплавы солей, кислот, щелочей): положительные и отрицательные ионы (катионы и анионы).
   • В ионизированных газах (плазме): свободные электроны и ионы.
   • В полупроводниках: электроны и так называемые «дырки» (квазичастицы, представляющие собой вакантное место электрона).
2. Наличие электрического поля внутри проводника. Именно электрическое поле создает силу (силу Кулона), которая действует на свободные заряды и заставляет их двигаться упорядоченно. Это поле создается и поддерживается источниками тока (например, гальваническими элементами, аккумуляторами, генераторами).

Основные характеристики тока:

Направление тока. Исторически сложилось, что за направление тока принимают направление движения положительных зарядов. Поэтому в металлических проводниках, где ток создается движением отрицательно заряженных электронов, направление тока противоположно направлению движения электронов (от плюса к минусу во внешней цепи).

Сила тока ($I$). Это физическая величина, которая характеризует интенсивность тока и определяется как количество заряда ($ \Delta q $), проходящего через поперечное сечение проводника за промежуток времени ($ \Delta t $).

Формула для расчета силы тока:

$$ I = \frac{\Delta q}{\Delta t} $$

Единица измерения силы тока в Международной системе единиц (СИ) — Ампер (А). 1 Ампер является одной из семи основных единиц СИ.

Ответ: Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Для его существования необходимо наличие свободных носителей заряда (например, электронов в металлах или ионов в электролитах) и электрического поля, создаваемого источником тока. Основной количественной характеристикой тока является сила тока, измеряемая в Амперах и показывающая, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени.

2. Каковы условия существования электрического тока?

Электрический ток представляет собой упорядоченное (направленное) движение частиц, обладающих электрическим зарядом. Для возникновения и поддержания электрического тока в проводнике необходимо выполнение следующих условий.

Во-первых, необходимо наличие свободных носителей заряда. Это частицы, способные свободно перемещаться внутри вещества. В зависимости от среды, носителями заряда могут быть разные частицы. В металлических проводниках это свободные электроны. В растворах и расплавах электролитов (например, солей, кислот) — положительные и отрицательные ионы. В газах при их ионизации (в плазме) носителями заряда являются свободные электроны и ионы. В полупроводниках — электроны и так называемые дырки. Без свободных носителей заряда ток невозможен, так как некому переносить заряд.

Во-вторых, для того чтобы заставить свободные заряды двигаться упорядоченно, необходимо создать и поддерживать в проводнике электрическое поле. Хаотическое тепловое движение зарядов само по себе не создает тока. Электрическое поле создает силу, действующую на заряженные частицы ($F=qE$) и заставляющую их двигаться в определенном направлении. Это поле создается и поддерживается источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, генераторами), которые создают разность потенциалов (напряжение) на концах проводника.

В-третьих, для длительного существования тока электрическая цепь должна быть замкнутой. Замкнутая цепь обеспечивает возможность непрерывного движения зарядов по кругу: от источника тока, через потребители (например, лампочку, резистор) и обратно к источнику. Если цепь разомкнуть, то на ее концах быстро накопится заряд, который создаст поле, компенсирующее поле источника, и движение зарядов прекратится.

Ответ: Для существования электрического тока необходимо одновременное выполнение трех условий: 1) наличие свободных носителей электрического заряда; 2) наличие внешнего электрического поля для создания упорядоченного движения этих носителей; 3) замкнутость электрической цепи.

3. Направление движения каких частиц в проводнике принято за направление электрического тока?

3. Направление движения каких частиц в проводнике принято за направление электрического тока?

Исторически, когда были заложены основы учения об электричестве, природа носителей заряда в проводниках еще не была известна. По сложившейся научной традиции, было условно принято, что электрический ток представляет собой направленное движение положительно заряженных частиц. Эта условность, известная как "классическое" или "техническое" направление тока, сохранилась и используется в физике и электротехнике по сей день, например, в правилах для определения направления силы Ампера или силы Лоренца.

Таким образом, за направление электрического тока в проводнике принимается направление упорядоченного движения положительных электрических зарядов.

Стоит отметить, что в наиболее распространенных случаях, например в металлических проводниках, реальными носителями заряда являются отрицательно заряженные электроны, которые движутся в направлении, противоположном принятому направлению тока (т.е. от отрицательного полюса к положительному). Однако в других средах, таких как растворы электролитов или ионизированные газы (плазма), ток может создаваться движением как положительных, так и отрицательных ионов. Даже в этих случаях за общее направление тока принимается направление движения положительных ионов.

Ответ: За направление электрического тока принято направление движения положительно заряженных частиц.

4. От какого...

По всей видимости, вопрос неполный и должен звучать так: "От какого полюса источника тока к какому принято считать направление тока во внешней цепи?".

Исходя из условного направления тока, описанного в предыдущем пункте (как движение положительных зарядов), направление тока во внешней цепи определяется движением этих гипотетических положительных зарядов. Положительный полюс источника тока (обозначается знаком "+") является точкой с более высоким электрическим потенциалом, а отрицательный полюс (знак "–") — с более низким. Положительные заряды в электрическом поле движутся из точки с большим потенциалом в точку с меньшим.

Следовательно, во внешней части электрической цепи (т.е. в проводах и устройствах, подключенных к источнику) принято считать, что ток течет от положительного полюса (+) источника к его отрицательному полюсу (–).

Важно различать направление тока во внешней и внутренней цепи. Внутри самого источника тока (например, батарейки или аккумулятора) работа сторонних сил (например, химических реакций) заставляет заряды двигаться против сил электрического поля — от отрицательного полюса к положительному, чтобы поддерживать разность потенциалов и замыкать цепь.

Ответ: Принято считать, что во внешней электрической цепи ток направлен от положительного полюса (+) источника тока к его отрицательному полюсу (–).

4. От какого полюса источника тока и к какому направлен ток в проводнике, присоединённом к источнику?

...воднике принято за направление электрического тока?

Исторически, задолго до открытия электрона, учёные договорились считать, что ток — это направленное движение положительных зарядов. Поэтому за направление электрического тока принято направление, в котором двигались бы положительные заряды. В большинстве проводников, например, в металлах, реальными носителями тока являются отрицательно заряженные электроны, которые движутся в противоположную сторону — от отрицательного полюса к положительному. Тем не менее, принятое (его ещё называют техническим или классическим) направление тока остаётся прежним.

Ответ: За направление электрического тока принято направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц.

Исходя из определения направления тока, во внешней цепи (то есть в проводнике, который соединяет полюсы источника) ток направлен от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом. У источника тока положительный полюс («+») имеет более высокий потенциал, а отрицательный полюс («−») — более низкий. Следовательно, ток в проводнике, подключенном к источнику, течёт от положительного полюса к отрицательному.

Ответ: Ток в проводнике, присоединённом к источнику, направлен от положительного полюса к отрицательному.

В замкнутой электрической цепи происходят последовательные превращения энергии. Этот процесс можно разделить на две основные части:
1. В источнике тока: здесь происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую. Например, в батарейке химическая энергия превращается в электрическую, а в генераторе — механическая в электрическую.
2. Во внешней цепи (в нагрузке): здесь электрическая энергия, полученная от источника, превращается в другие виды энергии. Например, в лампочке — в световую и тепловую, в электродвигателе — в механическую, а в любом проводнике с сопротивлением — в тепловую энергию.

Ответ: В источнике тока неэлектрическая энергия (химическая, механическая, световая и др.) преобразуется в электрическую, а во внешней цепи (в потребителях) электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии (тепловую, световую, механическую и др.).

5. Какие превращения энергии происходят внутри источника тока?

5. Какие превращения энергии происходят внутри источника тока?

В любом источнике тока происходит преобразование какого-либо вида неэлектрической энергии в электрическую энергию. Это преобразование необходимо для совершения работы по разделению электрических зарядов и поддержанию разности потенциалов на полюсах источника, что, в свою очередь, обеспечивает протекание тока во внешней цепи. Силы, выполняющие эту работу, называют сторонними силами.

Тип преобразуемой энергии зависит от вида источника тока:

• В гальванических элементах (батарейках) и аккумуляторах (в режиме разряда): химическая энергия, запасенная в веществах, превращается в электрическую энергию в результате окислительно-восстановительных химических реакций.

• В электромеханических генераторах: механическая энергия (например, энергия вращения турбины на электростанции) превращается в электрическую на основе явления электромагнитной индукции.

• В фотоэлементах (солнечных батареях): энергия света (энергия фотонов) преобразуется в электрическую энергию благодаря фотоэлектрическому эффекту.

• В термоэлементах: тепловая энергия преобразуется в электрическую за счет эффекта Зеебека, то есть возникновения ЭДС в цепи, состоящей из разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах.

Таким образом, основная функция источника тока — служить преобразователем энергии.

Ответ: Внутри источника тока происходит преобразование неэлектрической энергии (химической, механической, световой, тепловой) в электрическую энергию.

6. Каково устройство гальванического элемента?

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, в котором энергия окислительно-восстановительной реакции напрямую преобразуется в электрическую энергию. Классический гальванический элемент состоит из трех основных частей:

1. Два электрода — это проводники (чаще всего пластины из разных металлов или металл и уголь), погруженные в электролит.

   • Анод — отрицательный электрод. На нем происходит процесс окисления (отдача электронов).
   • Катод — положительный электрод. На нем происходит процесс восстановления (принятие электронов).

2. Электролит — это вещество (обычно водный раствор кислоты, щелочи или соли), которое содержит ионы и обеспечивает ионную проводимость между электродами внутри элемента.

Принцип действия гальванического элемента основан на том, что разные металлы имеют разную способность к окислению. При погружении в электролит на границе между металлами и раствором возникают скачки потенциала. Разность этих потенциалов и является электродвижущей силой (ЭДС) элемента.

Рассмотрим устройство на примере элемента Даниэля-Якоби:

• Анод (-): цинковая (Zn) пластина, опущенная в раствор сульфата цинка ($ZnSO_4$).

• Катод (+): медная (Cu) пластина, опущенная в раствор сульфата меди(II) ($CuSO_4$).

• Электролиты: растворы $ZnSO_4$ и $CuSO_4$, которые соединены солевым мостиком или разделены пористой перегородкой для обеспечения ионного обмена.

При замыкании внешней цепи начинаются следующие процессы:

• На аноде цинк окисляется, отдавая электроны во внешнюю цепь и переходя в раствор в виде ионов: $Zn^0 \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}$

• Электроны по внешней цепи перемещаются к катоду.

• На катоде ионы меди из раствора принимают электроны и восстанавливаются до металлической меди, оседая на пластине: $Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu^0$

В результате во внешней цепи возникает направленное движение электронов — электрический ток.

Ответ: Гальванический элемент состоит из двух электродов, изготовленных из разных проводящих материалов (анод и катод), и электролита, в который они погружены. Работа элемента основана на преобразовании химической энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую.

6. Каково устройство гальванического элемента?

6. Каково устройство гальванического элемента?

Гальванический элемент — это автономный химический источник электрического тока, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую. Классический гальванический элемент, например, элемент Даниэля-Якоби, состоит из следующих ключевых компонентов:

1. Два электрода. Это две пластины или стержня, изготовленные из разных металлов с различной химической активностью (например, цинковая и медная пластины). Электрод, на котором происходит реакция окисления, называется анодом. Электрод, на котором происходит реакция восстановления, называется катодом.

2. Электролиты. Каждый электрод погружен в раствор, содержащий ионы, как правило, в раствор соли того же металла, из которого сделан электрод. Например, цинковый электрод находится в растворе сульфата цинка ($ZnSO_4$), а медный — в растворе сульфата меди(II) ($CuSO_4$). Совокупность электрода и электролита, в который он погружен, называется полуэлементом.

3. Солевой мостик или пористая перегородка. Это элемент, соединяющий два раствора электролитов. Его задача — обеспечить ионную проводимость между двумя полуэлементами для поддержания их электронейтральности в процессе работы, но при этом предотвратить их прямое смешивание. Обычно солевой мостик представляет собой U-образную трубку, заполненную гелем с концентрированным раствором инертной соли (например, $KNO_3$ или $KCl$).

4. Внешняя цепь. Это проводник (например, металлический провод), который соединяет анод и катод. По внешней цепи происходит направленное движение электронов от анода к катоду, что и представляет собой электрический ток.

Вся конструкция в сборе позволяет протекать самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции, разделенной в пространстве, что и приводит к генерации электрического тока.

Ответ: Гальванический элемент состоит из двух электродов, сделанных из разных металлов и погруженных в растворы своих солей (электролитов). Эти два полуэлемента соединены между собой солевым мостиком (или пористой перегородкой) для обеспечения движения ионов, а сами электроды соединены внешней цепью для движения электронов.

7. Что является положительным и отрицательным полюсом?

В гальваническом элементе полюса определяются процессами, которые происходят на электродах. Принято следующее обозначение:

Отрицательный полюс («-») — это анод. На нем происходит процесс окисления. Атомы более активного металла отдают электроны и переходят в раствор в виде положительных ионов. В результате на этом электроде накапливается избыточный отрицательный заряд (избыток электронов). Именно с этого полюса электроны начинают свое движение по внешней цепи. Для элемента Даниэля-Якоби (медно-цинкового) анодом является цинковый электрод:

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$

Положительный полюс («+») — это катод. На нем происходит процесс восстановления. Электроны, пришедшие по внешней цепи от анода, соединяются с положительными ионами металла из раствора электролита, восстанавливая их до нейтральных атомов. В результате на этом электроде возникает недостаток электронов, и он приобретает положительный заряд. Для элемента Даниэля-Якоби катодом является медный электрод:

$Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$

Таким образом, электрод из более активного металла является отрицательным полюсом (анодом), а электрод из менее активного металла — положительным полюсом (катодом).

Ответ: Отрицательным полюсом (анодом) является электрод, на котором происходит окисление (в примере — цинк). Положительным полюсом (катодом) является электрод, на котором происходит восстановление (в примере — медь).

7. Что является положительным и отрицательным полюсами батарейки?

Решение

Батарейка, или гальванический элемент, является химическим источником электрического тока. Появление у нее положительного и отрицательного полюсов обусловлено протеканием внутри нее окислительно-восстановительных реакций на двух электродах, разделенных электролитом.

Положительный полюс (катод)

Положительным полюсом является электрод, на котором происходит химическая реакция восстановления. В ходе этой реакции вещество электрода (например, диоксид марганца в смеси с графитом) принимает электроны, которые приходят к нему по внешней цепи. Из-за постоянного принятия электронов на этом полюсе возникает их дефицит, что и создает его положительный заряд. На корпусе батарейки он маркируется знаком «+».

Отрицательный полюс (анод)

Отрицательным полюсом является электрод, на котором происходит химическая реакция окисления. Вещество этого электрода (например, цинк) отдает свои электроны. В результате на полюсе накапливается избыток электронов, сообщая ему отрицательный заряд. Во внешней цепи этот полюс служит источником электронов. На корпусе он маркируется знаком «−».

Разность потенциалов, возникающая между этими двумя полюсами, и есть напряжение батарейки, которое заставляет электрический ток течь по замкнутой цепи, питая устройство.

Ответ: Положительным полюсом (катодом) батарейки является электрод, на котором происходит реакция восстановления, создающая дефицит электронов. Отрицательным полюсом (анодом) является электрод, на котором происходит реакция окисления, создающая избыток электронов.