Страница 137 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

6. Какое действие тока используют в работе гальванометра?

Приведите примеры магнитного действия тока.

Магнитное действие тока заключается в том, что вокруг любого проводника, по которому протекает электрический ток, создается магнитное поле. Это явление является одним из фундаментальных в электродинамике и находит применение в множестве технических устройств. Основные примеры:

• Электромагниты: Это катушка с проводом (соленоид), которая при пропускании через нее тока ведет себя как постоянный магнит. Магнитное поле можно многократно усилить, вставив внутрь катушки сердечник из ферромагнитного материала (например, мягкого железа). Электромагниты применяются в грузоподъемных кранах на металлургических заводах, в электрических реле, звонках, магнитных замках.
• Электродвигатели: Работа электродвигателей основана на силовом воздействии магнитного поля на рамку с током (сила Ампера). Взаимодействие магнитного поля, создаваемого током в обмотках ротора (подвижной части), с магнитным полем статора (неподвижной части) порождает вращающий момент, который заставляет ротор вращаться, преобразуя электрическую энергию в механическую.
• Громкоговорители (динамики): В динамике звуковая катушка, соединенная с диффузором (мембраной), помещена в поле постоянного магнита. Когда по катушке проходит переменный ток (аудиосигнал), на нее действует переменная по направлению сила Ампера. Эта сила заставляет катушку и соединенный с ней диффузор колебаться, создавая в окружающем воздухе звуковые волны.

Ответ: Примерами устройств, использующих магнитное действие тока, являются электромагниты, электродвигатели и громкоговорители.

6. Какое действие тока используют в работе гальванометра?

В работе гальванометра — прибора для обнаружения и измерения очень слабых электрических токов — используется магнитное действие тока.

Принцип действия гальванометра основан на явлении возникновения вращающего момента у рамки с током, помещенной в магнитное поле. Конструктивно гальванометр состоит из легкой катушки с проводом, которая может поворачиваться в поле сильного постоянного магнита. Когда через катушку протекает измеряемый ток, он создает собственное магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с полем постоянного магнита на катушку начинает действовать пара сил, создающая вращающий момент. Катушка поворачивается на угол, пропорциональный силе тока, пока вращающий момент не уравновесится моментом упругости специальной пружины. С катушкой жестко связана стрелка, которая перемещается по шкале, позволяя измерить величину тока.

Ответ: В работе гальванометра используют магнитное действие тока.

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

1. Решение

Гасить огонь, вызванный электрическим током (пожар класса E), водой или жидкостными огнетушителями (например, пенными) категорически запрещено из-за смертельной опасности поражения электрическим током. Причина кроется в физических свойствах используемых веществ.

Вода, особенно та, что используется в быту или в водных огнетушителях, содержит растворенные соли и минеральные примеси. Эти примеси делают ее хорошим проводником электрического тока. Когда струя воды попадает на электроустановку, находящуюся под напряжением, она создает проводящий путь для электричества. Ток по этой струе может пройти к человеку, держащему огнетушитель или шланг, и вызвать тяжелейшее поражение, вплоть до летального исхода. Также разбрызгивание воды может привести к новым коротким замыканиям и распространению огня.

В отличие от воды, сухой песок и огнетушащие порошки являются диэлектриками — веществами, которые не проводят электрический ток. Поэтому их применение для тушения электрооборудования под напряжением безопасно (в пределах, указанных на огнетушителе, обычно до 1000 В).

Принцип их действия заключается в изоляции очага горения от кислорода, необходимого для поддержания огня:

• Сухой песок, засыпая горящую поверхность, механически перекрывает доступ воздуха.
• Порошковые огнетушители (термин "пескоструйный огнетушитель" является некорректным, скорее всего, имелся в виду именно порошковый) выбрасывают мелкодисперсный порошок. Он не только изолирует горящий материал от кислорода, но и химически замедляет (ингибирует) реакцию горения.

Таким образом, при тушении электроустановок под напряжением выбор делается в пользу диэлектрических огнетушащих веществ для обеспечения безопасности человека.

Ответ: Нельзя гасить огонь на электроустановках под напряжением водой или жидкостными огнетушителями, так как вода является проводником электрического тока, и ее использование создает смертельную опасность поражения током для человека. Необходимо применять сухой песок или порошковые огнетушители, поскольку они являются диэлектриками (не проводят ток) и безопасно тушат огонь, перекрывая доступ кислорода к очагу возгорания.

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

Нет, для теплового действия тока его направление не имеет значения. Это следует из закона Джоуля-Ленца, который описывает количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении через него электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца выражается следующей формулой:
$Q = I^2 \cdot R \cdot t$
где:
$Q$ – количество теплоты, выделяемое в проводнике;
$I$ – сила тока;
$R$ – сопротивление проводника;
$t$ – время, в течение которого протекает ток.

Из формулы видно, что количество выделяемой теплоты $Q$ пропорционально квадрату силы тока ($I^2$). Поскольку любое число (положительное или отрицательное) в квадрате дает положительный результат, знак силы тока, который указывает на его направление в цепи, не влияет на величину выделяемой теплоты. Например, ток силой 2 А и ток силой -2 А (текущий в обратном направлении) произведут одинаковое количество тепла, так как $(2)^2 = (-2)^2 = 4$.

Физическая причина этого заключается в том, что нагрев проводника происходит из-за столкновения движущихся электронов с ионами кристаллической решетки материала. Энергия, передаваемая решетке при этих столкновениях, зависит от интенсивности движения электронов (то есть от модуля силы тока), а не от направления их упорядоченного движения.

Практическим подтверждением этого является работа нагревательных приборов в сетях переменного тока, где направление тока постоянно меняется (в России с частотой 50 Гц), но это не мешает им эффективно выделять тепло.

Ответ: Нет, направление тока не имеет значения для его теплового действия, так как количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату силы тока, который всегда является неотрицательной величиной.

3. Для изготовления медной копии рельефного изделия (медали, гравюры и т. д.) поступают следующим образом. С предмета делают восковой слепок и покрывают его поверхность тонким слоем графита, чтобы она стала проводящей. Затем слепок помещают в ванну с раствором медного купороса и пропускают через раствор электрический ток. В чём идея этого способа?

Описанный способ изготовления медной копии рельефного изделия является примером технологического процесса, который называется гальванопластика. В основе этого процесса лежит физико-химическое явление электролиза — разложения вещества при прохождении через его раствор или расплав электрического тока.

Идея этого способа состоит в следующем:

1. Сначала создается форма-негатив будущего изделия. В данном случае это восковой слепок. Воск — материал, который не проводит электрический ток (диэлектрик).
2. Чтобы на поверхности диэлектрического слепка можно было осадить металл, его делают электропроводным. Для этого поверхность покрывают тонким слоем графита, который хорошо проводит ток.
3. Подготовленный слепок погружают в раствор электролита — медного купороса ($CuSO_4$). Этот раствор содержит положительно заряженные ионы меди ($Cu^{2+}$).
4. Слепок подключают к отрицательному полюсу источника тока, и он становится катодом. В качестве анода (положительного электрода) обычно используют медную пластину.
5. Когда через раствор пропускают электрический ток, положительные ионы меди ($Cu^{2+}$) из раствора начинают двигаться к отрицательно заряженному катоду (слепку).
6. На поверхности катода ионы меди принимают электроны от источника тока и превращаются в нейтральные атомы металлической меди, которые равномерно осаждаются на проводящем слое графита. Происходит химическая реакция восстановления: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$.
7. Медь осаждается слой за слоем, в точности повторяя все мельчайшие детали рельефа восковой формы. Когда слой меди достигает нужной толщины, процесс останавливают, изделие вынимают, а восковую основу удаляют (например, выплавляют). В результате остается полая, но прочная и точная медная копия оригинального предмета.

Ответ: Идея способа заключается в использовании явления электролиза для осаждения слоя меди на токопроводящей поверхности воскового слепка, который выступает в роли катода. Это позволяет создать точную металлическую копию рельефа оригинального изделия. Этот процесс называется гальванопластикой.

1. Возьмите батарейку: «плоскую» или «Крона». Приложите контакты батарейки к свежему срезу картофеля (рис. 88). Через несколько минут рассмотрите следы от контактов на картофеле. Опишите наблюдаемую картину.

При прикладывании контактов батарейки к свежему срезу картофеля наблюдается картина, являющаяся следствием химического действия электрического тока. Картофельный сок, содержащий воду и растворенные в ней минеральные соли (например, хлорид калия $KCl$), выступает в роли электролита. При замыкании электрической цепи через картофель начинает протекать постоянный электрический ток, вызывая на контактах-электродах реакции электролиза.

Наблюдаемая картина:

Через несколько минут можно будет заметить, что срез картофеля изменил свой цвет вокруг одного из контактов, в то время как область вокруг другого контакта осталась практически без изменений.

У положительного полюса (анода): Область картофеля в месте контакта потемнеет, приобретая зеленоватый, сине-фиолетовый или даже черно-коричневый оттенок. Это происходит из-за окислительных реакций на аноде. На положительном электроде происходит окисление анионов, присутствующих в клеточном соке (например, хлорид-ионов $Cl^-$), или молекул воды:

$2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2$

Образующийся хлор является сильным окислителем. Он реагирует с иодид-ионами, которые в небольшом количестве всегда содержатся в картофеле, с образованием свободного йода ($I_2$). Йод, в свою очередь, является качественным реактивом на крахмал, которым богат картофель. Реакция йода с крахмалом и дает характерное темное окрашивание. Также потемнение может быть вызвано окислением самого материала электрода или органических веществ в кислой среде, которая образуется у анода.

У отрицательного полюса (катода): В месте контакта с отрицательным полюсом, как правило, не происходит заметных изменений цвета. Иногда можно наблюдать незначительное вспенивание или появление мелких пузырьков. Это выделяется газообразный водород в результате процесса восстановления молекул воды на катоде:

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

Образующиеся гидроксид-ионы ($OH^-$) создают щелочную среду, но она обычно не вызывает видимых цветовых изменений на срезе картофеля.

Таким образом, эксперимент наглядно демонстрирует химическое действие электрического тока. Появление темного пятна позволяет однозначно определить положительный полюс батарейки.

Ответ: Через несколько минут после приложения контактов батарейки к срезу картофеля можно наблюдать, что вокруг одного из контактов (положительного полюса) срез потемнеет и окрасится в сине-зеленый или черно-коричневый цвет. Это происходит из-за химических реакций (электролиза), в результате которых образуются вещества, реагирующие с крахмалом в картофеле. Вокруг другого контакта (отрицательного полюса) заметных изменений цвета не произойдет, возможно лишь небольшое выделение пузырьков газа (водорода).

2. 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. 89).

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. 90) (можно поместить внутри мотка компас). Дайте магнитной стрелке установиться в направлении магнитного меридиана.

Замкните электрическую цепь (см. рис. 90). Отклонение стрелки гальваноскопа покажет наличие электрического тока, созданного в проводнике вашим гальваническим элементом.

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

Для выполнения данного задания необходимо последовательно изготовить два устройства и соединить их в электрическую цепь. Это позволит наглядно продемонстрировать принцип работы источника тока (гальванического элемента) и способ обнаружения электрического тока (с помощью гальваноскопа).

Изготовление гальванического элемента (рис. 89)

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, в котором химическая энергия превращается в электрическую. Для создания простейшего гальванического элемента понадобятся: кислое яблоко или солёный помидор (в роли электролита) и два электрода из разных металлов, например, железная и медная проволока или, для лучшего результата, цинковая пластинка и медная проволока.

Процесс изготовления следующий:
1. Возьмите яблоко (или помидор).
2. Воткните в него на небольшом расстоянии друг от друга два электрода (например, цинковую пластинку и медную проволоку), не допуская их соприкосновения внутри яблока.

Принцип действия заключается в следующем. Яблочный сок (электролит) вступает в химическую реакцию с металлами (электродами). Так как цинк является более активным металлом, чем медь, его атомы будут легче отдавать электроны и превращаться в ионы, переходящие в раствор: $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-$. Таким образом, цинковый электрод приобретает отрицательный заряд (анод). На медном электроде (менее активном) происходит процесс восстановления: ионы водорода $H^+$, присутствующие в кислой среде яблочного сока, принимают электроны с медного электрода, образуя водород: $2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2$. Медный электрод становится положительно заряженным (катод). В результате между электродами возникает разность потенциалов (напряжение). Если подключить к ним проводник, по нему потечёт электрический ток — направленное движение свободных электронов от отрицательного цинкового электрода к положительному медному.

Изготовление гальваноскопа (рис. 90)

Гальваноскоп — это прибор для обнаружения очень слабых электрических токов. Его действие основано на явлении электромагнетизма (опыт Эрстеда): электрический ток, протекающий по проводнику, создаёт вокруг себя магнитное поле. Для изготовления понадобятся: моток тонкой изолированной медной проволоки, небольшая деревянная дощечка (основание), швейная игла и маленькая магнитная стрелка (от компаса).

Процесс изготовления:
1. Намотайте на каркас несколько десятков витков изолированной проволоки, чтобы получилась катушка. Оставьте свободные концы проволоки длиной 10-15 см и зачистите их от изоляции.
2. Закрепите катушку на деревянном основании.
3. В центре основания, внутри катушки, установите вертикально иглу остриём вверх.
4. Осторожно поместите магнитную стрелку на острие иглы так, чтобы она могла свободно вращаться.

Проверка действия и объяснение результата (рис. 90)

Порядок действий для проверки:
1. Установите гальваноскоп так, чтобы его катушка была ориентирована вдоль магнитного меридиана Земли. Магнитная стрелка внутри катушки также установится в направлении север-юг.
2. Замкните электрическую цепь: соедините свободные концы проволоки от катушки гальваноскопа с электродами, воткнутыми в яблоко.
3. Наблюдайте за поведением магнитной стрелки.

Результат и объяснение: как только цепь будет замкнута, магнитная стрелка гальваноскопа отклонится от своего первоначального положения. Это происходит потому, что гальванический элемент (яблоко с электродами) создал электрический ток в цепи. Протекая по виткам катушки гальваноскопа, ток создает собственное магнитное поле, перпендикулярное плоскости витков. Это поле взаимодействует с магнитным полем стрелки, заставляя её повернуться. Чем сильнее ток, тем сильнее будет созданное им магнитное поле и тем на больший угол отклонится стрелка. Таким образом, отклонение стрелки является качественным доказательством наличия электрического тока в цепи.

Ответ: При соединении гальванического элемента (яблока с двумя разными металлическими электродами) с самодельным гальваноскопом (катушкой с магнитной стрелкой) стрелка гальваноскопа отклоняется. Это доказывает, что гальванический элемент является источником электрического тока, который, протекая по катушке, создаёт магнитное поле, взаимодействующее с магнитной стрелкой. Эксперимент демонстрирует преобразование химической энергии в электрическую и магнитное действие электрического тока.