Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Шунт – проводник, присоединенный параллельно амперметру для увеличения предела его измерений

Rш =

RA – внутреннее сопротивление амперметра

n - кратность изменения предела измерения

Вольтметр измеряет электрическое напряжение, включается в цепь параллельно.

Дополнительное сопротивление – проводник, присоединяемый последовательно с вольтметром для увеличения пределов его измерений

Rд = RV (n – 1)

RV – внутреннее сопротивление вольтметра

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, равно работе электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца:

количество теплоты, выделяемое в проводнике с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения по нему тока.

Q = I2 R t

Мощность электрического тока – работа, совершаемая в единицу времени электрическим полем при упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике

P = = = I2R = = IU

Потребителю передается максимальная мощность, если сопротивление нагрузки равно суммарному сопротивлению источника тока и подводящих проводов.

Жидкости, как и твердые тела, могут быть проводниками электрического тока.

Электролиты – вещества, растворы и расплавы которых обладают ионной проводимостью.

Электролитическая диссоциация – расщепление молекул электролита на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя.

Электролиз – выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор (или расплав) электрического тока.

Закон Фарадея для электролиза:

масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (расплав) электролита

m = kQ

k – электрохимический эквивалент вещества

Единица измерения электрохимического эквивалента – кг/Кл

Объединенный закон Фарадея для электролиза:

m = Q

М – молярная масса

n – валентность химического элемента

F = 9.65*104 Кл/моль – постоянная Фарадея

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Электрический ток – это совокупность упорядоченно движущихся заряженных частиц.

При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда с одного места в другое. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит.

Электрический заряд перемещается через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц

Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или ионов. Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет.

Полный заряд, переносимый через любое сечение проводника, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.

Электрический ток имеет определенное направление.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. (электроны движутся в противоположном направлении)

Направление тока совпадает с направлением напряженности электрического поля, вызывающего этот ток.

Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Движение частиц в проводнике непосредственно не видно. О наличии электрического тока судят по тем действиям и явлениям, которые его сопровождают:

- тепловое – нагревание проводника, по которому течет ток;

- химическое - электрический ток может изменять химический состав проводника, например выделять его составные химические части;

- магнитное - силовое воздействие на соседние токи и на намагниченные тела.

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо:

- наличие свободных заряженных частиц.

- сила, действующая на них в определенном направлении

Если положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом в атомах или молекулах, то их перемещение не приведет к появлению электрического тока.

Если внешняя сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за сопротивления, оказываемого их движению ионами кристаллической решетки металлов или нейтральными молекулами электролитов.

(На заряженные частицы действует электрическое поле с силой F = qE.)

Обычно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.

Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника существует разность потенциалов.

Когда разность потенциалов не меняется во времени, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.

Электрическое поля внутри проводника и соответственно разность потенциалов на его концах создается за счет действия внешнего источника тока.

Перенос зарядов с одного конца проводника на другой осуществляется за счет источника тока.

Движение носителей заряда внутри проводника происходит за счет сил электрической природы, а внутри источника тока – не электрической.

СИЛА ТОКА

Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока.

Сила тока - физическая величина, определяющая величину электрического заряда, перемещаемого в единицу времени через поперечное сечение повода

I =

Единица измерения – А (Ампер , в честь ученого Анри Ампера)

Сила тока в данный момент времени – скалярная величина, равная пределу отношения величины электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени его прохождения:

(В более общем виде сила тока равна отношению заряда dq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени dt, к этому интервалу времени)

I = = (производная заряда по времени)

Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

Магнитное взаимодействие проводников используется для определения величины силы тока.

1 ампер – сила тока, проходящего по двум параллельным проводникам бесконечной длины, и малого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 метра друг от друга в вакууме, при которой магнитный поток вызывает в низ силу взаимодействия, равную 2*10-7Н на каждый метр длины.

Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

Сила тока, подобно заряду,— величина скалярная.

Она может быть как положительной, так и отрицательной.

Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принять за положительное.

Cила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным, положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I < 0.

Сила тока зависит от заряда, переносимого каждой частицей, концентрации частиц, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника.

Плотность тока – векторная физическая величина численно равная заряду переносимому за единицу времени через единичную площадку поперечного сечения расположенного перпендикулярно току:

j =

Единица измерения – А/м2 = Кл/с*м2

Можно говорить о потоке вектора плотности тока через площадь поперечного сечения.

Для измерения силы тока амперметр включают в цепь последовательно.

Сам амперметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. Поэтому сопротивление участка цепи с включенным амперметром увеличивается и при неизменном напряжении сила тока в нем уменьшается по закону Ома.

Для уменьшения влияния амперметра на силу измеряемого тока внутреннее сопротивление амперметра делают очень малым.

Источник тока – устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды.

Разделение зарядов возможно в результате преобразования механической, тепловой, химической, световой энергии в электрическую. Так, в гальваническом элементе заряды на электродах оказываются разными за счет химической реакции между электродами и электролитом.

См.ниже «Закон Ома»

См.ниже «Удельное сопротивление»

См.ниже «Последовательное и параллельное соединение проводников»

НАПРЯЖЕНИЕ

Для измерения напряжения на участке цепи с сопротивлением R, к нему параллельно подключают вольтметр. Напряжение на вольтметре совпадает с напряжением на участке цепи.

Если сопротивление вольтметра RV, то после его включения в цепь сопротивление участка изменится и будет уже не R, а R’= R║RV = < R.

Из-за этого измеряемое напряжение на участке цепи уменьшится.

Для того, чтобы вольтметр не вносил заметных искажений в измеряемое напряжение, его сопротивление должно быть большим по сравнению с сопротивлением участка цепи, на котором измеряется напряжение.

НОСИТЕЛИ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ В МЕТАЛЛАХ, ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ

Электрический ток в металлах

Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика – порядка 1028 м-3. Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью 10-4 м/с.

Наличие свободных электронов в металлах было доказано в опытах Л.И.Мандельштама и Н.Д.Папалекси (1913 г.), Б. Стюартом и Р. Толменом (1916 г.).

Опыт проводился следующим образом: на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр.

Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают.

После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток.

Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток прекращается.

Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. |q|/m. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно оказалось равным 1,8*10¹¹ Кл/кг.

Электрический ток в металлах это направленное и упорядоченное движение свободных электронов.

Скорость упорядоченного движения электронов прямо пропорциональна напряженности поля в проводнике. (v ~ E)

Электрический ток в металлах это направленное и упорядоченное движение свободных электронов.

Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно.

Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками (дистиллированная вода), проводниками(растворы и расплавы электролитов, щелочей, солей, жидкие металлы) и полупроводниками (расплавленный селен, расплавы сульфидов и т.д.).

Электролиты – вещества, растворы и расплавы которых обладают ионной проводимостью.

Электролиты – водные растворы солей, кислот и щелочей.

В растворах и расплавах электролитов перенос зарядов под действием электрического поля осуществляется положительными и отрицательными ионами, движущимися в противоположных направлениях.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы.

Этот процесс называется электролитической диссоциацией.

Степень диссоциации – отношение количества молекул, диссоциировавших на ионы, к общему количеству молекул вещества.

Вследствие теплового движения молекул растворимость существенно зависит от температуры.

Степень диссоциации, т.е. доля молекул в растворенном веществе, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости e растворителя.

С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.

Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно или отрицательно заряженные ионы.

Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавах электролитов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Например, жидкие металлы.

Положительные и отрицательные ионы могут возникать и при плавлении твердых электролитов в результате распада полярных молекул из-за увеличения амплитуды тепловых колебаний.

Ионы разных знаков при встрече могут снова объединится в нейтральные молекулы – рекомбинировать.

Наряду с диссоциацией в растворах электролитов идет и обратный процесс рекомбинации ионов разных знаков в нейтральную молекулу. Когда число молекул, распадающихся на ионы, становится равным числу молекул, возникающих за это же время в результате рекомбинации, устанавливается динамическое равновесие. Степень диссоциации остается постоянной.

В отсутствии внешнего электрического поля ионы вместе в нераспавшимися молекулами находятся в хаотическом тепловом движении.

Электролиз

При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролита.

Электролизом называют процесс выделения на электроде чистого вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями.

Электролиз – это выделение веществ из электролита с последующим осаждением на электродах

Пример:

При опускании в раствор хлорида меди CuCl2 разноименно заряженных электродов возникает направленное движение ионов. Хлорид меди в водном растворе диссоциирует на ионы меди и хлора:

CuCl2 € Cu2+ + 2Cl-

отрицательному электроду(катоду) притягиваются положительные ионы(катионы) Cu2+, к положительному(аноду) – отрицательные ионы(анионы) Cl-

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода:

Cu2+ + 2e- → Cu

Образовавшиеся в результате реакции нейтральные атомы меди оседают на катоде.

Ионы хлора Cl- отдают на аноде по одному избыточному электрону, превращаясь в нейтральные атомы хлора Cl, которые соединяясь попарно образуют молекулярный хлор, выделяющийся на аноде в виде пузырьков газа:

2Cl- - 2e- → Cl2

Масса вещества, выделившегося на электроде за определенный промежуток времени равна массе всех ионов Ni, осевших на электродах за это время:

m = miNi

mi - масса одного иона

Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду каждого иона qi:

Q = qiNi

Из отношения левых и правых частей равенств получаем:

= = k

k – электрохимический эквивалент вещества

Для каждого электролита отношение массы иона к его заряду является постоянной величиной.

Майкл Фарадей в 1833 г.на основании опытов сформулировал два закона электролиза:

1. Масса вещества, выделяющегося из электролита на электродах, оказывается тем большей, чем больший заряд прошел через электролит

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (расплав) электролита:

m = k Q

Закон Фарадея можно сформулировать иначе, учитывая, что Q = It:

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна силе тока и времени прохождения тока через раствор (расплав) электролита:

m = k I t
I – сила тока

t – время его прохождения через электролит.

Из формулы видно, что коэффициент k численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда равного 1 Кл

Коэффициент k, превращающий эту пропорциональность в равенство m = kIt, называется электрохимическим эквивалентом вещества.

Единица измерения - кг/Кл

2. Электрохимический эквивалент тем больший, чем больше масса моля вещества и чем меньше его валентность

Масса иона выражается через молярную массу и постоянную Авогадро:
mi =

Заряд иона кратен заряду электрона:
qi = ne
n – валентность химического элемента

Тогда получаем соотношение, иногда называемое вторым законом Фарадея:
k = .
k ~ эта дробь называется химическим эквивалентом вещества

Коэффициент, превращающий эту пропорциональность в равенство, назвали постоянной Фарадея F:
k = *

Постоянная Фарадея равна произведению двух констант – постоянной Авогадро и заряда электрона:
F = Na * e = 6,02*1023 моль-1 *1,6*10-19 Кл ≈ 9,6*104 Кл/моль

Физический смысл электрохимического эквивалента: отношение массы иона к его заряду.
= m0i , e n = q0i Þ k =
измеряя m и Dq, можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ.

Объединенный закон Фарадея для электролиза:
m = kIt (см.п.1), k = * (см.п.2) Þ m = Q =

n – валентность химического элемента

Как следует из объединенного закона Фарадея, если на электроде выделяется моль одновалентного вещества, то m = M, n = 1, F = Q.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который надо пропустить через раствор электролита, чтобы выделить на электроде 1 моль одновалентного вещества.

Электролиз применяется:

Гальванопластика, т.е. копирование рельефных предметов.

Гальваностегия, т.е. нанесение на металлические изделия тонкого слоя другого металла (хром, никель, золото).

Очистка металлов от примесей (рафинирование металлов).

Электрополировка металлических изделий. При этом изделие играет роль анода в специально подобранном электролите. На микронеровностях (выступах) на поверхности изделия повышается электрический потенциал, что способствует их первоочередному растворению в электролите.

Получение некоторых газов (водород, хлор).

Получение металлов из расплавов руд. Именно так добывают алюминий.

ТОК В ГАЗАХ

При норм условиях газы являются диэлектриками и не проводят электрический ток. Это доказывает опыт с электрометром и дисками плоского конденсатора. Если спичкой нагреть воздух между дисками то конденсатор разряжается. Следов нагретый газ является проводником и в нем устанавливается электрический ток.

Газ под воздействием света, тепла или ионизирующего излучения может становиться проводником.

Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Явление прохождения тока через газ при условии внешнего воздействия, называется несамостоятельным электрическим разрядом.

При нагревании или облучении часть атомов ионизируется – распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49

МЕНЮ

Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/