Мир электричества

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЗАРЯДЫ

1.1 Взаимодействие зарядов

1.2 Электрический конденсатор

1.3 Как выглядит заряд

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ

2.1 Источник тока

2.2 Электрическая цепь

2.3 Как соединять проводники в цепи

2.4 Зависимость тока

2.5 Ток течет - заряд сохраняется

2.6 Бег по пересеченной местности

2.7 Электролиз

2.8 Ток в пустоте

2.9 Миниатюрный, надежный? - в космос

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Правду говорят: «Гром не грянет - мужик не перекрестится». А какой же гром без молнии? Сколько же миллионов раз должна была сверкнуть молния, чтобы мужик, перекрестившись, наконец-то задумался: а что же это такое?

Между натертыми кусочками янтаря, притягивающими предметы, и молнией, казалось бы, ничего общего. А ведь все это - электрические явления. И слово-то «электричество» от «янтаря» пошло. Но чтобы уловить родственность столь непохожих явлений, потребовались тысячелетия.

Электротехника, электроника, электроэнергия, электровоз, электросварка, электростанция, электромузыкальные инструменты… Ни шагу без электричества.

Электроны так легки, что очень свободно, огромными «партиями» или «стаями», могут двигаться, перенося с собой заряд. Вот это и создает впечатление текущей «электронной жидкости». Теперь же, говоря о заряде, имеют в виду избыток (отрицательность) или недостаток (положительность) электронов в теле.

Разбираясь с различными электрическими схемами, вы всегда обнаружите тот или иной вид соединения не только проводников, но и самых разных элементов цепи.

На старых машинах можно обнаружить по краям бамперов тонкие блестящие лепесточки. Они похожи на шелушащуюся от загара кожу, а под ними заметен уже неказистый, недорогой материал. Во многих случаях хотелось бы нанести на изделие красивое, дорогое или защитное покрытие, но - тонким слоем. Чтобы уменьшить расход дефицитных материалов, прибегают к помощи электролиза. Очень важное применение электролиза - получение чистых металлов из их растворов или расплавов, а также многих химических соединений, которые иным путем изготавливать не удается.

Целью работы является: рассказать о электрической цепи, токе и законах электричества.

1. ЗАРЯДЫ

1.1 Взаимодействие зарядов

Как описать и рассчитать взаимодействие зарядов? Эту задачу поставил перед собой знаменитый французский ученый Шарль Кулон. Изобретя специальные, так называемые крутильные весы, он стал исследовать притяжение и отталкивание маленьких заряженных шариков.

Закон, который он открыл немногим более 200 лет назад, оказался очень похожим на установленный Ньютоном закон всемирного тяготения. Как и в том законе, у Кулона взаимодействие шариков ослабевало с увеличением расстояния между ними. А роль притягивающихся масс стали играть заряды шариков, и чем больше они становились, тем заметнее росла электрическая сила. Отличались, правда, эти законы тем, что массы могли только притягиваться, а заряды, как известно, еще и отталкиваются.

Интересно, как Кулон делил заряды. Он приводил в соприкосновение два одинаковых по размерам шарика из бузины, один из которых был заряжен, а другой - нет. Кулон полагал, что в том случае заряд «растекается» поровну. Но тогда возникает вопрос: что если друг друга коснутся два шарика с равными по величине, но разноименными зарядами? Опыт показывает, что электричество… как бы исчезало. Похожий случай мы наблюдаем, когда стянутый с себя зарядившийся свитер вновь приложим к телу. После этого заряд словно пропадает.

Вот эта особенность электрических зарядов компенсировать друг друга лежит в основе еще одного закона сохранения. Если, скажем, одно тело поначалу было вовсе не заряжено, то потерев его части друг о друга, мы получили в одном месте ровно столько положительного заряда, сколько в другом - отрицательного. Соединившись, эти «плюсы» и «минусы» вновь дадут ноль, отсутствие заряда вообще. Таким образом, сколько было заряда, столько же и осталось. Этот закон не менее важен, чем и другие великие законы сохранения.

1.2 Электрический конденсатор

В одних состояниях какие-то тела хорошо «держат» заряд, а в других - легко с ним «расстаются». Вот на эту возможность накапливать, сохранять какое-то время заряд обращали внимание, когда электричеством нужно было воспользоваться не сразу после его получения.

В 1745 году голландскому физику П. ван Мушенбруку удалось изобрести первый конденсатор. В историю этот прибор вошел под названием лейденской банки. В дальнейшем конденсаторы - накопители электрических зарядов - сильно изменили свою «внешность». Но главной их задачей по-прежнему было удержание рядом больших зарядов разных знаков. Особенно широко они стали применяться с развитием радиотехники.

Случайно коснувшись контактов от двух разноименно заряженных обкладок какого-либо конденсатора можно получить ощутимый электрический удар. Заряды, стремясь соединиться, пробегут через вас.

В принципе можно использовать большие конденсаторы для хранения электрической энергии. Но, к сожалению, надолго их не хватает. Если воздух хоть немного влажен, то он способствует пусть и медленной, однако постоянной утечке заряда. Конденсатор в таком случае необходимо время от времени подзаряжать.

1.3 Как выглядит заряд

электрический конденсатор электролиз ток

Способность электрических зарядов перемещаться внутри одного тела, перетекать или перескакивать на другое казалась очень любопытной. Может быть это какая-нибудь жидкость? Она невидима и невесома, но заряжена. По мнению Бенджамина Франклина, американского физика, занимавшегося исследованиями электрических явлений, все вещества в природе содержат «электрическую жидкость». Переливаясь из одного тела в другое, она как бы добавляет или убавляет их заряды.

Конечно такие догадки, хотя поначалу и много могли объяснить, не выдержали проверки временем. Идеи о «зернистом» строении вещества коснулись и электричества. К мысли о дробности заряда вела его возможность делиться между телами. А когда в конце XIX века была обнаружена мельчайшая отрицательно заряженная частичка, стало ясно, что все заряды - составные. Заряд электрона, а так назвали новую частичку, оказался самым маленьким в природе. Он так крохотен, что нужны тысячи миллиардов электронов, чтобы получить заряды шариков, заметно влияющих друг на друга, как в опыте Кулона.

Электроны так легки, что очень свободно, огромными «партиями» или «стаями», могут двигаться, перенося с собой заряд. Вот это и создает впечатление текущей «электронной жидкости». Теперь же, говоря о заряде, имеют в виду избыток (отрицательность) или недостаток (положительность) электронов в теле.

Электрическая искра, проскакивающая между обкладками конденсатора, также свидетельство того, что до поры «сидевшие» в покое заряженные частички вдруг ринулись навстречу друг другу. Что же позволяет зарядам на одних телах покоиться, а по другим бежать?

Давно было замечено, что все тела в природе можно разбить на два «лагеря»: хорошо и плохо пропускающие через себя электрические заряды. Первые назвали проводниками, а вторые - изоляторами, или, как еще говорят, диэлектриками.

Наверное, нет нужды перечислять проводники. Можно самим назвать металлы, из которых делают провода и спаивают контакты. А чуть подумав, добавите к ним и жидкости, которые замечали в батарейках или аккумуляторах. Изоляторы тоже легко указать - это дерево, стекло, пластмассы, фарфор.

А вот воздух? Безусловно, когда он сух, то является отличным изолятором. Но уж если через него проскочила электрическая искра, то в этот момент он, разумеется, стал проводником.

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ

2.1 Источник тока

Возьмите в руки обычную электрическую батарейку и рассмотрите ее. Конечно, можно найти на ней «плюс» и «минус» - значки, отмечающие ее полюса. Если присоединить их к лампочке, скажем, от карманного фонарика, то она зажжется. Что заставило ее гореть? Ясно, что по ней побежали от одного полюса батареи к другому электрические заряды. Или еще мы говорим, что потек электрический ток.

Заряды на ее полюсах разноименные и хотели бы притянуться друг к другу. Значит, внутри батарейки им что-то мешает соединиться, какая-то сила раздвигает их. А вот через лампочку и проводки - бегите себе, заряды, пожалуйста. Но лишь только перебегут они от одного полюса к другому, только встретятся, как опять эта сила разлучит их, разведет по полюсам, чтобы снова помчались они через лампочку. Так и течет без перерыва электрическая речка по замкнутому кругу, сколько сил у батарейки хватит.

Обнаружилось подобное явление в опытах итальянского ученого Л.Гальвани. Соединяя мышцы и нервы препарированной лягушки проводником, состоящим из железа и меди, он заметил сокращение, дергание мышц. То есть в металлах, как в будущей батарейке, заряды перебегали друг к другу лапку лягушки. Правда, Гальвани полагал, что в каждом животном есть свое собственное, особое электричество. Позже его соотечественник Алессандро Вольта исправил эту ошибку, доказав, что электричество по своей природе везде одно и то же. Ему также удалось построить в 1800 г. первый источник электрического тока - вольтов столб, состоящий из чередующихся медных и цинковых пластинок. С этого изобретения начинается история кропотливых исследований электрического тока.

2.2 Электрическая цепь

Какие бы источники электрического тока мы не использовали, заставить их работать сможем лишь тогда, когда соединим их полюса проводами и приборами. Иначе говоря, мы должны образовать электрическую цепь. В отличие от обычной речки, текущей только сверху вниз, электрический ток должен течь лишь по замкнутым путям. Роль насоса, перекачивающего воду из нижнего течения реки назад, на высоту, играют источники тока, «перекачивающие» внутри себя заряды с одного полюса на другой.

Понятно, что вольтовы столбы или те маленькие электрические батарейки, которыми мы пользуемся сегодня, - не слишком мощные источники тока. Поиск новых, более «солидных», продолжается уже около двух столетий. Но для установления законов, которым подчиняется электрический ток, на первых порах было достаточно и простейших его источников.

Начало XIX века ознаменовалось широким наступлением ученых на выяснение этих закономерностей. Вводятся такие важные физические величины, как сила тока и напряжение. Первая величина подобна расходу воды в реке, а вторая - напору, создаваемому плотиной. Устанавливается направление тока в замкнутой цепи.

Правда, с ним вышел небольшой казус. Поначалу считалось, что по электрической цепи из металлических проводников циркулируют положительные заряды. Сегодня же достоверно известно, что текут-то по ним отрицательно заряженные электроны. И, конечно, в противоположном направлении.

А вот единицы измерения силы тока и напряжения претерпели лишь количественные изменения. Сегодня они хорошо знакомы и указаны практически на каждом электрическом приборе. Например, розетка, лампочка или штепсель. На них можно найти наименования этих единиц, присвоенных в честь великих ученых, - это амперы и вольты.

2.3 Как соединять проводники в цепи

Если составит электрическую цепь из батарейки или небольшого аккумулятора, проводов, выключателя и нескольких лампочек, то можно провести такой опыт. Соединяя лампочки одну за другой, мы заметим, что они горят не слишком ярко. А если соединить их так, чтобы ток разветвлялся и тек по ним, как вода в рукавах реки, то накал лампочек значительно возрастет. Почему? Ведь источник тока один и тот же, да и лампочки не меняли вроде своих свойств. Все дело, по-видимому, в особенностях их соединения.

В каком случае току было бы легче течь по цепи? Наверное, во втором. Так как мы дали ему возможность, хоть и разделившись, пройти лишь по одной лампочке. А в первом - заставили «перебрать» все лампочки последовательно. Это как в трубе - сквозь узкую длинную трубку воде протечь труднее, чем если бы ее нарезали на кусочки и сложили бы так, чтобы вода текла через большое ячеистое отверстие.

Эти нехитрые эксперименты подсказывают, как соединять в разных случаях проводники. Когда нужно увеличить их сопротивление электрическому току, их ставят в «затылочек» друг другу - последовательно. А если хотят уменьшить это сопротивление, то размещают их, как воинов в строю - всех «лицами» в одну сторону, или параллельно.

Разбираясь с различными электрическими схемами, вы всегда обнаружите тот или иной вид соединения не только проводников, но и самых разных элементов цепи. Учет правил последовательного и параллельного соединений заметно облегчает расчеты. Скажем, в наших квартирах все приборы подключаются к электрической сети параллельно.

Вопросами сопротивления проводников занимались многие известные ученые. Выяснилось, что оно зависит как от размеров проводника, так и от вещества, из которого он сделан. Знание этих характеристик позволяет подобрать нужные материалы как при передаче электроэнергии по проводам, так и при изготовлении радио- и электронных схем.

2.4 Зависимость тока

Огромную роль в понимании электрических явлений сыграл закон, открытый скромным немецким учителем Георгом Омом. Его предшественники были весьма близки к установлению этого закона, однако не смогли его сформулировать. Поставив многочисленные опыты, Ом уловил важную связь. Сила тока, текущего через проводник, будет тем больше, чем больше напряжение создаст на его концах источник тока. С другой стороны, если мы начнем увеличивать сопротивление проводника, оставив в покое напряжение, то заметим, как ток тут же уменьшится.

Этот закон лег в основу всех последующих расчетов электрических цепей. Вот, например, в некоторых театрах свет гасят не мгновенно, а постепенно. Добиваются этого тем, что медленно увеличивают сопротивление, включенное последовательно с лампами. Иногда мы замечаем, что в наших квартирах резко вспыхивают или угасают электролампы. И мы уже автоматически говорим: напряжение возросло или упало. Все это - действие закона Ома.

Чтобы в наших домах или приборах не возникло пожаров от короткого замыкания, на входе в квартиру вставляют в электрическую цепь предохранители. Их сопротивление подбирают так, что при большом токе они, нагревшись, могли бы разомкнуть цепь. И на время «обесточить» квартиру или прибор.

А вот заслуги в исследовании электричества и необыкновенное трудолюбие принесли Ому славу и позволили, в конце концов, полностью посвятить себя научной работе. Его имя получила единица измерения электрического сопротивления - 1 Ом.

2.5 Ток течет - заряд сохраняется

Что же требуется для того, чтобы тек электрический ток? Какие условия обязательно должны выполняться? Первым делом, разумеется, должны быть в наличии носители заряда - заряженные частички, к примеру, электроны. Второе условие: необходима сила, которая будет их «тащить» вдоль проводника.

Если включить ток в электрической цепи, то выяснится, что полный заряд всех ее элементов может быть равным нулю. Тогда закон сохранения заряда подскажет нам, что кроме электронов в нашей цепочке скрывается ровно столько же зарядов положительных. И вправду, прошло не так уж много времени после открытия электрона, как были обнаружены его товарищи-напарники. Их назвали протонами, они в пару тысяч раз помассивнее электрона, а вот заряд имеют точно такой же, но положительный. Комбинации этих двух видов заряженных частиц обеспечивают протекание тока во всех известных случаях, хотя ясно, что легоньким электронам это удается лучше.

А вот другой закон сохранения - энергии - позволил «разложить по полочкам» все ее переходы внутри электрической цепи, какой бы сложной она не была. Что подает энергию в цепь? Батарейка, аккумулятор, генератор тока на электростанции. Все они совершают работу, преобразуя в электрическую иные виды энергии, скажем, химическую или механическую. А дальше все происходит, как в любой известной нам машине. Часть электрической энергии идет на нужный нам нагрев, положим, воды в электросамоваре или воздуха в комнате, либо - на механическую работу, как в электрокофемолке или пылесосе. И, конечно, неминуемы потери, которые, как всегда, учтет коэффициент полезного действия нашего устройства.

Закон сохранения энергии в применении к электрическим цепям был установлен двумя физиками: английским - Дж.Джоулем и российским - Э.Х. Ленцем немногим более 150 лет назад.

2.6 Бег по пересеченной местности

Открытая почти 100 лет назад самая маленькая заряженная частица - электрон - словно взяла на себя ответственность за протекание тока в металлах. Если металл-проводник не включен в электрическую цепь, то электроны снуют внутри него, как молекулы газа в комнате. Но стоит подключить проводник к источнику тока, как тут же появляется сила, которая чем-то напоминает дуновение ветра.

Молекулярная теория напоминает, что как бы плотно ни были упакованы атомы вещества, между ними - довольно порядочные щелки. В каком-то смысле движение электронов по металлу напоминает просачивание воды, льющейся из-под крана сквозь пористую поролоновую губку.

Этот пример, кстати, позволит понять нам, что такое электрическое сопротивление. Без губки воде, естественно, течь легче. Вот и электронам, как бы они ни были легки и подвижны, не так-то просто «продираться» между значительно более «солидными» атомами. Получается, что электрический ветер «подгоняет» электроны, а они свою энергию вынуждены отдавать атомам «стукаясь» об них.

В этом-то - причина разогревания проводника током. Сравните потерю энергии при торможении автомобиля трением и потерю электрической энергии при «торможении» тока сопротивлением металла. Куда в обоих случаях перешла энергия? Все правильно: и там, и тут - в тепло.

2.7 Электролиз

На старых машинах можно обнаружить по краям бамперов тонкие блестящие лепесточки. Они похожи на шелушащуюся от загара кожу, а под ними заметен уже неказистый, недорогой материал. Во многих случаях хотелось бы нанести на изделие красивое, дорогое или защитное покрытие, но - тонким слоем. Чтобы уменьшить расход дефицитных материалов, прибегают к помощи электролиза. Как его провести?

В ванну с раствором, необходимого для покрытия вещества опускают концы электрической цепи. Эти концы называют электродами. К одному из них крепят наше изделие, например, статую или металлическую деталь. И пропускают через раствор электрический ток. Заряженные частички-ионы, скажем, хрома или никеля, устремляются к изделию и начнут со всех сторон «облеплять» его. Электрические заряды пойдут дальше по цепи, или, напротив, придут и «высадятся» на ионах. Но сама массивная частичка металла останется на месте, на поверхности изделия. Так можно, слой за слоем, наращивать толщину наносимого покрытия - хромировать или никелировать.

Оказалось, это явление подчиняется строгим законам. Они были открыты знаменитым Майклом Фарадеем в начале тридцатых годов XIX века. Зная эти законы, люди научились защищать металлы от коррозии, наносить рисунки на объемные детали, снимать слепки с различных фигур. Очень важное применение электролиза - получение чистых металлов из их растворов или расплавов, а также многих химических соединений, которые иным путем изготавливать не удается.

2.8 Ток в пустоте

Возможны ли частицы без заряда? Даже если это мельчайшие частички вещества - атомы или молекулы - они вполне могут быть незаряженными, нейтральными. А может ли быть заряд без частички? Оказывается, нет. Всегда он к чему-то присоединен - к электрону, к протону или к их комбинациям - ионам.

Подобный вопрос пришлось обсуждать, когда возникла задача пропустить ток через… вакуум. Встала такая задача с развитием радиотехники. Сегодня ламповые приборы из-за большого потребления энергии и не очень высокой надежности вытеснены более эффективными, полупроводниковыми. Но вот одну большую лампу вы и по сей день встретите как в телевизорах, так и в дисплеях. Это - кинескоп.

Итак, поскольку внутри этих малых и гигантских ламп нет, можно сказать, ничего, то что же будет переносить там электрический заряд? Так как он «отдельно» от частичек не существует, то ответ напрашивается сам собой. В откаченное от воздуха пространство необходимо «впрыснуть» заряженные частички. Это и делают, нагревая, например, металлы, из которых как бы испаряются электроны.

Подавая, скажем, на кинескоп высокое напряжение, можно так манипулировать электронами, что они будут послушно выполнять любые приказы. Изображение на экране телевизора - не что иное, как результат «бомбардировки» электронным пучком светящегося от его ударов вещества. А уж когда начинается электронная игра на дисплее или вам демонстрируют чудеса компьютерной графики, можно понять, насколько велики возможности электронного луча, несущегося в вакууме.

2.9 Миниатюрный, надежный? - в космос

Что такое полупроводник? Это кристаллики твердых веществ, скажем, кремния, обладающих особыми электрическими свойствами. Например, в отличие от металлов, сопротивление полупроводников с увеличением температуры уменьшается. На их проводимость может влиять облучение светом. А самое интересное, что мы можем менять их способность проводить электрический ток вкраплением примесей разных химических веществ.

Полупроводники, как подсказывает их название, занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Возможность менять их электрические свойства в широком диапазоне обеспечила им широкое применение в электротехнике, радиоприборах и электронике. Скажем, фотоэлемент, способный замыкать и размыкать электрическую цепь под действием света, построен на основе полупроводников. Чувствительный термометр, замечающий ничтожно малые перепады температур - тоже его применение. Соединение различных полупроводников образует диод - прибор, пропускающий ток только в одну сторону. А добавление третьего полупроводника в эту «компанию» позволяет слабыми изменениями тока управлять током большим. Вот это и есть усилитель - транзистор.

Благодаря распространению полупроводниковых элементов стало возможным перейти от громоздких вычислительных машин к миниатюрным, умещающимся порой в объеме записной книжки. Маленькие размеры, большой объем памяти, и быстродействие позволяют применять такие ЭВМ на борту космических кораблей.

Еще очень важная область, где полупроводники должны сказать свое весомое слово - солнечная энергетика. Пока устройства, преобразующие солнечный свет в электроэнергию, не очень эффективны и весьма дороги. Но их уже используют для обеспечения энергией космических комплексов. Солнечные батареи размещают на «крыльях»-панелях орбитальных аппаратов. А не так давно смог самостоятельно двигаться первый автомобиль на солнечных батареях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Возьмите в руки обычную электрическую батарейку и рассмотрите ее. Конечно, можно найти на ней «плюс» и «минус» - значки, отмечающие ее полюса. Если присоединить их к лампочке, скажем, от карманного фонарика, то она зажжется. Что заставило ее гореть? Ясно, что по ней побежали от одного полюса батареи к другому электрические заряды. Или еще мы говорим, что потек электрический ток.

Какие бы источники электрического тока мы не использовали, заставить их работать сможем лишь тогда, когда соединим их полюса проводами и приборами. Иначе говоря, мы должны образовать электрическую цепь.

Вопросами сопротивления проводников занимались многие известные ученые. Выяснилось, что оно зависит как от размеров проводника, так и от вещества, из которого он сделан. Знание этих характеристик позволяет подобрать нужные материалы как при передаче электроэнергии по проводам, так и при изготовлении радио- и электронных схем.

Огромную роль в понимании электрических явлений сыграл закон, открытый немецким учителем Георгом Омом. Его предшественники были весьма близки к установлению этого закона, однако не смогли его сформулировать. Поставив многочисленные опыты, Ом уловил важную связь. Сила тока, текущего через проводник, будет тем больше, чем больше напряжение создаст на его концах источник тока.

Благодаря распространению полупроводниковых элементов стало возможным перейти от громоздких вычислительных машин к миниатюрным, умещающимся порой в объеме записной книжки. Маленькие размеры, большой объем памяти, и быстродействие позволяют применять такие ЭВМ на борту космических кораблей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Энцикл. Физика\Сост., худож. А.А. Леонович; под ред. О.Г. Хинн. - М.: ООО «Издательство АСТ-ЛТД», 1998 - 480 с.

2.Ларин М.В., Сокова А.Н. Физические явления. - М.: МЦФЭР, 2003. - 112 с.

3.Рогожин М.Ю. Справочник по физике. - СПб.: Питер, 2007. - 192 с.

4.Пшенко А.В. Физика: Учеб. пособие для студентов учреждений среднего проффесионального образования. - М.: Мастерство, 2002. - 176 с.

5.Тейлор Клэр Физика: Пер. с англ. - М. : Сол Систем, 1994. - 180 с.

6.Самыкина И.В. Энциклопедия по физике: Сост. И.В. Самыкина. - М.: БИНОМ, 1995. - 400 с.

Размещено на Allbest.ru