Електричні явища. Електричний струм.

                 Електростатика – вчення про статичні електричні заряди та про властивості полів цих зарядів.

Електричний заряд – це невіддільна властивість деяких елементарних частинок.

До елементарних частинок відносяться такі мікрочастинки, для яких сучасними засобами фізики не можна доказати, що вони є об’єднаннями інших мікрочастинок.

Відомо, що заряди бувають двох видів – позитивні й негативні. Носієм елементарного негативного заряду є електрон. Елементарним позитивним зарядом наділений протон.

За абсолютною величиною елементарні заряди електрона й протона однакові. За одиницю електричного заряду прийнято кулон (Кл).

Один кулон – це електричний заряд, який проходить через поперечний переріз провідника при силі струму в один ампер за час в одну секунду       1Кл = 1 А/с.

Елементарний електричний заряд електрона або протона дорівнює         | e | = 1,6 ּ 10^-19 Кл.

Будь-який інший заряд є сукупністю елементарних зарядів                     q = ± Nּe

Електричні заряди можуть мати лише дискретні значення, кратні заряду електрона. Таку властивість зарядів називають квантуванням.

В довільних інерціальних системах заряд є інваріантним або незмінним.

Електричні заряди можуть зникати або виникати знову.Сумарний заряд електрично-ізольованої системи є величиною сталою. Це твердження є законом збереження електричного заряду.

Закон збереження заряду.

Система називається електроізольованою, якщо через поверхню, що її обмежує, не можуть проникати заряджені частинки. Повний електричний заряд електроізольованої системи є  сталою величиною і дорівнює алгебраїчній сумі її позитивних та негативних зарядів.

Електричний заряд зберігається при всіх процесах і рухах носіїв заряду. Закон збереження заряду вказує на те, що позитивні й негативні заряди в електроізольованих системах можуть виникати або зникати парами.

Всі основні властивості електричних зарядів знайдені дослідним шляхом. Серед них відмітимо такі:

- однойменні заряди відштовхуються, різнойменні притягуються;

- величина заряду не залежить від системи відліку;

- дискретний характер заряду, тобто кратність до елементарного заряду;

- електричний заряд має властивість адитивності. Це означає, що заряд системи тіл дорівнює сумі зарядів всіх частинок , які входять в систему.

В електростатиці використовується фізична модель точкового джерела.

Точковим джерелом заряду називається заряджене тіло, форма й розміри якого в даних умовах не є суттєвими.

Дослідним способом було доказано, що сила взаємодії двох нерухомих точкових зарядів пропорційна величині кожного із зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Закон взаємодії точкових зарядів називається законом Кулона

        де q₁ і q₂ - точкові електричні заряди; - діелектрична стала; r – відстань між точковими зарядами.

Сила напрямлена вздовж прямої, яка з’єднує взаємодіючі заряди.

Згідно з третім законом Ньютона сили з якими взаємодіють два точкових заряди, рівні за величиною і протилежні за напрямком

_1,2 = - _2,1.

Діелектрична стала ε₀ відноситься до числа фундаментальних фізичних сталих. Її величина дорівнює 8,85ּ10^-12 Ф/м.

Електричне поле. Напруженість електричного поля

Заряджені точкові тіла або тіла скінчених розмірів взаємодіють через  електричне поле.  Взаємодія між точковими зарядами описується законом Кулона. Електричним полем є  особлива форма матерії, через яку відбувається взаємодія електричних зарядів. Електричне поле нерухомих заряджених тіл, з незмінними у часі зарядами, називається електростатичним полем.

На заряд,  поміщений в електричне поле,  зі сторони поля діє сила. Взаємодія через електричне поле відбувається зі скінченою швидкістю, не більшою за швидкість світла у вакуумі (с=3·10⁸ м/с). Основними характеристиками електричного поля є потенціал (енергетична характеристика) та напруженість (силова характеристика).

Знаючи силу, що діє на заряд q^/  запишемо вираз для напруженості          .                               

Для графічного зображення полів вводять лінії напруженості. Лінія напруженості - це така лінія, проведена в електричному полі,  дотична до якої в кожній точці співпадає з напруженістю. Напрям ліній напруженості прийнято вибирати від позитивного заряду до негативного. Для того,  щоб лінії напруженості визначали величину напруженості, їх домовились проводити так, щоб густина ліній в деякому місці електричного поля була рівна або пропорційна напруженості поля в цьому місці.

      Лінії напруженості електричного поля створеного додатнім або від’ємним точковим зарядом проводять так, як зображено на мал.

Перевірте свої знання!!!
Початковий рівень
1. Однойменно заряджені тіла:
а) не взаємодіють;  б) притягуються;  в) відштовхуються.
2. Незаряджена частинка атома називається:
а) електроном;   б) позитроном;   в) нейтроном.
3. Заряд, що виникає на ебонітовій паличці при натиранні об хутро, або вовну, називається:
а) нейтральним;   б) позитивним;    в) негативним.
4. Електризація під дією електричного поля називається електризацією:
а) через вплив;    б) дотиком;   в) натиранням.
5. Речовини, по яких переміщаються електричні заряди, називаються:
а) діелектриками;   б) провідниками;    в) напівпровідниками.
6. Який вираз являє собою математичний запис закону збереження електричного заряду?
а) ;    б) ;     в) ;   г) .
Середній рівень
1. Позитивно заряджене тіло піднесли до негативно зарядженої гільзи, яка підвішена на шовковій нитці. На якому рисунку правильно зображено «поведінку» гільзи?

   а)                      б)                 в)                г)
2. У ядрі атома Літію міститься 7 частинок, при цьому навколо ядра рухаються 3 електрони. Скільки протонів і нейтронів міститься в ядрі Літію?
а) 3 протони, 3 нейтрони;     б) 4 протони, 4 нейтрони;   в) 4 протони, 3 нейтрони;    д) 3 протони, 4 нейтрони.


 

3. Чи з однаковою силою заряженний циліндр діє на заряджені тіла 1 і 2?
а) З однаковою;  б) на перше з більшою силою;   в) на друге з більшою силою.
Достатній рівень
1. Краплю ртуті, яка мала електричний заряд –10 нКл, з'єднали з іншою краплею, що мала заряд +5 нКл. Яким буде заряд новоутвореної краплі?
а) 15 нКл;       б) 5 нКл;       в) –5 нКл;      г) –15 нКл.
2. Вкажіть всі правильні відповіді. Якщо атом електрично нейтральний, то...
а) кількість протонів дорівнює кількості нейтронів;
б) кількість протонів дорівнює порядковому номеру хімічного елемента у таблиці Менделєєва;
в) кількість електронів дорівнює кількості протонів;
г) кількість електронів дорівнює кількості нейтронів;
д) кількість електронів і нейтронів у сумі дає кількість протонів.
Високий рівень
1. При електризації натиранням маса ебонітової палички збільшилась на 1,82·10^-21 кг. Якого знаку заряд набула паличка і якій кількості електронів відповідає ця зміна маси? Втратила чи набула додаткову кількість електронів ця паличка, якщо заряд електрона за модулем (величиною) дорівнює 1,6·10^-19 Кл, а його маса 9,1·10^-31 кг?
2. На якій відстані у вакуумі два однакові точкові заряди по 1мкКл взаємодіють між собою із силою 0,9Н?

Сила струму, напруга, опір провідника

Мал. 1 Електричний струм в металевому провіднику

 

Німецький фізик Г. Ом 1826 року експериментально встановив, що сила струму I, який протікає по однорідному металічному провіднику ( провіднику, в якому не діють сторонні сили), пропорційна до  напруги U на кінцях провідника:

сила струму в провіднику прямо пропорційна до прикладеної напруги і обернено пропорційна до опору провідника.

Чим вимірюють електричний струм та напругу? 

Мал.3 Амперметр та вольтметр в колі постійного струму.

Мал.4 Послідовне з'єднання провідників.

U1 = IR1,   U2 = IR2.

U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR,

При послідовному з’єднанні повний опір кола дорівнює сумі опорів окремих провідників.

При паралельному з’єднанні провідників величина, обернена загальному опору кола, дорівнює сумі величин, обернених опорів паралельно включених провідників.

 

 

    Електричний струм у різних середовищах

Провідниками електричного струму можуть бути різні речовини: метали, розчини електролітів і за певних умов гази та вакуум. Широкого застосування останнім часом набули речовини, які називають напівпровідниками. Для створення струму в якомусь середовищі потрібна наявність у ньому заряджених частинок, здатних переміщатися під дією електричного поля. Цими частинками можуть бути і електрони, і йони. З'ясувати природу струму — означає встановити, які саме заряджені частинки переносять заряд у даному середовищі.

Носіями вільних зарядів у металах є електрони, концентрація яких велика — порядку 10 ²⁷  у кубічному метрі (Бібліотека електронних наочностей 1.6.1) Ці електрони беруть участь у хаотичному тепловому русі. Під впливом же електричного поля вони починають переміщатися впорядковано із середньою швидкістю приблизно 0,5 мм/с. А швидкість поширення електричного поля всередині металевого провідника наближається до 300 000 км/с. Саме цю швидкість і пов'язують з поширенням електричного струму в металах.

Провідність металів зумовлена рухом вільних електронів.

Рідини, як і тверді тіла, можуть бути як діелектриками, так і провідниками. До діелектриків належить, наприклад, дистильована вода, до провідників — розчини електролітів: кислот, лугів і солей.При розчиненні електролітів під впливом електричного поля полярних молекул води відбувається розпад молекул електролітів на йони. Цей  процес називається електролітичною дисоціацією.Ступінь дисоціації характеризується часткою молекул розчиненої речовини, що розпадаються на йони, і залежить від температури, концентрації розчину й діелектричної проникності розчинника. З підвищенням температури ступінь дисоціації зростає і, отже, збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених йонів.

 Носіями заряду у водних розчинах і розплава електролітів є позитивно і негативно заряджені йони.

Якщо посудину з розчином електроліту ввімкнути в електричне коло, то негативно заряджені йони почнуть рухатись до додатного електрода – анода, позитивно заряджені  - до від’ємного – катода. Внаслідок цього з’явиться електричний струм. Оскільки заряди у водних розчинах і розплавах електролітів переносяться йонами, то таку провідність називають йонною.

При йонній провідності проходження струму з’язане з перенесенням речовини. На електродах виділяються речовини , що входять до складу електролітів. На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони (  це називається окислювальною  реакцією), на катоді позитивно заряджені йони одержують електрони, яких не вистачає (відновна реакція).

Процес виділення на електродах речовин, пов’язаний з окиснювально – відновними реакціями, називають електролізом.

 

Гази за нормальних умов  ( коли немає іонізатора) є ізоляторами і стають провідниками електричного струму тільки внаслідок зовнішньої дії. Електропровідність газу можна змінити , опромінюючи його УФ , рентгенівським або радіоактивними променями , нагріваючи його тощо.
За нормальних умов гази  на відміну від металів і електролітів не містять вільних носіїв струму, ні електронів, ні йонів, оскільки вони складаються з електрично нейтральних  атомів і молекул. Внаслідок зовнішніх дій газ йонізується , тобто від атомів і молекул відриваються електрони. Йонізація , у свою чергу , спричиняє виникнення позитивних йонів і електронів. Якщо ж який – небудь нейтральний атом може  газу може приєднати  до себе електрон , виникне негативний йон. Отже, під час йонізації атома газу має бути виконана робота з іонізації, яка і визначається силою взаємодії між електроном , що відривається , та йоном, що при цьому утворюється.

Раом з процесом йонізації в газі відбувається процес рекомбінації – перетворення йонів у нейтральні атоми або молекули. Якщо зовнішній іонізатор припиняє дію , то провідність газу зменшується  і він уже не може бути  провідником. Якщо потужність іонізатора з часом не змінюється , то між процесами йонізації і рекомбінації  встановлюється динамічна рівновага , за якої кількість пар заряджених частинок , що утворюються, дорівнює в середньому кількості пар йонів, які зникають внаслідок рекомбінації.

Процес проходження струму через газ називають газовим розрядом. Струм у газі, який виникає під дією зовнішньго іонізатора, називається несамостійним газовим розрядом.

За певних умов у газах можливе збудження великої провідності внаслідок дії електричного поля. У цьому у ми маємо явище самостійного розряду  і самостійну провідність.

Самостійним називають розряд у газах, який зберігається й після припинення дії зовнішнього іонізатора.

Серед самостійних розрядів виділяють такі: тліючий розряд, електрична дуга, коронний розряд та іскровий розряд.

Систематизуй свої знання- заповни таблицю!     Електричний струм у різних середовищах

Речовина	Метали	Електроліти	Напів-провідники	Гази
Дати  визначення   (навести приклади речовини)
Хто є носієм зарядів в речовині?
Яким чином вони там утворилися?
Залежність провідності речовини  від  температури та інших параметрів.
Основні формули з даної теми
Примітки (особливості струму в даній речовині)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тестова перевірочна робота

1. Електричний струм у металах – це направлений рух:

а)іонів
б)електронів
в) іонів і електронів
2.Опір металів з підвищенням температури:
а)збільшується
б)зменшується
в)не змінюється
3. За температур, далеких від абсолютного нуля:
а) R=R₀(1+α∆t)
б) R=R₀ /1+α∆t
в) R=R₀+α∆t
4. Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів – це направлений рух :
а)електронів
б)електронів та йонів
в) йонів
5.Перший закон Фарадея виражається формулою:
а) m=kq
б) m= kІt
в) k=M/enN_A
6. Електричний струм у газах обумовлений направленим рухом :
а) електронів
б)йонів
в)електронів та йонів
7. Формула для розрахунку енергії іонізації:
а)E_u=eU
б) E_u=mv²/2
в) E=mgh
8. За якої температури опір срібного провідника стане в 2 рази більше, ніж за температури 0 ⁰С (Іваріант)
Обчисліть роботу струму, витрачену на рафінування 1 т міді, якщо напруга на електролітичній ванні становить 0,4В. (ІІваріант)