Как движутся свободные электроны в металлическом проводнике присоединенном к полюсам источника тока

Обновлено: 19.05.2024

Тренировочный тест по физике Электрический ток 8 класс с ответами. Работа включает в себя 2 варианта. В каждом варианте по 9 заданий.

1. Как движутся свободные электроны в металлическом проводнике, присоединённом к полюсам источника тока?

1) беспорядочно с одинаковыми скоростями
2) беспорядочно с различными скоростями
3) упорядоченно
4) упорядоченно с одинаковыми скоростями

2. Какое действие электрического тока используется в работе гальванометра?

А. Тепловое.
Б. Химическое.
В. Магнитное.

Правильным является ответ

1) только А
2) только Б
3) только В
4) А и В

3. Какой процесс происходит внутри источника тока при его работе?

1) источник тока создаёт электрические заряды, которые движутся по проводникам
2) источник тока вырабатывает электрический ток
3) в источнике тока совершается работа по разделению заряженных частиц
4) в источнике тока электроны скапливаются на одном из электродов

4. На рисунке представлена схема электрической цепи, состоящей из источника тока, резистора и двух амперметров. Амперметр A ₁ показывает силу тока 0,5 А. Амперметр А ₂ покажет силу тока

1) меньше 0,5 А
2) больше 0,5 А
3) 0,5 А
4) 0

5. В цепь последовательно включены три резистора сопротивлениями R ₁ < R ₂ < R ₃ соответственно. Напряжение на каком из резисторов будет наименьшим?

1) R ₁
2) R ₂
3) R ₃
4) напряжение будет одинаковым

6. Два алюминиевых проводника одинаковой длины имеют разную площадь поперечного сечения: площадь поперечного сечения первого проводника 0,5 мм 2 , второго — 4 мм 2 . Сопротивление какого из проводников больше и во сколько раз?

1) первого; в 0,125 раза
2) первого; в 8 раз
3) второго; в 0,125 раза
4) второго; в 8 раз

7. Чему равно общее сопротивление участка цепи, если R ₁ = 10 Ом, R ₂ = 10 Oм, R ₃ = 15 Ом, R ₄ = 5 Ом?

1) 9 Ом
2) 12 Ом
3) 15 Ом
4) 18 Ом

8. Какое количество теплоты выделится в электрическом нагревателе в течение 5 мин, если его сопротивление 20 Ом, а сила тока в цепи 6 А?

1) 21,6 кДж
2) 36 кДж
3) 216 кДж
4) 360 кДж

9. Установите соответствие между физическими величинами и единицами измерения этих величин в СИ. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

Физическая величина

А) напряжение
Б) сопротивление
В) электрический заряд

Единица величины

1) кулон
2) ватт
3) ампер
4) вольт
5) ом

1. Электрическим током называют

1) движение электронов по проводнику
2) упорядоченное движение электронов по проводнику
3) движение заряженных частиц по проводнику
4) упорядоченное движение заряженных частиц по проводнику

2. Какое действие электрического тока лежит в основе работы промышленных подъёмных кранов?

3. Какое превращение энергии происходит в гальваническом элементе?

1) химическая энергия превращается в электрическую
2) механическая энергия превращается в электрическую
3) внутренняя энергия превращается в электрическую
4) магнитная энергия превращается в электрическую

4. В таблице представлены результаты исследования зависимости силы тока от напряжения на концах резистора. Каково значение напряжения при силе тока 2,5 А?

1) 11 В
2) 12,5 В
3) 13,5 В
4) 15 В

5. Участок электрической цепи, по которому течёт ток, содержит резистор. Если к нему параллельно подключить ещё один резистор с таким же сопротивлением, то напряжение на первом резисторе

1) уменьшится в 2 раза
2) увеличится в 2 раза
3) останется неизменным
4) станет равным нулю

6. Площади поперечного сечения двух медных проводников одинаковы. Длина первого проводника 20 см, второго — 1 м. Сопротивление какого из проводников больше и во сколько раз?

1) первого; в 0,2 раза
2) первого; в 5 раз
3) второго; в 0,2 раза
4) второго; в 5 раз

7. Чему равно общее сопротивление участка цепи, если R ₁ = 10 Ом, R ₂ = 15 Ом, R ₃ = 5 Ом, R ₄ = 2 Ом?

1) 9 Ом
2) 13 Ом
3) 15 Ом
4) 18 Ом

8. Паяльник сопротивлением 400 Ом включён в цепь напряжением 220 В. Какое количество теплоты выделится в паяльнике за 5 мин?

1) 0,16 кДж
2) 2,7 кДж
3) 36,3 кДж
4) 49 кДж

9. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

А) работа электрического тока
Б) сила тока
В) мощность электрического тока

1) q / t
2) qU
3) RS / l
4) UI
5) U / I

Тренировочный тест по физике Электрический ток 8 класс

Вариант 1

1. Как движутся свободные электроны в металлическом проводнике, присоединённом к полюсам источника тока?

2. Какое действие электрического тока используется в работе гальванометра?

3. Какой процесс происходит внутри источника тока при его работе?

4. На рисунке представлена схема электрической цепи, состоящей из источника тока, резистора и двух амперметров. Амперметр A₁ показывает силу тока 0,5 А. Амперметр А₂ покажет силу тока

5. В цепь последовательно включены три резистора сопротивлениями R₁ 2 , второго — 4 мм 2 . Сопротивление какого из проводников больше и во сколько раз?

7. Чему равно общее сопротивление участка цепи, если R₁ = 10 Ом, R₂ = 10 Oм, R₃ = 15 Ом, R₄ = 5 Ом?

Физическая величина

Единица величины

Вариант 2

1. Электрическим током называют

2. Какое действие электрического тока лежит в основе работы промышленных подъёмных кранов?

3. Какое превращение энергии происходит в гальваническом элементе?

U, В	5	10
I, А	1	2	2,5

7. Чему равно общее сопротивление участка цепи, если R₁ = 10 Ом, R₂ = 15 Ом, R₃ = 5 Ом, R₄ = 2 Ом?

Формулы

Постоянный электрический ток

Электрический ток обеспечивает комфортом жизнь современного человека. Технологические достижения цивилизации — энергетика, транспорт, радио, телевидение, компьютеры, мобильная связь — основаны на использовании электрического тока.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одних областей пространства в другие.

Электрический ток может возникать в самых различных средах: твёрдых телах, жидкостях, газах. Порой и среды никакой не нужно — ток может существовать даже в вакууме! Мы поговорим об этом в своё время, а пока приведём лишь некоторые примеры.

• Замкнём полюса батарейки металлическим проводом. Свободные электроны провода начнут направленное движение от «минуса» батарейки к «плюсу».
Это — пример тока в металлах.

• Бросим в стакан воды щепотку поваренной соли . Молекулы соли диссоциируют на ионы, так что в растворе появятся свободные заряды: положительные ионы и отрицательные ионы . Теперь засунем в воду два электрода, соединённые с полюсами батарейки. Ионы начнут направленное движение к отрицательному электроду, а ионы — к положительному.
Это — пример прохождения тока через раствор электролита.

• Грозовые тучи создают столь мощные электрические поля, что оказывается возможным пробой воздушного промежутка длиной в несколько километров. В результате сквозь воздух проходит гигантский разряд — молния.
Это — пример электрического тока в газе.

Во всех трёх рассмотренных примерах электрический ток обусловлен движением заряженных частиц внутри тела и называется током проводимости.

• Вот несколько иной пример. Будем перемещать в пространстве заряженное тело. Такая ситуация согласуется с определением тока! Направленное движение зарядов — есть, перенос заряда в пространстве — присутствует. Ток, созданный движением макроскопического заряженного тела, называется конвекционным.

Заметим, что не всякое движение заряженных частиц образует ток. Например, хаотическое тепловое движение зарядов проводника — не направленное (оно совершается в каких угодно направлениях), и потому током не является (при возникновении тока свободные заряды продолжают совершать тепловое движение! Просто в этом случае к хаотическим перемещениям заряженных частиц добавляется их упорядоченный дрейф в определённом
направлении).
Не будет током и поступательное движение электрически нейтрального тела: хотя заряженные частицы в его атомах и совершают направленное движение, не происходит переноса заряда из одних участков пространства в другие.

Направление электрического тока

Направление движения заряженных частиц, образующих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от «плюса» к «минусу», а отрицательно заряженные — наоборот, от «минуса» к «плюсу». В электролитах и газах, например, присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток создаётся их встречным движением в обоих направлениях. Какое же из этих направлений принять за направление электрического тока?

Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов.

Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1 ; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма — короткой).

Рис. 1. Направление тока

Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространённым случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.

Тут, однако, ничего не поделаешь — придётся принять эту ситуацию как данность. Так уж исторически сложилось. Выбор направления тока был предложен Ампером (договорённость о направлении тока понадобилась Амперу для того, чтобы дать чёткое правило определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Сегодня эту силу мы называем силой Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки) в первой половине XIX века, за 70 лет до открытия электрона. К этому выбору все привыкли, и когда в 1916 году выяснилось, что ток в металлах вызван движением свободных электронов, ничего менять уже не стали.

Действия электрического тока

Как мы можем определить, протекает электрический ток или нет? О возникновении электрического тока можно судить по следующим его проявлениям.

1. Тепловое действие тока. Электрический ток вызывает нагревание вещества, в котором он протекает. Именно так нагреваются спирали нагревательных приборов и ламп накаливания. Именно поэтому мы видим молнию. В основе действия тепловых амперметров лежит тепловое расширение проводника с током, приводящее к перемещению стрелки прибора.

2. Магнитное действие тока. Электрический ток создаёт магнитное поле: стрелка компаса, расположенная рядом с проводом, при включении тока поворачивается перпендикулярно проводу. Магнитное поле тока можно многократно усилить, если обмотать провод вокруг железного стержня — получится электромагнит. На этом принципе основано действие амперметров магнитоэлектрической системы: электромагнит поворачивается в поле постоянного магнита, в результате чего стрелка прибора перемещается по шкале.

3. Химическое действие тока. При прохождении тока через электролиты можно наблюдать изменение химического состава вещества. Так, в растворе положительные ионы двигаются к отрицательному электроду, и этот электрод покрывается медью.

Электрический ток называется постоянным, если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд.

Постоянный ток наиболее прост для изучения. С него мы и начинаем.

Сила и плотность тока

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:

Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.

Подчеркнём, что формула (1) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока.
Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).

В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за с.

Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока:

где — сила тока, — площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:

Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2) , плотность тока измеряется в А/м2.

Скорость направленного движения зарядов

Когда мы включаем в комнате свет, нам кажется, что лампочка загорается мгновенно. Скорость распространения тока по проводам очень велика: она близка к км/с (скорости света в вакууме). Если бы лампочка находилась на Луне, она зажглась бы через секунду с небольшим.

Однако не следует думать, что с такой грандиозной скоростью двигаются свободные заряды, образующие ток. Оказывается, их скорость составляет всего-навсего доли миллиметра в секунду.

Почему же ток распространяется по проводам так быстро? Дело в том, что свободные заряды взаимодействуют друг с другом и, находясь под действием электрического поля источника тока, при замыкании цепи приходят в движение почти одновременно вдоль всего проводника. Скорость распространения тока есть скорость передачи электрического взаимодействия между свободными зарядами, и она близка к скорости света в вакууме. Скорость же, с которой сами заряды перемещаются внутри проводника, может быть на много порядков меньше.

Итак, подчеркнём ещё раз, что мы различаем две скорости.

1. Скорость распространения тока. Это — скорость передачи электрического сигнала по цепи. Близка к км/с.

2. Скорость направленного движения свободных зарядов. Это — средняя скорость перемещения зарядов, образующих ток. Называется ещё скоростью дрейфа.

Мы сейчас выведем формулу, выражающую силу тока через скорость направленного движения зарядов проводника.

Пусть проводник имеет площадь поперечного сечения (рис. 2). Свободные заряды проводника будем считать положительными; величину свободного заряда обозначим (в наиболее важном для практики случая металлического проводника это есть заряд электрона). Концентрация свободных зарядов (т. е. их число в единице объёма) равна .

Рис. 2. К выводу формулы

Какой заряд пройдёт через поперечное сечение нашего проводника за время ?

С одной стороны, разумеется,

С другой стороны, сечение пересекут все те свободные заряды, которые спустя время окажутся внутри цилиндра с высотой . Их число равно:

Следовательно, их общий заряд будет равен:

Приравнивая правые части формул (3) и (4) и сокращая на , получим:

Соответственно, плотность тока оказывается равна:

Давайте в качестве примера посчитаем, какова скорость движения свободных электронов в медном проводе при силе тока A.

Заряд электрона известен: Кл.

Чему равна концентрация свободных электронов? Она совпадает с концентрацией атомов меди, поскольку от каждого атома отщепляется по одному валентному электрону. Ну а концентрацию атомов мы находить умеем:

Положим мм . Из формулы (5) получим:

Это порядка одной десятой миллиметра в секунду.

Стационарное электрическое поле

Мы всё время говорим о направленном движении зарядов, но ещё не касались вопроса о том, почему свободные заряды совершают такое движение. Почему, собственно, возникает электрический ток?

Для упорядоченного перемещения зарядов внутри проводника необходима сила, действующая на заряды в определённом направлении. Откуда берётся эта сила? Со стороны электрического поля!

Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, внутри проводника должно существовать стационарное (то есть — постоянное, не зависящее от времени) электрическое поле. Иными словами, между концами проводника нужно поддерживать постоянную разность потенциалов.

Стационарное электрическое поле должно создаваться зарядами проводников, входящих в электрическую цепь. Однако заряженные проводники сами по себе не смогут обеспечить протекание постоянного тока.

Рассмотрим, к примеру, два проводящих шара, заряженных разноимённо. Соединим их проводом. Между концами провода возникнет разность потенциалов, а внутри провода — электрическое поле. По проводу потечёт ток. Но по мере прохождения тока разность потенциалов между шарами будет уменьшаться, вслед за ней станет убывать и напряжённость поля в проводе. В конце концов потенциалы шаров станут равны друг другу, поле в проводе обратится в нуль, и ток исчезнет. Мы оказались в электростатике: шары плюс провод образуют единый проводник, в каждой точке которого потенциал принимает одно и то же значение; напряжённость
поля внутри проводника равна нулю, никакого тока нет.

То, что электростатическое поле само по себе не годится на роль стационарного поля, создающего ток, ясно и из более общих соображений. Ведь электростатическое поле потенциально, его работа при перемещении заряда по замкнутому пути равна нулю. Следовательно, оно не может вызывать циркулирование зарядов по замкнутой электрической цепи — для этого требуется совершать ненулевую работу.

Кто же будет совершать эту ненулевую работу? Кто будет поддерживать в цепи разность потенциалов и обеспечивать стационарное электрическое поле, создающее ток в проводниках?

Ответ — источник тока, важнейший элемент электрической цепи.

Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, концы проводника должны быть присоединены к клеммам источника тока (батарейки, аккумулятора и т. д.).

Клеммы источника — это заряженные проводники. Если цепь замкнута, то заряды с клемм перемещаются по цепи — как в рассмотренном выше примере с шарами. Но теперь разность потенциалов между клеммами не уменьшается: источник тока непрерывно восполняет заряды на клеммах, поддерживая разность потенциалов между концами цепи на неизменном уровне.

В этом и состоит предназначение источника постоянного тока. Внутри него протекают процессы неэлектрического (чаще всего — химического) происхождения, которые обеспечивают непрерывное разделение зарядов. Эти заряды поставляются на клеммы источника в необходимом количестве.

Количественную характеристику неэлектрических процессов разделения зарядов внутри источника — так называемую ЭДС — мы изучим позже, в соответствующем листке.

А сейчас вернёмся к стационарному электрическому полю. Каким же образом оно возникает в проводниках цепи при наличии источника тока?

Заряженные клеммы источника создают на концах проводника электрическое поле. Свободные заряды проводника, находящиеся вблизи клемм, приходят в движение и действуют своим электрическим полем на соседние заряды. Со скоростью, близкой к скорости света, это взаимодействие передаётся вдоль всей цепи, и в цепи устанавливается постоянный электрический ток. Стабилизируется и электрическое поле, создаваемое движущимися зарядами.

Стационарное электрическое поле — это поле свободных зарядов проводника, совершающих направленное движение.

Стационарное электрическое поле не меняется со временем потому, что при постоянном токе не меняется картина распределения зарядов в проводнике: на место заряда, покинувшего данный участок проводника, в следующий момент времени поступает точно такой же заряд. По этой причине стационарное поле во многом (но не во всём) аналогично полю электростатическому.

А именно, справедливы следующие два утверждения, которые понадобятся нам в дальнейшем (их доказательство даётся в вузовском курсе физики).

1. Как и электростатическое поле, стационарное электрическое поле потенциально. Это позволяет говорить о разности потенциалов (т. е. напряжении) на любом участке цепи (именно эту разность потенциалов мы измеряем вольтметром).
Потенциальность, напомним, означает, что работа стационарного поля по перемещению заряда не зависит от формы траектории. Именно поэтому при параллельном соединении проводников напряжение на каждом из них одинаково: оно равно разности потенциалов стационарного поля между теми двумя точками, к которым подключены проводники.
2. В отличие от электростатического поля, стационарное поле движущихся зарядов проникает внутрь проводника (дело в том, что свободные заряды, участвуя в направленном движении, не успевают должным образом перестраиваться и принимать «электростатические» конфигурации).
Линии напряжённости стационарного поля внутри проводника параллельны его поверхности, как бы ни изгибался проводник. Поэтому, как и в однородном электростатическом поле, справедлива формула , где — напряжение на концах проводника, — напряжённость стационарного поля в проводнике, — длина проводника.

Электрический ток в металлах

В этом листке мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах — твёрдых телах, жидкостях и газах.

Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов, которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.

Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.

Мы много раз говорили о свободных электронах, которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.

Свободные электроны

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1 ).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

Опыт Рикке

Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?

Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.Рикке в 1901 году.

В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 2 ). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

Рис. 2. Опыт Рикке

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2кг меди.

Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

Опыт Стюарта–Толмена

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.

Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.

Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3 .

Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена

Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору — баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.

После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.

Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно — учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).

Зависимость сопротивления от температуры

Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?

Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:

Здесь — сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4 ).

Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.

Длина проводника и его площадь поперечного сечения при изменении температуры меняются несущественно. Выразим и через удельное сопротивление:

и подставим эти формулы в (1) . Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:

Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки

Так, на рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.

Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.

Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление электрического тока

Вопрос: Для чего нужен источника тока в электрической цепи?

Ответ: источник тока в электрической цепи предназначен для создания электрического поля.

Вопрос: Назовите источники электрического тока известные вам ?
Повторение изученного материала.
Ответ: электрофорная машина, термоэлемент, фотоэлемент, гальванический элемент, аккумулятор и др.

Вопрос: В чем отличие проводников и изоляторов?
Повторение изученного материала.
Ответ: в проводниках есть свободные электроны, а в изоляторах (диэлектри-ках) нет свободных электронов. В изоляторах электроны прочно удер-живаются в своих атомах и не могут двигаться в электрическом поле.

Вопрос: Что же такое электрический ток?
Повторение изученного материала.
Ответ: Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Вопрос: При каких условиях существует электрический ток?
Повторение изученного материала.
Ответ: наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля.

Вопрос: Какие потребители электри-ческой энергии в быту вы знаете?
Повторение изученного материала.
Ответ: Электро-двигатели, лампы накала, электро-плита, электро-паяльник, пылесос, электро-утюг, стиральная машина, тостер и другие электробытовые приборы.

Из каких частей состоит электрическая цепь, изображенная на рисунке?
1.Элемент, выключатель, лампа, провода.

2. Батарея элементов, звонок, выключатель, провода.

3. Батарея элементов, лампа, выключатель, провода.
Повторение изученного материала.

Электрический ток в металлах.
Металлы в твердом состоянии, как известно, имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку.
В узлах кристаллической решетки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные электроны в нем движутся беспорядочно.

Когда к металлическому проводнику присоединяются полюсы источника тока, в проводнике возникает электрическое поле, которое на беспорядочное тепловое движение свободных электронов накладывает направленное движение.

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах российских физиков.
Папалекси
Николай
Дмитриевич
Мандельштам
Леонид
Исаакович
Цель их опытов – Выяснить какова проводимость металлов.
Они к Катушке на стержне со скользящими контактами, присоединили гальванометр. Во время эксперимента Катушка раскручивалась с большой скоростью, затем резко останавливалась, при этом наблюдался отброс стрелки гальванометра.
Вывод: Проводимость металлов-электронная.

Немецкий физик Рикке, в течении года через цилиндры пропускал значительный электрический ток. За это время через них прошел заряд, равный примерно трем с половиной миллионам кулонов.
Когда цилиндры разъединили и вновь определили их массы, выяснилось, что массы цилиндров не изменились. Это позволяет сделать вывод, что ток в металлах осуществляется частицами совершенно одинаковыми для меди и алюминия, т.е электронами.

Мы не можем видеть действующие в металлическом проводнике электроны. О наличии электричества мы можем судить только по различным явлениям, которые вызывает электрический ток.
Действие электрического тока- это явление, которое вызывает электрический ток. По ним можно судить о наличии тока.
Действие электрического тока
Тепловое
Химическое
Магнитное
Механическое

Тепловое действие тока заключается в нагревании проводников при протекании по ним электрического тока.

Электрический ток нагревает проводник.

Применение теплового действия тока

Химическое действие тока состоит в том, что в некоторых растворах кислот(солей, щелочей) при прохождении через них электрического тока наблюдается выделение веществ.

Электрический ток в жидкостях
Катод- пластина, соединенная с отрицательным полюсом источника.
Анод- пластина, соединенная с положительным полюсом источника.

Применение химического действия тока
Гальваностегия
(Перенос металла)
Рафинирование металлов (оседание примеси)
Электрометаллургия (плавление катодами)
Гидрометаллургия (с помощью хим. веществ)
Гальванопластика
(Осаждение металла)

Магнитное действие тока можно наблюдать на опыте с гвоздем.

Применение магнитного действия тока
Рамка с током между полюсами магнита поворачивается
Гальванометр
Вольтметр
Амперметр
Электро-магниты

трансформатор
Бензо-, дизель- генератор
электродвигатель

И за направление тока условно приняли то направление, по которому могли бы двигаться в проводнике положительно заряженные частицы, т. е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному полюсу.
Мы знаем, что направлением тока служит направление движения электронов, но вопрос о направлении тока возник до появления понимания процесса движения электронов. В те времена предполагали, что во всех проводниках могут перемещаться как положительные так и отрицательные электрические заряды.

Вопросы для
закрепления
Что представляет собой электрический ток в металлах?
Что представляет собой электрический ток в электролитах?
Где используют тепловое действие тока?
Где используют химическое действие тока?
Могут ли жидкости быть диэлектриками? Проводниками?

Итоговый тест:
(запиши ответы, что бы проверить себя)
Вариант 1
1. Электрический ток – это…
а) упорядоченное движение частиц;
б) упорядоченное движение свободных электронов,
в) упорядоченное движение заряженных частиц,
г) движение заряженных частиц.
Вариант 2
1. Электрический ток в металлах – это…
а) упорядоченное движение частиц;
б) упорядоченное движение свободных электронов,
в) упорядоченное движение заряженных частиц,
г) движение заряженных частиц.

Итоговый тест:
Вариант 1
2. Какое действие тока всегда наблюдается в жидких и газообразных проводниках?
а) тепловое,
б) химическое,
в) магнитное,
г) физиологическое.
Вариант 2
2. Как называется действие тока, которое может вызвать сильные конвульсии и кровотечения из носа?
а) тепловое,
б) химическое,
в) магнитное,
г) физиологическое.

Итоговый тест:
Вариант 1
3. Укажите, в каком из перечисленных случаев используется физиологическое действие тока.
а) нагревание воды электрическим током,
б) хромирование деталей,
в) рефлекторное сокращение мышц,
г) свечение электрической лампы.
Вариант 2
3. Укажите, в каком из перечисленных ниже случаев используется химическое действие тока.
а) нагревание воды электрическим током,
б) хромирование деталей,
в) рефлекторное сокращение мышц,
г) свечение электрической лампы.

Итоговый тест:
Вариант 1
4. Какое действие тока использую в устройстве пылесоса?
а) химическое,
б) магнитное,
в) физиологическое,
г) тепловое.

Вариант 2
4. Какое действие тока используют в устройстве гальванометра?
а) химическое,
б) магнитное,
в) физиологическое,
г) тепловое.

Итоговый тест:
Вариант 1
5. В устройстве какого бытового прибора используется тепловое действие тока?
а) телевизор,
б) фен,
в) пылесос,
г) электрическая лампа.
Вариант 2
5. В устройстве какого бытового прибора используется одно-временно тепловое и магнитное действие тока?
а) телевизор,
б) фен,
в) пылесос,
г) электрическая лампа.

Проверь себя:
Вариант 1

Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей

Более 3 000 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения

Читайте также: