Физика: Движение заряженных частиц
Основная информация
В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с таким понятием как «электричество». Что же такое электричество, всегда ли люди знали о нём?
Без электричества представить нашу современную жизнь практически невозможно. Трудно обойтись без освещения и тепла, без телефона, компьютера и телевизора. Электричество настолько глубоко проникло в нашу жизнь, что мы порой и не задумываемся, что это за волшебник помогает нам в работе. Этот волшебник – электричество. В чём же заключается суть электричества?
Суть электричества сводится к тому, что поток заряженных частиц движется по проводнику (проводник – это вещество, способное проводить электрический ток) в замкнутой цепи от источника тока к потребителю. Двигаясь, поток частиц выполняют определённую работу. Это явление называется «электрический ток». Силу электрического тока можно измерить. Единица измерения силы тока — Ампер, получила своё название в честь французского ученого, который первым исследовал свойства тока. Имя ученого-физика – Андре Ампер.
Наблюдали первые электрические явления люди ещё в пятом веке до нашей эры. Они замечали, что потёртый мехом или шерстью кусок янтаря притягивает к себе лёгкие тела, например, пылинки. Древние греки даже научились использовать это явление – для удаления пыли с дорогих одежд. Ещё они заметили, что если сухие волосы расчесать янтарным гребнем, они встают, отталкиваясь друг от друга. Ток – направленное движение заряженных частиц. Если мы имеем дело с металлом, то заряженные частицы – это электроны. Слово «янтарь» по-гречески – это электрон. Таким образом, известное всем понятие «электричество» имеет древние корни.
Как и многое в нашей жизни, электричество, имеет не только положительную, но и отрицательную сторону. Электрический ток, как волшебника-невидимку, нельзя рассмотреть, учуять его по запаху. Определить наличие или отсутствие тока можно только, используя приборы, измерительную аппаратуру. Может произойти трагедия при непреднамеренном соприкосновении человека с токоведущими частями.
Что не нужно делать взрослым и детям? Не дотрагивайтесь руками, не подходите близко к проводам и электрокомплексам. Недалеко от линий электропередач, подстанций не останавливайтесь на отдых, не разводите костров, не запускайте летающие игрушки. Лежащий на земле провод может таить в себе смертельную опасность. Электрические розетки, если в доме маленький ребёнок, – объект особого контроля.
Физики «дали доступ» человечеству к электричеству. Ради будущего учёные шли на лишения, тратили состояния, чтобы вершить великие открытия и дарить результаты своих трудов людям. Давайте бережно относится к трудам физиков, к электричеству, будем помнить о той опасности, которую оно потенциально несёт в себе.
Действия тока
Можно выделить три основных действия электрического тока:
1. Тепловое. При прохождении тока проводник нагревается. Это одно из самых главных действий тока, которое используется человеком. Самый простой пример – некоторые бытовые обогреватели
2. Химическое. Проводник может изменять химический состав при прохождении по нему тока. В частности, при помощи электрического тока добывают некоторые металлы в чистом виде, выделяя их из различных соединений. К примеру, таким образом получают алюминий
3. Магнитное. Если по проводнику течёт ток, то магнитная стрелка вблизи такого проводника изменит своё положение.
Проводники и диэлектрики
Проводник - это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.
В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля.
Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных - хорошие проводники электрических зарядов.
Изолятор ( или диэлектрик ) - тело не содержащее внутри свободные электрические заряды.
В изоляторах электрический ток невозможен.
К диэлектрикам можно отнести - стекло, пластик, резину, картон, воздух.Тела, изготовленные из диэлектриков называют изоляторами.
Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.е. очищенная вода, (любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество примесей и является проводником)
Направление тока
За направление электрического тока принимается направление движения положительных электрических зарядов.
Мы говорили о том, что ток в металлах создают движущиеся электроны, которые имеют отрицательный заряд. Почему же возникает такое противоречие?
Когда возник вопрос о направлении электрического тока, ещё никто не знал о существовании электронов. Было решено считать, что ток движется в направлении движения положительных зарядов. Прошло время, учёные выяснили, что в металлах, в частности, движутся электроны, но было решено оставить всё в прежнем виде. Это связано с тем, что знак заряда нас практически не интересует, гораздо больше нас интересует само действие тока.
Движение электронов в проводнике противоположно направлению электрического поля.
Электрический ток в металлах
Рассмотрим металлические проводники. Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны, концентрация которых велика — порядка 1028 в кубическом метре. Эти электроны участвуют в хаотическом тепловом движении. Под влиянием же электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью примерно 0,5 мм / с. А скорость распространения электрического поля внутри металлического проводника приближается к 300 000 км / с. Именно эту скорость и связывают с распространением электрического тока в металлах. Проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов. Это экспериментально доказали Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси в 1913 г., затем Б. Стюарт и Р. Толмен в 1916 г.
При движении в проводнике электроны проводимости испытывают столкновения с ионами кристаллической решетки и при этом теряют часть энергии, приобретенной в электрическом поле. Такие столкновения и обусловливают сопротивление проводника. С повышением температуры проводника растет средняя скорость теплового движения электронов и увеличивается амплитуда колебаний ионов в узлах решетки. Это приводит к увеличению количества столкновений электронов с ионами. Таким образом, сопротивление металлов зависит от температуры.
В 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг — Оннес открыл чрезвычайное явление — сверхпроводимость. Он обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначала меняется постепенно, а затем, с достижением температуры 4,1 К, резко падает до нуля. Явление уменьшения сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, назвали сверхпроводимостью. Впоследствии сверхпроводимость была обнаружена во многих других металлах. Металлы, которые имеют свойство сверхпроводимости, практически не нагреваются при прохождении через них тока, а это дает возможность передавать энергию без потерь.
Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.
Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и изменения освещенности. В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает возникновение свободных электронов и "дырок"- вакантных положительных мест с недостающим электроном.
При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя "дырку" в соседнем атоме. Таким образом, не только электроны, но и "дырки" могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение - возникнет электрический ток.
Собственная проводимость.
В чистом кристалле электрический ток создается равным количеством электронов и "дырок". Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества "дырок" в полупроводниковом кристалле без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника. При повышении температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и "дырок".
Примесная проводимость.
Проводимость проводников зависит от наличия примесей. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь - примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый станет электроном проводимости.
При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и "дырки". Поэтому в кристалле количество свободных электронов преобладает над количеством "дырок". Проводимость такого проводника является электронной, полупроводник является полупроводником n-типа. Электроны являются основными носителями заряда, "дырки" - неосновными.
Акцепторная примесь - примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой незавершенной ковалентной связи образуется "дырка".
При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и "дырки". Поэтому в кристалле количество "дырок" преобладает над количеством свободных электронов. Проводимость такого проводника является дырочной, полупроводник является полупроводником p-типа. "Дырки" являются основными носителями заряда, электроны - неосновными.
Электрический ток в жидкостях
В зависимости от рода жидкости могут быть разные носители. В расплавах металлов – это те же электроны, в электролитах или растворах – ионы, в расплавах полупроводников – электроны и дырки. Чистые растворители, вода, спирт, масло, бензин и т. д. плохо проводят электрический ток.
Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные вследствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.
Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы - к аноду. Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов - это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом. Электролиз широко применяют в различных целях в технике. С помощью электролитического способа покрывают поверхности одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование, омеднения и т. д.). Это надежное покрытие защищает поверхность металлов от коррозии.
При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков. При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.
Электрический ток в газах
Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.
Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.
Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма - наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.
Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.
В "рекламной" неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой "живую плазму".
Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.
Дуговой разряд горит в ртутных лампах - очень ярких источниках света.
Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!
Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя "корону", окружающую электрод. Коронный разряд - основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.
Электрический ток в вакууме
Возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum - пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии - испускания веществом электронов при нагревании.
Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) - приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток - катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны - анод.
Для лёгкого запоминания объёмного материала
Полезные ссылки
Учебный фильм Электрический ток в различных средах.
https://www.youtube.com/watch?v=GWhipDprAWE
Глоссарий
- Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля.
- Электролитическая диссоциация- явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков.
- Электролиз- явление прохождения электрического тока через раствор электролита, сопровождаемое выделением на электродах веществ, входящих в его состав.
- Газовый разряд- прохождение электрического тока через газ.
- Термоэлектронная эмиссия - испускание веществом электронов при нагревании.
Библиография
- Что такое электричество? Информация об электрическом токе http://www.13min.ru/nauka/chto-takoe-elektrichestvo-informaciya-o-elektricheskom-toke/
- Как рассказать ребенку про электричество http://mir-tema.ru/igry-i-razvitie/vospitanie/17480-kak-rasskazat-rebenku-pro-elektricestvo
- Что такое молния? Что такое гром? http://allforchildren.ru/why/whatis59.php
- Проводники и диэлектрики http://class-fizika.narod.ru/8_21.htm
- Разница между полупроводниками и металлами https://thedifference.ru/chem-poluprovodniki-otlichayutsya-ot-metallov/
- Электрический ток в средах. http://nika-fizika.narod.ru/68_0.htm
- Электрический ток в различных средах. http://moykonspekt.ru/fizika/elektricheskij-tok-v-razlichnyx-sredax/
- Рассказ об электричестве детям http://detskiychas.ru/rasskazy/rasskaz_electrichestvo_detyam/
ем опасна молния, и как избежать неприятностей от молний во время грозы? Удары молний исключительно опасны. Молния может разрушить здание, опору электропередач, заводскую трубу, вызвать пожар. Особенно опасна молния для живых существ. Ее удар смертелен для всего живого, но в людей и животных молния ударяет сравнительно редко и только в тех случаях, когда сам человек из-за незнания создает для этого благоприятные условия. Молния всегда движется к земле самым коротким путем. Поэтому молния чаще ударяет в высокие предметы, а из двух предметов одинаковой высоты - в тот, который является лучшим проводником. Отсюда следуют меры предосторожности, которые нужно соблюдать, чтобы уберечься от молнии. В доме
- Закройте все окна и двери.
- Выключите из розеток все электроприборы. Не прикасайтесь к ним, а также к телефонам во время грозы.
- Не подходите к ваннам, кранам и раковинам, поскольку металлические трубы могут проводить электричество.
- Если к вам в дом залетела шаровая молния (хотя по статистике таких "счастливчиков" крайне мало), не делайте резких движений и ни в коем случае не убегайте, так как можно вызвать воздушный поток, по которому сгусток энергии полетит целенаправленно за вами. Держитесь подальше от электроприборов и проводки, не касайтесь металлических предметов и постарайтесь оставить малоизученное атмосферно-электрическое явление в одиночестве. Не более чем через минуту молния исчезнет сама собой.
- Постарайтесь зайти в дом или в автомобиль.
- Если укрытия нет, выйдите на открытое пространство и, согнувшись, прижмитесь к земле. Очень опасно во время грозы стоять в полный рост! Но просто ложиться тоже нельзя! Мокрая земля является отличным проводником, и поэтому молния может ударить в почву.
- Постарайтесь укрыться в самом низком месте, будь то канава, овраг или небольшая ложбинка.
- В лесу лучше укрыться под низкими кустами. НИКОГДА не стойте под отдельно стоящим деревом. Молния в первую очередь направляет свое действие на высокие предметы, в том числе на деревья. Особенно хорошо молнию притягивают дуб, сосна, тополь, ель.
- Избегайте башен, оград, высоких деревьев, телефонных и электрических проводов, автобусных остановок.
- Держитесь подальше от велосипедов, мангалов, других металлических предметов.
- Не подходите к озеру, реке или другим водоемам.
- Снимите с себя все металлическое. Ни в коем случае не пользуйтесь в грозу зонтиком!
- Не пользуйтесь мобильным телефоном.
- Не стойте в толпе.
- Если гроза застала вас в лодке и к берегу приплыть вы уже не успеваете, то пригнитесь ко дну лодки, соедините ноги и накройте голову и уши.
- Если гроза застала вас в пути, необходимо остановиться, закрыть все окна и верх машины (если она с открытым верхом), опустить радиоантенну, и самое главное - не покидать этого убежища. Внутри полностью закрытого автомобиля вы вне опасности во время грозы. Дело в том, что, несмотря на то, что автомобиль состоит из металла, он создает эффект так называемой клетки Фарадея, то есть устройства, которое представляет собой заземлённую клетку, выполненную из хорошо проводящего материала. Такое устройство хорошо экранирует электромагнитные поля.
- В случае, когда транспорт является открытым (велосипед, мотоцикл), нужно немедленно остановиться и отойти от транспортного средства метров на тридцать.
Басня «Электричество – мой друг»
Автор: Ирис Ревю
Мой дед – большой любитель басен,
Вещает мне о том, о сём,
А чтобы смысл всегда был ясен,
Я сам читаю обо всём.
Давным-давно была пора,
Еду варили у костра,
Подъем — лишь солнышко взойдёт,
Отбой – как темнота придёт.
Но изменились времена,
И жизнь чудес теперь полна.
Компьютер можем мы включить,
И в город дальний позвонить,
Волны движение уловить,
По-новому людей лечить,
Дровами печи не топить,
Камином новым удивить,
И обогреть и накормить,
Что надо — ярко осветить.
Ведь электричество – наш друг,
Но надо умным быть, чтоб вдруг,
Не превратилось во врага,
Во вред не сделало шага.
Мораль сей басни такова —
Должна работать голова.
И делать надо всё с умом,
Чтоб слёз не проливать потом.
Электричество – самый популярный источник энергии. Оно легко трансформируется в другие виды энергии: механическую, тепловую. Специалисты ломают голову над тем, какие бы ещё найти способы применения электричеству; какие бы придумать новые электрические приборы, вещи, машины. А сегодня давайте отгадаем загадки про известные нам электрические приборы.
В Полотняной стране
По реке Простыне
Плывет пароход
То назад, то вперед.
А за ним такая гладь —
Ни морщинки не видать!
Ответ: Утюг
Без языка живет,
Не ест и не пьет,
А говорит и поет.
Ответ: Радио
Есть у меня в квартире робот.
У него огромный хобот.
Любит робот чистоту
И гудит, как лайнер «ТУ».
Он охотно пыль глотает,
Не болеет, не чихает.
Ответ: Пылесос
Живет в нем вся Вселенная,
А вещь обыкновенная.
Ответ: Телевизор
Полюбуйся, посмотри –
Полюс северный внутри!
Там сверкает снег и лед,
Там сама зима живет.
Навсегда нам эту зиму
Привезли из магазина.
Ответ: Холодильник
Через поле и лесок
Подается голосок.
Он бежит по проводам
Скажешь здесь —
А слышно — там.
Ответ: Телефон
Я пыхчу, пыхчу, пыхчу,
Больше греться не хочу.
Крышка громко зазвенела:
«Пейте чай, вода вскипела!»
Ответ: Электрочайник
Мигнет, моргнет,
В пузырек нырнет,
В пузырек под потолок,
Ночью в комнате денек!
Ответ: Электрическая лампочка