Содержание
Физика 8 класс. Проводники и диэлектрики. Электрический ток в металлах и электролитах :: Класс!ная физика
Физика 8 класс. 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)
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ
В металле всегда существует большое количество свободных электронов.
Электрический ток в металлических проводниках — это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ
Электрический ток могут проводить растворы солей и кислот, а также обычная вода ( кроме дистиллированной).
Раствор, способный проводить электрический ток, называется электролитом.
В растворе молекулы растворяемого вещества под действием растворителя
превращаются в положительные и отрицательные ионы. Ионы
под действием приложенного к раствору электрического поля могут перемещаться:
отрицательные ионы — к положительному электроду, положительные
ионы – к отрицательному электроду.
В электролите возникает электрический ток.
При прохождении тока через электролит на электродах выделяются чистые вещества, содержавшиеся в растворе. Это явление называется электролизом.
В результате действие электрического тока в электролите происходят необратимые химические изменения, и для дальнейшего поддержания электрического тока его необходимо
заменить на новый.
ИНТЕРЕСНО …
В 17 веке после того как Уильям Гильберт установил, что многие тела обладают
способностью электризоваться при их натирании, в науке считалось, что все тела по отношению
к электризации делятся на два вида: на способные электризоваться при трении,
и на тела, не электризующиеся при трении.
Только в первой половине 18 века было установлено, что некоторые тела обладают, кроме того, способностью распространять электричество. Первые опыты в этом направлении были проведены английским физиком Греем. В 1729
г. Грей открыл явление электрической проводимости.
Он установил, что электричество способно передаваться от одних
тел к другим
по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество
не распространялось.
Именно Грей разделил вещества на проводники
и непроводники электричества.
Только в 1739г.
было окончательно установлено,
что все тела следует делить на проводники и диэлектрики.
___
К началу 19 века стало известно, что разряд электрических рыб
проходит через металлы,
но не проходит через стекло и воздух.
ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?
Гальваностегия.
Покрытие предметов слоем металла при помощи электролиза называется гальваностегией. Металлизировать можно не только металлические предметы, но и
предметы из дерева, листья растений, кружева, мертвых насекомых.
Сначала надо сделать эти предметы жесткими, а для этого подержать
их некоторое время в расплавленном воске.
Затем равномерно покрыть слоем графита ( например, потерев карандашным
грифелем), чтобы сделать их проводящими и опустить в качестве
электрода в гальваническую ванну с электролитом, пропуская через
него некоторое время эл. ток. Через какое-то время на этом электроде выделится металл, содержащийся в растворе, и равномерно покроет предмет.
Археологические раскопки, относящиеся к временам Парфянского
царства, позволяют допустить,
что уже две тысячи лет тому назад производилось гальваническое золочение и серебрение изделий!
Об
этом говорят и находки, сделанные в гробницах египетских фараонов.
Устали? — Отдыхаем!
Глава 19. Проводники и диэлектрики в электрическом поле
В школьном курсе физики есть раздел, посвященный электрическим свойствам проводников и диэлектриков и их поведению во внешнем электрическом поле. В необходимый минимум знаний по этому вопросу входит понимание явления электростатической индукции и его механизмов в проводниках и диэлектриках, а также умение находить в простейших ситуациях индуцированные в проводниках и диэлектриках заряды. Кратко рассмотрим эти вопросы.
В состав атомов входят заряженные частицы (электроны и протоны). Поэтому любое тело содержит огромное количество зарядов. Число протонов и число электронов в составе незаряженного тела одинаково, заряженное тело содержит разные количества протонов и электронов.
В зависимости от того, являются ли заряды внутри тела свободными или связанными, все вещества делятся на проводники, диэлектрики (или изоляторы) и полупроводники. В проводниках электрические заряды могут свободно перемещаться, и потому такие тела проводят электрический ток. К проводникам относятся все металлы, в которых носителями заряда являются «оторвавшиеся» от атомов валентные электроны (свободные электроны), а также растворы электролитов (кислот, щелочей и солей), в которых перемещаются положительные и отрицательные ионы.
В диэлектриках все заряды «привязаны» к покоящимся атомам и не могут перемещаться. Поэтому диэлектрики не проводят электрический ток. К диэлектрикам, например, относятся: газы, пластмассы, эбонит, резина, дистиллированная вода.
Вещества, занимающие по своей проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, называются полупроводниками. Типичными полупроводниками являются кристаллические германий и кремний. В полупроводниках свободные носители заряда есть, но их мало.
Не следует, однако, думать, что полупроводники являются просто «плохими» проводниками или «плохими» изоляторами. Промежуточная проводимость полупроводников приводит ко многим необычным их свойствам, которые отличают полупроводники как от проводников, так и от диэлектриков. С этими свойствами связаны многие применения полупроводников в технике.
При помещении проводника в электрическое поле свободные носители заряда внутри проводника перемещаются и на его поверхности образуются области положительного и отрицательного заряда. Такое явление разделения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией или поляризацией проводника. В результате поляризации электрическое поле в пространстве изменяется и становится равным сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов. Можно доказать, что перемещение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока суммарное поле внутри проводника не станет равным нулю, а на его поверхности — перпендикулярным поверхности.
Такое свойство проводника позволяет находить индуцированные на его поверхности заряды. Для этого нужно ввести эти заряды как некоторые неизвестные величины, затем найти поле, создаваемое этими зарядами и суммарное поле, равное векторной сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов, приравнять суммарное поле внутри проводника к нулю. Решение полученного уравнения и позволит найти индуцированные заряды.
В диэлектрике поляризация также происходит, однако механизмы этого явления — другие. Как правило, молекулы диэлектрика являются полярными, т.е. какая-то область молекулы заряжена положительно, какая-то — отрицательно. При помещении диэлектрика во внешнее поле молекулы поворачиваются, и на определенные участки поверхности диэлектрика «выходят» своими положительными областями, на другие — отрицательными. В результате на поверхности диэлектрика образуются области положительного и отрицательного заряда, но при разрезании диэлектрика (в отличие от разрезания проводника) получившиеся части будут незаряженными.
Благодаря поляризации диэлектрика поле в нем ослабляется, но не становится равным нулю. Характеристика диэлектрика , которая показывает, во сколько раз ослабляется поле в нем, называется диэлектрической проницаемостью.
Рассмотрим в рамках данного фактического материала задачи первой части.
В задаче 19.1.1 из нижеперечисленного списка веществ проводником электрического тока является металл — свинец (ответ 3).
В задаче 19.1.2 диэлектриком является мел (ответ 1; алюминий и железо — металлы, т.е. проводники тока, в водопроводной воде растворены различные соли в таком количестве, что она является прекрасным проводником электрического тока).
Как отмечалось ранее, при внесении металлического тела в электрической поле (задача 19.1.3) на поверхности тела индуцируются электрические заряды, сумма которых равна нулю. Все остальные предложенные ответы неверны: для приобретения электрического заряда телу нужно сообщить или забрать у него электроны, заряды не могут индуцироваться в объеме проводника — их невозможно там удержать.
Взаимодействие между зарядом и незаряженным диэлектрическим телом возникает (задача 19.1.4), причем это взаимодействие –— притяжение (ответ 2). Это взаимодействие возникает благодаря поляризации: из-за ориентации молекул диэлектрика часть поверхности тела, обращенная к заряду, приобретает заряд противоположного знака, дальняя от заряда часть поверхности тела — заряд того же знака (см. рисунок).
Поэтому возникнет две силы — притяжение близких участков и отталкивание дальних. Но поскольку индуцированные заряды — одинаковы по величине, а кулоновское взаимодействие убывает с ростом расстояния, притяжение сильнее отталкивания, и тело будет притягиваться к заряду.
Как указывалось во введении к настоящей главе, части металлического тела, внесенного в электрическое поле и разрезанного там (задача 19.1.5) будут заряжены. Поскольку направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, часть будет заряжена положительно, часть — отрицательно (ответ 2). |
Если тело является диэлектриком, то его части будут незаряженными (задача 19.1.6 — ответ 1).При внесении проводящего тела в электрическое поле (задача 19.1.7) будут иметь место все три явления, перечисленных в качестве возможных ответов к задаче. О пунктах (1) и (3) («поле внутри проводника равно нулю» и «поле на поверхности перпендикулярно поверхности») говорилось во введении к настоящей главе. Докажем, что потенциал одинаков во всех точках тела. Для этого возьмем точечный пробный заряд и мысленно перенесем его из одной точки тела в другую (см. рисунок; траектория движения заряда показана пунктиром). С одной стороны, при таком движении поле совершит работу , где и — потенциалы начальной и конечной точек траектории тела. С другой стороны, поскольку напряженность поля внутри проводящего тела равна нулю, эта работа — нулевая. Поэтому (правильный ответ в задаче — 4). Аналогично в задаче 19.1.8 (ответ ,3).
|
После соединения проводником (задача 19.1.9) два металлических тела и соединяющий проводник будут представлять собой единое проводящее тело. Поэтому потенциалы любых точек этого тела должны быть одинаковы. Следовательно, выровняются потенциалы сфер (ответ 1).
В задачах с заземлением (задача 19.1.10) рассматривается следующая модель Земли: это проводящий шар с размерами, много большими размеров любых тел, имеющихся в задаче. Поэтому для потенциала Земли можно использовать формулу (18.8), которая для любых зарядов, с которыми мы имеем дело, дает нулевой результат. Поэтому при заземлении тела его потенциал становится равным нулю (ответ 2).
Сила взаимодействия противоположных электрических зарядов при внесении между ними диэлектрической пластинки (задача 19.2.1) увеличится (ответ 2). Действительно, в поле зарядов на поверхности пластинки будут индуцироваться заряды: ближе к положительному — минусы, ближе к отрицательному — плюсы (см.
рисунок). В результате на каждый точечный наряду с той же самой силой притяжения к другому заряду (а она, конечно, не меняется, ведь принцип суперпозиции говорит о том, что все заряды взаимодействуют независимо) будут действовать две дополнительные силы. Это будет сила притяжения к зарядам того же знака и отталкивания от зарядов противоположного. А поскольку заряды противоположного знака ближе, сила притяжения будет больше. Возникновение дополнительной силы, направленной к пластинке, будет восприниматься как увеличение силы притяжения.
Как отмечалось выше (задача 19.1.7) потенциал электрического поля во всех точках проводящего тела одинаков. Поэтому можно ввести понятие потенциала проводящего тела, который определяется как потенциал электрического поля в любой точке этого тела. Поэтому для потенциала металлического шара из задачи 19.2.2 имеем , где , — заряд шара, — его радиус. Потенциал поля шара на расстоянии двух радиусов от его поверхности и, следовательно, трех радиусов от центра шара равен , т.
е. одной трети от потенциала шара. Отсюда находим В (ответ 2).
Потенциал каждой капли ртути (задача 19.2.3) равен , где , — заряд капли, — ее радиус. После слияния заряд большой капли равен , а радиус , где — число капель (последнее следует из того, что объем большой капли равен сумме объемов капель). Отсюда находим потенциал большой капли
(ответ 2).
Поскольку после соединения шары будут представлять собой единое металлическое тело (задача 19.2.4), то заряд разделится между ними так, что потенциалы шаров будут одинаковы. Поэтому для зарядов шаров и выполнено условие
Отсюда находим (ответ 4).
Согласно принципу суперпозиции потенциал каждой точки складывается из потенциала, создаваемого в этой точке всеми зарядами. Поэтому потенциалы и внутренней и внешней сферы (задача 19.
2.5) создаются зарядами внутренней и внешней сфер. А поскольку потенциал в любой точке внутри сферы определяется ее радиусом сферы (см. (18.8)), получаем
Аналогично находим потенциал внешней сферы
Отсюда находим
(ответ 3).
Чтобы найти разность потенциалов между двумя проводниками нужно мысленно перенести пробный заряд с одного из них на другой, найти работу, совершаемую электрическим полем при этом, разделить работу на величину пробного заряда. В задаче 19.2.6 между пластинками будет однородное поле с напряженностью . Поэтому работа поля над пробным зарядом при его перемещении с одной пластинки на другую есть . С другой стороны, работа поля следующим образом связана с разностью потенциалов . Отсюда находим разность потенциалов пластин
(ответ 3).
Поскольку напряженность поля между двумя параллельными пластинками, заряженными одинаковым зарядом равна нулю (см. задачу 18.2.8), то при перенесении пробного заряда с одной пластины на другую поле не совершает работу. Следовательно, разность потенциалов между такими пластинками в задаче 19.2.7 равна нулю (ответ 4).
В задаче 19.2.8 заряды распределятся только по внешней поверхности полого шара (если бы весь заряд или какая-то его часть находилась на внутренней поверхности, то в объеме проводника было бы электрическое поле, чего быть не должно). А поскольку заряд, расположенный на поверхности сферы, создает поле только снаружи этой сферы, то напряженность будет отлична от нуля только в области 3. Поэтому правильный ответ в задаче — 4.
В задаче 19.2.9 заряды индуцируются и на внешней и на внутренней поверхностях полого шара, причем их сумма равна нулю. Результирующее поле будет создаваться центральным зарядом и индуцированными зарядами, которые, фактически, представляют собой равномерно заряженные сферы.
А поскольку поле сферы равно нулю внутри этой сферы, то суммарное поле в полости (в области 1) равно полю точечного заряда, т.е. не равно нулю. Внутри металлического тела (в области 2) поле равно нулю, как и внутри любого проводника. Снаружи шара поля индуцированных зарядов компенсируют друг друга, поэтому суммарное поле равно полю точечного заряда, т.е. не равно нулю. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.
В задаче 19.2.10 на внешней и внутренней поверхности сферической оболочки будут индуцироваться такие заряды, что суммарное поле (внешнее плюс поле индуцированных зарядов) внутри оболочки будет равняться нулю. Пусть на внутренней поверхности будет индуцирован заряд — , тогда на внешней поверхности будет индуцирован заряд . Поле внутри оболочки (в области 2) будет создаваться только точечным зарядом и зарядами внутренней поверхности (заряд внешней поверхности благодаря ее сферичности в этой области электрического поля не создает). С другой стороны это поле равно нулю.
Отсюда заключаем, что заряд внутренней поверхности оболочки противоположен по знаку центральному точечному заряду и равен ему по величине . Следовательно, заряд внешней поверхности оболочки центральному заряду (ответ 1).
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ ~ Изучение электротехники
Электрические проводники :
Наиболее популярными электрическими проводниками являются медь и алюминий.
Медь является популярным выбором для цепей распределения электроэнергии и управления из-за ее превосходной способности проводить электрический ток, а также других электрических и механических свойств. Медь может быть покрыта оловом, никелем или серебром для облегчения пайки и предотвращения коррозии
Алюминий также используется в энергетике. Ее основными преимуществами являются ее вес и меньшая стоимость материала по сравнению с медью.
Основные недостатки алюминия:
(a) Он имеет более низкую проводимость, чем медь, поэтому для него потребуются провода и кабели большего размера, чем для меди
(b) Алюминий быстро окисляется на воздухе.
Это окисление действует как изолятор. Это создает дополнительные затраты на техническое обслуживание и тестирование по сравнению с медью 9.0005
Алюминий широко используется в электроэнергетике в воздушных линиях, главным образом из-за его легкого веса и стоимости по сравнению с медью.
Общие термины, используемые с проводниками:
(a) Проволока представляет собой цельный металлический отрезок
(b) Многожильный провод представляет собой группу небольших проводов, сплетенных или скрученных вместе для получения один проводник. Провода не изолированы друг от друга. Сильно изолированный многожильный провод часто называют шнуром. Внешняя оболочка шнура защищает проводку от физических повреждений.
(c) Кабель может быть одножильным многожильным проводником или комбинацией проводников, изолированных друг от друга. Последнее устройство называется многожильным кабелем. В этом кабеле провода могут быть скрученными, могут иметь или не иметь общего изоляционного покрытия
(d) Проводник передает электроэнергию от генерирующего оборудования к утилизационному оборудованию.
Проводник может быть одножильным или многожильным. Одножильный проводник обычно предназначен для проводов меньшего размера и обеспечивает малый вес и малый диаметр. Конфигурация многожильного проводника обычно используется для проводов большего размера, поскольку эта конфигурация делает кабель легче и гибче.
(e) Изоляторы не являются проводниками электричества. Однако при определенном напряжении, известном как напряжение пробоя, изолятор разрушается и становится проводником. Следовательно, изоляторы рассчитаны на определенное напряжение, которое не должно превышаться.
(f) Изоляция — это оболочка, в которую заключены проводники. Эта изоляция защищает проводку и предотвращает утечку передаваемой электрической энергии в другие материалы, что может привести к повреждению и возникновению опасностей
Существует несколько изоляционных материалов. Наиболее часто используемые из них приведены в таблице ниже вместе с их механическими и электрическими свойствами:
Серии букв обычно используются для обозначения типов изоляции кабелей.
Некоторые из используемых букв:
(i) MI – Минеральная изоляция
(ii) R – Резиновая изоляция
(iii) T – Термопластичная изоляция
(iv) V – Лакированная изоляция
(v) X – Сшитый полимер Изоляция
Эта система обозначений определена NEC — Национальным электротехническим кодексом 9.0005
Наиболее популярными среди вышеперечисленных являются изоляция из термопласта и сшитого полимера
Способность изоляции материала проводника выдерживать условия окружающей среды также может быть использована для классификации кабельной изоляции, например:
H — Термостойкая вверх до 75°C
HH – Термостойкий до 90°C
W – Влагостойкий
UF – Для использования в подземных прокладках
В настоящее время используются популярные типы кабелей, о которых нам следует знать. Некоторые из них приведены в таблице ниже:
В большинстве промышленных сред вы, вероятно, увидите THHN/THWN и XHHW. Они обозначают:
КАБЕЛЬ ОБОЗНАЧЕНИЕ
THHN T — изоляция из термопласта; HH — термостойкость до 90 град.
С; N — неметаллический
кабель с оболочкой
THWN T – изоляция из термопласта; Н — термостойкость до 75 град С; В — Влага
устойчивый ; N — кабель с неметаллической оболочкой
XHHW X — изоляция из сшитого полимера; HH — Термостойкий до 90°C
W — Влагостойкий
Проводники и изоляторы
Проводники и изоляторы
В проводнике электрический ток может течь свободно, в изоляторе — нет. Металлы, такие как медь, являются типичными проводниками, в то время как большинство неметаллических твердых тел считаются хорошими изоляторами, обладающими чрезвычайно высоким сопротивлением потоку заряда через них. «Проводник» подразумевает, что внешние электроны атомов слабо связаны и могут свободно перемещаться через материал. Проще говоря, большинство металлов являются хорошими проводниками электричества, а большинство неметаллов — нет. Металлы также обычно являются хорошими проводниками тепла, а неметаллы — нет.
| Index | ||
| Назад |
Большинство атомов крепко удерживают свои электроны и являются изоляторами. В меди валентные электроны практически свободны и сильно отталкиваются друг от друга. Любое внешнее воздействие, которое перемещает один из них, вызовет отталкивание других электронов, которые распространяются по проводнику «домино». Большинство твердых материалов классифицируются как изоляторы, потому что они оказывают очень большое сопротивление потоку электрического тока.
По сравнению с удельным сопротивлением меди:
| Диэлектрические институты |
Металлы классифицируются как проводники, потому что их внешние электроны не связаны прочно, но в большинстве материалов даже самые внешние электроны связаны настолько прочно, что поток электронов через них практически нулевой при обычном напряжении. Некоторые материалы являются особенно хорошими изоляторами и могут характеризоваться высоким удельным сопротивлением:| Гиперфизика***** Электричество и магнетизм | R Ступица |
Считается, что электрические цепи состоят из локализованных элементов цепи, соединенных проводами, сопротивление которых практически не имеет значения.  |
