/
Text
***
6961
V))¥VX L VW
УЖИФ
* 4))) иш<вм 3i ото< =
vh№o4 vHaodPHv>N3vy vvxavvH
нняпнэд^иШйзуО <1Пн v >я a v V -
]
53(075)
П27
Александр Васильевич Перышкин
Надежда Александровна Родина
ФИЗИКА
учебник для седьмого класса
Редактор А. Ф. Раева
Художественный редактор Л. Ф. Малы-
шева
Обложка художника А. В. Котлярова
Технический редактор Н. Н. Махова
Корректоры Н. И. Котельникова, Т. А.
Кузнецова
Сдано в набор 30/ХП 1968 г. Подписано
к печати 11/IV 1969 г. 60 x 90’/ie- Типо-
графская № 2. Печ. л. 12+вкл. 0,25.
Учетно-изд. 11,33+вкл. 0,54. Тираж 700
тыс. (1 500 001—2 200 000) экз.
Издательство «Просвещение» Комитета
по печати при Совете Министров РСФСР,
Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Типография издательства «Звязда».
Минск, Ленинский проспект, 79.
Калининский полиграфкомбинат детской
литературы Росглавполиграфпрома Ко-
митета по печати при Совете Министров
РСФСР. Калинин, проспект 50-летия
Октября, 46. Заказ № 115.
Цена без переплета 24 к. Переплет 8 к
6-6
ОГЛАВЛЕНИЕ
ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Теплопередача и работа
1. Тепловое движение 5
2. Переход механической
энергии во внутреннюю
энергию.......................6
3. Внутренняя энергия . 8
4. Способы изменения внут-
ренней энергии тела 10
5. Теплопроводность . 12
6. Конвекция .... 15
7. Конвекция в природе . 17
8. Примеры применения кон-
векции в технике . . . 18
9. Излучение................ 19
10. Примеры использования
теплопередачи на практике 21
11. Количество теплоты 23
12. Единицы количества теп-
лоты ..........................25
13. Удельная теплоемкость 26
14. Расчет количества тепло-
ты. затрачиваемого на на-
гревание тела или выделяе-
мого при его охлаждении 27
15. Энергия топлива. Теплота
сгорания топлива ... 30
16. Закон превращения и со-
хранения энергии в меха-
нических и тепловых про-
цессах ........................32
17. Солнце — главный источ-
ник энергии на Земле 34
Изменение агрегатных состояний
вещества
18. Агрегатные состояния ве-
щества ........................35
19. Кристаллические тела 37
20. Аморфные тела ... 38
21. Плавление и отвердевание
кристаллических тел 38
22. График плавления и отвер-
девания кристаллических
тел ... .39
23. Плавление и отвердевание
аморфных тел .... 41
24. Плавление и отвердевание
на основе учения о молеку-
лярном строении вещества 41
25. Удельная теплота плав-
ления .......................42
26. Выделение энергии при от-
вердевании вещества . 44
27. Примеры на расчет коли-
чества теплоты ... 44
28. Литье металлов . 46
29. Сплавы и их применение
в технике....................47
30. Испарение и конденсация . 47
31. Испарение твердых тел . 49
32. Поглощение энергии при
испарении жидкости . 49
33. Конденсация пара . 51
34. Холодильник .... 51
35. Кипение...................52
36. Удельная теплота парооб-
разования и конденсации 54
37. Примеры на расчет коли-
чества теплоты ... 56
Тепловые двигатели
38. Работа газа и пара при
расширении .... 58
39 Двигатель внутреннего сго-
рания ..........................59
40. Паровая турбина ... 61
41. К. п. д. теплового двигателя 63'
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Строение атома
42. Электризация тел при со-
прикосновении ... 65
43. Два рода зарядов. Взаимо-
действие тел, имеющих за-
ряды ..........................66
45. Понятие об электрическом
поле........................... 70
46. Делимость электрического
заряда..........................71
47. Опыт Иоффе и Милликена.
Электрон ... 72
48. Опыт Резерфорда. Ядер-
ная модель атома ... 74
49 Строение атомов ... 77
50. Объяснение электризации
тел . .............78
51. Проводники и непровод-
ники электричества . .80
Сила тока, напряжение,
сопротивление
52. Электрический ток
53. Источники тока
54. Гальванические элементы
и аккумуляторы
55. Электрическая цепь и ее
составные части
56. Электрический ток в ме-
таллах .....................
57. Электрический ток в элек-
тролитах ...................
58. Действия электрического
тока........................
59. Направление электрическо-
го тока.....................
60. Количество электричества
и сила тока . . . .
61. Единицы силы тока и ко-
личества электричества
62. Амперметр. Измерение си-
лы тока.....................
63. Напряжение . . . .
64. Единицы напряжения
65. Вольтметр. Измерение на-
пряжения ...................
66. Зависимость силы тока от
напряжения . . . .
67. Сопротивление проводни-
ков . . ..
68. Почему проводник обла-
дает сопротивлением
69. Единицы сопротивления
70. Закон Ома для участка
цепи........................
71. Расчет сопротивления про-
водника. Удельное сопро-
тивление ...................
72. Формула для расчета со-
противления проводника
73. Примеры на расчет сопро-
тивления проводника, силы
тока и напряжения
74. Реостаты................
75. Последовательное соеди-
нение проводников
76. Параллельное соединение
проводников ....
77 Измерение сопротивления
омметром....................
Работа и мощность
электрического тока
78. Работа электрического тока
79. Мощность электрического
тока........................
80. Выражение работы элек-
трического тока через
мощность ....
81. Примеры па расчет работы
и мощности электрического
тока.........................132
62 82. Нагревание проводников
83 электрическим током . 133
83. Лампа накаливания 135
85 84. Электрические нагрева-
тельные приборы . . 136
87 85. Короткое замыкание. Пре-
дохранители . . 138
88
эд Электромагнитные явления
86. Магнитное поле 139
91 87. Магнитное поле прямого
тока. Силовые линии маг-
93 нитпого поля .... 141
88. Направление тока и на-
94 правление силовых линий
его магнитного поля . 142
96 89. Магнитное поле кругового
тока......................143
98 90. Магнитное поле катушки
99 с током...................144
101 91. Электромагниты 146
92. Электрический телеграф 147
ЮЗ 93. Электромагнитное реле 149
94. Постоянные магниты 150
104 95. Взаимодействие магнитов 151
96. Магнитное поле постоян-
106 ных магнитов . . 152
97. Магнитное поле Земли . 152
108 98. Телефон..................154
109 99. Сила, действующая на про-
водник с током в магнит-
109 ном поле ... .156
100. Вращение рамки с током
в магнитном поле 158
ИЗ 101. Электродвигатель постоян-
ного тока .... 160
115 102. Применение электрических
двигателей ... .162
103. Явление электромагнитной
116 индукции...................163
118 104 Направление индукцион-
ного тока. Правило пра-
120 вой руки...................166
105. Генератор электрического
123 тока.......................167
106. Электрификация СССР , 169
126 107. Явление радиоактивности 172
108. Состав радиоактивного из-
лучения .....................173
109. Понятие об атомной энер-
гии ..........................174
127 Лабораторные работы . 176
Ответы к упражнениям . . 183
129 Задачи для повторения . 184
Ответы к задачам для повто-
рения .... 190
131 Предметно-имеипдй указатель 191
ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
1Н11111111111Н111111111111Н1П11111Ш1ШН11Н11111Ш11Н1111111111111ШН1111Ш11Ш^^
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И РАБОТА
1. ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ
Мы знаем, что тела состоят из молекул. Молеку-
лы находятся в непрерывном движении. Движение
каждой отдельной молекулы — движение механиче-
ское. Можно определить пройденный путь и сред-
нюю скорость движения отдельной молекулы. Мож-
но представить, как опа сталкивается с другими
молекулами тела. На рисунке 1 изображен отрезок
траектории отдельной молекулы газа, увеличенный
в миллионы раз.
Но движение всех вместе взятых молекул — это
очень сложное движение. Вспомним, что в 1 см? газа
содержится примерно 25 000 000 000 000 000 000
(2,5 • 1019) молекул. И каждая молекула движется
Рис. 1.
5
по очень сложной траектории. Трудно даже пред-
ставить себе картину этого общего движения моле-
кул тела. Миллиарды миллиардов маленьких частиц
движутся с большими скоростями в разных направ-
лениях, сталкиваются друг с другом и со стенками
сосуда, отчего меняются их скорости, и снова дви-
жутся до следующего столкновения.
Мы уже знаем, что со скоростью движения мо-
лекул тела связана его температура («Физика»,
6-й класс, § 12). Поэтому беспорядочное движение
молекул, связанное с температурой тела, называют
тепловым движением.
Знания о внутреннем строении вещества, о тепло-
вом движении позволяют объяснить причины тепло-
вых явлений. Эти явления имеют большое значение
в жизни человека. Примерами их являются измене-
ния температуры воздуха в течение суток и года,
таяние льда и замерзание воды, плавление и отвер-
девание металлов, испарение воды и выпадение
росы (см. цветную вклейку).
1. Что мы знаем о движении одной молекулы тела? 2. Почему
общее движение молекул тела является очень сложным?
3. Почему беспорядочное движение молекул называют тепло-
вым движением? 4. Приведите примеры тепловых явлений.
2. ПЕРЕХОД МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ВО ВНУТРЕННЮЮ ЭНЕРГИЮ
В физике изучают механические, тепловые, све-
товые, электрические и другие явления. Мы уже
ознакомились с некоторыми механическими явле-
ниями. Мы знаем, что существует два вида механи-
ческой энергии: потенциальная и кинетическая.
Потенциальной энергией обладают тела, которые
взаимодействуют друг с другом — притягиваются
или отталкиваются. Например, потенциальной энер-
гией обладает камень, поднятый над Землей, сжатая
или растянутая пружина, сжатый газ.
Кинетической энергией обладают движущиеся
тела: текущая вода, ветер, катящийся мяч, летящая
пуля. Величина кинетической энергии зависит от
массы движущегося тела и от его скорости.
Потенциальная и кинетическая энергия — это два
вида механической энергии тела, они могут превра-
щаться друг в друга. Примеры такого превращения
энергии были рассмотрены в учебнике 6-го класса
(«Физика», 6-й класс, § 111).
%
Рассмотрим еще пример превращения энергии.
Свинцовый шар бросают вверх так, чтобы при
обратном движении вниз он ударился о свинцовую
плитку. Подбрасывая вверх шар, мы сообщаем ему
кинетическую энергию. Пока шар летит вверх
(рис. 2), его скорость, а следовательно, и кинетиче-
ская энергия уменьшается. Зато постепенно возра-
стает потенциальная энергия: ведь шар поднимается
все выше и выше. В самой верхней точке пути шар
на мгновение останавливается и его кинетическая
энергия обращается в нуль. Потенциальная же энер-
гия в этой точке становится наибольшей. После это-
го шар падает вниз. Скорость его увеличивается,
а высота подъема уменьшается. Следовательно, его
кинетическая энергия возрастает, а потенциальная
энергия уменьшается. После того как шар ударится
о свинцовую плитку (рис. 3), он остановится. И кине-
тическая, и потенциальная энергия его относительно
плиты будут равны нулю.
Означает ли это, что механическая энергия, кото-
рой обладал до этого шар, бесследно исчезла? Нет,
не означает. Механическая энергия превратилась
в другую форму. Что же представляет собой эта дру-
гая форма энергии?
Рассматривая шар и плиту после удара, мы заме-
тим, что шар немного сплющился, а на плите обра-
зовалась небольшая вмятина, т. е. шар и плита при
ударе деформировались.
Измерив сразу же после удара температуру шара
и плиты (а это можно сделать), мы обнаружим, что
они нагрелись.
Таким образом, в результате удара шара о плиту
изменилось состояние этих тел — они деформирова-
лись и нагрелись. Но если изменилось состояние тел.
то изменилась и энергия частиц, из которых состоя i
тела.
Рис. 2.
Рис. 3.
Действительно, мы уже знаем, что при нагрева-
нии тела увеличивается средняя скорость движения
молекул, а следовательно, увеличивается их средняя
кинетическая энергия. Молекулы обладают также
и потенциальной энергией: ведь они взаимодейст-
вуют друг с другом — притягиваются, а при очень
тесном сближении отталкиваются. При деформации
же тела изменяется взаимное расположение его мо-
лекул, поэтому изменяется и их потенциальная
энергия.
Энергию движения и взаимодействия частиц, из
которых состоит тело, называют внутренней энер-
гией тела.
К внутренней энергии относят также и ту энер-
гию, которую называют атомной энергией.
При изучении тепловых явлений учитывают толь-
ко энергию молекул, потому что она главным обра-
зом изменяется в этих явлениях. Поэтому в дальней-
шем, говоря о внутренней энергии тела, мы будем
понимать под ней кинетическую и потенциальную
энергию молекул тела.
Вернемся теперь к нашему опыту со свинцовым
шаром и плитой. На основании этого опыта можно
сделать следующий вывод. При остановке тела меха-
ническое движение прекращается, но зато усили-
вается беспорядочное (тепловое) движение его моле-
кул. Механическая энергия превращается во вну-
треннюю энергию тела.
1. Какие превращения энергии происходят при подъеме шара,
брошенного вверх, и при его падении? 2. Как изменяется
состояние свинцового шара и свинцовой плиты в результате
их соударения? 3. В какую энергию превращается механиче-
ская энергия шара при ударе его о плиту? 4. Какую энергию
называют внутренней энергией тела?
3. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Кинетическая и потенциальная энергия всех мо-
лекул данного тела, как было сказано в предыдущем
параграфе, составляет внутреннюю энергию этого
тела.
Нетрудно заключить, что кинетическая энергия
молекул, а также потенциальная их энергия не зави-
сит от того, движется ли само тело или покоится.
Так, например, кинетическая и потенциальная
энергия молекул свинцового шара (§ 2) не зависит
от того, лежит ли шар на плите, приподнят ли он над
пей пли движется относительно нее.
Таким образом, энергия молекул тела не зависит
ни от движения тела, ни от положения этого тела от-
носительно других тел Имея всегда какой-то запас
внутренней энергии, тело одновременно может обла-
дать механической энергией. Например, летящий на
некоторой высоте над землей самолет, кроме вну-
тренней энергии, обладает еще механической энер-
гией — потенциальной и кинетической.
Кинетическая и потенциальная энергия одной мо-
лекулы— это очень маленькая величина, так как
масса молекулы мала. Но молекул в теле множество,
поэтому внутренняя энергия тела, равная сумме
энергий всех молекул, достаточно велика.
Так, кинетическая энергия одной молекулы
водорода при комнатной температуре равна
0,000 000 000 000 000 000 005 дж (5-10~21 дж}. Рас-
четы показывают, что сумма кинетических энергий
всех молекул водорода, содержащихся в I мл его
при тех же условиях, равна 140 000 дж,— это уже
значительная величина.
Приведем такое сравнение. Если поднять на вы-
соту 3 м громадный ковочный молот массой 5 т, то
его потенциальная энергия будет составлять тоже
около 140 000 дж. Но потенциальную энергию моло-
та легче использовать, чем внутреннюю энергию 1 м1 2 3
водорода. Достаточно отпустить молот, и, падая на
деталь, он совершит полезную работу: его потен-
циальная энергия будет использована.
Но не так просто и не всегда возможно использо-
вать внутреннюю энергию тел. Способам ее исполь-
зования уделяют большое внимание в науке. Успехи
техники связаны с тем, насколько человечество на-
училось «извлекать» внутреннюю энергию тел. Отсю-
да видно, что ее значение очень велико.
( Внутренняя энергия тела не является какой-то
постоянной величиной: у одного и того же тела она
может изменяться. При повышении температуры
тела внутренняя энергия тела увеличивается, так как
увеличивается средняя скорость, а значит, и кинети-
ческая энергия молекул этого тела. С пониже-
нием же температуры, наоборот, внутренняя энергия
тела уменьшается.
Внутренняя энергия меняется при переходе тела
из одного состояния в другое, а также при деформа-
ции тела, при раздроблении его на мелкие части, так
как во всех этих случаях меняется взаимное распо-
ложение частиц, а значит, и их потенциальная
энергия. Например, внутренняя энергия водяного
пара значительно больше внутренней энергии такого
же количества воды. Ведь при переходе воды из
жидкого состояния в пар промежутки между моле-
кулами увеличиваются, поэтому увеличивается по-
тенциальная энергия отдельных молекул.
Можно сказать, что внутренняя энергия тела за-
висит от состояния этого тела. С изменением состоя-
ния тела меняется и его внутренняя энергия.
1. Зависит ди внутренняя энергия тела от того, обладает
само тело кинетической и потенциальной энергией или нет?
2. Какую энергию легче использовать: механическую или
внутреннюю? 3. Почему внутренняя энергия тела увеличива-
ется при повышении температуры тела? 4. Как и почему меня-
ется внутренняя энергия тела при деформации тела и пере-
ходе его в другое состояние? 9
4. СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ТЕЛА
Ю Рас. .5.
I. Внутренняя энергия тела изменяется при изме-
нении скорости движения его молекул. Какими же
способами можно увеличить или уменьшить эту ско-
рость? Обратимся к опыту.
На подставке (рис. 4) укреплена тонкостенная
латунная трубка, в которую налито немного эфира,
трубка плотно закрыта пробкой. Трубку обвивают
веревкой и быстро двигают веревку то в одну, то
в другую сторону. Через некоторое время эфир заки-
пит и его пар вытолкнет пробку. Этот опыт показы-
вает, что внутренняя энергия эфира увеличилась:
ведь он нагрелся и даже закипел. Это увеличение
внутренней энергии произошло в результате работы,
совершенной при натирании веревкой трубки.
Тела нагреваются также при ударах, разгибании
и сгибании, вообще при деформации. Во всех этих
случаях за счет совершенной работы увеличивается
внутренняя энергия тел.
Итак, внутреннюю энергию тела можно увеличить
путем совершения работы, над телом.
Если же работу совершает само тело, то внутрен-
няя энергия его при этом уменьшается. Это можно
наблюдать на следующем опыте.
Берут толстостенный стеклянный сосуд, закрытый
пробкой. Через специальное отверстие в сосуд нака-
чивают воздух. Через некоторое время пробка вы-
скакивает из сосуда (рис. 5). В тот момент, когда
пробка выскочит, в сосуде появится туман. Его появ-
ление означает, что воздух в сосуде стал холоднее
(вспомните, что и на улице туман появляется во вре-
мя похолодания).
Находящийся в сосуде сжатый воздух, выталки-
вая пробку, совершает работу. Эту работу он совер-
шает за счет своей внутренней энергии, которая при
этом уменьшается, об ее уменьшении мы судим по
охлаждению воздуха в сосуде.
2. Известно, однако, что внутреннюю энергию
тела можно изменить и другим способом, без совер-
шения работы. Без совершения работы нагреваются
чайник с водой, стоящий на плите, металлическая
ложка, опущенная в стакан с горячим чаем, печь,
в которой разведен огонь, крыша дома, освещаемая
лучами солнца, и т. п. Во всех этих случаях тоже по-
вышается температура тел, а.значит, увеличивается
и их внутренняя энергия. Как объяснить ее увели-
чение?
Как, например, нагревается холодная металличе-
ская ложка, опущенная в горячий чай? Скорости
теплового движения частиц горячей воды больше
скоростей частиц холодного металла. В тех местах,
где ложка соприкасается с водой, частицы горячей
воды передают часть своей кинетической энергии
частицам холодного металла. Поэтому энергия ча-
стиц воды в среднем уменьшается, а энергия частиц
металла увеличивается: температура воды умень-
шается, а температура ложки увеличивается — тем-
пературы их постепенно выравниваются. С уменьше-
нием кинетической энергии молекул воды уменьша-
ется и внутренняя энергия всей воды, находящейся
в стакане, а внутренняя энергия ложки увеличива-
ется.
Ту часть внутренней энергии, Которая перешла от
воды к ложке, называют количеством тепло-
ты. Для нее применяют также названия: «теплота»
или «тепло». Поэтому и тот способ изменения вну-
тренней энергии, при котором над телом не совер-
шается работа, а энергия передается от одних ча-
стиц к другим, называют передачей теплоты
или теплопередачей.
Итак, внутреннюю энергию тела можно изме-
нить двумя способами: совершением механической
работы или теплопередачей.
Когда тело уже нагрето, мы не можем указать,
каким из двух способов это было сделано. Так, дер-
жа в руках нагретую стальную спицу, мы не можем
сказать, каким способом ее нагрели — натирая ее
или помещая в пламя.
1. Приведите примеры, показывающие, что внутренняя энер-
гия тела увеличивается при совершении над телом работы.
2. Опишите опыт, показывающий, что за счет своей внутрен-
ней энергии тело может совершить работу. 3. Приведите
примеры увеличения внутренней энергии тела способом тепло-
передачи. 4. Объясните с точки зрения молекулярного строе-
ния вещества теплопередачу. 5. Какими двумя способами
можно изменить внутреннюю энергию тела?
11
Задание Положите пятикопеечную монету на лист фанеры или де-
ревянную доску. Прижмите монету к доске и двигайте ее бы-
стро то в одну, то в другую сторону. Заметьте, сколько раз
надо передвинуть монету, чтобы она стала теплой, горячей.
Сделайте вывод о связи между проделанной работой и увели-
чением внутренней энергии тела.
5. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
Внутренняя энергия, как и всякий другой вид
энергии, может передаваться от одного тела к дру-
гому. Мы уже рассмотрели один из примеров такой
передачи — передачу энергии от горячей воды к хо-
лодной ложке.
Можно привести и другие примеры передачи
теплоты от одного тела к другому или от одной ча-
сти тела к другой. Теплота передается от печи или от
труб водяного отопления воздуху комнаты. Внутрен-
няя энергия Солнца, находящегося от Земли на рас-
стоянии 150 000 000 км, передается Земле. Когда мы
помещаем конец железного прута в пламя костра, то
внутренняя энергия пламени передается по пруту
к руке.
В перечисленных примерах энергия сама пере-
дается от горячих тел к холодным. Чтобы, наобо-
рот, холодное тело передало часть своей внутренней
энергии более нагретому телу, необходимо совер-
шить работу. Например, в холодильнике теплоту от-
нимают от находящихся в нем тел и передают окру-
жающему их более теплому воздуху, используя для
этого работу электрического тока.
Рассмотрим вид теплопередачи, который назы-
вают теплопроводностью.
Теплопроводность можно наблюдать па сле-
дующем опыте. Закрепляют один конец толстой мед-
ной проволоки в штативе, а к проволоке прикре-
пляют воском несколько гвоздиков (рис. 6). При на-
гревании свободного конца проволоки в пламени
спиртовки воск будет плавиться, и гвоздики будут
постепенно отпадать от проволоки. Сначала отпадут
те, которые расположены ближе к свободному концу
проволоки, затем по очереди все остальные.
Как происходит передача тепла по проволоке?
Сначала горячее пламя вызывает усиление тепло-
вого движения частиц металла в одном конце про-
волоки и температура его повышается. Затем дви-
жение передается соседним частицам и скорость их
движения также увеличивается, т. е. повышается
температура следующей части проволоки. Затем уве-
личивается скорость колебания следующих частиц
и т. д. При этом очень важно заметить, что при теп-
лопроводности само вещество не перемещается от
одного конца тела к другому.
Различные вещества имеют разную теплопровод-
ность.
В этом можно убедиться на опыте, в котором теп-
ло передается по стержням из разных металлов
(рис. 7).
И из нашего жизненного опыта мы знаем, что
одни вещества имеют лучшую теплопроводность,
чем другие. Железный гвоздь нельзя долго Нагре-
вать, держа в руке, а горящую спичку можно дер-
жать до тех пор, пока пламя не коснется руки.
Различной теплопроводностью веществ объяс-
няется и такое всем известное явление: металличе-
ские тела кажутся нам на ощупь холоднее, чем дере-
во, пластмасса, бумага и т п. Возьмите в руки де-
ревянный карандаш и стальные ножницы. Ножницы
кажутся холоднее, чем карандаш, хотя на самом
деле температура этих тел одинакова: ведь они ле-
13
Упр. 1
Жат рядом, в одной комнате. Но сталь кажется хо-
лоднее дерева потому, что она быстрее отводит тепло
от нашей руки, так как ее теплопроводность лучше,
чем теплопроводность дерева. Эта кажущаяся разни-
ца возникает только в том случае, когда температура
воздуха в комнате, а следовательно, и карандаша
и ножниц ниже температуры руки.
Хорошие проводники тепла — металлы, из них
лучшие — серебро и медь. Дерево, стекло, кожа про-
водят тепло плохо. Плохо проводят тепло также
шерсть, волосы, перья птиц, бумага, картон, асбест,
пробка и другие пористые тела.
У жидкостей, за исключением расплавленных ме-
таллов, например ртути, плохая теплопроводность.
У газов, теплопроводность еще хуже. Ведь молекулы
их расположены далеко друг от друга и передача
движения от одной молекулы к другой затруднена.
Шерсть, вата, пух и мех — плохие проводники
тепла, потому что они между своими волокнами со-
держат воздух. Самым плохим проводником тепла
является вакуум (пустота) —-освобожденное от воз-
духа и других газов пространство. Объясняется это
тем, что теплопроводность, т. е. перенос тепла от од-
ной части тела к другой, осуществляют молекулы
или другие частицы, следовательно, в пространстве,
где нет частиц, теплопроводность осуществляться не
может.
Плохие проводники тепла применяют для сохра-
нения тепла. Например, кирпичные стены - плохие
проводники тепла — помогают сохранять тепло в по-
мещении. При помощи плохих проводников тепла
можно предохранить тела и от нагревания. Напри-
мер, лед в погребе сохраняют, обкладывая погреб
соломой, опилками и землей — плохими проводни-
ками тепла.
1. На каком опыте можно наблюдать передачу тепла твердым
телом? 2. Как происходит передача тепла по металлической
проволоке? 3. Почему металл кажется на ощупь холоднее
дерева? 4. Какие плохие проводники тепла вы знаете? Где их
применяют?
1. Почему глубокий рыхлый снег предохраняет озимые хлеба
от вымерзания?
2. Объясните, почему солома, сено, сухие листья плохо прово-
дят тепло.
3. Подсчитано, что теплопроводность сосновых досок ь 3,7 ра-
за больше, чем сосновых опилок, теплопроводность льда в
21,5 раза больше, чем свежевыпавшего снега (снег состоит
из мелких кристалликов льда). Чем объяснить такую раз-
ницу?
4. Почему выражение «шуба греет» неверно?
6. КОНВЕКЦИЯ
Жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чай-
ник с водой ставят на огонь, батареи отопления, от
которых нагревается воздух в комнате, помещают
под окнами около пола. Случайно ли это?
Поместив руку над горячей плитой или над горя-
щей лампой, мы заметим, что от плиты или лампы
вверх поднимаются теплые струи воздуха. Эти струи
заставляют вращаться небольшую бумажную вер-
тушку, помещенную над лампой (рис. 8). Теплый
воздух перемещается вверх.
Такой вид передачи тепла называют конвек-
цией1.
При конвекции тепло переносится самими стру-
ями газа или жидкости. Воздух, который соприка-
сается с плитой или лампой, нагревается от ее по-
верхности и расширяется. Плотность расширившего-
ся воздуха меньше, чем плотность холодного, и по-
этому слой теплого воздуха всплывает в холодном
воздухе. Ведь архимедова сила, действующая на
него снизу вверх, больше, чем сила тяжести, направ-
ленная вниз. Место теплого воздуха над плитой за-
нимает холодный воздух, он также прогревается
и начинает двигаться вверх и т. д.
Такие же явления наблюдают и при нагревании
жидкости.
Ставят на огонь стеклянную колбу с водой. Для
того чтобы заметить, будут ли перемещаться слои
воды при нагревании, опускают на дно колбы кри-
сталлик красящего вещества, например марганцово-
Рис. 8.
Рис. 10.
1 Конвекция — от латинского слова «конвекцио», что
значит «перенесение».
Рис. 11.
1— пар; 2 — вода;
3- лед.
Рас. 12.
кислого калия. Замечают, как нагретые нижние слои
воды выталкиваются холодной водой и поднимаются
вверх (рис. 9). Вода начнет перемещаться по
замкнутым линиям — циркулировать. Благодаря
циркуляции вся вода равномерно прогревается.
Здесь, как и в газе, тепло переносится с одного ме-
ста на другое с. потоками вещества — воды.
Конвекция происходит в наших жилых комнатах
(рис. 10), благодаря чему нагревается воздух в них.
Мы рассмотрели конвекцию, которая является
естественной или свободной. Если же неравномерно
нагретую жидкость (или газ) перемешивать насосом
или мешалкой, то произойдет вынужденная кон-
векция.
Теперь можно ответить на вопрос, поставленный
в начале этого-параграфа: почему жидкости и газы
нагревают, как правило, снизу? Попробуем прогреть
воду, налитую в пробирку, так, как показано на ри-
сунке 11. Верхний слой воды закипит, а нижние слои
останутся холодными. (Если на дно пробирки поме-
стить кусочки льда, они даже нс растают.) Почему?
При таком способе нагревания не может происхо-
дить конвекция, ведь нагретые слои воды не могут
опуститься ниже холодных, более тяжелых слоев.
Может быть, вода прогреется благодаря теплопро-
водности? Но, как видно из этого опыта, теплопро-
водность воды очень мала, и пришлось бы очень дол-
го ждать, пока вода прогреется. Точно так же можно
объяснить, почему не прогревается воздух в пробир-
ке, если его нагревать сверху (рис. 12).
В твердых веществах, rhe свобода движения мо-
лекул ограничена, конвекция происходить не может.
Вспомним, что каждая частица кристаллического
твердого вещества лишь колеблется около одной точ-
ки, удерживаемая сильным взаимным притяжением
с другими частицами, поэтому при нагревании твер-
дого тела в нем не могут образовываться потоки ве-
щества. Повседневный опыт подтверждает это.
В твердых телах, как мы теперь знаем, теплота пере-
дается теплопроводностью.
1. Опишите опыт, показывающий, что воздух над нагретой
лампой перемещается. 2. Объясните, как и почему происходит
перемещение воздуха над нагретой лампой. 3. Опишите, как
происходит нагревание воды в колбе поставленной на огонь
4. В чем состоит явление конвекции? 5. Чем отличается естест-
венная конвекция от вынужденной? 6. Почему жидкости и газы
обычно нагревают снизу? 7. Почему конвекция невозможна в
твердых телах?
16
7. КОНВЕКЦИЯ В ПРИРОДЕ
Все ветры в атмосфере представляют собой кон-
векционные потоки огромного масштаба — один этот
пример показывает, какое большое значение имеет
конвекция для человека.
Одной из причин образования пассатов — ветров,
дующих от субтропических областей к экватору,—
является неравномерное нагревание земной поверх-
ности Солнцем. Средняя годовая температура на
экваторе Земли на 50° С выше, чем на полюсах ее.
В экваториальной зоне Земли нагретый воздух под-
нимается вверх. На его место с севера и юга прите-
кает холодный воздух. Его движение и есть пассат.
Потоки холодного воздуха вследствие вращения
Земли движутся нс вдоль меридиана, а отклоняются,
поэтому в северном полушарии пассаты имеют севе-
ро-восточное направление, а в южном — юго-во-
сточное.
Ветры вызывают та^же образование океаниче-
ских течений. Постоянно дующий в одном направле-
нии ветер приводит в движение верхние слои воды,
и они перемещаются в сторону ветра. Теплые и хо-
лодные океанические течения, вызванные ветрами,
могут служить примером вынужденной конвекции.
Ветры и океанические течения влияют и на измене-
ние погоды, и на климат, имеющий важное значение
в жизни человека.
Конвекцией объясняются и ветры меньшего
масштаба — бризы, возникающие на берегах морей.
В летние дни суша больше нагревается от лучей
солнца, чем вода. Воздух над сушей также нагрева-
ется и выталкивается вверх. На его место с моря
перемещается холодный воздух — дует ветер. Это и
есть бриз. Ночью вода охлаждается медленнее, чем
суша, и над сушей воздух становится более холод-
ным, чем над.водой. Образуется ночной бриз — дви-
жение холодного воздуха от суши к морю.
Иля
дополнительного
чтения
2 Физика 7 кл.
Для
дополнительного
чтения
8. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОНВЕКЦИИ В ТЕХНИКЕ
1. Тяга. Мы знаем, что без притока свежего
воздуха горение топлива невозможно. Если в топку
паровоза, в печь, в трубу самовара не будет посту-
пать воздух, то горение топлива прекратится. Обыч-
но используют естественный приток воздуха — тягу.
Для создания тяги над топкой, например, в котель-
ных установках фабрик, заводов, электростанций
помещают трубу (рис. 13). При горении топлива
воздух над ним нагревается. Как мы уже знаем, от
этого его плотность уменьшается. Значит, и вес и
весовое давление воздуха, находящегося в топке
и трубе, становится меньше давления наружного
воздуха. Вследствие разницы давлений холодный
воздух поступает в топку, а теплый воздух подни-
мается вверх—образуется тяга. На рисунке 14
изображена установка опыта, поясняющего образо-
вание тяги.
Чем выше труба, сооруженная над топкой, тем
больше разница давлений наружного воздуха и воз-
духа в трубе. Поэтому тяга усиливается при увеличе-
нии высоты трубы.
2. Центральное водяное отопление. Во многих
современных больших зданиях устраивают водяное
отопление.
В подвальном этаже здания устанавливают ко-
тел / (рис. 15), в нем нагревается вода. От верхней
части котла главная широкая труба 2 идет на чер-
дак, где она соединяется с'расширительным баком 3.
Расширительным он называется потому, что в него
поступает избыточный объем воды, образующийся
при расширении ее от нагревания. От расширитель-
ного бака по чердаку проводят систему распредели-
тельных труб 4, от которых отходят вниз вертикаль-
ные трубы 5, проходящие через комнаты здания. Из
этих труб вода поступает в отопительные батареи 6,
составленные из чугунных труб и устанавливаемые
обычно под окнами.
Пройдя через батареи, вода затем поступает
в нижние отводные трубы 7, расположенные в под-
вале. Эти трубы соединяются в одну, входящую в ко-
тел снизу. Всю систему труб и котел заполняют
водой.
Горячая вода нагревает трубы батарей, отдавая
им часть своего тепла. От труб тепло передается воз-
духу комнаты. Сама вода становится холоднее и по
системе нижних отводных труб поступает в котел,
где снова нагревается, поднимается на чердак, опять
18
попадает в батареи, снова отдает им тепло и т. д.
Такое движение воды в системе центрального ото-
пления и, следовательно, перенос тепла от котла
к батареям происходит все время, пока нагревается
котел.
В больших зданиях создают искусственную (при-
нудительную) циркуляцию воды при помощи насоса,
который непрерывно гонит воду в нужном направ-
лении.
Из наших жилых помещений даже при хорошей
теплоизоляции теплота непрерывно передается нару-
жу. Поэтому зимой приходится непрерывно обогре-
вать помещение, чтобы поддерживать в нем посто-
янную температуру.
1. Почему подвал — самое холодное место в доме?
2. Почему форточки для проветривания комнат помещают
в верхней части окна?
3. Для чего делают высокими заводские трубы?
Рис. 14.
Упр. 2
9. ИЗЛУЧЕНИЕ
Каким образом передается к нам тепло от
Солнца? Ведь Земля находится на расстоянии
150 000 000 км от Солнца, и все это пространство за
пределами нашей атмосферы не содержит вещества,
там почти полный вакуум. В вакууме не может осу-
ществляться передача тепла конвекцией или теп-
лопроводностью. Следовательно, существует еще
один вид передачи тепла.
Познакомиться с этим видом передачи тепла
можно на опытах. Берут небольшую, закопченную
с одного бока колбу (рис. 16), через пробку в нее
вставляют изогнутую под прямым углом стеклянную
трубку с узким каналом. Вводят в эту трубку немно-
Рис. If
го подкрашенной жидкости. Укрепив на трубке шка-
лу, получают прибор термоскоп, который позволяет
обнаружить даже незначительное нагревание возду-
ха в закопченной колбе.
Подносят к термоскопу сбоку на расстоянии 1 м
нагретый до высокой температуры кусок чугуна или
другого металла, замечают, что столбик жидкости
в термоскопе переместится вправо. Очевидно, воздух
в колбе нагрелся и расширился. Быстрое нагревание
воздуха в термоскопе можно объяснить лишь пере-
дачей значительного количества тепла от нагретого
чугуна термоскопу.
Тепло передалось не конвекцией и не теплопро-
водностью. Ведь между нагретым чугуном и термо-
скопом находится воздух — плохой проводник тепла.
А о конвекции можно было бы говорить лишь в том
случае, если бы термоскоп находился над нагретым
телом. Следовательно, тепло передавалось от нагре-
тою тела (чугуна) к термоскопу новым, еще неиз-
вестным нам видом теплопередачи.
В этом опыте полученное колбой тепло было пе-
редано невидимыми лучами, исходящими от нагре-
того тела Подтвердить этот вывод можно простым
опытом. Помещают между чугуном и термоскопом
лист белой бумаги. Нагревание термоскопа прекра-
щается, лучи не проходят сквозь бумагу.
Все нагретые тела передают тепло другим телам
путем излучения — испускания лучей. Передача
тепла лучами от личается от других видов теплопере-
дачи тем, что она может осуществляться в полном
вакууме, без присутствия молекул какого-нибудь ве-
щества.
Испускают невидимые, лучи все тела, и сильно
и слабо нагретые: тело человека, печь, электрическая
лампочка.
Но чем выше температура тела, тем больше энер-
гии теряет оно путем излучения.
Тела, нагретые до очень высоких температур,
например Солнце, нить накала электрической лампы,
испускают, кроме невидимых, еще и видимые лучи —
свет.
Невидимые и видимые лучи, падая на тела, ча-
стично поглощаются этими телами и нагревают их.
При этом тела нагреваются по-разному, в зависимо-
сти от состояния поверхности.
20
Если в опыте с термоскопом повернуть колбу
к нагретому телу сначала законченной, а затем неза-
конченной стороной, то столбик жидкости з трубке
будет перемещаться в первом случае на большее
расстояние, чем во втором. Это показывает, что тела
с темной поверхностью лучше поглощают лучн и
больше нагреваются,
В то же время тела с темной поверхностью
больше, охлаждаются путем лучеиспускания, чем
тела со светлой поверхностью. Например, в светлом
чайнике горячая вода дольше не остывает, чем в
темном
Способность тел по-разному поглощать лучи
используется человеком. Например, поверхность воз-
душных шаров, дирижаблей, крылья самолетов кра
сят серебристой краской, чтобы они не нагревались
от солнечных лучей. Если же нужно, наоборот,
использовать солнечную энергию, например для
нагревания частей некоторых приборов, установлен-
ных на искусственных спутниках Земли, то эти части
окрашивают в темный цвет.
1. Почему можно утверждать, что от Солнца к Земле энер-
гия не может передаваться конвекцией и теплопроводностью?
2. Как устроен термоскоп? 3. Как на опыте показать передачу
тепла лучами? 4. Какие тела лучше и какие хуже поглотают
лучи? 5. Как учитывается человеком различная способность
тел поглощать лучи?
1. Летом воздух в здании нагревается, получая тепло различ-
ными способами через стены, через открытое окно, в ко-
торое входит теплый воздух, через стекло которое пропу-
скает лучи солнца, С каким видом теплопередачи мы имеем
дело в каждом случае?
2. Стоя около костра или открытой печи, мы чувствуем, как
нагревается наше тело. Каким способом передается к нам
теплота от костра? Ответ обоснуйте.
3. Приведите примеры, показывающие, что тела с темной по-
верхностью больше нагреваются лучами, чем тела со свет-
лой поверхностью
10. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
НА ПРАКТИКЕ
1. Передача теплоты и растительный мир. Тем
пература нижнего слоя воздуха и поверхностного
слоя почвы имеет большое значение для развития
растений.
В прилегающем к Земле слое воздуха и верхнем
слое почвы происходит непрерывное изменение тем-
?
Упр. 3
Для
дополнительного
чтения
21
Рис. 17.
Рис. 18.
Термос: 1—колпа-
чок; 2 — пробка;
3 — жидкость;
4 — футляр;
5 — стеклянный
сосуд.
пературы. Днем почва поглощает больше тепла и на-
гревается, ночью, наоборот, она охлаждается. На
нагревание и охлаждение ее влияет присутствие
растительности. Так, темная вспаханная почва силь-
нее нагревается лучами, но быстрее и охлаждается,
чем почва, покрытая растительностью.
На теплообмен между почвой и воздухом влияет
также погода. В ясные, безоблачные ночи почва
сильно охлаждается — излучение от почвы беспре-
пятственно уходит в пространство. В такие ночи
ранней весной возможны заморозки на почве. Если
же погода облачная, то облака закрывают Землю
и играют роль своеобразных экранов, защищающих
почву от потери тепла путем излучения.
Одним из средств повышения температуры участ-
ка почвы и припочвенного воздуха служат парники,
которые позволяют полнее использовать излучение
Солнца. Участок почвы, обычно несколько углублен-
ный, покрывают стеклянными рамами. Стекло хоро-
шо пропускает видимые солнечные лучи, которые,
попадая на темную почву, нагревают ее. Но стекло
препятствует остыванию приземного воздуха, потому
что плохо пропускает невидимые тепловые лучи,
испускаемые поверхностью Земли. Таким образом,
стекла парников действуют как «ловушка» тепла.
Внутри парников температура выше, чем на незащи-
щенном грунте, примерно на 10° С.
2. Термос. Передача тепла от более нагретого
тела к более холодному приводит к выравниванию
их температуры. Поэтому если в комнату внести,
например, горячий чайник, то он остынет. Часть его
внутренней энергии перейдет к окружающим телам.
Чтобы помешать телу остывать или нагреваться,
нужно уменьшить теплопередачу. При этом стремят-
ся сделать так, чтобы тепло не передавалось ни од-
ним из трех видов теплопередачи: конвекцией, тепло-
проводностью и излучением.
Чтобы сохранить горячей воду или пищу, предо-
хранить лед или мороженое от таяния, пользуются
термосом (рис. 17).
На рисунке 18 показано устройство термоса для
жидкостей. Он состоит из стеклянного сосуда с двой-
ными стенками. Внутренняя поверхность стенок по-
крыта блестящим металлическим слоем, а из прост-
ранства между стенками сосуда выкачан воздух.
Лишенное воздуха пространство между стенками
почти совершенно не проводит тепло, а блестящий
слой, отражая лучи, препятствует передаче тепла
лучами. Чтобы защитить стекло от повреждений,
22
термос помещают в картонный или металлический
футляр. Сосуд закупоривают обыкновенной пробкой,
а сверху футляра навинчивают колпачок.
1. При полете космического корабля-спутника его обшивка на-
гревается от трения о воздух, а также солнечными лучами.
Какая из причин нагревания приобретает большее значение
при увеличении высоты полета, при уменьшении высоты?
Ответ обоснуйте.
2. Один из способов поддержания определенной температуры
в космическом корабле или спутнике заключается в том,
что оболочку спутника делают двойной и ее внутреннюю
полость заполняют газом (например, азотом). Этот газ при
помощи вентилятора заставляют двигаться около тепловыде-
ляющих приборов и переносить тепло к оболочке. Почему
приходится пользоваться вынужденной, а не свободной кон-
векцией?
Упр. 4
11. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ
В предыдущих параграфах мы рассмотрели виды
теплопередачи.
Вернемся теперь к вопросу об использовании
внутренней энергии.
Выясним, как подсчитать, насколько изменилась
в том или другом случае внутренняя энергия тела.
Начнем со случая теплопередачи. При теплопере-
даче механическая работа не производится, а про-
исходит передача внутренней энергии от одних тел
к другим путем конвекции, теплопроводности или
излучения.
Количество внутренней энергии, которое тело
получает или теряет при теплопередаче, называют
количеством теплоты.
Название «количество теплоты» принято относить
к изменению внутренней энергии только путем теп-
лопередачи. Это название не применяют к измене-
нию внутренней энергии, полученному при соверше-
нии над телом работы.
Итак, определение величины изменения внутрен-
ней энергии тела путем теплопередачи сводится
к определению количества теплоты.
Чтобы научиться вычислять количество теплоты,
выясним, от чего оно зависит.
1. Если мы хотим подогреть воду в чайнике так,
чтобы она стала лишь теплой, то мы недолго долж-
ны нагревать ее, а для того чтобы вода стала горя-
чей, нужно нагревать ее дольше, передать ей боль-
шее количество теплоты. Следовательно, чем на
большее число градусов мы нагреваем воду, тем
23
большее количество теплоты надо передать ей.
Конечно, и при остывании вода отдаст окружающим
се челам тем большее количество теплоты, чем на
большее число градусов она охладится.
Но знать, на сколько градусов повысилась или
понизилась температура, недостаточно, чтобы судить
о количестве теплоты, полученном телом при нагре-
вании или отданном при охлаждении. В самом деле,
раскаленный утюг, до которого нельзя дотронуться,
холодную комнату не согреет, тогда как теплая печь
или батареи водяного отопления, температура кото-
рых около 60° С, могут очень хорошо нагреть ком-
нату.
2. Всем нам приходилось нагревать воду, и мы
знаем, что, чем больше масса воды, тем больше теп-
ла нужно затратить на ее нагревание. Полный чай-
ник воды потребует для своего нагревания больше
тепла, чем чайник, налитый наполовину.
Поставим на одну плиту две кружки с водой.
В одну кружку нальем 200 г, а в другую 400 г воды.
В первой кружке, где находится 200 г воды вода
нагреется до кипения раньше, чем во второй. Сни-
мем ее с плиты и будем наблюдать за второй круж-
кой. Понадобится передать ей еще некоторое коли-
чество теплоты, прежде чем в ней вода нагреется до
кипения. Следовательно, количество теплоты, израс-
ходованное на нагревание тела, зависит от массы
этого тела.
При остывании тела окружающим телам пере-
дается также тем больше тепла, чем больше масса
остывающего тела. Так, чем больше масса кирпич-
ной печи, тем больше тепла отдает она комнате. Чем
больше секций содержит батарея отопления, Tef
лучше она нагревает комнату.
3. Будем нагревать на двух одинаковых горелк;
два сосуда, содержащие: первый — 400 г воды, вт
24
Рис. J9.
рой — 200 г воды и чугунную гирю массой 200 г.
Таким образом, и в том и в другом сосуде находится
по 400 г вещества, т. е. массы нагреваемых тел оди-
наковы (рис. 19). Одинаковы и условия их нагрева-
ния, так как сосуды получают тепло от одинаковых
горелок. Разница состоит лишь в том, что во втором
сосуде вместо 200 г воды находится 200 г чугуна.
Термометры покажут, что во втором сосуде, где
находится чугунная гиря, нагревание происходит
быстрее. Чтобы температура первого сосуда сравня-
лась с температурой второго, первому нужно пере-
дать добавочное количество теплоты. "Очевидно, для
нагревания одинаковых масс воды и чугуна на одно
и то же число градусов требуется различное коли-
чество теплоты: для воды оно больше, для чугуна
меньше. Следовательно, количество теплоты, пере-
данное телу при нагревании, зависит и от того, из
какого вещества, изготовлено тело.
Итак, количество теплоты, переданное телу при
нагревании, зависит от рода вещества, из которого
изготовлено тело, от массы этого тела и от величи-
ны изменения его температуры.
1. Что такое количество теплоты? К какому способу изменения
внутренней энергии относят это название? 2. Как зависит коли-
чество теплоты от изменения температуры тела? 3. Почему
нельзя только по изменению температуры тела судить о коли-
честве полученной им теплоты? 4. Как зависит количество
теплоты от массы тела? 5. Опишите опыт, показывающий, что
количество теплоты зависит от рода вещества, из которого
изготовлено тело, 6. От чего зависит количество теплоты,
переданное телу при нагревании?
12. ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ
Количеством теплоты, как было установлено,
называют величину внутренней энергии, которую по-
лучает или теряет тело при теплопередаче. Как
и всякий другой вид энергии, внутреннюю энергию
следует измерять джоулями Но с давних времен на
практике применяют для измерения количества
теплоты особую единицу — калорию 1
Калория — это количество теплоты, которое не-
обходимо затратить для нагревания 1 г воды на
1°С. Ее краткое обозначение: кал.
Можно сказать также, что калория — это коли-
чество теплоты, которое теряет 1 г воды при остыва-
нии на 1° С.
Калория — от латинского слова «калор» — тепло, жар.
25
В технике пользуются обычно более крупной
единицей количества теплоты — килокалорией:
1 ккал — 1 000 кал.
Итак, количество теплоты измеряют единицами:
1 дж, 1 ккал, 1 кал. Между этими единицами сущест-
вуют соотношения:
1 ккал =•= 1000 кал,
1 кал = 4,19 дж^4,2 дж,
1 ккал = 4190 дж^4200 дж.
1. Какими единицами измеряют внутреннюю энергию и коли-
чество теплоты? 2. Что такое калория и килокалория? 3. Сколь-
ким джоулям равна 1 ккал?
13. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ
Для нагревания 1 кг воды на ГС требуется ко-
личество теплоты, равное 4200 дж. или 1 ккал. Но
если на Г С нагревается 1 кг другого вещества, то
понадобится и другое количество теплоты (см. § 12).
Количество теплоты, которое необходимо для на-
гревания 1 г или 1 кг вещества на Г С, определяют
на опытах. Эту физическую величину называют
удельной теплоемкостью вещества.
Удельную теплоемкость вещества измеряют в
дж ккал кал
---------------— или -----5-.
кг-град кг-град г-град
Удельные теплоемкости некоторых веществ ука-
заны в таблице.
Удельные теплоемкости некоторых веществ
дж ккал кал дж ккал кал — г или — кг-град г град
кг град _ ИЛИ кг град г град кг град
Свинец 130 0,03 Кирпич 750 0,18
Медь 380 0,09 Алюминий 880 0.21
Цинк 380 0,09 Лед 1800 0.43
Латунь 380 0,09 Масло раст. 2000 0,48
Железо' 1 Керосин 2100 0,51
Чугун > 460 0,11 Дерево (дуб) 2400 0.57
Сталь | Спирт 2500 0,60
Стекло лабо- Вода 4200 1.00
раторное 800 0,19
Удельная теплоемкость свинца 130 —-ж Это
кг град
значит, что для нагревания 1 кг свинца на ГС потре-
буется количество теплоты, равное 130 дж (или при
охлаждении I кг свинца на ГС выделяется 130 дж).
Удельная теплоемкость показывает, на сколько
калорий или джоулей увеличивается внутренняя
энергия 1 кг тела при нагревании на Г С.
Заметим, что вода имеет очень большую удель-
ную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах,
нагреваясь летом, поглощает большое количество
теплоты, и в тех местах, которые расположены близ-
ко от больших водоемов, летом не бывает так жар-
ко, как в местах, удаленных от воды. Зимой вода
остывает и отдает большое количество теплоты,
поэтому зима в этих местах менее суровая.
Благодаря большой удельной теплоемкости ьода
является самой удобной жидкостью и для наполне-
ния радиаторов в комнатном отоплении, и для
грелок.
1. Что называют удельной теплоемкостью вещества? 2. Чему
дж кал о
оазна удельная теплоемкость воды в -------—и в--------?
' кг град г-град /
3. Как надо понимать, что удельная теплоемкость свинца
дж
равна 130 ~ ? 4. Какая связь существует между удельной
теплоемкостью вещества и изменением его внутренней энер-
гии? 5. Почему близость водоемов влияет на температуру
воздуха?
14. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ,
ЗАТРАГИВАЕМОГО НА НАГРЕВАНИЕ ТЕЛА
ИЛИ ВЫДЕЛЯЕМОГО ПРИ ЕГО ОХЛАЖДЕНИИ
Мы узнали, от каких величин зависит количество
теплоты и какими единицами его измеряют. Эги зна-
ния позволяют подсчитать величину изменения внут-
ренней энергии тела при теплопередаче, иными сло-
вами, подсчитать количество теплоты. Для под-
счета нужно знать удельную теплоемкость вещества,
из которого изготовлено тело, массу этого тела, его
начальную и конечную температуру.
Удельная теплоемкость показывает, какое коли-
чество теплоты необходимо для нагревания 1 кг дан-
ного вещества на Г С. Если нагревают тело массой
не в 1 кг, а в несколько килограммов на ГС, то не-
обходимое количество теплоты будет в несколько
27
Q = cm(t2 — tj
раз больше. А если тело нагревают не на Г С, а на
несколько градусов, то и количество необходимой
для этого теплоты увеличивается во столько же раз.
Например, нужно подсчитать, какое количество
теплоты получила стальная деталь массой 5 кг при
нагревании на 600° С.
Так как удельная теплоемкость стали равна
460—, то это значит, что
кг град
для нагревания 1 кг стали на 1° С требуется
460 дж\
для нагревания 5 кг стали на 1° С требуется
в 5 раз больше количества теплоты, т. е. 460 джХ5 =
= 2300 дж\
для нагревания 5 кг стали на 600° С потребуется
еще в 600 раз большее количество теплоты, т. е.
2300 дэкХб00 = 1 380 000 дж.
Заметим, что величина 600°С показывала, на
сколько градусов нагревали тело, т. е. чему равна
разность между конечной и начальной температурой
тела.
Итак, чтобы подсчитать количество теплоты, не-
обходимое для нагревания тела, нужно удельную
теплоемкость умножить на массу тела и на разность
между конечной и начальной температурой его.
Указанное правило можно записать в виде фор-
мулы, введя следующие обозначения: Q — количе-
ство теплоты, с — удельная теплоемкость вещества,
т. — масса тела, —-начальная и t2 конечная тем-
пература тела. Q —сш(/2—Л).
Пример 1. В железный котел массой 10 кг
налито 20 кг воды. Какое количество теплоты нужно
передать котлу, чтобы нагреть его вместе с налитой
в него водой от 10 до 100° С?
Оба тела — и котел, и вода — будут нагреваться
вместе. Между ними происходит теплообмен, и по-
этому их температуры можно считать одинаковыми.
Поэтому и котел, и вода нагреваются на одно и то
же число градусов: 100° С—10е С = 90° С. Но количе-
ства теплоты, полученные котлом и водой, не будут
одинаковыми, ведь их массы и удельные теплоемко-
сти различны.
Количество теплоты, полученное котлом, равно:
Q, = 460 т д* • 10 кг • 90° - 414 000 дж % 400 000 дж.
Количество теплоты, полученное водой, равно:
q„ 4200 ——ч • 20 кг • 90° - 7 560 000 дж
^7 600 000 дж.
На нагревание и котла, и воды израсходовано
количество теплоты:
Q = Q1 4. Q2 = 400 000 дж + 7 600 000 дж =
= 8 000 000 дж ш 1900 ккал.
Пример 2. Смешали 0,8 кг воды, имеющей
температуру 25° С, и 0,2 кг кипятка. Температуру
полученной смеси измерили, и она оказалась равной
40° С. Вычислить, какое количество теплоты отдал
при остывании кипяток и какое количество теплоты
получила при нагревании более холодная вода.
Сравнить эти количества теплоты.
Кипяток остыл от 100 до 40° С, при этом он отдал
количество теплоты:
Q. == 4200 дж , -0,2 кг-(100 — 40)°^50000 дж.
кг град ’ ' '
Вода, в которую был влит кипяток, нагрелась от
25 до 40° С и получила количество теплоты:
Q.. = 4200 —• 0,8 кг (40 — 25)° 50000 дж.
кг-град ' '
Мы видим, что количество теплоты, отданное го-
рячей водой, и количество теплоты, полученное хо-
лодной водой, равны между собой. Это не случайный
результат. Опыт показывает, что если между телами
происходит теплообмен, то внутренняя.энергия всех
нагревающихся тел увеличивается настолько, на-
сколько уменьшается внутренняя энергия остываю-
щих тел.
Однако, если провести более точные измерения в
опытах по смешиванию горячей и холодной воды, то
точного равенства отданной и полученной энергии
’не получится. Объясняется это тем, что часть энер-
гии во время опыта передается воздуху и сосуду.
Разница в отданном и полученном количестве тепло-
ты будет тем меньше, чем меньше потерь теплоты
допускается в опыте.
1. Что нужно знать, чтобы подсчитать количество теплоты,
полученное телом при нагревании? 2. Объясните на примере,
как подсчитывают количество теплоты, затрачиваемое для
нагревания тела или выделяющееся при его охлаждении
(в ккал и дж). 3. Как записывают формулу для подсчета коли-
чества теплоты? 4. Какой вывод можно сделать из опыта по
смешиванию холодной и горячей воды?
ккал
1. Удельная теплоемкость алюминия равна 0,21 — 1
дж
или 880 кг.гра(у Что это означает?
2. Какая из указанных в таблице (стр. 26) жидкостей быстрее
Упр. 5
нагревается при одинаковых условиях нагревания? Почему?
29
3. Почем) в качестве охладителя (например, при охлаждении
двигателя внутреннего сгорания) из всех жидкостей выгод-
нее всего применять воду?
4. Рассчитайте количество теплоты необходимое Для негре-
вания,- а) чугунного утюга массой 1,5 кг на 200° С, б) алюми-
ниевой ложки массой 50 г от 20 до 90е С, в) кирпичной печи
массой 2 т от 10 до 60е С.
5. Какое количество теплоты выделяется при остывании:
а) стальной отливки массой 20 кг от 900 до 100' С, б) 50 г
воды и алюминиевого стаканчика массой 40 г, в который
вода налита, если они остывают на 60' С?
6. На сколько калорий увеличивается внутренняя энергия
воды в бассейне обьемом 20 00С м3, если чода нагрелась на
10" С?
15. ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
Рис. 20.
Известно, что молекулы состоят из атомов. На-
пример, молекула воды состоит из одного атома
кислорода и двух атомов водорода.
Однако любую молекулу можно разделить на
атомы. Такое деление называют химической реак-
цией разложения Для разделения молекулы на ато-
мы нужно преодолеть силы притяжения атомов, со-
вершить работу, а значит, и затратить энергию
Опыты показывают, что при соединении атомов в
молекулу энергия, наоборот, выделяется.
Можно привести такое сравнение: между Землей
и всеми телами существуют силы притяжения, по-
этому, когда мы поднимаем тело, удаляем его от
Земли, мы совершаем работу, затрачиваем энергию.
Но если тело, например ковочный молот, наоборот,
падает к Земле, то оно само совершает работу и его
энергия используется.
11а явлении выделения энергии при соединении
атомов в молекулу и основано использование, топли-
ва. Обычное топливо (уголь, нефть, бензин и др.)
содержит углерод. При горении атомы углерода сое-
диняются с атомами кислорода, который содержится
в воздухе. Каждый атом угледора соединяется с дву-
мя атомами кислорода (рис 20). Образовавшаяся
при этом молекула — это молекула углекислого га-
за. При ее образовании выделяется тепло
Существуют различные виды топлива- уголь,
торф, дрова, нефть, сланцы и горючие, газы. При
расчете различных двигателей инженеру необходимо
точно знать, какое количество теплоты может выде-
лить сжигаемое топливо А для этого надо опытным
путем найти, какое количество теплоты выделится
при сгорании одинакового количества разных видов
топлива
10
Количество теплоты, выделяющееся при полном
сгорании 1 кг топлива, называют теплотой сгорания
топлива.
Теплоту сгорания топлива определяют на опыте
с помощью довольно сложных приборов. Теплоту сго-
дж ккал кал
рання измеряют в——, —-— или---------.
К.2 К2 2
Результаты опытных данных приведены ниже
в таблице.
Теплота сгорания топлива
дж кг ккал дж кг ккал
кг или кал кг или кал г
Дрова сухие 1,0 107 2 500 Древесный уголь 3,0-10’ 7 000
Торф 1.4-10’ 3 400 Антрацит 3,4-10’ 8 000
Бурый уголь Природный газ 4,4-10’ 10 400
ПОДМОСКОВНЫЙ 1,3- 10’ 3 000 Hedm- 4.4-10’ 10 500
Каменный уголь 2,9-10 — 7 000— Бензин 4,6-10’ И ООО
3,1-10’ 7 500 Керосин 4,6-10’ 11 000
Спирт 2,7-10’ 6 500 Во юрод 14-10’ 34 000
Из этой таблицы видно, что теплота сгорания тор-
фа, например, равна 1,4-Ю7-^-, или 3400 .
Это значит, что при полном сгорании 1 кг торфа вы-
деляется 1,4-107 дж, или 3400 ккал.
Чтобы подсчитать количество теплоты, выделив-
шееся при сгорании любой массы топлива, нужно
теплоту его сгорания умножить на массу сгоревшего
топлива.
1. Что такое теплота сгорания топлива? 2. F каких единицах
измеряют теплоту сгорания топлива? 3. Что означает вь.раже-
ккал
ние «теплота сгорания топлива равна 3400 - , или
дж
1,4-10 ——»? 4. Как вычисляют количество теплоты, выделяв-
К2
мое при сгорании топлива?
1. В таблице против слова «несрть» стоит число 10 500. Что оно
означает? Какое наименование надо поставить при этом
числе?
2. Какое топливо — сухие дрова или бурый уголв — в одина-
ковых условия* могут «ыделить при сгорании большее коли-
чествс- теплоты? Ответ обоснуйте.
3. Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании
15 кг древесного угля. 200 г спирта?
7
Упр. 6
31
16. ЗАКОН ПРЕВРАЩЕНИЯ И СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
В МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССАХ
В § 2 мы рассматривали превращение энергии из
одного вида в другой. При подъеме брошенного
вверх тела происходит превращение кинетической
энергии в потенциальную, при падении его — потен-
циальной энергии в кинетическую. При падении
свинцового шара на свинцовую пластинку механи-
ческая энергия превращается во внутреннюю энер-
гию шара и пластинки. В двигателе автомобиля
и трактора внутренняя энергия топлива превращает-
ся в механическую энергию движения.
Механическая и внутренняя энергия может пере-
ходить от одного тела к другому. Кинетическая
энергия текущей воды передается колесам турбины,
а энергия движущегося ветра — крыльям ветряного
двигателя. Переход внутренней энергии от одного
тела к другому мы наблюдали при теплопередаче,
когда внутренняя энергия от одного тела (напри-
мер, нагретой печи) передавалась другому телу
(воздуху комнаты).
А что можно сказать о величине энергии при
переходе ее от одного тела к другому или при пре-
вращении из одного вида в другой? Сохраняется ли
при этом общая величина энергии?
Обратимся к опыту по смешению горячей и хо-
лодной воды, который был проделан в лабораторной
работе. /Мы убедились, проделав этот опыт, что ко-
личество теплоты, отданное горячей водой, равня-
лось количеству теплоты, полученному холодной
водой. Значит, сколько внутренней энергии отдало
одно тело, столько же получило и второе, т. е. вели-
чина ее сохранилась при переходе от одного тела
к другому.
Сделанный вывод относится не только к внутрен-
ней энергии.
Все другие, более сложные опыты, которые мы
будем изучать в дальнейшем, показывают, что при
любых превращениях энергии величина ее сохра-
няется.
Наблюдения и опыты привели к открытию одного
из основных законов физики — закона сохра-
нения и превращения энергии.
Этот закон устанавливает, что энергия никуда
не исчезает и не создается из ничего. Она только
превращается из одного вида в другой или перехо-
дит от одного тела к другому.
32
Энергия не может появиться у тела, если оно не
получило ее от другого тела. Энергия текущей воды
и ветра создается, как мы знаем, за счет энергии
Солнца, потенциальная энергия взлетевшей вверх
ракеты — за счет энергии израсходованного при ее
запуске горючего и т. д.
Закон сохранения энергии — один из величайших
законов природы. Этот закон широко используют
в науке и технике.
Изучая различные механизмы, мы познакомились
с «золотым правилом механики», согласно которому
ни один механизм не может дать выигрыша в рабо-
те. Это правило является одним из проявлений зако-
на сохранения энергии. Действительно, если бы,
пользуясь, например, наклонной-плоскостью, мы по-
лучили работу больше той, которую совершили,
то и потенциальная энергия поднятого по наклонной
плоскости тела оказалась бы больше затраченной
энергии. А энергия не может возникнуть из ничего.
Закон сохранения энергии опровергает религиоз-
ные легенды о создании мира.
1. Приведите примеры превращения механической энергии
во внутреннюю и внутренней в механическую. 2. Приведите
примеры перехода механической энергии от одного тела к
другому. 3. Какой опыт показывает, что при переходе внут-
ренней энергии от одного тела к другому ее величина сохра-
няется? 4. В чем состоит закон сохранения энергии? 5. Какое
значение имеет закон сохранения энергии в науке и технике?
1. Копер для забивки свай при падении ударяет о сваю и за-
бивает ее в землю. Какие превращения и переходы энергии Упр.
при этом происходят? (Следует учесть, что свая и почва на-
греваются при ударе.)
2. Какие превращения кинетической энергии автомобиля про-
исходят при его торможении?
3. При торможении автомобиля совершается работа, равная
900 000 дж. Какое количество теплоты выделяется при этом?
4. Два одинаковых стальных шарика падают с одинаковой вы-
соты. Один падает на стальную плиту и отскакивает вверх,
другой попадает в песок и застревает в нем. У какого из
шариков изменение внутренней энергии больше и почему?
5. Опишите все превращения и переходы энергии, которые
происходят при натирании трубки с эфиром, закрытой проб-
кой (рис. 4).
6. Молот массой 10 т падает с высоты 2 л на железную де-
таль. При этом 30% потенциальной энергии молота перехо-
дит к детали и превращается в ее внутреннюю энергию
Определите увеличение внутренней энергии детали.
7. По данным предыдущей задачи, определите, на сколько гра-
дусов нагреется деталь, если масса ее равна 100 кг.
3 Физика 7 кл.
33
17. СОЛНЦЕ-ГЛАВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
НА ЗЕМЛЕ
Для
дополнительного
чтения
Рис. 21.
Источником почти всей энергии, которой поль-
зуется человек, является Солнце. За счет солнечной
энергии поддерживается средняя годовая темпера-
тура на Земле около 15° С.
Опытным путем нашли, что каждый квадратный
сантиметр поверхности Земли при перпендикуляр-
ном падении лучей получает в минуту в среднем
около 2 кал (если не учитывать потерь энергии при
прохождении лучей через атмосферу). Если бы мы
могли использовать хотя бы 1 % солнечной энергии,
которая падает на наши города, то с избытком
покрыли бы всю потребность городов в энергии всех
видов.
А мощность солнечных лучей, падающих на всю
земную поверхность, так велика, что для ее замены
понадобилось бы около 30 миллионов мощных элек-
тростанций.
Стоит только представить себе, что произошло
бы на Земле, если бы Солнце каждый день не осве-
щало Землю! Мы знаем такие места на Земле, кото-
рые слабо нагреваются солнечными лучами. Это
Арктика и Антарктика. Там вечный лед и снег.
Помимо нагревания, всюду на Земле мы находим
другие следы влияния солнечных лучей. Вода морей,
озер и рек от тепла солнечных лучей испаряется;
поднявшись вверх, опа сгущается в облака, перено-
сится ветром в разные места Земли и выпадает там
в виде осадков. Эти осадки питают реки, которые
снова текут в моря и океаны. Великий непрерывный
круговорот воды на Земле совершается за счет
энергии Солнца
Вследствие неравномерного нагрева поверхности
Земли лучами Солнца возникают ветры. Под дейст-
вием ветров и приносимой ими влаги постепенно раз-
рушаются огромные горные массивы.
Вся жизнь на Земле — жизнь растений и живот-
ных — зависит от Солнца. В растениях происходит
превращение энергии солнечных лучей в химическую
энергию. Что означает это выражение?
Пропустим воздух через воронку, в которой нахо-
дится лист растения, освещаемый солнечными луча-
ми (рис. 21). Можно обнаружить, что из воронки
выходит кислород. Что произошло?
В зеленый лист растения проникают молекулы
углекислого газа, которые всегда находятся в возду-
34
хе. В результате химической реакции, в которой
участвует углекислый газ и вода, содержащаяся в
листе, образуются молекулы кислорода и углерода
(рис. 22). Кислород выделяется в окружающий
воздух, а углерод остается в листе растения. По-
этому растение содержит всегда углерод и может
гореть.
Но мы знаем, что для разложения молекулы на
атомы нужно затратить энергию (§ 15). Откуда бе-
рется эта энергия? Если описанный выше опыт про-
изводить, не освещая лист растения солнечными
лучами, то химической реакции не произойдет. Зна-
чит, разложение углекислого газа в зеленом листе
растения происходит благодаря энергии солнечных
лучей.
Каменный уголь, являющийся пока еще одним из
основных наших источников энергии, представляет
собой окаменевшие в земле остатки лесов, когда-то
буйно росших на больших пространствах Земли.
Значит, и в нем запасена энергия Солнца.
В болотах из отмирающих растений образуются
пласты торфа, широко используемого как топливо.
Энергия животных, питающихся растениями,
и энергия человека — все это преобразованная энер-
гия солнечных лучей.
Лишь недавно человечество научилось использо-
вать дополнительный источник энергии на Земле —
атомную энергию, непосредственно не связанную
с Солнцем.
Рис. 22.
ИЗМЕНЕНИЕ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ
ВЕЩЕСТВА
18. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
В зависимости от условий одно и то же вещество
может находиться в твердом, жидком или газо-
образном состоянии. Наглядным примером этому
могут служить лед, вода и водяной пар. Эти состоя-
ния называют агрегатными состояниями.
Переход вещества из одного агрегатного состоя-
ния в другое широко используют на практике. В ме-
таллургии, например, плавят металлы, чтобы полу-
чить из них сплавы: чугун, сталь, бронзу, латунь
и др. Пар, полученный из воды при ее нагревании, 35
3»
используют на электростанциях в турбинах и для
многих других технических целей. Сжиженными
газами пользуются в холодильных установках.
В широких масштабах изменение агрегатных
состояний происходит в природе. С поверхности
океанов, морей, озер и рек испаряется вода, а при
охлаждении водяного пара образуется роса, туман
или снег. Во многих местах Земли зимой замерзают
реки и озера, а весной снег и лед тает.
Для понимания всех указанных выше процессов
и для того, чтобы уметь управлять многими из них,
мы должны знать, когда, при каких условиях веще-
ство находится в том или ином агрегатном состоя-
нии, каковы свойства каждого из этих состояний
и что нужно для превращения вещества из одного
состояния в другое.
Мы уже знаем, что молекулы одного и того же
вещества в твердом, жидком и газообразном состоя-
нии одни и те же, они ничем не отличаются друг от
друга. По молекуле нельзя судить, принадлежит ли
она веществу в твердом, жидком или газообразном
состоянии. То или иное состояние вещества опреде-
ляется взаимодействием молекул друг с другом и их
движением (см. «Физика». Учебник для 6-го класса,
§ 15).
В газах при атмосферном давлении расстояние
между молекулами много больше размера самих
молекул. На таких расстояниях молекулы очень
слабо притягиваются друг к другу. Молекулы газа,
кроме того, обладают такой средней кинетической
энергией, которая вполне достаточна, чтобы совер-
шить работу по преодолению сил молекулярного
притяжения. Поэтому, если газу не мешают стенки
сосуда, его молекулы разлетаются.
В жидкостях и твердых телах, плотность которых
во много раз больше плотности газа, молекулы рас-
положены ближе друг к другу. Средняя кинетиче-
ская энергия их уже недостаточна для того, чтобы
совершить работу по преодолению сил молекулярно-
го притяжения. Поэтому молекулы в жидкостях
и особенно в твердых телах не могут далеко удалять-
ся друг от друга.
В отличие от жидкостей и газов молекулы в твер-
дых телах расположены упорядоченно. Для того
чтобы перевести их из упорядоченного расположе-
ния в беспорядочное, нужно совершить работу по
преодолению сил молекулярного притяжения. При
этом изменяется внутренняя энергия вещества. При
переходе вещества из твердого состояния в жидкое,
36
а затем в газообразное внутренняя энергия тела
увеличивается, даже если температура тела не из-
меняется. При обратном же переходе вещества из
газообразного состояния в жидкое, а из жидкого
в твердое тело отдает определенное количество энер-
гии окружающим телам, вследствие чего его внут-
ренняя энергия уменьшается.
1. В каких трех состояниях может находиться одно и то же
вещество? 2. Как называют три состояния вещества? 3. Какое
практическое значение имеют явления перехода вещества
из одного агрегатного состояния в другое? 4. Чем определя-
ется то ли иное агрегатное состояние вещества? 5. Как изме-
няется внутренняя энергия тела при переходе вещества из
твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное?
19. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА
Твердыми телами в физике называют тела, кото-
рые имеют кристаллическое строение.
Существенным внешним признаком кристалла в
природных условиях является его правильная гео-
метрическая форма. Легко, например, обнаружить
правильную кубическую форму у кристаллов пова-
ренной соли (см. цветную вклейку) или форму
топких листочков у кристаллов слюды. На рисун-
ке 23 изображено семейство кристаллов горного хру-
сталя.
На опыте можно получить небольшие кристалли-
ки квасцов. Они выпадают из насыщенного раствора
квасцов. Если один из таких кристалликов подве-
сить на нитке внутри раствора, то через несколько
дней получится довольно крупный (с орех и даже
больше) кристалл.
К числу кристаллических тел относятся металлы.
Их внешний вид, правда, совсем ничего не говорит
о кристаллическом строении, но в изломе куска силь-
но закаленной стали, чугуна, литой латуни иногда
можно невооруженным глазом рассмотреть мелкие
кристаллы. Исследование же с помощью микроскопа
обнаруживает кристаллическое строение всех ме-
таллов.
Вспомним («Физика», 6-и класс, §15), что части-
цы (молекулы или атомы) в кристаллах расположе-
ны в строго определенном порядке. Хотя они и нахо-
дятся в движении, по каждая частица движется око-
ло определенной точки, подобно маятнику часов, т. е.
колеблется.
20. АМОРФНЫЕ ТЕЛА
Для
дополнительного
чтения
Существует особый вид тел, который принято
также называть твердыми телами. Это аморфные
тела. В естественных условиях они не обладают
правильной' геометрической формой.
К аморфным телам относятся твердая смола
(вар, канифоль), стекло, сургуч, эбонит, различные
пластмассы.
По многим физическим свойствам, да и по внут-
реннему строению аморфные тела стоят ближе
к жидкостям, чем к твердым телам.
Кусок твердой смолы от удара рассыпается на
осколки, т. е. ведет себя как хрупкое тело, но вместе
с тем обнаруживает и свойства, присущие жидко-
стям. Твердые куски смолы, например, медленно
растекаются по горизонтальной поверхности. Куски
смолы, находясь в сосуде, со временем принимают
форму сосуда.
По описанным свойствам твердую смолу можно
рассматривать как очень густую и вязкую жидкость.
Стекло обладает значительной прочностью
и твердостью, т. е. свойствами, характерными для
твердого тела. Однако стекло, хотя и очень медленно
(в течение десятилетий), способно тень, как смола.
В отличие от кристаллических тел в аморфных
телах атомы или молекулы расположены беспорЯ'
дочно, как в жидкостях.
21. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ
КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ
Нагреванием вещество можно перевести из твер-
дого состояния в жидкое (например, расплавить
лед), а из жидкого — в газообразное (превратит^
воду в пар). Охлаждением же газа можно получить
жидкость, а из жидкости — твердое тело.
Переход вещества из твердого состояния в жид-
кое называют плавлением.
Температуру, при которой вещество плавится,
называют температурой плавления вещества.
Одни кристаллические вещества плавятся при
низкой температуре, другие — при высокой. Лед,
например, плавится при 0° С, нафталин — при 80° С.
Поместив пробирку с твердым нафталином в кипя-
щую воду, можно получить жидкий нафталин. Кусок
Зв олова или свинца можно расплавить в стальной лож-
ке, нагревая.ее на спиртовке. Чугун же и сталь пла-
вятся при очень высокой температуре — около полу-
тора тысяч градусов.
Переход вещества из жидкого состояния в твер-
дое называют отвердеванием или кристаллизацией.
Температуру, при которой вещество отвердевает
(кристаллизуется), называют температурой отверде-
вания или кристаллизации.
Опыт показывает, что кристаллические вещества
отвердевают при той же температуре, при которой
плавятся. Например, вода кристаллизуется (а лед
плавится) при 0° С, чистое железо плавится и кри-
сталлизуется при температуре 1535° С.
Если нагревать какое-либо кристаллическое тело,
то можно заметить, что его температура будет повы-
шаться только до момента начала плавления тела;
во все время процесса плавления температура тела
не изменяется. При этой температуре часть тела на-
ходится в жидком, а часть в твердом состоянии.
Ниже приведена таблица, из которой видно, в
каких широких пределах лежат температуры плавле-
ния различных веществ.
Те мпература плавления некоторых веществ, °C
Водород . . . . —259 Натрий . . . . 98 Медь . . . . . . 1083
Кислород . . . . —219 Олово . . . . . 232 Чугун . . . 1100—1200
Азот .... . . —210 Свинец . . . . . 327 Сталь . . 1300—1500
Спирт . . . . —117 Янтарь . 350—380 Железо . . . . 1535
Ртуть . . —39. Цинк . . . . . 420 Платина . . . 1770
Лед .... ... 0 Алюминий . . 660 Вольфрам . . 3380
..Цезий . . . ... 29 Золото . . . . . 1063 Осмий . . . . . 5500
Калий • . . ... 63
1. Какой процесс называют плавлением? 2. Какой процесс на-
зывают отвердеванием? 3. Как называют температуру, при
которой кристаллическое вещество плавится, при которой
отвердевает?
22. ГРАФИК ПЛАВЛЕНИЯ И ОТВЕРДЕВАНИЯ
КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ
На рисунке 24 изображен график плавления и
кристаллизации нафталина, начерченный на основа-
нии данных опыта. 39
Рис. 24.
Наблюдение за температурой нафталина нача-
лось с момента, когда температура твердого нафта-
лина была 55° С. При дальнейшем нагревании темпе
ратура нафталина росла, пока не достигла 80° С
(участок графика АВ). При 80е С нафталин начал
плавиться. В течение всего времени плавления тем-
пература нафталина не менялась хотя горелка про-
должала гореть Этому соответствует горизонталь-
ный участок графика ВС.
После того как весь нафталин расплавился,
т. е. превратился в жидкость, температура его стала
подниматься и достигла 90° С (на графике точка И)
Затем горелка была погашена и жидкий нафталин
стал охлаждаться. Когда температура его упала до
80° С, начался процесс кристаллизации, и, пока весь
нафталин не отвердел, температура его не меня-
лась. На трафике это соответствует горизонтально-
му участку EF. Лишь после этого температура уже
твердого нафталина стала уменьшаться (участок
графика FК).
Упр. 8
1. Как по графику можно судить об изменении температуры
кристаллического вещества при нагревании и охлаждении?
2. Какие участки гоафика относятся к плавлению и отвердева-
нию нафталина7
1. Сравните температуру плавтения твердой ртути и твердою
спирта. У какого из этих веществ температура плавления
выше?
2. Какой из металлов, приведенных в таблице самый легко-
плавкий, самый тугоплавкий?
3. Будет ли плавиться свинец если кусок его бросить в рас-
плавленное олово?
4. Можно ли в алюминиевом сосуде расплавить цинк? Отват
обоснуйте.
5. Почему для измерения температуры наружного воздуха
в холодных районах применяют гермометры со спиртом,
а ье ртутью?
40
Для
дополнительного
чтения
23. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ АМОРФНЫХ ТЕЛ
Кристаллические твердые тела, как мы видели
(§ 21), плавятся и отвердевают при одной и той же
строго определенной для каждого вещества темпе-
ратуре. Иначе ведут себя аморфные вещества, на-
пример: смола, воск, стекло. При нагревании они
постепенно размягчаются и разжижаются, пока не
превращаются в жидкости. Температура их при
этом изменяется непрерывно. При отвердевании
аморфных тел температура их также понижается
непрерывно.
На рисунке 25 изображен график изменения
температуры застывающей смолы. На этом графике
отсутствует горизонтальный участок, характерный
для кристаллических тел (рис. 24).
В аморфных твердых телах (см. § 20), как и в
жидкостях, молекулы могут свободно перемещаться
друг относительно друга. При нагревании аморф-
ного тела скорость движения молекул увеличива-
ется, увеличиваются расстояния между молекулами,
а связи между ними ослабевают. В результате
аморфное твердое тело размягчается, становится
более текучим.
При охлаждении аморфного тела все происходит
в обратном порядке: скорость молекул уменьша-
ется, уменьшаются расстояния между молекулами,
а силы молекулярного притяжения увеличиваются.
В результате аморфное вещество густеет, текучесть
же его при этом уменьшается.
24. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ НА ОСНОВЕ
УЧЕНИЯ О МОЛЕКУЛЯРНОМ СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА
Плавление и отвердевание кристаллических тел
можно объяснить на основании атомно-молекуляр-
ной теории строения вещества.
Мы знаем, что в кристаллах молекулы (или ато-
мы) расположены в строгом порядке. Этим объяс-
няется, что все кристаллы одного и того же веще-
ства имеют определенную форму. Однако и в
кристаллах молекулы или атомы находятся в дви-
жении. Но в отличие, например, от газов, где части-
цы движутся независимо друг от друга, в твердом
теле каждая из частиц влияет на движение других.
От скорости движения молекул, как мы знаем,
зависит температура тела. При нагревании тела
ip
о
с
т
0,1.
ь
100
80
60
40
20
О*- , -----
Время, мин
Рас. 25.
средняя скорость движения молекул возрастает,
следовательно, возрастает и средняя кинетическая
энергия их. Вследствие этого размах колебаний
молекул (или атомов) увеличивается, при этом
силы, связывающие их, уменьшаются. Когда тело на-
греется до температуры плавления, размах колеба-
ний настолько увеличится, что нарушится порядок, в
расположении частиц в кристаллах. Кристаллы теря-
ют свою форму— вещество плавится, переходя из
твердого состояния в жидкое.
При отвердевании вещества все происходит в
обратном порядке: средняя кинетическая энергия
и скорость молекул в охлажденном расплавленном
веществе уменьшаются. Силы притяжения могут
снова удержать такие медленно движущиеся моле-
кулы друг около друга. Вследствие этого расположе-
ние частиц делается снова упорядоченным.
Кристаллизация облегчается, если в жидкости с
самого начала присутствуют какие-нибудь посторон-
ние частицы, например пылинки. Они становятся
центрами кристаллизации. К этим частицам присо-
единяются молекулы жидкости. В обычных усло-
виях в жидкости имеется множество центров крис-
таллизации, около которых и происходит образова-
ние кристалликов.
1. Как объяснить процесс плавления и отвердевания кристал-
лического вещества на основе учения о молекулярном строе-
нии вещества? 2. При каком условии начинается кристаллиза-
ция вещества?
25. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ
На графике (рис. 24) очень наглядно показано,
что, пока нафталин плавится, температура его не
меняется. И лишь после того как он весь расплавит-
ся, температура образовавшейся жидкости начинает
повышаться. Но ведь и во время процесса плавления
нафталин получает энергию от сгорающего в нагре-
вателе топлива. На что же расходуется эта энергия?
На этот вопрос можно ответить, если вспомнить,
что при плавлении происходит разрушение кристал-
ла. На это и расходуется энергия. Это следует из
закойа сохранения энергии.
Следовательно, энергия, которую получает кри-
сталлическое вещество, нагретое до температуры
плавления, расходуется на изменение его внутрен-
ней энергии при переходе в жидкое состояние.
42
Количество энергии, необходимое для превраще-
ния при температуре плавления 1 кг твердого кри-
сталлического вещества в жидкость, называют
удельной теплотой плавления.
Удельную теплоту плавления можно измерять
1кал\
в калориях на грамм 1 — 1, в килокалориях на кило-
/ ккал \ ( дж \
грамм I---- или в джоулях на килограмм ------ I.
Определяют, удельную теплоту плавления на
опыте. Так, опытным путем было установлено, что
„„ ккал
удельная теплота плавления льда равна 80 , или
3,4-106 . Это означает, что для превращения
куска льда массой 1 кг, взятого при 0° С, в воду такой
же температуры требуется затратить 80 ккал, или
3,4-105 дж энергии. Почти вся эта энергия идет на
увеличение внутренней энергии жидкости, так как
объем вещества при плавлении изменяется незначи-
тельно.
Удельная теплота плавления некоторых веществ
0Ж ккал ИЛ11 кал дж ккал или кал
кг кг г кг кг г
Алюминий 3,9 10s 92 Сталь 0.84-105 20
Лед 3,4-10s 80 Олово 0,59- IO® 14
Железо 2,7-105 65 Свинец 0,25-10s 6
Медь 1,8-IQs 42 pt V Л.
Следовательно, при температуре плавления внут-
ренняя энергия 1 кг вещества в жидком состоянии
больше внутренней энергии этого же количества ве-
щества в твердом состоянии на величину удельной
теплоты плавления.
Например, внутренняя энергия 1 кг воды при
0° С на 80 ккал больше внутренней энергии 1 кг
льда при той же температуре.
1. Как объяснить, что в течение всего времени процесса
плавления кристаллического вещества температура его не ме-
няется? 2. На что расходуется энергия сгорающего в нагрева-
теле топлива при плавлении кристаллического вещества? 3. Что
такое удельная теплота плавления? 4. В каких единицах выра-
жают удельную теплоту плавления?
43
26. ВЫДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ ОТВЕРДЕВАНИИ
ВЕЩЕСТВА
Вернемся к графику плавления и кристаллизации
нафталина (рис. 24) и рассмотрим ту его часть, кото-
рая относится к охлаждению нафталина.
При охлаждении расплавленного нафталина тем-
пература его понижается Но как только нафталин
начинает отвердевать, понижение температуры пре-
кращается. хотя нафталин продолжает отдавать
свою внутреннюю энергию окружающим его телам.
Ведь его температура выше температуры этих тел
И пока весь нафталин не отвердеет, температура
его не меняется Но как только он весь затвердеет,
температура снова начнет понижаться.
Такое явление наблюдается у всякого кристал-
лического тела. Почему же пе понижается темпера-
тура кристаллического тела во время его отверде-
вания?
Мы уже знаем, что при температуре отвердева-
ния внутренняя энергия тела в жидком состоянии
больше его внутренней энергии в твердом состоянии.
Во все время процесса отвердевания избыточная
внутренняя энергия выделяется и восполняет потерю
энергии вследствие охлаждения. Поэтому средняя
энергия молекул, а следовательно, и температура
тела остаются неизменными до тех пор, пока не за-
кончится процесс отвердевания С этого момента
начнется понижение температуры твердого тела,
так как убыль внутренней энергии у него уже не
будет восполняться.
Тщательно проведенные опыты показывают, что
при отвердевании кристаллического вещества выде-
ляется точно такое же количество энергии, которое
поглощается при его расплавлении. Так, при отвер-
девании 1 кг воды при 0° С выделяется 80 ккал
энергии. Но точно такое же количество энергии по-
требляется и при плавлении 1 кг льда при 0° С
1. Как объяснить что в процессе отвердевания кристалпиче-
ского вешес-ва температура его остается постоянной? 2. Ка-
кое количество энеогии выделяется при отвердевании 1 кг
воды?
27. ПРИМЕРЫ НА РАЗМЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ
1. Какое количество энергии (в дж) надо затра-
тить, чтобы расплавить стальной слиток массой
300 кг. взятый при температуре плавления?
44
djfc
Удельная теплота плавления стали: X1 — 0,84- 10ь —
KS
(см. таблицу). Это значит, что для плавления 1 кг стали
при постоянной температуре требуется 0,84-105 дж,
а для плавления всего слитка стали потребуется энер-
гии в 300 раз больше. Итак, Q = кт,
<2 = 0,84- Ю6 —-300 кг 2,5 -10’ дж.
2. Какое количество энергии (в дж) надо затра-
тить, чтобы расплавить брусок алюминия массой
100 кг, взятый при температуре Л =20° С?
Прежде чем алюминий начнет плавиться, он дол-
жен быть нагрет до температуры плавления i2 —
= 660° С, следовательно, его нужно нагреть на
t2—1\ = (660—20)° С. Для этого потребуется энергия:
Qi = — 1г). (1)
Удельную теплоемкость алюминия найдем в таб-
лице: с = 880 — -
кг град
Для плавления потребуется энергия:
ф2 = Хт, (2)
л л Л < дж
Л = 3,9-10 —------удельная теплота плавления алю-
миния.
Общее количество энергии:
Q = (?i + <2*- (3)
Подставляя числовые значения величин в фор-
мулу (3), получим:
Q = 880 -100 кг (660 — 20)° +
+ 3,9ДО5-—-100 ка^9,5-107 дж.
кг ’
1. Тающий лед принесли з помещение, температура в котором
0" С. Будет пи он в этом помещении продолжать таять?
2. В ведре с водой плавают куски льда Общая температура
воды и льда 0° С. Будет ли лед таять или вода замерзать?
От чего это зависит?
3. Сколько энергии нужно затратить, чтобы расплавить 4 кг
льда при 0’ С?
4. Сколько энергии требуется затратить, чтобы расплавить
20 кг свинца при температуре плавления’
5. Какое количество энергии вь.делается при обращении 125 кг
воды при О'С в лед при 0° С?
1 X—греческая буква «лямбда»
Упр. 9
45
Задание
Для
дополнительного
чтения
Рис. 26.
Рис. 27.
Задание
6. Какое количество энергии надо для превращения 5кг льда,
взятого при —10° С, в воду с температурой 20° С? Исполь-
зуйте при расчете график, считая приток энергии равно-
мерным.
Поставьте на плиту две одинаковые жестяные банки. В од-
ну налейте 0.5 кг воды, в другую положите 0,5 кг снега. За-
метьте, сколько времени потребуется для того, чтобы вода в
обеих банках закипела. Напищчте краткий отчет о вашем опы-
те и объясните его результаты.
28. ЛИТЬЕ МЕТАЛЛОВ
На свойстве металлов плавиться при нагревании
и отвердевать при охлаждении основано литейное
производство. С помощью литья изготовляют самые
разнообразные изделия.
Для отливки из металла какой-нибудь детали
сначала из дерева изготовляют модель этой детали
(рис. 26). Затем модель ставят в металлическйй
ящик — опоку и плотно набивают опоку влажной
формовочной землей (рис. 27). Потом модель осто-
рожно вынимают из опоки, формовочная земля
сохраняет форму модели. Опоки для сложной моде-
ли делают из двух половинок. Опоки с оттиснутой
формой модели просушивают в печах. Через отвер-
стие, имеющееся в опоке, ее заливают расплавлен-
ным металлом, который заполняет всю приготовлен-
ную для него форму. Когда металл затвердевает,
его вынимают из опоки. Учитывая, что при отверде-
вании большинство металлов сжимается, в опоке
оставляют дополнительно пространство, куда нали-
вают небольшое избыточное количество расплавлен-
ного металла.
На некоторых заводах металл заливают не в
опоки, а в заранее заготовленные из более туго-
плавких материалов формы.
В настоящее время очень многие изделия изго-
товляют путем отливки из пластмасс и камня. Из
плавленого камня делают, например, трубы, стани-
ны (основания) машин и станков, строительные
детали.
Напишите доклад на одну из следующих тем:
1. Литье металлов.
2. Изготовление предметов из камня и пластмасс с исполь-
зованием литья.
3. Явления природы, объясняемые большой удельной теп-
лотой плавления льда и расширением воды при замерзании.
4. Горные ледники.
46
Для
дополнительного
чтения
29. СПЛАВЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНИКЕ
Расплавленные металлы можно смешивать друг
с другом и получать сплавы. Сплавы широко при-
меняют в технике, так как многие из них обладают
ценными качествами. Всем хорошо известна сталь —
это сплав железа с углеродом. Небольшие добавки
к стали некоторых металлов: хрома, никеля, молиб-
дена, титана — позволяют получить сталь повышен-
ной твердости, нержавеющую сталь, сталь, стойкую
к действию высокой температуры.
Высокой прочностью обладают сплавы алюми-
ния с другими металлами. Из них широкое примене-
ние нашел дюралюминий, состоящий из 94% алю-
миния, 5% меди, 0,5% магния, 0,5% марганца.
Температура плавления его 650° С. Плотность дюр-
алюминия втрое меньше плотности стали, а сопро-
тивляемость разрыву такая же, как у некоторых
сортов стали.
Сплавы, подобные дюралюминию, идут для
изготовления отдельных частей автомобилей, само-
летов, судов.
Температура плавления сплавов обычно бывает
ниже температуры плавления их главных составных
частей. Существуют сплавы с очень низкой темпе-
ратурой плавления. Например, сплав, состоящий из
двух частей висмута (/Пл=271°С), одной части оло-
ва (/ПЛ = 232°С) иодной части свинца (/Пл = 327° С),
плавится при 95° С. Чайная ложка, изготовленная
из такого сплава, расплавится в кипящей воде.
Легкоплавкие сплавы применяют во многих
предохранительных противопожарных приспособле-
ниях.
Широко применяемый на практике припой для
пайки различных изделий из металла состоит из двух
частей свинца и одной части олова. Температура
плавления его 180° С, т. е. значительно ниже темпе-
ратуры плавления олова и свинца.
Легкоплавкий сплав, называемый баббитом, при-
меняют для заливки вкладышей подшипников, на-
пример в автомобилях и тракторах.
30. ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ
Мы знаем, что температура жидкости, как и
твердого или газообразного тела, связана со ско-
ростью движения молекул. Чем больше средняя
скорость движения молекул, тем выше температура
жидкости. Но, хотя средняя скорость движения
47
о О О ° о
Рис. 28.
молекул жидкости при данной температуре — это
вполне определенная величина, отдельные молекулы
жидкости движутся со скоростями как большими,
так и меньшими, чем средняя скорость. Если какая-
нибудь достаточно «быстрая» молекула окажется
у поверхности жидкости, то она может преодолеть
притяжение соседних молекул и вылететь из жидко-
сти. Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы
образуют над жидкостью пар. Это явление перехода
молекул из жидкости в пар называют испарением.
Так как некоторое количество быстро движущих-
ся молекул имеется в жидкости при всех температу-
рах, то испарение, должно происходить при всякой
температуре. Наблюдения подтверждают это. На-
пример, водяные лужи, образовавшиеся после дождя,
испаряются и летом в жару, и осенью, когда уже
холодно.
Чем выше температура жидкости, тем больше
доля быстро движущихся молекул, способных пре-
одолеть силы притяжения окружающих молекул и
вылететь с поверхности жидкости. Поэтому испаре-
ние происходит тем быстрее, чем выше температура
жидкости. Этим объясняется, что летом дождевые
лужи высыхают быстрее, чем осенью.
Одновременно с переходом молекул из жидкости
в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно
двигаясь над поверхностью жидкости, часть моле-
кул, покинувших ее, снова в нее возвращается. Такой
переход молекул из пара в жидкость называют кон-
денсацией.
Если испарение жидкости происходит в закрытом
сосуде, то довольно скоро число молекул, вылетаю-
щих из жидкости, становится равным числу молекул
пара, возвращающихся обратно в жидкость. Поэто-
му количество жидкости в закрытом сосуде не
изменяется, хотя жидкость продолжает непрерывно
испаряться (рис. 28).
В открытом сосуде количество жидкости вслед-
ствие испарения постепенно уменьшается, так как
большинство молекул пара рассеивается в воздухе,
не возвращаясь в жидкость. Только небольшая часть
их возвращается обратно в жидкость, замедляя этим
испарение жидкости. Поэтому при ветре, который
уносит молекулы пара, испарение жидкости происхо-
дит быстрее.
1. Как связана температура жидкости со скоростью движения
молекул? 2. Какое явление называют испарением? 3. Как объ-
яснить, что испарение жидкости происходит при любой темпе-
ратуре? 4. Как называют процесс перехода пара в жидкость?
S. Как влияет движение воздуха на испарение жидкости?
Для
дополнительного
чтения
31. ИСПАРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
В твердом теле, как и в жидкости, тоже имеются
такие частицы (молекулы или атомы), кинетическая
энергия которых больше средней кинетической энер-
гии частиц. Размах колебаний таких «быстрых»
частиц может оказаться достаточным для того, что-
бы они могли оторваться от других молекул и перей-
ти в пар.
Наблюдения и опыты показывают, что твердые
тела действительно испаряются. Испарение некото-
рых твердых тел легко обнаружить по их запаху.
Примером может служить испарение нафталина.
Испаряется и лед, этим объясняется, что па мо-
розе можно сушить белье. Оно сначала покрывается
льдом, который затем испаряется, и белье становит-
ся сухим.
Очень интересен опыт с испарением кристаллов
йода. Если слегка подогревать стеклянную колбу с
небольшим количеством йода, то кристаллики йода
начнут испаряться, йод из твердого состояния пре-
вращается в газообразное, минуя жидкое состояние.
Пары йода имеют густой фиолетовый цвет, поэтому
их хорошо видно. При охлаждении колбы из паров
йода образуются сразу кристаллики йода.
Возьмите кусочек нафталина размером с небольшую горо-
шину. положите его на блюдце и размельчите в порошок.
Запишите дату начала опыта и установите, через сколько
времени весь нафталин испарится.
Задание
32. ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ ИСПАРЕНИИ
ЖИДКОСТИ
При вылете из жидкости молекулы преодолевают
силы притяжения со стороны оставшихся молекул,
т. е. совершают работу против этих сил. Кроме того,
вылетающие из жидкости молекулы должны еще
преодолеть атмосферное давление и давление уже
образовавшегося пара, так как они препятствуют
выходу молекул из жидкости. При этом также со-
вершается работа. Не все молекулы жидкости могут
совершить такую работу, а только те из них, которые
обладают достаточной для этого кинетической энер-
гией. Это такие молекулы, скорость движения кото-
рых больше средней скорости. А мы знаем, что такие 49
4 Физика 7 кл.
«быстрые» молекулы имеются в жидкости при любой
температуре.
Но если из жидкости выходят в пар наиболее
быстрые молекулы, то средняя скорость остальных
молекул жидкости становится меньше, следователь-
но, и средняя кинетическая энергия остающихся
в жидкости молекул уменьшается. Это означает,
что внутренняя энергия испаряющейся жидкости
уменьшается. Поэтому, если нет притока энергии
к жидкости извне, испаряющаяся жидкость охлаж-
дается.
Охлаждение жидкости при испарении можно на-
блюдать на опыте. Для этого нужно обмотать шарик
термометра ватой или кусочком материи и полить
их эфиром. Быстро испаряющийся эфир отнимает
часть внутренней энергии от шарика термометра,
вследствие чего температура последнего понижается.
Если эфиром смочить руку, то мы будем ощущать
охлаждение руки.
Выходя из воды даже в жаркий день, мы чувству-
ем холод. Вода, испаряясь с поверхности нашего
тела, отнимает от него некоторое количество теп-
лоты.
Однако при испарении воды, налитой в стакан,
мы не замечаем понижения ее температуры. Чем
это можно объяснить? Дело в том, что температура
воды в данном случае поддерживается постоянной
за счет количества теплоты, заимствованного из
окружающего воздуха. Значит, для того чтобы испа-
рение жидкости происходило без изменения ее
температуры, жидкости необходимо сообщать
энергию.
Так, чтобы испарить 1 кг воды при 35° С, требу-
ется 576 ккал, а для испарения 1 кг эфира при этой
же температуре 85 ккал.
Почему же при одних и тех условиях на испаре-
ние воды расходуется больше энергии, чем на испа-
рение эфира? Это объясняется тем, что силы сцепле-
ния между молекулами воды больше, чем между
молекулами эфира.
1. -Какую работу совершают молекулы, выходящие из жидко-
сти при испарении? 2. Как объяснить понижение температуры
при испарении жидкости? 3. Как можно на опыте показать
охлаждение жидкости при испарении? 4. Как можно объяс-
нить, что при одних и тех же условиях одни жидкости испа-
ряются быстрее, другие медленнее?
50
33. КОНДЕНСАЦИЯ ПАРА
Конденсация пара сопровождается выделением
энергии.
При одной и той же температуре сколько энергии
поглощается при испарении жидкости, столько же
ее выделяется при конденсации пара. Иначе говоря,
теплота конденсации равна теплоте испарения.
Примеры конденсации воды встречаются в при-
роде.
Летним вечером, когда воздух становится холод-
нее, выпадает роса. Это водяной пар, находившийся
в воздухе, при охлаждении воздуха оседает на траве
и листьях в виде маленьких капелек воды.
Конденсацией пара объясняется образование
облаков. Пары воды, поднимающиеся над землей,
образуют в верхних, более холодных слоях воздуха
облака, состоящие из множества мельчайших капе-
лек воды.
1. При каких условиях происходит конденсация пара? 2. Ка-
кие явления природы объясняются конденсацией пара?
1. В какую погоду скорее просыхают лужи от дождя: в тихую
или ветреную, в теплую или холодную? Как это можно
объяснить?
2. Почему горячий чай остывает скорее, если на него дуют?
3. Какую роль играет пот, выступающий в жару на теле?
4. Почему в сухом воздухе переносить жару легче, чем
в сыром?
5. Чтобы получить прохладную воду в летнюю жару, ее нали-
вают в сосуды, изготовленные из слабо обожженной глины,
сквозь которую вода медленно просачивается. Вода в таких
сосудах холоднее окружающего воздуха. Почему?
6. Небольшое количество воды находится в стакане и такое
же количество воды налито на блюдце. Где быстрее вода
испарится? Ответ обоснуйте.
7. На стекло или доску кисточкой наносят мазки различных
жидкостей: эфира, спирта, воды и масла. Наблюдая за маз-
ками, замечают, что жидкости испаряются с разной ско-
ростью. Проделайте такой опыт и объясните его.
34. ХОЛОДИЛЬНИК
Явление охлаждения при быстром испарении
жидкости широко используют на практике. Так.
при перевозке скоропортящихся продуктов для
охлаждения вагонов в специальных устройствах
испаряют жидкий аммиак или жидкую углекислоту.
Для получения льда в холодильных установках
испаряется жидкий аммиак в змеевиках, которые
7>
Упр. 10
Для
дополнительного
чтения
S1
4*
Рис. 29.
проходят через раствор соли и охлаждают его ниже
0°С. В раствор соли помещают формы, наполненные
водой. В этих формах, омываемых охлажденным
рассолом, и образуются блоки льда.
В настоящее время широкое применение в быту
получили электрические холодильники. Рассмотрим
принцип действия компрессионного холодильника.
Этот холодильник состоит из трех основных частей:
компрессора А, конденсатора В и испарителя С
(рис. 29).
В змеевике-конденсаторе с помощью компрес-
сора сжимают какое-нибудь вещество, которое легко
переходит из газообразного состояния в жидкое и из
жидкого в газообразное. В качестве таких веществ
применяют аммиак, сернистый ангидрид и др.
При сжатии вещество превращается из газо-
образного состояния в жидкое. Одновременно с этим
компрессор создает в змеевике-испарителе разреже-
ние. Туда через регулирующий вентиль К устремля-
ется жидкое вещество, которое, быстро там испаря-
ется. Испарение сопровождается поглощением энер-
гии, которое отнимается от стенок змеевика, воздуха,
соприкасающегося с ним, и далее от продуктов, на-
ходящихся в холодильной камере. Вследствие этого
в холодильной камере понижается температура и
продукты охлаждаются.
Компрессор приводится в действие электродви-
гателем.
35. КИПЕНИЕ
Явления, происходящие в нагреваемой жидкости,
интересно пронаблюдать на опыте. Для этого будем
нагревать воду в открытом стеклянном сосуде
(рис. 30, а). Прежде всего обратим внимание на то,
что с поверхности воды происходит испарение. На
это указывает туман, образующийся над сосудом:
водяной пар смешивается с холодным воздухом и
конденсируется в виде маленьких капель. Сам пар,
конечно, невидим глазом.
При дальнейшем повышении температуры мы за-
метим появление в воде многочисленных мелких
пузырьков. Их размеры постепенно растут. Это
пузырьки воздуха, который всегда бывает растворен
в воде. Чем холоднее вода, тем большее количество
воздуха в ней может быть растворено. Поэтому при
нагревании излишек воздуха выделяется из воды в
52
Рис. 30.
виде пузырьков. Эти пузырьки содержат не только
воздух, но и водяной пар, так как вода испаряется
внутрь этих пузырьков воздуха.
По мере дальнейшего нагревания воды пузырьки
становятся крупнее и многочисленнее. Размер
пузырьков растет, возрастает и архимедова сила,
выталкивающая их из воды, и наконец они всплыва-
ют. В этот момент бывает слышен «шум», предшест-
вующий обычно кипению.
Постепенно почти все пузырьки всплывут, оста-
нутся лишь маленькие «остаточные» пузырьки. И эти
пузырьки в свою очередь растут при дальнейшем
нагревании. Но теперь уже пузырьки почти целиком
наполнены водяным паром и содержат очень мало
воздуха. Они поднимаются из различных точек
жидкости, быстро следуя друг за другом. С прибли-
жением к поверхности пузырьки растут. На поверх-
ности они лопаются, и находившийся в них водяной
пар выходит в атмосферу — вода кипит (рис. 30, б).
Кипение есть процесс испарения жидкости,
сопровождающийся быстрым образованием и ро-
стом пузырьков пара, прорывающихся через по-
верхность жидкости наружу.
Температуру, при которой жидкость кипит, назы-
вают температурой кипения.
Во время кипения температура жидкости не ме-
няется.
В таблице указаны температуры кипения различ-
ных жидкостей.
Температура кипения различных веществ при нормальном
атмосферном давлении, ° С
Водород —253 Аммиак -33 Спирт 78 Ртуть 357 Медь 2580
Кислород —183 Эфир 35 Вода 100 Свинец 1750 Железо 3050
Из таблицы видно, что вещества, которые в обыч-
ных условиях являются газами, при достаточном
охлаждении обращаются в жидкости, кипящие при
очень низкой температуре. Жидкий кислород, на-
пример, кипит под атмосферным давлением при
—183° С. Наоборот, такие вещества, которые в обыч-
ных условиях мы наблюдаем в твердом состоянии,
обращаются при плавлении в жидкости, кипящие
при очень высокой температуре. Например, медь
кипит при 2580° С, а железо при 3050° С.
1. Какой процесс называют кипением? 2. Какие явления наблю-
даются в нагреваемой жидкости перед тем, как жидкость
начинает кипеть? 3. Какие силы действуют на пузырек возду-
ха, наполненный паром, когда он находится внутри жидкости?
4. Что называют температурой кипения жидкости?
Задание Пронаблюдайте за процессом нагревания и кипения воды.
и Для этого налейте воду в небольшую открытую кастрюльку
пли в жестяную банку и поставьте ее на плиту. Лучше взять
для этого опыта химический стакан или небольшую колбу.
Проследите внимательно за тем, что происходит в воде во
время нагревания. Обратите также внимание ца помутнение
воды перед самым началом кипения и объясните его.
Во время кипения воды подержите наклонно над паром
чистую тарелку. Что наблюдаете? Объясните. Напишите крат-
кий отчет о вашем опыте.
36. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ
И КОНДЕНСАЦИИ
Мы знаем (§ 32), что для поддержания постоян-
ной температуры испаряющейся жидкости необхо-
димо к жидкости подводить определенное количе-
ство теплоты.
Кипение, как мы видели, есть тоже испарение,
только сопровождается оно быстрым образованием,-
и ростом пузырьков пара. Во время кипения тщм-Пе-
ратура жидкости не меняется. Очевидно, для этого
также необходимо во все-время кипения подводить
к жидкости определенное количество теплоты. Это
количество теплоты идет на увеличение энергии об-
разовавшегося при кипении пара.
Количество энергии, необходимое для обраще-
ния в пар 1 кг жидкости без изменения температуры,
называют удельной теплотой парообразования.
В § 32 было указано, что для превращения в пар
1 кг воды при 35° С необходимо 576 ккал, следова-
тельно, удельная теплота парообразования (испарения)
воды при 35° С равна 576 Опытами установлено,
54
что удельная теплота парообразования воды при 100° С
равна 539 иными словами, для превращения
1 кг воды в пар при 100° С требуется 539 ккал, или
2,3-106 дж.
Удельная теплота парообразования некоторых
веществ указана ниже в таблице.
Удельная теплота парообразования жидкостей
при температуре кипения и нормальном давлении
дж кг ккал кг или кал г дж кг ккал кг или кал г
Вода 2.3-10’ 539 Эфир 0.4-10’ 85
Аммиак (жидкий) 1,4- 10е 327 Ртуть 0,3-10’ 70
Спирт 0,9-10’ 204
Удельная теплота парообразования показывает,
на сколько увеличивается энергия 1 кг вещества при
переходе его из жидкого состояния в пар без изме-
нения температуры.
Так, энергия 1 кг водяного пара при 100° С на
539 ккал больше энергии 1 кг воды при 100° С; энер-
гия 1 кг пара спирта при 78° С на 204 ккал больше
энергии 1 кг жидкого спирта при 78° С и т. д.
Значительная часть энергии, затрачиваемой при
превращении жидкости в пар, идет на увеличение
внутренней энергии пара. Так, из 539 ккал, идущих
на парообразование 1 кг воды при 100° С, почти
500 ккал приходится на увеличение внутренней энер-
гии пара. Остальные 39 ккал расходуются на совер-
шение работы против сил внешнего давления (глав-
ным образом против атмосферного давления). Из-
вестно, что объем единицы массы водяного пара при
нормальном давлении и 100° С почти в 1700 раз
больше объема такой же массы воды при той же
температуре.
Таким образом, внутренняя энергия 1 кг водяно-
го пара при 100° С больше внутренней энергии 1 кг
воды той же температуры на 500 ккал, или на
2 • 106 дж.
Соприкасаясь с холодным предметом (рис. 31),
водяной пар конденсируется, при этом выделяется
энергия, поглощенная при образовании пара. Точ-
55
Рис. 31.
иые опыты показывают, что, конденсируясь, пар
отдает то количество энергии, которое пошло на его
образование.
Следовательно, при превращении 1 кг водяного
пара при температуре 100° С в воду той же темпера-
туры выделяется 539 ккал.
Освобождающаяся при конденсации пара энер-
гия может быть использована. На крупных тепловых
электростанциях отработавшим в турбинах паром
нагревают воду. Нагретую таким образом воду
используют для отопления зданий, в банях, прачеч-
ных и для других бытовых нужд.
1. На что расходуется энергия, подводимая к жидкости при
кипении? 2. Что называют удельной теплотой парообразова-
ния? 3. В каких единицах может быть выражена удельная
теплота парообразования? 4. Как понимать, что удельная
ккал
теплота парообразования воды равна 539 5. На сколько
внутренняя энергия 1 кг водяного пара при 100° С больше
внутренней энергии 1 кг воды при той же температуре? 6. Как
можно показать на опыте, что при конденсации пара выделя-
ется энергия? 7. Чему равна энергия, выделяемая при конден-
сации 1 кг водяного пара? в. Где в технике используют выде-
ление энергии при конденсации водяного пара?
37. ПРИМЕРЫ НА РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ
1. Какое количество энергии в джоулях надо
затратить, чтобы 5 кг жидкого аммиака обратить
в газ при температуре кипения аммиака?
По таблице (стр. 55) находим, что удельная теплота
парообразования аммиака при нормальном давлении:
56
L = 1,4- 10е Отсюда следует, что для превращения
5 кг жидкого аммиака в газ при температуре кипения
требуется затратить энергию:
<9 = 1,4.10е —-5 «г = 7,0-106 дж.
2. Какое количество энергии в джоулях требует-
ся для превращения 2 кг воды при /, = 20° С в пар
при /2=Ю0°С? Для большей наглядности изобра-
зим процесс нагревания воды графически (рис. 32).
Участок АВ графика показывает, что вода нагре-
валась до кипения, на что расходовалась энергия:
Qi = ст (/2 — /г).
Участок графика ВС показывает, что вода пре-
вращается в пар без изменения температуры, погло-
щая при этом энергию:
Q2 — Lm.
Общее количество израсходованной энергии:
Q = Qi +- <22.
Подставляя числовые значения величин, получим:
Q = 4200 кд^рад -2 кг• (100 — 20)° +
4- 2,3 • 10" ——— 2 кг 5,3 • 106 дж.
1 ’ кг
1. Как надо понимать, что удельная теплота конденсации
ккал
аммиака равна 327 ~ ?
2. У какого из приведенных в таблице (стр. 55) веществ при
обращении из жидкого состояния в пар энергия увеличи-
вается на большую величину? Ответ обоснуйте.
3. Почему ожог паром, имеющим температуру 100“ С, опаснее
ожога водой той же температуры?
4. Какое количество энергии требуется для обращения 150 г
воды при 100’С в пар?
5. Какое количество энергии нужно затратить, чтобы 5 кг воды
при 0 СС довести до кипения и испарить ее?
6. Какое количество энергии выделит 1 кг пара при 100° С,
если этот пар обратить в воду и охладить ее до 0° С? Выра-
зите эту энергию в джоулях.
7. Для получения льда в холодильных машинах испаряют жид-
кий аммиак. Какое количество аммиака надо испарить, что-
бы из 10 кг воды при 0°С получить 10 кг льда при 0° С?
Подготовьте доклад на одну из следующих тем:
I. Как образуется роса и Шей.
2. Происхождение облаков. Виды облаков.
3. Образование дождя, снега и града.
4. Круговорот воды в природе.
Рис. 32.
Упр. 11
Задание
57
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
38. РАБОТА ГАЗА И ПАРА ПРИ РАСШИРЕНИИ
Мы уже говорили о том, что развитие техники за-
висит от умения как можно более полно использо-
вать громадные запасы внутренней энергии, содер-
жащиеся в топливе.
Использовать внутреннюю энергию — значит
получить за счет нее полезную работу, например
поднять груз, перевезти вагоны и т. п. А это, в свою
очередь, означает, что для использования внутрен-
ней энергии ее нужно сначала превратить в механи-
ческую энергию.
Как это сделать?
В пробирку нальем немного воды, затем плотно
закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Под
давлением пара пробка выскочит и поднимется
вверх. Здесь энергия топлива перешла во внутрен-
нюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершил
работу — поднял пробку.
Заменим пробирку прочным металлическим ци-
линдром, а пробку — плотно пригнанным поршнем,
который может двигаться вдоль цилиндра. Мы по-
лучим простейший тепловой двигатель, в
котором внутренняя энергия топлива может превра-
щаться в механическую энергию. Такой двигатель
был изобретен в конце XVII в. и усовершенствован
в дальнейшем.
Тепловыми двигателями называют машины, в
которых внутренняя энергия топлива превращается
в механическую энергию.
Существует несколько видов тепловых двигате-
лей: паровая машина, двигатель внутреннего сгора-
ния, паровая и газовая турбины, реактивный дви-
гатель.
Во всех этих двигателях энергия топлива сначала
переходит в энергию газа (или пара); без них не
может работать тепловой двигатель. Расширяясь,
газ совершает работу и при этом охлаждается, его
внутренняя энергия переходит в механическую энер-
гию движущегося поршня.
Из всех существующих тепловых двигателей мы
рассмотрим двигатель внутреннего сгорания и паро-
вую турбину.
1. Какие двигатели называют тепловыми? 2. Как в тепловых
двигателях осуществляется процесс превращения энергии
топлива в механическую энергию? 3. Какие виды тепловых
двигателей вам известны?
58
39. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Очень распространенным видом теплового дви-
гателя является двигатель внутреннего сгорания.
В этом двигателе топливо сгорает прямо в цилиндре,
внутри самого двигателя.
Двигатели внутреннего сгорания работают на
жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на
горючем газе.
На рисунке 33 показан разрез простейшего дви-
гателя внутреннего сгорания.
Двигатель состоит из цилиндра, в котором пере-
мещается поршень <?, соединенный прп помощи ша-
туна 4 с коленчатым валом 5. На валу укреплен
тяжелый маховик 6. В верхней части цилиндра
имеются два клапана 1 и 2, которые при работе
двигателя автоматически открываются и закры-
ваются в нужные моменты. Через клапан 1 в ци-
линдр поступает горючая смесь, а через клапан 2
выпускаются отработавшие газы. Маховик 6 пред-
назначен для уменьшения неравномерности враще-
ния вала, так как он обладает большой массой; 7 —
свеча для воспламенения горючей смеси.
В цилиндре такого двигателя периодически про-
исходит сгорание горючей смеси, состоящей из па-
ров бензина и воздуха.
Температура газообразных продуктов сгорания
повышается до 1600—1800° С. Давление на пор-
шень при этом резко возрастает. Расширяясь, газы
толкают поршень, совершая механическую работу.
При этом они охлаждаются, так как часть их внут-
ренней энергии превращается в механическую
энергию.
Рассмотрим более подробно схему работы тако-
го двигателя. Крайние положения поршня в ци-
линдре называют мертвыми точками. Расстояние,
проходимое поршнем от одной мертвой точки до
другой, называют х о до м поршня.
Один рабочий цикл в двигателе происходит за
четыре хода поршня, или, как говорят, за четыре
такта, а затем вновь повторяется. Поэтому такие
двигатели называют четырехтактными.
Один ход поршня, или один такт двигателя, со-
вершается за пол-оборота коленчатого вала.
При повороте вала двигателя в начале первого
такта поршень движется вниз (рис. 34, а).
Объем над поршнем увеличивается. Вследствие
этого в цилиндре создается разрежение. В это время
открывается клапан У и в цилиндр входит горючая
Рис. 33.
59
смесь. К концу первого такта цилиндр заполняется
горючей смесью, а клапан 1 закрывается.
При дальнейшем повороте вала поршень дви-
жется вверх (второй такт) и сжимает горючую смесь
(рис. 34, б). В конце второго такта, когда поршень
дойдет до крайнего верхнего положения, сжатая
горючая смесь воспламеняется (от электрической
искры) и быстро сгорает.
Образующиеся при сгорании газы давят па пор-
шень и толкают его вниз (рис. 34, в). Движение
поршня передастся шатуну, а через него коленча-
тому валу с маховиком.
Получив сильный толчок, маховик затем продол-
жает вращаться по инерции и перемещает скреплен-
ный с ним поршень при последующих тактах.
Под действием расширяющихся горячих газов
(третий такт) двигатель совершает работу, поэтому
этот такт называют рабочим.
В конце третьего такта открывается клапан 2,
и через него продукты сгорания выходят из цилинд-
ра в атмосферу. Выпуск продуктов сгорания про-
должается и в течение четвертого такта, когда пор-
шень движется вверх (рис. 34, г). В конце четвер-
того такта клапан 2 закрывается.
Затем циклы работы двигателя повторяются.
Итак, цикл двигателя состоит из следующих че-
тырех процессов: впуска, сжатия, рабочего хода,
выпуска.
В автомобильных двигателях пуск двигателя
обычно осуществляется вспомогательным электри-
ческим двигателем — стартером.
В автомобилях используют чаще всего четырех-
цилиндровые двигатели внутреннего сгорания. На
рисунке 35 изображен разрез такого двигателя.
Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из
них поочередно происходит рабочий ход и коленча-
тый вал все время получает энергию от одного из
поршней.
Имеются и восьмицилиндровые автомобильные
двигатели. ,
Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени
обеспечивают равномерность вращения вала и
имеют большую мощность.
Применение двигателей внутреннего сгорания
чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движе-
ние автомобили, тракторы, тепловозы, теплоходы
и самолеты (рис. 37). Мощные двигатели внутрен-
него сгорания устанавливают на речных и морских
судах.
Рис. 35.
Разрез четырехцилин-
дрового двигателя
внутреннего сгорания:
1 — поршень; 2 — шатун;
3 — коленчатый вал; 4 —
маховик; 5 — колеса зубча-
той передачи; в — впускной
и выпускной клапаны.
1. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгора-
ния? 2. Из каких основных частей состоит простейший двига-
тель внутреннего сгорания? 3. Какие физические явления про-
исходят при работе двигателя внутреннего сгорания? 4. За
сколько ходов, или тактов, происходит один рабочий цикл
двигателя? Сколько оборотов делает при этом вал двигателя?
5. Какие процессы происходят в двигателе в течение каждого
из четырех тактов? 6. Какую роль играет маховик в двигателе
внутреннего сгорания? 7. Какие двигатели внутреннего сгора-
ния чаще всего применяют в автомобилях? 8. Где еще, кроме
автомобилей, применяют двигатели внутреннего сгорания?
40. ПАРОВАЯ ТУРБИНА
В современной технике широко применяют осо-
бый тип теплового двигателя, в котором пар или
нагретый до высокой температуры газ вращает вал
двигателя без помощи поршня, шатуна и коленча-
того вала. Такие двигатели называют турби-
нами.
Схема действия простейшей паровой турбины
приведена на рисунке 36. На вал 5 насажен диск 4,
по ободу которого закреплены лопатки 3. Около
лопаток расположены расширяющиеся трубы •—
сопла 2, в которые поступает пар 1 из котла. В соп-
лах пар расширяется и выходит из них с огромной
скоростью. Струи пара, вырывающиеся из сопел,
оказывают значительное давление на лопатки
и приводят диск турбины в быстрое вращательное
движение.
В современных турбинах применяют не один,
а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар
последовательно проходит через лопатки всех дис-
ков, отдавая каждому из них часть своей энергии.
Скорость вращения вала такой турбины около
Рис. 36.
61
Рис. 31
3000 оборотов в минуту, что является очень удобным
для приведения в движение генераторов электриче-
ского тока на электростанциях.
На рисунке 38 изображен ротор 1 паровой турби-
ны большой мощности. Видны диски с венцами ло-
паток на них. На электростанциях с турбиной соеди-
нен генератор электрического тока.
На советских заводах в настоящее время изго-
товляют турбины мощностью 800 000 кет. Проекти-
руются турбины на 1 000 000 кет.
Применяют турбины на тепловых электростан-
циях и на кораблях.
Постепенно находят все более широкое приме-
нение газовые турбины, в которых вместо пара ис-
пользуются продукты сгорания газа.
1. Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?
2. В чем отличие в устройстве турбин от поршневых машин?
41. к. п. Д. ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Всякий тепловой двигатель превращает в меха-
ническую энергию только часть той энергии, кото-
рая содержится в сжигаемом топливе. Значитель-
ная часть энергии топлива не используется полезно,
а рассеивается в окружающем пространстве.
Отношение той части энергии, которая пошла на
совершение полезной работы двигателя, ко всей
1 Ротор — от латинского слова вращать; обозначает вра-
щающуюся часть турбины с насаженными на нее дисками. 63
энергии, содержавшейся в сгоревшем топливе, на-
зывают коэффициентом полезного действия (к.п.д.)
теплового двигателя.
К.п.д. выражают обычно в процентах. К.п.д. дви-
гателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых
турбин — около 30%.
?
Задание
Что называют к. п. д. теплового двигателя?
Подготовьте доклад на одну из следующих тем:
I. Роль тепловых двигателей в развитии техники и про-
мышленности.
2. К. п. д. тепловых машин и пути его увеличения.
3. Первые тепловые машины.
4. Первые паровозы Стефенсона и Черепанова.
5. Первые пароходы.
6. Двигатель внутреннего сгорания — дизель.
7. Теплоходы.
8. Тепловые двигатели в авиации.
9. Реактивные двигатели.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
aiiiniiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiniiiiiiiiiHiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiin
СТРОЕНИЕ АТОМА
42. ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТЕЛ ПРИ СОПРИКОСНОВЕНИИ
Перейдем к изучению тех физических явлений,
которые называют электрическими явлениями. Сло-
ва «электричество», «электрический ток» знакомы
каждому современному человеку. В наших домах,
на транспорте, на заводах и фабриках, в сельском
хозяйстве используют электрический ток (см. цвет-
ную вклейку). Начнем изучение электричества
с явлений; в которых впервые был обнаружен элек-
трический заряд.
Если потереть стеклянную палочку о лист бума-
ги и поднести се к руке, то можно услышать легкий
треск, а в темноте можно увидеть небольшие искор-
ки. Кроме того, палочка приобретает способность
притягивать к себе листочки бумаги, пушинки, тон-
кие струйки воды (рис. 39). Подобные явления
наблюдаются и при расчесывании сухих волос рас-
ческой.
Эти явления были обнаружены еще в глубокой
древности. Древнегреческие ученые в подобных
опытах часто пользовались янтарем1. Они и заме-
тили, что янтарь при натирании его шерстью начи-
нает притягивать к себе различные тела По-грече-
ски янтарь — электрон, поэтому явления, возни-
кающие при трении тел друг о друга, назвали элек-
трическими явлениям и.
Про тело, которое после натирания притягивает
к себе другие тела, говорят, что оно наэлектризова-
но или, что ему сообщен электрический заряд.
Сообщение телу электрического заряда называют
электризацией тела.
Электризоваться могут тела, сделанные из раз-
ных веществ. Легко наэлектризовать натиранием
о шерсть палочки из резины, серы, эбонита 1 2, пласт-
массы, капрона.
1 Янтарь — окаменевшая смола хвойных деревьев, кото-
рые росли на Земле много сотен тысяч лет назад.
2 Эбонит—каучук с большой примесью серы.
Рис. 39.
5 Физика 7 кл.
65
Рис. 40.
Электризация тел происходит не только при
их трении, но и при соприкосновении. Потирают
тела друг о друга лишь для того, чтобы увеличить
площадь их соприкосновения.
В электризации всегда участвуют два тела: в рас-
смотренных выше опытах стеклянная палочка
соприкасалась с листом бумаги, кусочек янтаря —
с мехом или шерстью, палочка из плексигласа —
с шелком. При этом электризуются оба тела. Напри-
мер, при соприкосновении стеклянной палочки
и куска резины электрический заряд возникает и на
стекле, и на резине. Резина, как и стекло, начинает
притягивать к себе легкие тела (рис. 40).
Электрический заряд можно передать от. одного
тела к другому. Для этого нужно коснуться наэлек-
тризованным телом другого тела, и тогда часть
электрического заряда перейдет на него. Как убе-
диться, что и второе тело наэлектризовано? Для
этого, как мы уже знаем, нужно поднести к нему
.мелкие листочки бумаги и посмотреть, будут ли они
притягиваться.
1. Как обнаружить на опыте возникновение электрического
заряда на телах, потертых друг о друга? 2. Каково происхо-
ждение слова «электричество»? 3. Что называют электризацией
тела? 4. Как показать, что при соприкосновении электризу-
ются оба тела?
43. ДВА РОДА ЗАРЯДОВ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ,
ИМЕЮЩИХ ЗАРЯДЫ
Все наэлектризованные тела приобретают свой-
ство притягивать к себе другие тела, например
листочки бумаги. По притяжению тел нельзя отли-
чить электрический заряд стеклянной палочки, по-
тертой о шелк, от заряда, полученного на эбонитовой
палочке, потертой о мех. Ведь обе наэлектризован-
ные палочки притягивают листочки бумаги.
Означает ли это, что заряды, полученные на те-
лах, сделанных из различных веществ, ничем не
отличаются друг от друга?
Обратимся к опытам. Наэлектризуем эбонито-
вую палочку, подвешенную на нити. Приблизим к
ней другую такую же палочку, наэлектризованную
трением о тот же кусочек меха. Палочки оттолкнут-
ся (рис. 41). Поскольку палочки одинаковые и
66 наэлектризовали их трением об одно и то же тело,
можно сказать, что на них были заряды одного
рода. Значит, тела, которым сообщены заряды од-
него рода, взаимно отталкиваются.
Теперь поднесем к подвешенной эбонитовой па-
лочке стеклянную палочку, потертую о шелк. Зная
уже, что одинаково наэлектризованные тела оттал-
киваются, можно сказать: если и здесь обнаружится Рчс. 41.
отталкивание, то заряд, полученный на стекле, бу-
дет того же рода, что и заряд, полученный на эбо-
ните. Но, оказывается, стеклянная и эбонитовая
палочки взаимно притягиваются (рис. 42). Сле-
довательно, заряд, полученный на стекле, потертом
У о шелк, другого рода, чем на эбоните, потертом
о мех. Значит, существует два рода электриче-
, ских зарядов.
Приблизим к подвешенной наэлектризованной 6
эбонитовой палочке другие наэлектризованные тела •«— - гт J
из различных веществ: резины, плексигласа, пласт- П1к —
массы, капрона. Мы увидим, что в одних случаях
эбонитовая палочка оттолкнется от поднесенных к рас- 42-
ней тел, в других — притянется. Если эбонитовая
палочка оттолкнулась, значит, на поднесенном к ней
теле заряд такого же рода, как и на ней. А заряд
тех тел, к которым эбонитовая палочка притянулась,
сходен с зарядом, полученным на стекле, потертом
о шелк. Поэтому можно считать, что существует
только два рода электрических зарядов.
Заряд, полученный на стекле, потертом о шелк
(и на всех телах, где получается заряд такого же
рода), назвали положительным^ а заряд,
полученный на янтаре (а также эбоните, сере, ре-
зине) , потертом о шерсть, назвали отрицатель-
н ы м. Эти названия условны, но их применяют в
физике для обозначения рода заряда.
Итак, опыты показали, что существует два рода
электрических зарядов — положительные и отрица-
тельные заряды и что наэлектризованные тела по-
разному взаимодействуют друг с другом.
Тела, имеющие электрические заряды одинако-
вого знака, взаимно отталкиваются, а тела, имею-
щие заряды противоположного знака, взаимно при-
тягиваются.
Взаимодействие тел, имеющих заряды одинако-
вого или разного знака, можно показать еще на
одном опыте
Коснемся заряженной эбонитовой палочкой гиль-
зы, висящей на шелковой нити. После прикоснове-
ния гильза оттолкнется от палочки (рис. 43), так как
на гильзу перешла с палочки часть заряда и, следо- 67
5*
Рис. 43.
вательно, гильза получила заряд того же знака.
Если теперь к гильзе поднести тело, заряженное по-
ложительно, то гильза притянется к нему (рис. 44).
1. Как взаимодействуют друг с другом две эбонитовые па-
лочки, наэлектризованные трением о мех? 2. Как показать,
что заряд, полученный на стекле, потертом о шелк, является
зарядом другого рода, чем заряд эбонитовой палочки, потер-
той о шерсть? 3. Какие два рода электрических зарядов
существуют в природе? Как их называют? 4. Как взаимодей-
ствуют тела, имеющие заряды одного знака, разного знака?
Задание
Оберните круглый карандаш металлической бумагой
(фольгой) и осторожно снимите с карандаша образовавшуюся
гильзу. Подвесьте ее на шелковой или капроновой нити, как
показано на рисунке 44. Коснитесь гильзы наэлектризованным
телом, заряд которого вам известен. Затем наэлектризуйте
другие, имеющиеся в вашем распоряжении тела и, поднося их
к гильзе, определите знак их заряда. Результаты опыта запи-
шите.
44. ЭЛЕКТРОСКОП
Если тела наэлектризованы, то они или притяги-
ваются друг к другу, или взаимно отталкиваются. По
притяжению или отталкиванию можно судить, сооб-
щен ли телу электрический заряд. Поэтому и устрой-
ство прибора, при помощи которого выясняют, на-
электризовано ли тело, основано на взаимодействии
заряженных тел. /
Две полоски бумаги подвешивают на проволоке,
укрепленной на эбонитовой подставке. Если коснуть-
ся проволоки наэлектризованной палочкой, то часть
68
Рис. 46.
заряда с палочки перейдет на проволоку и на бу-
мажные полоски и они разойдутся (рис. 45).
Этот опыт позволяет обнаружить, наэлектризо-
вано ли тело. Такие же листочки, но не из бумаги,
а из фольги и являются основной частью электро-
скопа 1 — прибора для обнаружения электризации
тел (рис. 46). Для предохранения листочков фольги
от посторонних воздействий их прикрепляют к кон-
цу металлического стержня и помещают в стеклян-
ный сосуд.
На рисунке 46 изображен школьный электро-
скоп. В нем через пластмассовую пробку, вставлен-
ную в металлическую оправу, пропущен металличе-
ский стержень с листочками. Оправа с обеих сторон
закрыта стеклами.
Чем больше величина заряда электроскопа, тем
больше сила отталкивания листочков и тем на боль-
ший угол они разойдутся Значит, по изменению
угла расхождения листочков электроскопа можно
судить, увеличился или уменьшился его заряд.
Если к заряженному электроскопу подносить
тело, заряженное таким же, как электроскоп, элек-
тричеством, листочки электроскопа расходятся еще
сильнее (рис. 47, а).. Приближая к электроскопу
тело, заряженное противоположным по знаку элек-
тричеством, мы заметим, что угол между листочка-
ми электроскопа уменьшается (рис. 47, б). Следова-
тельно, электроскоп позволяет обнаружить, зарядом
какого знака наэлектризовано то или другое тело.,
а
б
Рис. 47.
1. Как при помощи листочков бумаги обнаружить, наэлектри-
зовано ли тело? 2. Опишите устройство школьного электро-
скопа. 3. Как по углу расхождения листочков электроскопа
судят о величине его заряда? 4. Как при помощи электроскопа
определить знак неизвестного заряда?
1 Электроскоп — от греческих слов «электрон» и «ско-
пео». С к о п е о — наблюдать, обнаруживать.
69
45. ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Рис. 48.
При изучении механики мы узнали о силе тяже-
сти и силе упругости. Мы знаем также, что сущест-
вуют силы молекулярного взаимодействия, они про-
являются лишь на очень малых, сравнимых с разме-
рами молекул расстояниях.
Теперь мы узнали, что и между наэлектризован-
ными телами существуют силы взаимодействия —
притяжения и отталкивания. Силы взаимодействия
наэлектризованных тел называют электрическими
силами.
Наэлектризованные тела взаимодействуют, на-
ходясь на расстоянии друг от друга.
/Мы уже встречались с подобным случаем взаимо-
действия — всемирным тяготением. Все тела Все-
ленной притягиваются друг к другу, находясь на
громадных расстояниях. Взаимное притяжение испы-
тывают планеты и Солнце, Земля и Луна.
Для сравнения вспомним известный нам пример,
когда силы возникают только при соприкосновении
тел. Сжатая (деформированная) пружина действует
на тело силой упругости. Эта сила приложена к те-
лу, и точка ее приложения находится там, где пру-
жина касается тела (рис. 48). И электрическая сила
приложена к гильзе, заставляет ее двигаться, но при
этом другое наэлектризованное тело— палочка — не
касается гильзы. Может быть, взаимодействие пере-
дается через воздух? Однако наэлектризованные
тела взаимодействуют и в безвоздушном простран-
стве.
Значит, само пространство, окружающее наэлек-
тризованную палочку, отличается от пространства,
находящегося вокруг ненаэлектризованных тел.
В чем же состоит это отличие? Если в простран-
ство, окружающее наэлектризованное тело, внести
другое заряженное тело, например гильзу, то на нее
подействует электрическая сила. В пространстве,
окружающем ненаэлектризованное тело, этого не
будет.
В первом случае говорят, что гильза находится
в электрическом поле. Электрическое поле сущест-
вует вокруг каждого наэлектризованнбго тела, но
мы его не видим и не ощущаем. Обнаружить поле
можно по действию его на заряженное тело. При
этом внесенное в поле заряженное тело — гильза —
тоже создает вокруг себя электрическое поле, кото-
рое действует на палочку. Следовательно, как и всег-
да, наблюдается взаимодействие тел.
70
Итак, электрическое поле обладает тем свойст-
вом, что если в любую его точку поместить наэлек-
тризованное тело, то на это тело подействуют элек-
трические силы.
Проделаем опыты, которые позволят больше
узнать об электрическом поле.
Подвесим на нити гильзу, заряженную положи-
тельно. Поднесем к пей заряженную положительно
палочку, как показано на рисунке 49, а. Затем бу-
дем приближать подставку с гильзой к заряженной
палочке. По углу отклонения нити заметим, что, чем
ближе гильза к палочке, тем с большей силой дейст-
вует на нее электрическое поле. Следовательно,
'.вблизи заряженных тел действие поля сильнее,
а при удалении от них поле ослабевает.
Поднесем к той же гильзе палочку, заряженную
отрицательно. Направление действующей на гильзу
силы изменится на противоположное (рис. 49, б) по
сравнению с первым опытом. Значит, направление
электрических сил. зависит от знака заряда тела,
вокруг, которого существует пбле.
1. В чем отличие действия электрических сил от сил упруго-
сти? 2. Чем отличается пространство, окружающее наэлектри-
зованное тело, от пространства, окружающего ненаэлектризо-
ванное тело? 3. Как можно обнаружить электрическое поле?
4. Как изменяется сила, действующая на заряженную гильзу
при удалении ее от заряженного тела, при изменении знака
его заряда?
a
46. ДЕЛИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА
При объяснении тепловых явлений мы пользо-
вались знаниями о молекулярном строении вещест-
ва. А как объяснить явление электризации? Почему
тела электризуются? Почему на двух соприкасаю-
щихся телах возникают заряды обязательно проти-
воположного знака? Чтобы ответить на эти и мно-
гие другие вопросы, недостаточно знаний о молеку-
лярном строении вещества. Ведь молекулы и атомы
в обычном состоянии не имеют электрического заря-
да, поэтому их перемещением нельзя объяснить
электризацию тел. Может быть, в природе имеются
заряженные частицы?
Опыты показывают, что электрический заряд
можно разделить на части. Зарядим металлический
шар, прикрепив его к стержню электроскопа, что-
бы было видно, что он заряжен. Соединим этот шар
с другим, точно таким же, но незаряженным шаром
(рис. 50, а). Половина заряда перейдет с первого
Рис. 50 а
шара на второй (рис. 50, б). Значит, первоначаль-
ный заряд разделился на две равные части.
Теперь разъединим шары и коснемся второго
шара рукой. От этого он потеряет заряд — разря-
дится. Присоединим его снова к первому шару, на
котором осталась половина первоначального заряда.
Оставшийся заряд снова разделится на две равные
части, и на первом шаре останется четвертая часть
первоначального заряда.
Таким же образом можно получить одну вось-
мую, одну шестнадцатую часть первоначального за-
ряда и т. д. Но скоро оставшийся на шаре заряд ста-
нет таким малым, что обнаружить его обычным элек-
троскопом не удастся.
Для деления заряда на очень маленькие порции
нужно передавать его не шарам, а маленьким кру-
пинкам металла или капелькам жидкости. Измеряя
заряд, полученный на таких маленьких телах, уста-
новили, что можно получить порции заряда, в мил-
лиарды миллиардов раз меньшие, чем в предыду-
щем опыте. Но дальше определенной величины
заряд разделить по удавалось. Это позволило пред-
положить, что существует заряженная частица, ко-
торая имеет самый малый заряд.
1. Как на опыте показать, что электрический заряд делится на
части? 2. Можно ли электричеуий заряд делить бесконечно?
47. ОПЫТ ИОФФЕ И МИЛЛИКЕНА. ЭЛЕКТРОН
Существование мельчайших частиц, имеющих
наименьший электрический заряд, было доказано
многими опытами Рассмотрим один из них — опыт
Иоффе и Милликена. Назван опыт по фамилиям
советского и американского ученых, которые проде-
лали его независимо друг от друга.
Ознакомимся сначала с физическим явлением,
которое было использовано в этом опыте. Оно состо-
ит в том, что под действием световых и рентгенов-
ских лучей тело может потерять отрицательный или
приобрести положительный электрический заряд.
Например, цинковая пластинка, заряженная отри-
цательным зарядом, разряжается под действием
световых лучей (рис. 51а).
Это явление, названное фотоэффектом,
было изучено русским ученым Столетовым.
В опытах Иоффе и Милликена в закрытый сосуд
помещали металлические пластины П, расположен-
ные горизонтально (рис. 51(5). Между пластинами
разбрызгивали мельчайшие капельки жидкого мас-
ла, которые при разбрызгивании наэлектризовыва-
лись. Затем эти капельки наблюдали в микроскоп.
Выбрав одну из них, например капельку К, замеча-
ли, что она падает, так как на нее действует сила
тяжести.
Положим, что капля К зарядилась при раз-
брызгивании отрицательным зарядом. Тогда ее па-
дение можно задержать, зарядив нижнюю пластину
отрицательным зарядом, а верхнюю — положитель-
ным. Пластины заряжали так, чтобы капля остано-
вилась, то есть чтобы’действующая на нее электри-
ческая сила Гол, направленная вверх, была равна
силе тяжести (FT): Fax —Ft-
Определяли силу тяжести, а значит, и равную ей
электрическую силу. Это позволило вычислить заряд
капли по величине электрической силы и известно-
му из опыта заряду пластин, так как электрическая
сила зависит от величины зарядов капли и пластин.
Затем заряд капель изменяли, действуя на них
рентгеновскими лучами, то есть используя явление
фотоэффекта. Капля К снова начинала падать, так
как вследствие потери части заряда уменьшалась
действующая на нее электрическая сила. Каплю
снова останавливали, меняя заряд пластин. Опять
вычисляли заряд капли. Так поступали несколько
раз. При этом заряд капли оказывался каждый раз
другим. Но все его изменения были в целое число
раз (т. е. в 2, 3, 4 ... и т д.) больше одной опреде-
ленной величины
Рис. 51 б.
Упр. 12
Этот результат можно объяснить только так: к
капле присоединяется или от нее отделяется только
определенный наименьший заряд, который дальше
уже не делится, или целое число таких зарядов.
Следовательно, существует заряженная частица,
имеющая самый маленький электрический заряд,
далее уже не делимый. Эту частицу назвали элек-
троном. Электрон, очень мал, его масса примерно в
3700 раз меньше массы молекулы водорода — наи-
меньшей из всех молекул.
Электрический заряд —одно из основных свойств
электрона. Нельзя представить, что этот заряд
можно «снять» с электрона, они неотделимы друг от
друга. Электрон —• частица с наименьшим отрица-
тельным зарядом.
1. В описанном (§ 47) опыте нижнюю пластину заряжали от-
рицательно. Находящаяся ранее в равновесии капля стала
двигаться вверх. Как изменился ее заряд? Увеличилось или
уменьшилось число электронов на ней?
48. ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА. ЯДЕРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА
Опыт Иоффе и Милликена и ряд других опытов
доказали существование наименьшей частицы отри-
цательного электричества — электрона. Откуда бе-
рутся электроны?
Можно предположить, что электроны есть во всех
телах, так как все тела можно наэлектризовать. Мы
знаем, чго все тела состоят из молекул, а молекулы
из атомов, значит, электроны следует «искать» в
атомах.
В начале нашего столетия опыт по исследованию
состава и строения атома был поставлен англий-
ским физиком Резерфордом. Идея опыта состоит
в следующем. Через пластину металла пропускают
очень маленькие, сравнимые по размерам с атомом
заряженные частицы, летящие с большой скоро-
стью. По тому, как пролетают эти частицы-«снаря-
ды» через атомы металла, можно узнать, есть ли в
атоме другие заряженные частицы или нет.
К тому времени, когда были поставлены опыты
Резерфорда, такие «снаряды» уже имелись в распо-
ряжении ученых. Оказалось, что в природе есть
такие вещества (уран, радий и др.), из атомов кото-
рых непрерывно вылетают маленькие, заряженные
положительным зарядом частицы. Называют их
альфа-частицами и обозначают буквой а (а-з-первая
Рис. 52.
буква греческого алфавита, читается она так: альфа).
Они имеют громадную скорость—около 15 000 —. Эти
маленькие снаряды, предоставленные самой природой,
и были использованы в опыте Резерфорда. Рассмот-
рим этот опыт (рис. 52).
В свинцовую коробочку 1 поместили вещество,
испускающее а-частицы. Через небольшое отвер-
стие частицы вылетали из коробочки тонким пуч-
ком 2.
Для обнаружения а-частиц воспользовались
экраном 4, покрытым особым составом. При ударе
каждой а-частицы на экране возникала вспышка.
Иначе а-частицу трудно обнаружить, ведь ее нельзя
увидеть даже в микроскоп. Перед экраном помеща-
ли тончайшую золотую пластинку 3. Хотя эта
пластинка была очень тонка (толщина ее 0,001 мм),
но в ней по толщине укладывалось около 3300 слоев
атомов золота.
Как пролетят сквозь эту пластину а-частицы?
Результаты опыта показали, что большинство
а-частиц пролетели через золотую фольгу так, как
будто на их пути ничего не было. Часть а-частиц
немного отклонилась при прохождении сквозь пла-
стинку. И только незначительная часть а-частиц
отклонилась на большой угол, а некоторые из них
(всего 33 частицы из 150 000) были отброшены почти
назад.
Результаты опыта были объяснены Резерфордом.
Из опыта следует, что в атоме есть пустоты, не
заполненные частицами вещества. Эти пустоты со-
ставляют значительную долю атома, иначе многие
а-частицы не пролетели бы прямо сквозь пластинку.
75
Небольшое отклонение а-частиц было объяснено
так: а-частицы прошли, очевидно, около каких-то
заряженных частиц, причем сравнительно далеко от
них, так как притяжение или отталкивание было не
очень сильным.
Третий, очень важный вывод был сделан на осно-
вании того, что некоторые а-частицы отбрасывались
атомами золота назад. Какие причины могли заста-
вить повернуть назад быстро летящую положительно
заряженную частицу? Очевидно, она налетела на
другую частицу, которая ее оттолкнула. Но это
могло произойти лишь в том случае, если эта части-
ца была заряжена, как и а-частица, положительным
зарядом.
Кроме того, при взаимодействии двух частиц, как
и всяких двух тел, значительнее изменяется скорость
той частицы, масса которой меньше. Скорость а-ча-
стицы, отброшенной назад, значительно меняется
при взаимодействии, следовательно, ее масса меньше
массы той частицы, с которой она столкнулась.
Итак, опыт Резерфорда показал, что внутри ато-
ма есть положительно заряженные частицы. Среди
этих частиц есть такие, масса которых больше массы
а-частицы
А где же находятся электроны?
Резерфорд предположил, что атом имеет слож-
ное строение. В центре атома имеется заряженная
положительным зарядом частица—ядро атома.
Именно от ядра и отталкивались те немногие а-ча-
стицы, которые оказывались близко от него.
На большом расстоянии от ядра (по сравнению
с его размерами) в атоме находятся мельчайшие
отрицательно заряженные_ частицы — электроны.
Они притягиваются, но не приближаются вплотную
к ядру, потому что быстро движутся вокруг него.
Масса всех электронов составляет незначительную
часть массы атома, сотые доли процента.
По своему строению атом напоминает нашу сол-
нечную систему. Подобно тому как планеты, притя-
гиваясь к Солнцу, движутся вокруг него, так и элек-
троны в атоме движутся вокруг ядра, удерживаемые
силами притяжения к нему.
Расстояния между ядром и электронами очень
велики по сравнению с размерами этих частиц.
Если бы весь атом увеличился так, что ядро приня-
ло размеры десятикопеечной монеты, то расстояние
между ядром и электронами стало бы равно целому
километру!
Можно сказать, что атом в основном пустой.
76
Подсчитали, что если бы все электроны примкнули
вплотную к ядрам, т. с. не было бы внутриатомных
промежутков, то объем тела взрослого человека
стал бы равным одной миллионной доле кубического
миллиметра!
Ядро, как уже было сказано, имеет положитель-
ный заряд. По величине этот заряд равен заряду
всех электронов, движущихся вокруг ядра. Но заряд
электронов отрицателен, поэтому весь атом в целом
нейтрален, т. е. не имеет заряда. Такое представле-
ние о строении атома, предложенное Резерфордом,
назвали ядер ной моделью атома.
1. С какой целью был поставлен опыт Резерфорда? 2. Откуда
берутся а-частицы? Что вы о них знаете? 3. Опишите опыт
Резерфорда. 4. Каковы результаты опыта? 5. Как эти резуль-
таты были объяснены Резерфордом? 6. Какова ядерная модель
атома?
49. СТРОЕНИЕ АТОМОВ
Атомы разных элементов в обычном состоянии
отличаются друг от друга числом электронов, дви-
жущихся вокруг ядра. Так, в атоме водорода вокруг
ядра движется один электрон, в атоме гелия — два
электрона. Есть атомы с тремя, четырьмя электро-
нами и т. д. Вокруг ядра атома кислорода движется
8 электронов, железа — 26, урана — 92 электрона.
Но все же главной характеристикой данного хи-
мического элемента является не число электронов,
а заряд ядра.
Дело в том, что электроны могут иногда отры-
ваться от атома и тогда общий заряд электронов в
атоме изменится. Заряд же ядра изменить очень
трудно. А если он изменится, то это уже будет соот-
ветствовать образованию другого химического эле-
мента.
Так как заряд ядра равен общему заряду элек-
тронов атома, можно предположить, что ядро со-
стоит из положительно заряженных частиц. Дейст-
вительно, если «бомбардировать» вещество еще бо-
лее быстрыми частицами, чем в опыте Резерфорда,
то из ядра могут быть выбиты положительно заря-
женные частицы, их назвали протонами. Каждый
протон имеет массу в 1840 раз большую, чем масса
электрона, заряд протона положителен, равен по
абсолютной величине заряду электрона.
После того как был осуществлен опыт Резерфор-
да и доказано существование протонов, ученые про-
должали исследование состава ядра. Они обнару-
77
Рис. 53.
Упр. 13
жили, что, кроме протонов, в ядрах атомов содер-
жатся еще нейтральные (не имеющие заряда)
частицы, получившие название нейтронов. Масса
нейтрона равна массе протона. Итак, строение ато-
ма таково: в центре атома находится ядро, состоя-
щее из протонов и нейтронов, а вокруг ядра дви-
жутся электроны.
На рисунке 53 представлены модели атомов во-
дорода, гелия и лития. Протоны обозначены на
рисунке кружками со знаком «плюс», нейтроны —
белыми кружками.
Напомним, что атом в целом не имеет заряда, он
нейтрален, потому что положительный заряд его
ядра равен отрицательному заряду всех его элек-
тронов.
Но атом, потерявший один или несколько элек-
тронов, уже не является нейтральным, а будет иметь
положительный заряд. Его называют тогда и о л о-
ж и т е л ь н ы м ионом.
Бывают случаи обратные: лишний электрон при-
соединяется к нейтральному атому, тогда атом при-
обретает отрицательный заряд, становится отри-
цательным ионом.
1. Чем отличаются Друг от друга атомы различных химиче-
ских элементов? 2. Что является главной характеристикой
данного химического элемента? 3. Какие частицы входят в
состав ядра? 4. Каково строение атомов водорода, гелия и
лития? 5. Как образуются положительные и отрицательные
ионы?
1. Альфа-частицы пролетают через пластинку из лития. Где
проходят те а-частицы, которые почти не отклонились, кото-
рые отклонились немного, которые были отброшены назад?
2. В ядре атома углерода содержится 12 частиц. Вокруг ядра
движутся 6 электронов. Сколько в ядре этого атома прото-
нов и сколько нейтронов?
3. От атома гелия отделился один электрон. Как называется
оставшаяся частица? Каков ее заряд?
50. ОБЪЯСНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ТЕЛ
Знания о строении атомов помогают объяснить
электризацию тел при соприкосновении.
В обычных условиях число электронов в любом
теле равно числу протонов в нем. Все электроны
одинаковы, и каждый из них имеет наименьший
отрицательный заряд. Все протоны также одинако-
вы, и каждый из них имеет положительный заряд,
равный заряду электрона. Значит, сумма всех отри-
78 цательных зарядов в теле равна сумме всех положи-
тельных зарядов в нем и тело в целом не имеет
заряда: оно электрически нейтрально.
Если же нейтральное тело приобретет электроны
от какого-нибудь другого тела, то оно получит от-
рицательный заряд. Таким образом, тело заряжено
отрицательно в том случае, если оно обладает избы-
точным по сравнению с нормальным числом элек-
тронов.
А если нейтральное тело теряет электроны, то
оно получает положительный заряд. Таким образом,
тело обладает положительным зарядом, если у него
недостаточно электронов.
Следовательно, тело электризуется, т. е. получает
электрический заряд, когда оно приобретает или
теряет электроны.
Когда эбонитовую палочку трут о шерсть, то она,
как мы уже знаем, заряжается отрицательно,
а шерсть при этом заряжается положительно. Это
объясняется так. Атомы шерсти слабее удерживают
входящие в их состав электроны, чем атомы эбони-
та, и поэтому электроны переходят из шерсти на
эбонит. Теперь шерсть имеет недостаток электронов,
а эбонит — избыток их.
Как показывает опыт, заряды шерсти и эбонито-
вой палочки равны по величине. Это и понятно. Ведь
сколько электронов ушло с шерсти, столько же их
прибавилось на эбоните.
Значит, при электризации тел заряды не создают-
ся, а только разделяются: часть отрицательных за-
рядов переходит с одного тела на другое.
А как объяснить, почему часть заряда переходит
с наэлектризованного тела на ненаэлектризованное
во время их соприкосновения? Вспомним, как мы за-
ряжали гильзу (см. рис. 43), передавая ей часть за-
ряда с палочки. Если мы касаемся гильзы отрица-
тельно заряженным телом, то с него часть электро-
нов переходит па гильзу и она также заряжается
отрицательно.
Дело в том. что на заряженной палочке был из-
лишек электронов и они друг от друга отталкива-
лись. Это и явилось причиной перехода части элек-
тронов с палочки на гильзу при их соприкосновении.
А как передается гильзе положительный заряд?
При соприкосновении гильзы с положительно заря-
женным телом перемещаться будут тоже электроны,
но теперь они с гильзы перейдут на положительно
заряженную палочку. Причиной перемещения элек-
тронов является притяжение их к палочке. И в том
и в. другом случае перемещаются с тела на тело
79
только электроны, положительно заряженные ионы
остаются на своих местах.
Если заряд передают от заряженного шара к не-
заряженному и размеры шаров одинаковы, то заряд
разделится пополам (см. рис. 50, б). Но если второй,
незаряженный шар больше, чем первый, то на него
перейдет больше половины заряда. Чем больше тело,
которому передают заряд, тем большая часть заря-
да па пего перейдет. На этом основано так называе-
мое заземление — передача заряда Земле.
Земной шар велик по сравнению с телами, находя-
щимися на нем. Поэтому при соприкосновении с
Землей заряженное тело отдает ей почти весь свой
заряд и практически становится электрически ней-
тральным.
1. Объясните электризацию тел при соприкосновении. 1. По-
чему при электризации трением на телах появляются равные
по величине, но противоположные по знаку заряды? 3. Как
передается бумажной гильзе заряд с тела, наэлектризованно-
го отрицательно, положительно? 4. От чего зависит, какая
часть заряда перейдет на ненаэлектризованное тело при
соприкосновении его с наэлектризованным телом? 5. Почему
при заземлении в землю уходит с тела почти весь заряд?
51. ПРОВОДНИКИ И НЕПРОВОДНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Чтобы разделить электрический заряд на две
части, соединяют электроскопы металлическим
стержнем (см. рис. 50). Если заменить его стерж-
нем из стекла, то заряд по нему не перейдет. По
способности передавать электрические-заряды веще-
ства делятся на проводники и не прово д-
н и к и.
Вещества, по которым заряды передаются, назы-
вают проводниками электричества. Вещества, по
которым заряды не передаются, называют непровод-
никами электричества или изоляторами *.
Хорошие проводники электричества — металлы,
почва, растворы солей, кислот или щелочей в воде,
графит (например, грифель карандаша), Тело чело-
века также проводит электричество. Это можно
очень просто обнаружить на опыте. Дотронемся до
заряженного электроскопа рукой. Листочки тот-
час же опадут. Заряд с электроскопа переходит по
нашему телу через пол комнаты в землю.
Из металлов лучшие проводники электричест-
ва— серебро, медь и алюминий, поэтому провода
1 Изолятор — от итальянского слова «изоляро», что
значит «уединять».
80
электрической сети чаще всего делают из меди или
алюминия.
К хорошим изоляторам относятся эбонит, янтарь
и другие смолистые вещества, фарфор, резина, раз-
личные пластмассы, шелк, капрон, керосин, масла.
Существование проводников и изолятороз мож-
но объяснить, зная строение атома. Те электроны,
которые движутся в атоме, располагаясь дальше от
ядра, притягиваются к нему слабее, чем ближние
электроны. Ведь электрическое поле ядра убывает
с расстоянием от ядра. Особенно слабо удерживают-
ся эти удаленные электроны атомами металлов.
Поэтому в металлах электроны, наиболее удаленные
от ядра, покидают свое место и свободно движутся
между атомами Эти электроны называют свобод-
н ы м и э л е к т р очами. Те вещества, в которых
есть свободные электроны, являются проводниками.
Как переходит заряд с одного электроскопа на
другой по проводнику? Соединим незаряженный
электроскоп с отрицательно заряженным при помо-
щи металлического стержня. Свободные электроны
стержня окажутся в электрическом поле и придут
в движение по направлению к незаряженному элек-
троскопу. На стержне этого электроскопа образует-
ся избыток электронов, и он зарядится отрицательно.
Когда электроны распределятся равномерно по
обоим электроскопам и стержню, то перемещение их
прекратится
В эбоните, резине, пластмассах и многих других
неметаллах элект роны прочно удерживаются в своих
атомах и не могут двигаться свободно Поэтому
такие вещества являются непроводниками, или изо-
ляторами.
Знания об электроне и о строении атома позво-
ляют объяснить явление, с которого мы начали изу-
чение электричества: притяжение предварительно
ненаэлектризованиых тел к наэлектризованным. По-
чему, например, притягивается к заряженной палоч-
ке гильза, которую мы предварительно не наэлектри-
зовали? Ведь мы знаем, что электрическое поле дей-
ствует только на заряженные тела.
Дело в том, что в гильзе есть свободные электро-
ны. Как только гильза будет внесена в электрическое
поле, электроны придут в движение под действием
сил поля. Если палочка заряжена положительно, то
электроны перейдут на тог конец гильзы, который
расположен ближе к палочке. Этот конец гильзы за-
рядится отрицательно. На противоположном конце
гильзы будет недостаток электронов, и этот конец
6 Физика. 7 Асл.
81
окажется заряженным положительно. Отрицательно
заряженный край гильзы ближе к палочке, поэтому
гильза притянется к ней.
1. Какие опыты показывают, что одни тела являются провод-
никами электрического заряда, а другие нет? 2. Назовите
хорошие и плохие проводники электрического заряда, 3. Как,
зная строение атома, объяснить существование проводников
и изоляторов, притяжение гильзы к заряженной палочке?
Упр. 14
1. Почему можно наэлектризовать трением эбонитовую па-
лочку, держа ее в руке, и нельзя наэлектризовать, держа
в руке, металлический стержень?
2. При наливании бензина корпус бензовоза обязательно
соединяют с Землей при помощи металлического провод-
ника. Зачем это делают?
3. При соединении поврежденных проводов монтер надевает
резиновые перчатки. Зачем он это делает?
СИЛА ТОКА. НАПРЯЖЕНИЕ,
СОПРОТИВЛЕНИЕ
52. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Обычно когда говорят об использовании элек-
трической энергии в быту, в производстве или на
транспорте, то имеют в виду работу электрического
тока.
Электрический ток подводят к потребителю от
электростанции по проводам. Поэтому, когда в до-
мах неожиданно гаснут электрические лампы или
прекращается движение электропоездов, трамваев
и троллейбусов, говорят, что в проводах исчез ток.
Что же такое электрический ток и что необходи-
мо для его возникновения и существования в тече-
ние нужного нам времени?
Слово «ток» означает движение или течение
чего-то. В реках и водопроводных трубах, напри-
мер, течет вода, в трубопроводах — нефть или газ,
и в этих случаях говорят о токе или потоке воды,
нефти или газа.
А что может перемещаться — течь в проводах,
соединяющих потребителей электрической энергии
с электростанцией?
Мы уже знаем, что в телах имеются электроны,
движением которых объясняются различные явле-
ния электризации тел (§ 50, 51). Электроны являют-
ся частицами, обладающими отрицательным элект-
рическим зарядом. Электрическими зарядами могут
обладать и более крупные частицы вещества — ато-
мы и молекулы, если у них имеется недостаток или
82
избыток электронов. Следовательно, в общем случае
в проводниках могут перемещаться различные заря-
женные частицы.
Электрическим током называют направленное
(упорядоченное) движение заряженных частиц.
Чтобы получить электрический ток в проводнике,
надо создать в нем электрическое поле. Под дейст-
вием этого поля заряженные частицы, могущие сво-
бодно перемещаться в этом проводнике, придут в
движение в направлении действия на них электриче-
ских сил, возникнет электрический ток.
В простейшем случае электрический ток возни-
кает в проводнике, если им соединить с землей
какое-нибудь наэлектризованное тело. Этот ток су-
ществует очень недолго, так как заряд наэлектризо-
ванного тела быстро уйдет в землю,,С потер.ей же
телом заряда исчезает электрическое поле в провод-
нике и одновременно прекращается электрический
ток.
Чтобы электрический ток в проводнике сущест-
вовал длительное время, необходимо все это время
поддерживать в нем электрическое поле. В вашем
случае для этого нужно было бы непрерывно попол-
нять заряд тела, например заряжать его наэлектри-
зованной эбонитовой или стеклянной палочкой.
Однако нетрудно видеть, что такой способ поддер-
жания поля в проводнике практически непригоден.
На практике электрическое поле в проводниках
создается в может длительное время поддерживать-
ся источниками электрического тока.
1. Что имеют в виду, когда говорят о практическом использс
вании электрической энергии? 2. Что такое электрический
ток? 3. Что нужно создать в проводнике, чтобы в нем возник
и существовал электрический ток?
53. ИСТОЧНИКИ ТОКА
Мы видели, что для получения в проводнике
электрического тока нужно возбудить и непрерывно
поддерживать внутри этого проводника электриче-
ское поле. Эту задачу выполняет источник тока.
Источники тока бывают различные, но во всякое
из них совершается работа по разделению положи-
тельно и отрицательно заряженных частиц.
Разделенные частицы накапливаются на п о л ю-
сах источника тока, так называют места, к
которым с помощью клемм или зажимов подключа-
ют проводники. Один полюс источника тока заря-
жается положительно, другой — отрицательно.
6*
?
83
Рис. 54.
Рис. 55.
Между полюсами источника образуется электри-
ческое поле, Если соединить полюсы проводником,
то электрическое поле возникнет и в проводнике.
Под действием этого поля свободные заряженные
частицы в проводнике будут двигаться, возникнет
электрический ток.
В источниках тока в процессе работы по разде-
лению заряженных частиц происходит превращение
механической, химической, внутренней или какой-
нибудь другой энергии в электрическую.
В электрической машине, например (рис. 54),
в электрическую энергию превращается механиче-
ская энергия.
На рисунке 55 изображен термоэлемент, состоя-
щий из спая двух проволок из различных металлов.
При нагревании места спая в проводниках, соеди-
ненных с термоэлементом, возникает электрический
ток. В термоэлементе внутренняя энергия превра-
щается в электрическую энергию. На рисунке 56
изображен термоэлектрический генератор, исполь-
зуемый для питания током радиоламп. Он состоит
из нескольких термоэлементов.
При освещении некоторых веществ, например
селена, закиси меди, кремния, световая энергия не-
посредственно превращается в электрическую энер-
гию— это явление фотоэффекта (§ 47). На нем
основано устройство и действие фотоэлектрических
генераторов — фотоэлементов (рис. 57). Фотоэле-
менты находят широкое применение в практике, на-
пример: в звуковом кино, в телевидении, в фототеле-
графии.
Термоэлементы и фотоэлементы более подробно
изучают в курсе физики старших классов.
?
Рис. 56.
1. Какова роль источника тока? 2. Какие превращения
энергии происходят внутри источника тока? 3. Какие превра-
щения энергии происходят при работе электрической машины,
термоэлемента, фотоэлемента?
54. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И АККУМУЛЯТОРЫ
1. Гальванические элементы. Рассмотрим
устройство и работу гальванических элементов
и аккумуляторов, которые мы чаще всего будем
использовать в опытах по электричеству.
В гальваническом элементе происходит превра-
щение химической энергии, возникающей при взаи-
модействии веществ, в электрическую.
Простейший гальванический элемент Вольта со-
стоит из цинковой и медной пластин, опущенных
в водный раствор серной кислоты.
При взаимодействии цинка с кислотой внутри
элемента происходит разделение заряженных элек-
трическим зарядом частиц. При этом цинковая пла-
стина становится отрицательно заряженной, а мед-
ная— положительно заряженной. Между заряжен-
ными пластинами возникает электрическое поле.
Если соединить медную и цинковую пластины
элемента проводником, то по всей длине проводника
начнут перемещаться электроны, в цепи возникнет
электрический ток. На рисунке 58 полюсы элемента
соединены через электрическую лампочку.
Широкое практическое применение имеет сухой
гальванический элемент. На рисунке 59, а показан
его внешний вид, а на рисунке 59,6 — устройство.
Этот элемент состоит из цинкового сосуда Ц, в ко-
торый вставлен угольный стержень У. Стержень по-
мещен в полотняный мешочек П, наполненный
смесью перекиси марганца с углем. Вместо жидко-
сти в элементе используют густой клейстер /<. при-
готовленный из муки на растворе нашатыря. Цинко-
вый сосуд с содержимым помещен в картонную
коробку и залит сверху слоем смолы С, в которой
сделано небольшое отверстие для выхода образую-
щихся при работе газов. Зажим на угольном стерж-
не является положительным полюсом элемента,
а провод, припаянный к цинковому сосуду, отрица-
тельным полюсом.
Из нескольких таких элементов можно составить
батарею. На рисунке 60 изображена батарея для
карманного фонаря. В этой батарее угольный стер-
жень первого элемента соединен с цинковым стакан-
чиком второго, а угольный стержень второго — со
стаканчикам третьего элемента. От цинкового ста-
канчика первого элемента и угольного стержня
третьего выведены две жестяные пластинки, кото-
рые являются полюсами батареи: первая — отрица-
тельным, вторая — положительным.
серной
кислоты
а
Рис. 58.
Рис. 59.
85
Рис. 60.
Рис. 61.
Рис. 62.
2. Аккумуляторы '. Во всех гальванических эле-
ментах при работе расходуются электроды и раст-
вор. Пс> истечении некоторого времени их приходит-
ся заменять новыми.
Существуют источники тока — аккумуляторы, в
которых электроды не расходуются
Простейший аккумулятор состоит из двух свин-
цовых пластин, помещенных в раствор серной кис-
лоты.
Чтобы аккумулятор стал источником тока, его
надо «зарядить». Для зарядки через аккумулятор
пропускают ток от какого-нибудь источника. Когда
аккумулятор зарядится, его можно использовать как
самостоятельный источник тока. Полюсы аккумуля-
торов обозначены знаками «+» и «—». При зарядке
положительный полюс аккумулятора соединяют с
положительным полюсом источника тока, отрица-.
тельный — с отрицательным полюсом.
Кроме свинцовых, или кислотных, аккумуляторов
широко применяют железо-никелевые, или щелоч-
ные. аккумуляторы (рис. 61). Пластины железо-ни-
келевого аккумулятора представляют собой сетча-
тые железные пакеты. Одна пластина содержит
спрессованный порошок железа, а другая — окись
никеля. Пластины погружены в раствор щелочи (ед-
кого калия).
На рисунке 62 изображена батарея, состоящая
из трех кислотных аккумуляторов. Перемычки, по-
казанные на рисунке, соединяют отрицательный
полюс одного аккумулятора с положительным полю-
сом другого.
В аккумуляторе во время зарядки совершается
работа электрического тока, в результате которой
увеличивается химическая энергия аккумулятора.
При разрядке же аккумулятора химическая энергия
превращается в другие виды энергии в процессе
работы, которую совершает ток.
Аккумуляторы имеют широкое и разнообразное
применение. Они служат для освещения железно-
дорожных вагонов, автомобилей, для запуска авто-
мобильного двигателя (стартера), батареи аккуму-
ляторов питают электроэнергией подводную лодку.
Радиопередатчики и научная аппаратура на искус-
ственных спутниках Земли также получают электро-
питание от аккумуляторов, установленных на спут-
нике.
1 А к кумулятор — от латинского слова «аккумуляре»—
86 накапливать.
1. Как устроен элемент Вольта? 2. Какие превращения энер-
гии происходят в элементе Вольта? 3. Что такое полюсы
источника тока? 4. Какой полюс в элементе Вольта является
положительным, какой—отрицательным? 5. Какие энергетиче-
ские процессы происходят при зарядке и разрядке аккуму-
лятора? 6. С какими полюсами источника тока соединяют
полюсы аккумулятора при его зарядке? 7. Где на практике
применяют аккумуляторы?
Подготовьте доклад на одну из следующих тем:
I. Открытие Гальвани.
2. Исследования Вольта.
3. «Вольтов столб»:
Задание
55. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ
I
Во всяком источнике, тока электрическая энергия
получается за счет какого-нибудь другого вида
энергии. В гальванических элементах, например,
в электрическую энергию превращается химическая
энергия. На электростанциях же электрический ток
получают с помощью генераторов 1 при работе па-
ровых и гидравлических турбин.
Электродвигатели, лампы, плитки, всевозмож-
ные приборы, работающие от электрического тока,
называют приемниками или потребите-
лями электрической энергии.
Электрическую энергию нужно доставить к при-
емнику. Для этого приемник соединяют с источни-
ком электрической энергии проводами.
Чтобы включать и выключать в нужное время
приемники электрической энергии, применяют вы-
ключатели.
Источник тока, приемник и выключатели, соеди-
ненные между собой проводами, составляют
электрическую цепь.
Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкну-
той, т. е. состоять только из проводников электри-
чества. Если в каком-нибудь месте провод оборвет-
ся или на его место будет поставлен изолятор, ток
в цепи прекратится. На этом основано действие вы-
ключателей.
Чертежи, на которых изображены способы сое-
динения электрических приборов в цепь, называют
схемами. Приборы на схемах обозначают условны-
ми знаками. Некоторые из них даны на рисунке 63.
6 0 0
1 Генератор — латинское слово, обозначающее «созда-
тель, производитель».
Рис. 63.
Условные обозначе-
ния, применяемые
на схемах:
1 — элемент или акку-
мулятор; 2 — батарея
элементов или аккуму-
ляторов; 3 — генератор
или электродвигатель;
4 — соединение прово-
дов; 5 — псреее чение
проводов (без соедине-
ния); 6 — зажимы для
подключения какого-ни-
будь прибора; 7 — вы-
ключатель или, рубиль-
ник; 8 •— двухполюсный
рубильник; 9 — элек-
трическая лампа; 10 —
электрический звонок.
1. Какова роль источника тока в электрической цепи? 2. Какие
приемники или потребители электрической энергии вы знаете?
3. Из каких частей состоит электрическая цепь? 4. Что такое
замкнутая цепь, разомкнутая цепь? 5. Что такое схема элек-
трической цепи?
упр. 15
Рис, 64.
1. Рассмотрите устройство штепсельной вилки настольной лам-
пы. Из какого материала изготовлены отдельные части ее?
2. Начертите схему цепи электрического звонка с кнопкой.
3. Начертите схему цепи, содержащей один гальванический
элемент и два звонка, каждый из которых можно включать
отдельной кнопкой.
4. Придумайте схему соединения элемента, звонка и двух кно-
пок, расположенных так, чтобы можно было позвонить из
двух разных мест.
5. На рисунке 64 дана схема соединения лампы и двух пере-
ключателей. Рассмотрите схему и подумайте, где можно
применить такую проводку.
6. Рассмотрите цепь карманного фонаря (рис. 65) и назовите
части этой цепи. Нарисуйте схему такой цепи в условных
обозначениях.
56. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ
Рис. 63.
Рис. 66.
В проводниках, как мы знаем, имеются свобод-
ные заряженные частицы. В металлах, например,
такими частицами являются электроны.
Металлы в твердом состоянии, как известно
(§’19), имеют кристаллическое строение. Частицы
в кристаллах расположены в строго определенном
порядке, образуя пространственную (кристалличе-
скую) решетку. От формы кристаллической решетки
зависит вид и форма кристалла. На рисунке 66
изображена кристаллическая решетка в форме
куба. В узлах кристаллической решетки металла
расположены атомы, обладающие положительным
зарядом,— ионы. На рисунке такие атомы изобра-
жены выщербленными кружками. В пространст-
ве же между атомами движутся свободные, т. е. не
связанные с ядрами своих атомов электроны. На
рисунке 66 электроны изображены маленькими кру-
жочками.
Отрицательный заряд всех свободных электро-
нов по абсолютной величине равен положительному
заряду всех ионов решетки. Поэтому в обычных
условиях металл электрически нейтрален. Свобод-
ные электроны в нем движутся беспорядочно. Ско-
рости электронов, как и скорости молекул, зависят
от температуры металла, только они значительно
больше скоростей молекул. Беспорядочное движе-
88
ние электронов не создает тока в металле. Но если
в металле создать электрическое поле, то все сво-
бодные электроны начнут двигаться в направлении
действия электрических сйл, возникнет электриче-
ский ток. Беспорядочное движение электронов при
этом, конечно, сохраняется, подобно тому как сохра-
няется беспорядочное движение в стайке мошкары,
когда под действием ветра вся стайка перемещается
в одном направлении.
Итак, электрический ток в металлах представ-
ляет собой направленное движение электронов.
Скорость движения отдельных электронов в про-
воднике под действием электрического поля невели-
ка— несколько метров в секунду. Но как только в
проводнике возникает электрическое поле, оно с ог-
ромной скоростью, равной скорости света в вакууме
( 300 000 распространяется по всей длине про-
водника.
Одновременно с распространением электрическо-
го поля начинают двигаться по всей длине провод-
ника электроны. Чтобы попять это, рассмотрим при-
мер с железнодорожным товарным составом, со-
стоящим из тепловоза (или электровоза) и большо-
го числа вагонов. Когда тепловоз начинает движе-
ние, то оно через сцепления передается вагонам.
Вагоны не все сразу, а постепенно один за другим
приходят в движение в направлении силы тяги теп-
ловоза. В этом примере скорость распространения
упругих деформаций в сцеплениях между теплово-
зом и ближайшим к нему вагоном, а также между
вагонами можно уподобить скорости распростране-
ния электрического поля в проводнике. Движение
вагонов можно уподобить движению отдельных
электронов по всей длине проводника.
Скорость распространения по проводнику элек-
трического поля и имеют в виду, когда говорят
о скорости распространения электрического тока
в проводнике.
Электрический сигнал, посланный, например, по
проводам из Москвы во Владивосток (s=8000 км),
пришел бы туда через 0,03 сек.
1. Как объяснить, что в обычных условиях металл электриче-
ски нейтрален? 2. Почему беспорядочное движение электро-
нов в металле не вызывает переноса электрического заряда?
3. Что представляет собой электрический ток в металле?
4, Что нужно создать в металле, чтобы вызвать в нем направ-
ленное движение электронов? 5. Какую скорость имеют в
виду, когда говорят о скорости распространения электриче-
ского тока в проводнике?
89
57. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ
Рис. 67.
Иной характер, чем в металлах, имеет электри-
ческий ток в жидких растворах солей, кислот и ще-
лочей, которые называют электролитами.
Рассмотрим опыт.
В сосуд с дистиллированной водой опускают два
чистых угольных стержня — два электрода и, соеди-
нив их с электрической лампочкой, включают в
цепь источника тока (рис. 67,а). Лампочка не горит,
значит, тока в цепи нет. И это понятно почему: ди-
стиллированная вода не содержит заряженных
электрическим зарядом частиц. Затем в воду нали-
вают некоторое количество раствора медного купо-
роса. Лампочка при этом загорается (рис. 67,5), в
цепи лампочки возникает ток. А если в цепи возник
ток, следовательно, в растворе медного купороса
имелись заряженные частицы. Что представляют
собой эти частицы и как они появились в растворе?
Научные исследования дают ответ на эти вопросы.
Установлено теоретически и доказано на опытах,
что при растворении вещества в воде молекулы
растворяемого вещества, взаимодействуя с молеку-
лами растворителя, распадаются на части. При этом
одна частица, полученная от распада молекулы,
оказывается заряженной положительно — возникает
положительный ион1, другая — отрицатель-
но — отрицательный ион.
Положительные ионы, как известно (§ 49), пред-
ставляют собой частицы, потерявшие один или
несколько электронов; отрицательные же ионы —
это частицы, обладающие одним или несколькими
лишними электронами.
Ионы в растворе, как и молекулы, движутся бес-
порядочно, но, если сосуд с раствором поместить
в электрическое поле, ионы начнут, кроме того, дви-
гаться и в направлении действия электрических сил.
Положительные ионы станут двигаться к электроду,
соединенному с отрицательным полюсом источника
тока, такой электрод называют катодом. К элек-
троду же, соединенному с положительным полюсом
источника тока, называемому анодом, будут пе-
ремещаться отрицательные ионы. В электролите, та-
ким образом, возникает электрический ток, который
представляет собой направленное движение поло-
жительных и отрицательных ионов. Схема движе-
ния ионов в электролите изображена на рисунке 68.
'Ион — греческое слово, что значит «идущий».
На этом рисунке стрелкой Е показано направление
сил электрического поля, а — положительные ионы
и к — отрицательные ионы.
Обратим внимание на то, что в опыте положи-
тельные ионы меди, дойдя до катода, отдают ему
свой заряд и в виде нейтральных атомов осаждают-
ся на этом электроде.
При прохождении тока через другие электролиты
на электродах также осаждается какое-нибудь ве-
щество.
1. Как показать, что дистиллированная вода не проводник
электричества? 2. Как показать, что раствор медного купо-
роса в воде является проводником электричества? 3. Каким
образом объясняют электропроводность раствора медного
купороса? 4. Как возникают ионы в растворе? 5. Каково дви-
жение ионов в растворе в отсутствие электрического поля?
6. Что представляет собой электрический ток в электролитах?
7. Какие явления наблюдают на электродах, когда в электро-
лите существует ток?
58. ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Мы не можем видеть движущиеся в проводнике
электроны. О наличии электрического тока в цепи
мы можем судить лишь по различным явлениям,
которые вызываются электрическим током. Такие
Рас. 69
91
Рис. 70.
явления обычно называют действ иями тока.
Некоторые из этих действий легко наблюдать на
опыте.
Тепловые действия тока можно наблюдать, на-
пример, присоединив к полюсам источника тока
железную или никелиновую проволоку (рис. 69).
Проволока нагревается, и, удлинившись поэтому,
она слегка провисает. Ее даже можно раскалить до-
красна. В электрических лампочках, например, тон-
кая вольфрамовая проволочка накаливается током
до яркого свечения.
Если в цепи источника тока вместо проволоки
будет раствор соли или кислоты, т. е. проводящая
ток жидкость (электролит), то жидкость тоже
нагреется.
Химическое действие тока наблюдают в электро-
литах. Это явление было нами уже рассмотрено
(§ 57). Химическое действие тока используют в про-
мышленности для добычи алюминия, меди, магния
и ряда других металлов.
На этом же явлении основано никелирование
и хромирование металлических предметов для за-
щиты их от коррозии (ржавления).
На рисунке 70 изображен опыт для наблюдения
магнитных действий тока.
В этом опыте медный провод, покрытый изоля-
ционным материалом, намотан на железный гвоздь.
Когда цепь замкнута, гвоздь становится магнитом
(намагничивается) и притягивает небольшие же-
лезные предметы: гвоздики, железные стружки,
опилки. С исчезновением тока в обмотке (при раз-
мыкании цепи) гвоздь размагничивается.
Рассмотрим еще явление взаимодействия между
проводником с током и магнитом.
На рисунке 71 изображена висящая на нитях
небольшая рамочка, на которую навито несколько
витков тонкой медной проволоки. Концы обмотки
присоединены к полюсам источника тока. Следо-
вательно, в обмотке существует электрический ток.
92
Рис. 7J.
Если эту рамку поместить теперь между полю-
сами магнита, то она станет поворачиваться. В этом
опыте мы наблюдаем механическое действие тока.
Явление взаимодействия катушки с током и маг-
нита используют в устройстве прибора, называемо-
го гальванометром.
С помощью гальванометра можно судить не толь-
ко о наличии тока в цепи, но и, как мы узнаем даль-
ше, о величине тока.
На рисунке 72 изображен внешний вид школь-
ного гальванометра. Стрелка гальванометра связа-
на с подвижной катушкой. Когда в катушке сущест-
вует ток, стрелка отклоняется.
Следует заметить, что из всех рассмотренных
нами действий тока магнитое действие тока наблю-
дается всегда, какой бы проводник тока ни был:
твердый, жидкий или газообразный.
® @ а
0 ©
Рис. 72.
1. Какие явления сопровождают ток в цепи? 2. Как можно
наблюдать на опыте тепловые действия тока? 3. Как можно на- я
блюдать на опыте химические действия тока? 4. Где на прак-
тике используют тепловые и химические действия тока? 5. На
каком опыте можно показать магнитное действие тока? 6. Ка-
кое действие тока используют в устройстве гальвано/иетра?
59. НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Наблюдая за действиями тока в растворе медно-
го купороса, мы установили (§ 57), что медь осаж-
дается лишь на одном из электродов, соединенном
с отрицательным полюсом источника тока.
Если в таком опыте поменять местами про-
вода, присоединенные к полюсам источника тока
(рис. 67, б), то медь станет выделяться на другом
электроде, который будет теперь соединен с отрица-
тельным полюсом источника тока. Стрелка гальва-
нометра, если включить его в эту цепь, при этом от-
клонится от нулевого деления в противоположную
сторону.
Этот опыт показывает, что электрический ток в
проводах имеет определенное направление, от кото-
рого зависят и многие его действия.
Отклонение стрелки гальванометра в противо-
положную сторону объясняется изменением направ-
ления тока в гальванометре при переключении про-
водов.
Мы знаем, что электрический ток есть направ-
ленное движение заряженных частиц в проводнике.
В металлических проводниках электрический ток
представляет собой направленное движение элек-
93
тропов — частичек, обладающих отрицательным за-
рядом. В электролитах электрический ток обуслов-
лен движением ионов обоих знаков.
Движение каких же заряженных частиц в элек-
трическом поле следовало бы принять за направле-
ние тока?
Так как в большинстве случаев мы имеем дело
с электрическими токами в металлах, то за направ-
ление тока в цепи разумно было бы принять на-
правление движения электронов в электрическом
поле, т. е. считать, что ток направлен от отрицатель-
ного полюса источника к положительному.
Однако вопрос о направлении тока возник в
науке тогда, когда об электронах и ионах еще ниче-
го не было известно. В то время предполагали, что
во всех проводниках могут перемещаться как поло-
жительные, так и отрицательные электрические за-
ряды. И за направление тока условно приняли со
направление, по которому движутся {или могли бы
двигаться) в проводнике положительные заряды,
г е. направление от положительного полюса источ-
ника тока к отрицательному. Так принято считать
и сейчас.
1. На основании каких явлений можно заключить, что электри-
ческий ток в цепи имеет определенное направление? 2. Дви-
жение каких заряженных частиц принято за направление
тока в проводнике? 3. От какого полюса источника тока и к
какому движутся в цепи электроны?
60. КОЛИЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И СИЛА ТОКА
Действия электрического тока, с которыми мы
ознакомились в § 58, могут проявляться в разной
степени — сильнее или слабее. От чего это зависит?
Рассмотрим еще раз опыт с раствором медного
купороса в воде, когда в этом растворе существует
электрический ток (рис. 67, б).
Мы уже знаем, что в растворе медного купороса
имеются положительные и отрицательные ионы,
котооые возникли в нем при взаимодействии моле-
кул медного купороса с водой. Когда в растворе нет
электрического поля, ионы движутся в нем беспо-
рядочно. Если же в этом растворе появляется элек-
трическое поле, ионы, сохраняя беспорядочное дви-
жение, в то же время движутся направленно. Поло-
жительные ионы меди, например, движутся к ка-
тоду. Дойдя до него, ионы меди отдают свои
заряды этому электроду, превращаясь, таким обра-
94
зом, в незаряженные атомы меди. Незаряженные
атомы меди отлагаются на катоде.
Каждый ион меди имеет заряд и массу. Поэтому
чем больше ионов меди подойдет к электроду (като-
ду), тем больший электрический заряд пройдет
через раствор медного купороса и тем большее коли-
чество меди отложится на катоде. Опыт подтверж-
дает это заключение.
Создав ток в растворе медного купороса, наблю-
дают за выделением меди на катоде. С течением вре-
мени слой меди, выделяющийся на угольном элек-
троде, увеличивается.
Количество выделившегося вещества (в рассмат-
риваемом опыте — меди) на электроде легко опре-
делить взвешиванием на весах и по нему можно су-
дить о величине электрического заряда, прошедшего
через электролит за время опыта.
Величину электрического заряда иначе назы-
вают количеством электричества.
Чем большее количество электричества прохо-
дит через поперечное сечение проводника в 1 сек.,
тем более сильный электрический ток в цепи.
Таким образом, сила тока определяется количе-
ством электричества, проходящим через поперечное
сечение проводника в 1 сек.
Чтобы определить силу тока в цепи, надо коли-
чество протекшего электричества разделить на
время, за которое оно протекло:
количество электричества
сила тока = ------------<-———.
время
Введем буквенные обозначения: 1 — сила тока,
q — количество электричества, t— время — и выра-
зим силу тока формулой:
Пользуясь выражениями «сила тока», «сильный
ток», «слабый ток», мы должны правильно пред-
ставлять себе, что означают эти выражения Выра-
жение «сильный ток» означает только то, что по
цепи в единицу времени протекает большой электри-
ческий заряд. Выражение «слабый ток» означает,
что протекающий по цепи в единицу времени заряд
малый.
В простой цепи, состоящей из источника тока
и ряда проводников, соединенных так, что конец
одного проводника соединяется с началом другого
_(р'ис. 67, б), сила тока во всех участках одинаковая
Это следует из того, что при установившемся токе
в цепи величина заряда, проходящего через любое
95
поперечное сечение проводников цепи в единицу
времени, одинаковая^ Заряды при установившемся
токе в цепи нигде не накапливаются. Соединение
проводников, изображенное на рисунке 67, б, назы-
вают последовательным соединением.
1. Как можно показать, что разная степень действия тока
зависит от количества электричества, протекающего в цепи?
2. Что называют силой тока в цепи? 3. Как надо понимать
выражения: «сильный ток», «слабый ток»? Л. Как объяснить,
что во всех частях простой цепи сила тока одинаковая?
61. ЕДИНИЦЫ СИЛЫ ТОКА И КОЛИЧЕСТВА
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Рис. 73.
Сила тока — это физическая величина. Чтобы
измерять ее, нужно прежде всего установить едини-
цу измерения — единицу силы тока.
Для установления единицы силы тока можно ис-
пользовать любое действие электрического тока.
На IX Международной конференции по мерам
и весам в 1948 г. было решено в основу определения
единицы силы тока положить явление взаимодейст-
вия двух проводников с током. Ознакомимся снача-
ла с самим явлением на опыте.
На рисунке 73 изображены два гибких прямых
проводника, расположенные параллельно друг дру-
гу. Оба проводника подключены к источнику тока.
При замыкании цепи по проводникам протекает ток,
вследствие чего они взаимодействуют между со-
бой — притягиваются или отталкиваются — в зави-
симости от направления токов в них.
Силу взаимодействия (притяжения или отталки-
вания) можно измерить. Величина этой силы, как
показывают расчеты и опыты, зависит от длины
проводников, расстояния между ними, среды, в ко-
торой находятся проводники, и, что самое важное
для нас, от силы тока в проводниках. Если одинако-
вы все условия, кроме силы токов, то, чем сильнее
токи в проводниках, тем больше сила, с которой они
взаимодействуют между собой.
Представим теперь себе, что параллельные про-
водники очень тонкие и бесконечно длинные. Рас-
стояние между ними 1 м, и находятся они в вакууме.
Токи в них одинаковой силы.
Примеры тепловых явлений; нагревание поверхности Земли солнечными лучами;
кипение; таяние снега и льда; нагревание спирали электрическим током; молния;
возникновение огня от трения.
2
Кристаллы: 1—граната; 2 — берилла; 3 — серы; 4 — поваренной соли;
5 — алмаза; 6—аметиста; 7 — кальцита; 8 — кварца; 9 — изумруда.
За единицу силы тока принимают такой ток, при
котором отрезки параллельных проводников дли-
ной I м, находясь на расстоянии 1 м друг от друга,
взаимодействуют с силой 2- 10~7н( 0,0000002 н). Эту
единицу силы тока называют ам пером, по имени
французского ученого А м пера.
На практике применяют также единицы силы
тока, производные от ампера: 1 ма (миллиампер) =
= 0,001а; 1 мка (микроампер) =0,000001а.
По единице силы тока (ампер) устанавливают еди-
ницу электрического заряда, или единицу количества
электричества. Из формулы I = - следует, что q = It.
Полагая I = 1 a, t — 1 сек., получим единицу коли-
чества электричества: 1 ед. q = 1 a l сек.
За единицу количества электричества прини-
мают такое количество электричества, которое про-
ходит по цепи в 1 сек при силе тока I а. Эту еди-
ницу называют кулоном (1 к), в честь француз-
ского ученого Кулона.
, 1 кулон = 1 амперХ! секунда.
Сокращенно это можно записать: 1 к = 1 а • сек.
Заряд электрона, о котором было упомянуто
выше, очень мал, он равен —1,6-10~19 к.
1 кулон =
= 1 ампер X
XI секунда
1. Какое явление положено в основу установления единицы
силы тока — ампера? 2. Как определяют единицу силы тока —
ампер и единицу количества электричества — кулон? 3. Чему
равен заряд электрона?
1. Сила тока в электрической лампе 0,3 а. Сколько кулонов
проходит через спираль лампочки за 5 лин?
2. Какой электрический заряд пройдет через спираль электри-
ческой плитки за 1 мин, если сила тока в цепи 5 а?
3. Аккумулятор до полного разряда может давать ток 2 а в
течение 20 ч. Какой электрический заряд может запасать
такой аккумулятор?
4. Сколько электронов проходит через поперечное сечение
проводника в 1 сек, когда сила тока равна 1 а?
Упр. 16
Ампер Андре Мари (1775— 1836) —
французский физик и математик. Он соз-
дал первую теорию, которая выражала связь
электрических и магнитных явлений Амперу
принадлежит гипотеза о природе магнетиз-
ма. он ввел в физику понятие «электричес-
кий токи.
1 Физика, 7 кл.
Рис. 74.
62. АМПЕРМЕТР. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТОНА
Силу тока в цепи измеряют приборами, называе-
мыми амперметрами. Амперметр, в устройст-
ве которого используют механическое действие то-
ка,— это тот же рассмотренный уже нами (§ 58)
гальванометр, только приспособленный для измере-
ния силы тока.
Амперметр, используемый в школьных опытах,
изображен на рисунке 74, а. Технический амперметр
показан на рисунке 74, б.
На шкале амперметра обычно ставят букву А, на
схемах же амперметр изображают в виде кружка
с буквой А.
Шкалу амперметра градуируют в амперах и до-
лях ампера обычно по показаниям точных образцо-
вых амперметров.
Силу тока отсчитывают по показаниям стрелки,
которая перемещается вдоль шкалы от нулевого
деления.
Каждый амперметр рассчитан на некоторую наи-
большую силу тока, превышать которую нельзя, так
как прибор может испортиться.
При измерении тока амперметр включают в цепь
последовательно с тем прибором, ток в котором
нужно измерить.
Включают амперметр в цепь с помощью двух
клемм, или зажимов, имеющихся на приборе. У од-
Рис. 75.
ной из клемм амперметра стоит знак «плюс» (« + »),
у другой — «минус» («—») (иногда знака «минус»
нет). Клемму со знаком « + » нужно обязательно
соединять с проводом, идущим от положительного
полюса источника тока.
При измерении силы тока амперметр можно
включать в любое место цепи, состоящей из ряда
последовательных проводников, так как сила тока
во всех точках такой цепи одинакова (§ 60).
Если включить один амперметр в цепь до лампы,
другой после, то оба они покажут одинаковой силы
ток (рис. 75).
Рис. 76.
?
1. Как называют прибор для измерения силы тока? 2. В каких
единицах градуируют шкалу амперметра? 3. Как включают
в цепь амперметр?
1. При включении амперметра так, как показано на рисунке
76, а, сила тока была 0,5 а. Каковы будут показания ампер-
метра при включении его в ту же цепь так, как показывает
рисунок 76, б?
2. Как можно проверить правильность показаний амперметра
с помощью другого амперметра, точность показаний кото-
рого проверена?
Упр. 17
Напишите доклад на одну из следующих тем:
I. Электролиз. Закон Фарадея.
2. Применение электролиза в технике: рафинирование меди,
добывание алюминия, гальваностегия, гальванопластика; от-
крытие Якоби.
63. НАПРЯЖЕНИЕ
Во всякой замкнутой цепи электрический ток со-
вершает работу. В процессе такой работы проводни-
ки, например, нагреваются, увеличивается их внут-
ренняя энергия, при зарядке же аккумулятора,
кроме того, происходит увеличение химической
энергии аккумулятора.
От чего зависит величина работы электрического
тока?
Л^ожно с уверенностью сказать, что она зависит
от силы тока, т. е. от величины электрического заря-
да, протекающего по цепи в I сек. В этом мы убеди-
лись, знакомясь с химическими действиями тока
(§ 60). Мы видели, что, чем больше ток в цепи, тем
значительнее его действия.
Но не только от одной силы тока зависит вели-
чина работы тока: она зависит еще от другой вели-
Задание
99
7*
чины, которую называют напряжением. Что
же это за величина?
Напряжение — это физическая величина, харак-
теризующая электрическое поле, которое является
причиной тока. Чтобы ознакомиться с этой очень
важной физической величиной, обратимся к опыту.
На рисунке 77 изображена электрическая цепь,
в которую включена лампочка от карманного фона-
ря, источником тока здесь служит аккумулятор. На
рисунке 78 показана другая цепь. Источником тока
в ней является городская осветительная сеть. В эту
сеть включена лампа, используемая для освещения
помещений. Судя по показаниям амперметров, ток
в обеих цепях примерно одинаковый.
Однако лампа, включенная в городскую сеть,
дает гораздо больше тепла и света, чем лампочка от
карманного фонаря. Объясняется это тем. что при
равных токах электрические напряжения на лампоч-
ках разные. Лампочка от карманного фонаря горит
от батарейки при низком напряжении. При прохож-
дении каждого кулона электричества по спирали
этой лампы совершается небольшая работа, поэто-
му лампочка дает мало тепла и света. Вторая лам-
па горит при значительно большем напряжении.
При прохождении каждого кулона электричества по
спирали этой лампы совершается большая работа.
Работу, совершаемую при прохождении по како-
му-нибудь участку (части) цепи одного кулона элек-
тричества. принято называть напряжением на кон-
цах этого участка цепи. Чем больше величина этой
работы, тем выше напряжение на концах участка
цепи.
1
Рис. 77.
При разомкнутой цепи напряжение существует
на полюсах источника тока, оно создается этим
источником.
Когда же источник тока включен в цепь, то на-
пряжение появляется и на отдельных участках цепи,
это и создает ток в цепи. Если нет напряжения
(значит, нет и электрического поля), то нет и тока
в цепи.
Электрический ток в цепи можно уподобить те-
чению воды с более высокого уровня на более низ-
кий уровень. Электрическому напряжению здесь
будет соответствовать величина работы, которая
совершается (или может быть совершена) при дви-
жении 1 кг воды с верхнего уровня на нижний.
В озере же или в пруду, где уровень воды всюду
одинаковый, вода не течет и работа не совершается.
1. Какие энергетические процессы происходят в замкнутой
электрической цепи? 2. Какими двумя величинами определя-
ется работа электрического тока на участке цепи? 3. Как
показать на опыте, что работа тока на участке цепи зависит
не только от силы тока, но и от напряженья? 4. Что понима-
ют под напряжением на данном участке цепи? 5. Какую меха-
ническую величину можно сравнить с напряжением?
64. ЕДИНИЦЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Единица напряжения названа вольтом, (в),
в честь итальянского ученого Алессандро Вольта,
создавшего первый гальванический элемент.
1 вольт — это такое напряжение, при котором на
участке цепи совершается работа, равная 1 джо-
улю, когда по этому участку проходит 1 кулон
электричества:
, 1 джоуль , , дж ,
I вольт = —т——-—, или 1 в = 1 — (сокращенное
I кулон к ' г
обозначение).
1 ВОЛЬТ =
_ 1 джоуль
1 кулон
101
Если на каком-либо участке цепи напряжение
равно одному вольту, то это означает, что при про-
хождении каждого кулона электричества по этому
участку совершается работа, равная одному
джоулю.
Следовательно, если на участке цепи напряже-
ние равно двум вольтам, то это означает, что при
прохождении одного кулона электричества по этому
участку совершается работа, равная двум джоулям.
Ниже в таблице приведены напряжения в воль-
тах, часто встречающиеся на практике:
Напряжение на полюсах элемента Вольта ... 1,1
» сухого элемента.................. 1,5
» щелочного аккумулятора ................. 1,25
» кислотного аккумулятора.......... 2
Напряжение в осветительной сети 127 и 220
Напряжение в линии электропередачи
Волжская ГЭС имени XXII съезда КПСС —
^Москва...................................... 500 000
Напряжение между облаками во время грозы до 100 000 000
В практике, кроме вольта, применяют производные
единицы напряжения:
1 мв (милливольт) = 0,001 в;
1 кв (киловольт) = 1000 в.
В отличие от тока напряжение нс называют силь-
ным или слабым, его называют высоким или низким.
Высокое напряжение опасно для жизни.
Рассмотрим пример. Допустим, что напряжение
между одним проводом высоковольтной линии пере-
дачи и землей 100 000 в.
Если этот провод соединить каким-нибудь про-
водником с землей, то при прохождении по нему
каждого кулона электричества будет совершена ра-
Вольта Алессандро (1745— 1827) —
итальянский физик, один из основателей
учения об электрическом токе. Вольта соз-
дал первый гальванический элемент, чем
положил начало учению об электрическом
токе.
102
бота 100 000 дж. Такая работа, например, совер-
шается при падении груза массой 1000 кг с высоты
10 м. Такой груз может произвести большие разру-
шения. Этот пример показывает, почему так опасен
ток высокого напряжения.
Но осторожность надо соблюдать и в работе
с более низкими напряжениями, даже напряжение
в несколько десятков вольт может оказаться опас-
ным.
1. Что принимают за единицу напряжения? Как эту единицу
называют? 2. Как надо понимать, что напряжение на участке
цепи равно 1, 2, 127 в? 3. Какое напряжение используют в
осветительной сети? 4. Чему равно напряжение на полюсах
сухого элемента и кислотного аккумулятора? 5. Какие едини-
цы напряжения, кроме вольта, применяют на практике?
65. ВОЛЬТМЕТР. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Для измерения напряжения на полюсах источ-
ника тока или па каком-нибудь участке цепи приме-
няют приборы, называемые вольтметрами.
Вольтметр, используемый в школьных опытах,
изображен на рисунке 79. Его шкала проградуиро-
вана в вольтах.
Многие вольтметры по внешнему виду очень схо-
жи с амперметрами. Для отличия вольтметра от
других электроизмерительных приборов на шкале
вольтметра обычно ставят букву V. На схемах вольт-
метр изображают кружком с буквой V внутри.
Устройство вольтметра, как и амперметра, осно-
вано на механическом действии тока.
Как и у амперметра, у одного зажима вольтмет-
ра ставят знак «плюс» (« + »). Этот зажим необхо-
димо обязательно соединять с проводом, идущим от
положительного полюса источника тока. Иначе
стрелка прибора будет отклоняться в обратную сто-
рону, здесь ведь также проявляется направленность
тока.
Вспомним, что амперметр включают всегда
последовательно с тем прибором, в котором изме-
ряют силу тока.
Вольтметр же включают иначе. На рисунке 80, а
изображена электрическая цепь, в которую включе-
ны электрическая лампочка, амперметр и вольтметр.
На рисунке 80, б показана схема такой цепи. Ампер-
метром в этой цепи измеряют силу тока в лампочке,
для этого он включен в цепь последовательно с ней.
Вольтметр же должен показывать напряжение, су-
ществующее на зажимах лампочки. Поэтому его
© ©
ф ©
Рис. 79.
103
Рис. 80а.
Рис. 806.
Рис. 80s.
включают в цепь не последовательно с лампочкой,
а так, как показано на рисунке 80, б. Зажимы вольт-
метра присоединяют к тем точкам цепи, между ко-
торыми надо измерить напряжение. Такое включе-
ние прибора называют параллельным. Параллель-
ное соединение проводников будет подробнее рас-
смотрено в § 76. Отметим только, что в отличие от
амперметра вольтметр устроен так, что через него
проходит ток, который мал по сравнению с током
в цепи.
Для измерения напряжения на полюсах источни-
ка тока вольтметр приключают непосредственно к
зажимам источника тока, так, как показано на ри-
сунке 80, в.
7
1. Как называют прибор для измерения напряжения? 2. Как
включают 1 вольтметр для измерения напряжения на участке
цепи? 3. Как с помощью вольтметра измерить напряжение на
полюсах сухой батарейки или аккумулятора?
66. ЗАВИСИМОСТЬ СИЛЫ ТОКА ОТ НАПРЯЖЕНИЯ
Различные действия тока, такие, как нагревание
Проводника, магнитные и химические действия, за-
висят от силы тока. Изменяя силу тока в цепи, мож-
но регулировать эти действия. Но для того чтобы
управлять током в цепи, надо знать, от чего зависит
сила тока в ней.
Рис. 81а.
Мы знаем, что электрический ток в цепи — это
направленное движение заряженных частиц в элек-
трическом поле. Чем сильнее действие поля на эти
частицы, тем, очевидно, и больше ток в цепи.
Но действие поля характеризуется физической
величиной — напряжением. Поэтому можно предпо-
ложить, что сила тока и напряжение связаны меж-
ду собой. Эту связь можно установить на опыте.
На рисунке 81 а изображена электрическая цепь,
состоящая из источника тока — аккумулятора,
амперметра, спирали из никелиновой проволоки
и выключателя. На рисунке 81 б показана и схема
этой цепи.
Замыкают цепь и отмечают показания вольтмет-
ра и амперметра. Затем присоединяют к первому
аккумулятору второй такой же аккумулятор и сно-
ва замыкают цепь. Вольтметр в этом случае показы-
вает вдвое большее напряжение, а амперметр —
вдвое большей силы ток. При трех аккумуляторах
Рис. 816.
напряжение на спирали увеличивается втрое, во
столько же раз увеличивается сила тока.
Ниже в таблице показана зависимость силы тока
от напряжения на концах проводника:
№ опыта Напряже- ние, 6 Сила тока, а । Хе опыта На пряже- ние, в Сила тока, а
1 2 0,5 4 8 2
2 4 1 5 10 2,5
3 6 1.5
1QS
I
3
2,5-----
2-------
1,5-----
1-------
0,5-----
J----I-----
6 8 10
О
Рис. 82.
Опыт показывает, что, во сколько раз увеличи-
вается напряжение, приложенное к проводнику, во
столько же раз увеличивается сила тока в нем.
Другими словами, сила тока в проводнике прямо
пропорциональна напряжению на концах провод-
ника.
На рисунке 82 показан график зависимости силы
тока в проводнике от напряжения между его кон-
цами.
?1. Как зависит сила тока в проводнике от напряжения на кон-
цах проводника? 2. Как на опыте показать зависимость силы
тока от напряжения?
v 1Я 1' При напРяжении на концах участка цепи, равном 2 в, сила
Упр. I чД тока в проводнике 0,4 а. Каким должно быть напряжение,
чтобы в том же проводнике сила тока была 0,8 а?
2. При напряжении на концах проводника 2 в сила тока в про-
воднике 0,5 а. Какой силы ток будет в проводнике, если
напряжение на его концах увеличить до 4 б?
67. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
В предыдущем параграфе было показано, что
сила тока в проводнике зависит от напряжения на
его концах. Чем выше напряжение па концах про-
водника, тем больше в нем сила тока.
Но сила тока в проводнике зависит не только от
напряжения, но и от свойств самого проводника.
В этом можно убедиться па опыте.
В цепь одного и того же источника тока вклю-
чают по очереди различные проводники и измеряют
амперметром силу тока. На рисунке 83 АВ и CD —
два различных проводника. Вольтметр,' приключае-
мый к концам этих проводников, показывает одина
ковое напряжение. Сила же тока в проводниках не-
одинакова: в проводнике АВ опа больше, чем в
106 проводнике CD.
Ниже в таблице приведены числовые результаты
трех опытов с двумя проводниками при разных
напряжениях на их концах. Напряжение на концах
проводников менялось путем подключения в цепь
дополнительных источников тока.
Проводники
АВ CD
Напряжение (U) на концах проводника, в 2 4 6 2 4 6
Сила тока (/) в про- воднике, а 0.5 1 1,5 0,25 0.5 0,75
Отношение напряже- ния к силе тока / U \ / в \ V /' \ а / 2 0,5 “ 4 4 т = 4 6 1,5 " 4 _2 Л 0,25 ~ 8 4 0,5 * 8 6 0,75 - 8
Результаты опытов показывают, что отношение
напряжения к силе тока для каждого проводника
есть величина постоянная. В рассматриваемых опы-
тах для проводника АВ она равна 4 -, для CD — 8 ~ .
Эта величина характеризует свойство проводника,
которое называют сопротивлением. Сопро-
тивление проводника есть физическая величина.
Чтобы найти сопротивление проводника, надо
напряжение на его концах разделить на силу тока:
напряжение
сопротивление =-------------------
г сила тока
Рис. 83.
R = ^
Введем буквенные обозначения величин: U — на-
пряжение, 1—сила тока, /?—сопротивление —и вы-
разим сопротивление проводника в виде формулы:
Я-
U
I
1. Как на опыте показать, что отношение напряжения на
концах проводника к силе тока для данного проводника есть
величина постоянная? 2. Как называют свойство проводника,
характеризуемое отношением напряжения на его концах к
силе тока? 3. Какой формулой можно выразить сопротивление
проводника?
68. ПОЧЕМУ ПРОВОДНИК ОБЛАДАЕТ
СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Сопротивление — это величина, характеризую-
щая свойство проводника оказывать влияние на си-
лу тока в цепи. Из двух проводников тот обладает
большим сопротивлением, по которому при одина-
ковом напряжении на концах протекает меньшей
силы ток.
Термин «сопротивление» станет понятным, если
мы вспомним, что электрический ток в металлах
представляет собой направленное движение свобод-
ных электронов. Движущиеся под действием элек-
трического поля электроны взаимодействуют с иона-
ми кристаллической решетки металла. Взаимодейст-
вие электронов с ионами кристаллической решетки
производит такое же действие, как и действие неко-
торой силы сопротивления (трения), тормозящей
движение электронов. Вследствие этого уменьшает-
ся скорость направленного движения электронов,
а значит, и сила тока в проводнике.
Сопротивление электролитов объясняется взаи-
модействием движущихся в электрическом поле
ионов с молекулами или атомами раствора.
Влияние материала проводника на величину
электрического сопротивления объясняется разли-
чием внутренней структуры веществ. Обычно при-
меси к чистым металлам нарушают правильную
структуру последних. Поэтому, например, электри-
ческое сопротивление сплава больше сопротивлений
металлов, из которых он состоит.
1. Что понимают под электрическим сопротивлением провод-
ника? 2. В чем заключается причина электрического сопротив-
ления металлов и электролитов?
108
69. ЕДИНИЦЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
За единицу сопротивления принимают сопротивле-
ние такого проводника, в котором при напряжении
на концах 1 вольт сила тока равна I амперу. Эту
единицу называют омом (сш).
Полагая в формуле сопротивления проводника
R= у-, U = 1 в, / = 1 а, получим единицу сопротив-
ления 1 ом:
. 1 вольт , в
I ОМ — -г----— = 1 —.
1 ампер а
Чтобы найти сопротивление проводника в омах,
надо напряжение на концах его в вольтах разделить
на силу тока в амперах.
В опыте (рис. 83) сопротивление проводника АВ
было равно 4 ом, сопротивление проводника CD —
8 ом.
В практике применяют единицы сопротивления,
производные от ома:
1 ком (килоом) — 1 000 ом:
1 Мом (мегом) = 1 000 000 ом.
1. Что принимают за единицу сопротивления проводника?
Как ее называют? 2. Как рассчитать сопротивление проводника?
Какие величины нужно для этого знать? 3. Какие единицы
сопротивления, производные от ома, используют на практике?
1. Напряжение на полюсах аккумулятора 2 в, сила тока в цепи
0,4 а. Чему равно сопротивление цепи?
2. Сила тока в спирали электрической лампочки 0,75 а. Опре-
делите сопротивление спирали, если напряжение на ее
концах 220 в.
3. Напряжение на зажимах плитки 127 в, сила тока в спирали
плитки 5 а. Определите сопротивление спирали.
Упр. 19
70. ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ
В предыдущих параграфах были рассмотрены
три величины, с которыми мы имеем дело во всякой
электрической цепи. Это сила тока, напряжение и
сопротивление. Эти величины связаны между собой.
Связь силы тока с напряжением была уже нами рас-
смотрена в § 66. В этом параграфе, основываясь на
опытах, было показано, что сила тока в цепи прямо
пропорциональна напряжению на концах проводни-
ка, или, что то же, на концах участка цепи, так как
проводник является частью (участком) цепи.
В описанных опытах сопротивление проводника
(участка цепи) не менялось, менялось только напря-
109
Рис. 84.
жение на его концах Поэтому можно сказать, что
сила тока в цепи прямо пропорциональна напряже-
нию на концах проводника, если при этом сопротив-
ление проводника не меняется.
Зная, почему проводник обладает сопротивле-
нием (§ 68), можно заранее сказать, что сила тока
зависит и от сопротивления проводника.
Но чтобы ответить на вопрос, как зависит сила
тока в цепи от сопротивления, обратимся к опыту.
На рисунке 84 изображена электрическая цепь,
источником тока в которой является аккумулятор.
В эту цепь по очереди включают проводники, обла-
дающие различными сопротивлениями. Вольтметр,
подключаемый к концам проводников, показывает во
всех случаях одно и то же напряжение. Силу тока в
цепи измеряют амперметром.
Ниже в таблице приведены результаты опытов
с тремя различными проводниками:
№ опытов Напряжение на концах проводника, в Сопротивление проводника, ом Сила тока в цели, а
1 2 1 2
2 2 2 1
3 2 4 0,5
В первом опыте сопротивление проводника 1 ом
и сила тока в цепи 2 а. Сопротивление второго про-
водника 2 ом, т. е в два раза больше, в два раза
110
меньше и ток в цепи. И наконец, в третьем случае
сопротивление цепи увеличилось в четыре раза и во
столько же раз уменьшилась сила тока. Заметим,
что напряжение на концах проводников во всех трех
опытах было одинаковое, равное 2 в.
Обобщая результаты наших опытов на все про-
водники, приходим к выводу: при одинаковом на-
пряжении на концах проводника сила тока обратно
пропорциональна сопротивлению проводника.
Зависимость силы тока от напряжения на концах
участка цепи и сопротивления этого участка назы-
вают законом Ома, но имени немецкого ученого
Георга Ома, открывшего этот закон в 1827 г.
Закон Ома читается так: сила тока в участке
цепи прямо пропорциональна напряжению на кон-
цах этого участка и обратно пропорциональна его
сопротивлению:
напряжение
сила тока -----------------
сопротивление
Пользуясь принятыми обозначениями силы тока,
напряжения и сопротивления, закон Ома можно за-
писать в виде математической формулы:
U
К
дакоп Она
ческч.'о toKu
,н1нн и.< Oi ночных лаконои .i.it’Kipti
Пример 1. Рассчитать силу тока в электриче-
ской лампе, если напряжение в сети 220 в. а сопро-
тивление спирали лампы 440 ом.
Дано:
U - 220 в
R — 440 ом
Найти I
По закону Ома I =
, 220 в Л
/ = —г-— = 0,50 а.
440 ом
Ом Георг (1787—1854)—немецкий физик.
Он открыл теоретически и подтвердил на
опыте закон, выражающий связи между
силой тока в цепи, напряжением и сопро-
тивлением.
111
Если требуется вычислить напряжение на участ-
ке цепи, зная ток и сопротивление участка, формуле
закона Ома придают другой вид:
U=*IR.
Пример 2. Сила тока в спирали электриче-
ской плитки 5,0 а, сопротивление спирали 44 ом.
Определить напряжение, под которым находится
спираль.
Дано: По закону Ома U = /7?;
I — 5,0 a (J — 5,о а- 44 ом = 220а ом = 220 в.
R = 44 ом
Найти U
Для расчета сопротивления участка следует
использовать знакомую уже нам формулу:
«-4-
Отношение напряжения на участке цепи к силе
тока в цепи равно сопротивлению этого участка.
Пример 3. Рассчитать сопротивление участка
цепи, напряжение на концах которого 4,5 в, а сила
тока в цепи 0,30 а. 'ч
Дано' По закону Ома R = -Ц-;
[7 = 4,5 в 1
1 — 0,30 а г> 4,5 в ,,
-—^ = -0^0? = 15 0М-
Наити R
1. О связи каких трех электрических величин говорится в
законе Ома? 2. Как формулируется закон Ома? 3. Как матема-
тически можно выразить закон Ома? 4. Как выразить напря-
жение на концах участка цепи через силу тока и сопротивле-
ние участка?
Упр. 20
1. Напряжение на участке цепи 220 в, сопротивление участка
110 ом. Определите силу тока в цепи.
2. Какое напряжение надо приложить, чтобы получить ток
0,3 а, если сопротивление проводника 420 о.и?
3. Каким сопротивлением обладает вольтметр, рассчитанный
на 150 о, если сила тока в нем не должна превышать 0,01 а.
4. Лампочка для карманного фонаря горит при напряжении
3,5 я и силе тока 0,28 а. Чему равно сопротивление спирали
лампочки при горении?
5. Вольтметр имеет сопротивление 2000 ом. Найдите силу тока,
проходящего через него, когда он показывает 20 в.
112
6. Используя приведенные ниже табличные данные, изобрази-
те графически зависимость силы тока от сопротивления при
постоянном напряжении, равном 10 в. По горизонтальной
оси в выбранном масштабе откладывайте сопротивление, а
по вертикальной оси силу тока.
R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
I 10 5 3,3 2,5 2 1,7 1,4 ,.2 ... 1
71. РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА.
УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Представление о причине электрического сопро-
тивления позволяет заключить, что величина сопро-
тивления зависит от размеров проводника (длины
и толщины) и от материала, из которого он изготов-
лен. Опыт подтверждает это заключение.
На рисунке 85 изображена установка для прове-
дения такого опыта.
В цепь источника тока (аккумулятора) по очере-
ди включают различные проводники, например:
никелиновые проволоки одинаковой толщины, но
разной длины;
никелиновые проволоки одинаковой длины, но
разной толщины (разной площади поперечного се-
чения);
никелиновую и нихромовую проволоки равной
длины и толщины.
Силу тока в цепи измеряют амперметром, напря-
жение — вольтметром.
Зная напряжение на концах проводника и силу
тока в нем, по закону Ома определяют сопротивле-
ние каждого из проводников.
Рис. 85.
113
8 Физика. 7 кл.
Ниже в трех таблицах приведены данные, полу-
ченные из опытов.
Таблица 1
Сопротивление никелиновой проволоки площадью
поперечного сечения 1 мм2 разной длины
Длина проволоки, .и 1 2 3
Сопротивление, ом 0,4 0,8 1,2
Вывод: чем длиннее проводник, тем больше его
сопротивление.
Таблица 2
Сопротивление никелиновых проволок длиной 1 м,
но разной площади поперечного сечения
Площадь сечения, мм? 0,4 0,8 1,2
Сопротивление, ом 1 0,5 0,33
Вывод: чем больше площадь поперечного се-
чения проводника, тем меньше его сопротивление.
I .1 и .1 II 11 .1 >
Сопротивление никелиновой и нихромовой проволок
длиной 1 м и площадью сечения 1 мм2
Название материала проволоки Никелино- вая Нихромовая
Сопротивление, ом 0,4 1,1
Вывод: сопротивление проводника зависит от
материала.
На основании результатов измерении и вычисле-
ний, приведенных в таблицах, можно сделать сле-
дующее заключение о величине электрического
сопротивления проводника:
Сопротивление прямо пропорционально длине
проводника, обратно пропорционально площади по-
перечного сечения и зависит от материала про-
водника.
Сопротивление проводника длиной 1 м, площа-
дью поперечного сечения 1 леи2 называют удел ь-
н ы м сопротивлением.
114
1. Как зависит сопротивление проводника от его длины и от
площади поперечного сечения? 2. Как показать на опыте
зависимость сопротивления проводника от его длины, площа-
ди поперечного сечения и материала? 3. Что называют удель-
ным сопротивлением проводника?
72. ФОРМУЛА ДЛЯ РАСЧЕТА СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПРОВОДНИКА
Рассчитаем сопротивление проводника длиной
I м и площадью поперечного сечения S л.и2. Удель-
ное сопротивление его обозначим буквой р (р — гре-
ческая буква «ро»).
Так как сопротивление проводника длиной 1 м
и площадью поперечного сечения 1 дьи2 по опреде-
лению численно равно удельному сопротивлению
р ом, то проводник длиной I м и сечением 1 мм2 бу-
дет иметь сопротивление, в I раз большее, т. е. р I ом.
Проводник же длиной I м, но сечением S мм2
будет иметь сопротивление, в 5 раз меньшее, т.е. р у ом.
Следовательно, сопротивление проводника можно
вычислять по формуле
Из этой формулы можно определить наименова-
ние единицы удельного сопротивления:
/? = Р
откуда ед. р =
ед. /?-ед. S
ед. I
Так как ед. R = 1 ом, ед. 5=1 мм2, ед. 1=1 м
„ . ОМ ЛЬИ3
то единицей удельного сопротивления будет 1 —- —
Ниже в таблице приведены значения удельных
сопротивлений некоторых веществ при 20° С. (Тем-
пература указана потому, что сопротивление про-
водника с изменением температуры меняется.)
ом-мм2
Таблица удельных сопротивлений некоторых веществ в-— —
Серебро 0,016 Железо 0,098 Константан (сплав) 0,44—0,52
Медь 0,017 Ртуть 0,958 Нихром > 1,00- 1 10
Алюминий 0,028 Никелин(сплав) 0,40—0,45 Фехраль » 1.10—1 30
Вольфрам 0,055 Манганин » 0,42—0,48 Хромель » 1,30—1,50
8*
115
Из всех металлов наименьшим удельным сопро-
тивлением обладают серебро и медь. Следователь-
но, серебро и медь — лучшие проводники электриче-
ства.
На практике, при проводке электрических цепей,
используют главным образом медные провода, иног-
да алюминиевые и реже железные.
1. По какой формуле можно рассчитывать сопротивление
проводников? 2. Какое наименование имее- удельное сопро-
тивление прсЕодника? 3. Какие из металлов, приведенных в
таблице, обладают наименьшим удельным сопротивлением?
4. Из какого матеоиала из-отавливают проводники, применяе-
мые на практике?
73. ПРИМЕРЫ НА РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПРОВОДНИКА, СИЛЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
Пример 1. Рассчитать сопротивление медной
проволоки длиной 100 м и площадью поперечного
сечения 2,0 мм2.
Дано: Сопротивление R = р удельное
Z—1 0<' эи сопротивление меди находим по
S = 2,0 лот. таблице:
Найти /? л «1 -т <м<
о = 0,017--------;
г .и
ОМ ММ2
0,0 Г -----100,и
Я--------------------- = 0,85 о*.
2.0 мм2
Пример 2. Определить силу тока в цепи, если
напряжение на концах никелиновой проволоки дли-
ной 120 м и площадью поперечного сечения 0,50 мм2
равно 127 в,
Дано’
/ = 120 м
S = 0,50 мм2
U = 127 в
Найти I
Сила тока может быть определена
по формуле закона Ома:
Неизвестно сопротивление, которое
определяем по формуле:
&
удельное сопротивление никелина
находим в таблице:
ом мм3
116
р = 0,40
м
Подставляем численные значения величин в фор-
мулы (2) и (I):
ом мм1
0,40—м— 120 м
0,50 мм1 2 3 4 5 6 = ом;
R =
I
127 в 1 о
96 ом ~ ,3 а'
Пример 3. Найти напряжение на полюсах
аккумулятора, в цепь которого включена мангани-
новая проволока длиной 8,0 м и площадью попереч-
ного сечения 0,80 мм2, если сила тока в цепи 0,30 а.
Дано: Напряжение на полюсах аккумуля-
I ~ 8,0 м
S = 0,80 льи2
I = 0,30 а
тора, оно же и напряжение на кон-
цах проволоки, найдем по формуле
закона Ома: U = IR. Неизвестное со-
Найти U------противление определим qo формуле:
т?-р4;
о
из таблицы находим удельное сопротивление манга-
нина:
р = 0,42
ом мм~
м
Подставляем численные значения величин в фор-
мулы:
ом мм2
С 42--------8,0 м
R —-------тгса—г--------= 4,2 ом-
0,80 мм1 ’ ’
U = 0,30 а-4,2 ом^ 1,3 в.
Упр. 21
1. Длина одного провода 20 см, другого 1,6 М. Площадь сече-
ния и материал проводов одинаковы. У какого провода со-
противление больше и во сколько раз?
2. Имеются два провода из одного материала. Длина первого
5 Л1, второго 0,5 -Я; сечение первого 0,15 см2, второ-
го 3 мм2. У какого провода сопротивление больше и во
сколько раз?
3. Определите длину ртутного столбика, площадь сечения ко-
'• торого 1,0 ,и.«2, если сопротивление его 1,0 ом.
4. Во сколько раз сопротивление алюминиевого провода
больше, чем медного такой же длины и сечения?
5. Какое напряжение нужно приложить к концам медного про-
водника сопротивлением 20 ом, чтобы получить ток 3,0 о?
Определите длину проводника, если поперечное сечение
его 0,1 мм2.
6. Определите силу тока в алюминиевом проводе длиной
200 м и площадью поперечного сечения 4,0 мм2, если на-
пряжение на концах провода 5,6 в.
117
I
74. РЕОСТАТЫ
На практике часто приходится менять силу тока
в цепи, делая ее то больше, то меньше. Так, изменяя
силу тока в динамике радиоприемника или трансля-
ционной точки, мы регулируем громкость звука.
Изменением силы тока в электродвигателе швейной
машины можно регулировать скорость его вращения.
В театрах перед началом действия или перед пока-
зом кинокартины свет выключают плавно, что до-
стигают постепенным уменьшением силы тока
в цепи.
Во многих случаях для регулирования силы тока
в цепи применяют специальные приборы — рео-
стат ы
Простейшим реостатом может служить проволо-
ка из материала с большим удельным сопротивле-
нием, например никелиновая или нихромовая. Такая
проволока может быть включена в цепь источника
электрического тока через контакты Л и С последо-
вательно с амперметром (рис. 86). Передвигая под-
вижный контакт С, можно уменьшать или увеличи-
вать длину включенного в цепь участка АС При
этом будет меняться сопротивление цепи, а следова-
тельно, и сила тока в ней.
Реостатам, используемым в практике, придают
более удобную и компактную форму. Для этой цели
используют проволоку с большим удельным сопро-
тивлением. Один из таких видов реостатов изобра-
жен на рисунке 87, а, а на рисунке 87, б показано
его изображение на схемах В этом реостате никели-
новая проволока намотана на керамический ци-
линдр. Концы ее присоединены к клеммам 1 и 2.
Проволока покрыта изоляцией в виде топкого слоя
окалины, поэтому витки проволоки изолированы
друг от друга.
Над обмоткой расположен металлический стер-
жень, по которому может перемещаться ползун 4.
Рис, 87.
Ползун своими контактами прижат к виткам обмот-
ки От трения ползуна о витки слой окалины под
контактами ползуна стирается и электрические
заряды в цепи движутся от витков проволоки
к ползуну, а через него в стержень, имеющий на
конце зажим 3.
Реостат включают в цепь с помощью зажима 1
или 2 и зажима па стержне 3.
Перемещением ползуна по стержню можно уве-
личивать или уменьшать сопротивление включенно-
го в цепь реостата.
Каждый реостат рассчитан на определенное
сопротивление и на наибольший допустимый ток,
превышать который не следует, так как обмотка
реостата накаляется и может перегореть. Сопротив-
ление реостата и наибольшая допустимая величина
силы тока указаны на реостате.
1. Как устроен ползунковый реостат? Как можно включать
его в цепь? 2. Какие две величины указываю: на реостате?
3. Как на схемах электрических цепей изобрежеют реостат?
4. Почему в реостатах используют проволоку с большим
удельным сопротивлением?
упр. 22
1. На рисунке 88 изображен реостат, с помощью которого
можно менять сопротивление в цепи не плавно, а ступеня-
ми— скачками Рассмотрите рисунок и по нему опишите,
как действует такой реостат.
2. Если каждая спираль ресстата (рис 88) имеет сопротивле-
ние 3 ом то какое сопротивление будет введено в цепь при
положении переключателя, изображенном на рисунке? Ку-
да надо поставить переключатель чтобы с помощью этого
реостата увеличить сопротивление цепи на 18 о.и?
3. В цепь включены электрическая лампа и реостат с ползу-
ном. Нарисуйте в тетради схему этой цепи. Куда надо пере-
двинуть ползун реостата, чтобы лампа светилась ярче?
4. Требуется изготовить реостат на 20 ОМ из никелиновой про-
волоки площадью сечения 3,0 ЛЛ2. Каи ой длины проволо-
ка потребуется для этого?
5. Реостат сопротивлением 440 ом включили в сеть с напряже-
нием 220 а. Найдите силу тока в Реостате.
Рис. 88.
75. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
Электрические цепи, с которыми приходится
иметь дело на практике, обычно состоят не из одно-
го проводника (или приемника электрического
тока), а из нескольких различных проводников, ко-
торые могут быть соединены между собой по-раз-
ному. Зная сопротивление каждого из проводников
и способ их соединения, можно рассчитать общее
сопротивление цепи.
На рисунке 89 изображена схема последова-
тельного соединения трех электрических лам-
почек.
С последовательным соединением мы уже
встречались в предыдущих параграфах. Так, после-
довательно соединены аккумулятор, лампочка, два
амперметра и выклЕОчатель в схеме, изображенной
на рисунке 75.
Мы уже знаем, что при последовательном соеди-
нении проводников сила тока в любых частях цепи
одна и та же (§ 60).
Выясним, как распределяется между отдельными
участками цепи напряжение. Воспользуемся для
этого законом Ома. (
Рассмотрим цепь, состоящую из источника тока
(аккумулятора или батарейки)^ двух проводников
АВ и CD, соединенных последовательно, реостата
и амперметра (рис. 90).
Пусть I — сила тока в цепи; и R2 — сопротив-
ления проводников АВ и CD\ U\ и U2— напряжения
на концах этих проводников; U — полное напряже-
ние в цепи, т. е. напряжение между точками А и D.
По закону Ома для участка цепи можно напи-
сать:
и, = lRt; (1)
^2 = ^2- (2).
Рис. 89.
<20
Разделив равенство (1) на равенство (2), по-
лучим:
= А
U., ' R. '
Из этого равенства можно сделать следующий
вывод: при последовательном соединении напряже-
ния на проводниках пропорциональны их сопротив-
лениям.
Напряжение между точками А и D, т. е. полное
напряжение в цепи, равно сумме напряжений на от-
дельных проводниках:
I и = + и2.
Это равенство вытекает из определения напря-
жения (§ 63). Действительно, напряжение па участ-
ке цепи показывает величину работы, совершаемой
на этом участке при прохождении по нему одного
кулона электричества. Работа же, совершаемая во
всей цепи, очевидно, равна сумме работ, совершае-
мых на отдельных участках при прохождении по
ним одного кулона электричества.
Подставив значения U\ и U2 из равенств (1) и
(2) в последнее равенство, получим:
I U = IR. + IR2 = I(R1 А- /?2). (3)
Обозначим через R сопротивление всей цепи AD.
По закону Ома можно написать.
U = IR. (4)
Приравнивая правые части равенств (3) и (4),
получим:
откуда, сократив обе части равенства на /, получим:
1 R Rr 4- Rt.
При последовательном соединении проводников
сопротивление цепи равно сумме сопротивлений
всех включенных в цепь проводников.
f/o R‘l
121
Пример. Определить сопротивление цепи,
состоящей из трех последовательно соединенных
проводников сопротивлением /?t=2 ом, R2 = 3 ом,
R3 = 4 ом, а также напряжение на каждом провод-
нике и полное напряжение в цепи, если сила тока
в цепи I а.
Дано:
= 2 ом
R2 — 3 ом
R3 = 4 ом
I = 1 а
Найти R, Ur, U2,
U3, U
Общее сопротивление цепи:
R — Ri 4- R? 4
R = 2 ом + 3 ом + 4 ом = 9 ом.
Напряжение на каждом из про-
водников:
£71 - IRi, U2 = IR2:
! R3;
Ut = 1 a 2 ом — 2 в\
U2— 1 а-3 ом = Зе;
U3 = 1 а-4 ом — 4 в.
Полное напряжение в цепи:
и—и^ -J- U2 4- t>3, или U = IR-
U — 2e4“3e4~4e = 9e, или U — 1 а • 9 ом = 9 в.
1. Какое соединение проводников называют последователь-
ным? Показать это на чертеже. 2. Как распределяется общее
напряжение в цепи между отдельными участками этой цепи?
3. Как найти общее сопротивление цепи, зная сопротивление
отдельных проводников при последовательном их соединении?
Упр. 23
1. Цепь состоит из двух последовательно соединенных про-
водников, сопротивление которых 4 и 6 ол(. Сила тока в це-
пи 0,2 а. Найдите напряжение на каждом из проводников и
общее напряжение.
2. Участок цепи состоит из трех последовательно соединен-
ных проводников сопротивлением 2, 4 и 6 .ом. Найдите ток
в этих проводниках, если напряжение на участке 6 «. Какое
напряжение на каждом из проводников? Начертите схему
соединения проводников.
3. Для электропоездов применяют напряжение 1200 в. Как
можно использовать для освещения вагонов лампы, рассчи-
танные на напряжение 220 в каждая? Начертите схему вклю-
чения ламп.
4. Две одинаковые лампы, рассчитанные на 127 в, соединены
последовательно и включены в сеть с напряжением 127 в.
Под каким напряжением будет находиться каждая лампа?
122
76. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
Когда отдельные проводники электрического тока
соединены в цепь последовательно, то при выключе-
нии одного из них цепь разрывается и ток исчезает
во всех остальных проводниках.
Это можно наблюдать, например, на гирлянде
елочных лампочек, которые соединяют в цепь после-
довательно. Если перегорит одна лампочка, то гас-
нут сразу все.
На практике применяют другой способ соедине-
ния проводников, называемый параллельным.
О нем также уже было упомянуто в § 65. На рисун-
ке 91 а показано параллельное соединение двух
электрических ламп, а на рисунке 91 б изображена
схема параллельного соединения двух проводников.
В точке В электрический ток разветвляется на
два проводника, подобно тому как изображенный на
рисунке 92 поток воды в реке распределяется по
двум каналам, сходящимся затем вновь.
При установившемся течении количество воды,
протекающее ежесекундно в реке через неразвет-
вленное русло, равно сумме количеств воды, проте-
кающих за то же время через каждый из каналов.
Подобное явление наблюдается и с прохожде-
нием электрических зарядов через параллельные
проводники. Наше заключение можно проверить на
опыте. Для этого надо амперметром измерить силу
ы|р1
тока до разветвления и в каждом проводнике раз-
ветвления. Опыт показывает, что действительно сила
тока I в неразветвленной части цепи равна сумме
сид токов + в отдельных параллельно соеди-
ненных проводниках:
/ = а +
Рис. 91а.
Обозначим сопротивления отдельных проводни-
ков через /?] и /?2, а общее сопротивление всего уча-
стка цепи через R.
Рис. 916.
Рис. 92.
123
Напряжение между точками А и В разветвления
обозначим буквой U. Такое же напряжение U и на
каждом из проводников разветвления.
По закону Ома можно написать:
для отдельных проводников:
и Rd (2)
^2 — и ~R-i' (3)
для всего участка цепи
1 = и R ' (4)
I _ I £
J? 1 R.2
Но сила тока в общей цепи равна сумме сил.то-
ков з ветвях разветвления (равенство 1) Подставим
в равенство (1) значения сил токов из равенств (2),
(3) и (4), получим:
и и , и
R Я2’
После сокращения на U получим:
_1 _
~R ~ 'Ri ' R2 ’
Из этой формулы видно, что при параллельном сое-
динении проводников складываются не сопротивле-
ния проводников, и величины, обратные сопротивле-
ниям. По ним можно рассчитать и сопротивление
такой цепи.
Пример 1. Найти сопротивление участка
цепи, состоящего из двух параллетьно соединенных
проводников с сопротивлением R^—З ом, R2 = & ом.
Дано: Подставим данные в формулу:
Rt = 3 ом 1 = Д_____I.
/Д = 6 ом R Ri R2
—------- 1113
Найти R -р = -у + -у = у, откуда
R - ~ = 2 ом-
О
При м е р 2. В осветительную цепь включены
параллельно четыре лампы с сопротивлением 120 ом
каждая Найти обшее сопротивление участка цепи.
Дано: Д_ _ 1 1 . _J____£ _ п
R. -^ 120 ом R Ri Rd
п л 1 4 п 120 ом
-р = 120 ’ 0ТКУДа Я = -у— =
Найти R = 30 ом.
Из рассмотренных примеров видно, что при па-
раллельном соединении общее сопротивление участ-
124
Рис. 93.
ка цепи меньше сопротивления любого из включен-
ных проводников.
Параллельное включение — это основной способ
включения в электрическую сеть различных потре-
бителей электрического тока.
В одну н ту же электрическую цепь параллельно
могут быть включены самые различные потребите-
ли На рисунке 93 показано параллельное включе-
ние электрических лампочек, нагревательных прибо-
ров и электродвигателя.
Параллельно включаемые в данную сеть потре-
бители должны быть рассчитаны на одно и то же
напряжение, равное напряжению в сети
Напряжение в сети, используемое у нас для осве-
щения и в бытовых приборах, бывает двух видов:
127 и 220 в. Поэтому электрические лампы и различ-
ные бытовые электрические приборы изготовляют
на 127 и 220 в.
1. Какое соединение проводников называют параллельным?
Изобразите его на схеме 2. Какая из электрических величин
одинакова для всех проводников, соединенных параллельно?
1 Как выражается сила тока в цепи до ее разветвления через
силы гоиов в отдельных ветпях разветвления? 4. Как рассчи-
тать величину сопротивления участка цепи, состоящего из не-
скольких проводников, соединенных параллельно? 5. Какие
напряжения используют для освещения и бытовых нужд?
6. Как включают электрические лампы и бытовые электриче-
ские приборы в сеть?
1. Три проводника, составляющие участок цепи сопротивле-
нием 10, 15 и 30 ом, соединены параллельно, Найти полное
сопротивление этого участка.
2 Два проводника сопротивлением 4 и 8 ом соединены парал-
лельно. Напряжение на проводниках 4 я. Найдите силу тока
в каждом проводнике и в общей цепи.
3. В комнате гсряг две»лампы сопротивлением во время го-
рения 440 ом. Чему равна сила тока в сети, когда горят лам-
пы? Напряжение в сеги 220 в.
Упр. 24
125
77. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОММЕТРОМ
Для
дополнительного
чтения
Рис. 94.
Рис. 95.
Сопротивление проводника, как мы знаем, можно
определить по закону Ома- R = -у-, для этого надо
измерить напряжение U на концах проводника вольт-
метром и силу тока в цепи амперметром.
Существуют приборы, которые позволяют изме-
рять сопротивление проводника непосредственно по
шкале. Такие приборы называют омметрами. В осно-
ве их устройства лежит закон Ома.
Одна из схем омметра изображена на рисунке 94.
На этой схеме А — чувствительный амперметр, Е —
батарейка, R — реостат, сопротивление которого
можно менять. К клеммам Л и В подключают неиз-
вестное сопротивление Rx. Шкала амперметра
проградуирована в единицах сопротивления — омах
На рисунке 95 показан внешний вид омметра.
Рассмотрим, как градуируют шкалу такого при-
бора в омах.
Вначале клеммы А и В соединяют коротким и
достаточно толстым проводником. С помощью рео-
стата добиваются наибольшего допустимого для при-
бора отклонения стрелки. Отметив положение стрел-
ки, на шкале ставят цифру 0, так как практически
сопротивление между клеммами А и В, когда они
замкнуты коротким и толстым проводником, равно
нулю. При размыкании цепи стрелка прибора воз-
вращается в начальное положение. Это положение
стрелки соответствует очень большому сопротивле-
нию, которое отмечают знаком о» (бесконечность).
Затем к клеммам А и В поочередно подключают
различные проводники, сопротивление которых
известно. Каждый раз отмечают положение стрелки
на шкале и надписывают, какому сопротивлению
оно соответствует. Таким образом, шкала прибора
оказывается проградуированной в омах.
Чтобы измерить этим прибором неизвестную ве-
личину сопротивления какого-нибудь проводни-
ка, его присоединяют к точкам А и В. Стрелка при-
бора остановится на цифре, указывающей сопротив-
ление проводника
Нужно заметить, что перед каждым новым изме-
рением нужно предварительно с помощью реостата R
устанавливать стрелку прибора на нулевое деление
шкалы. Делать это необходимо потому, что батарей-
ка с течением времени разряжается, а в этой системе
прибора напряжение на клеммах батарейки должно
быть постоянным. Иначе пришлось бы каждый раз
126
прибор переградуировать. Действительно, по закону
Ома
/ =____£____,
/?ппиб 4- Rx ’
откуда видно, что при постоянном напряжении U си-
ла тока в цепи омметра зависит только от величины
Rx, так как /?прнб — постоянная величина.
Зависимость силы тока, фиксируемой прибором,
от измеряемого сопротивления проводника Rx и
позволяет проградуировать шкалу прибора не в еди-
ницах силы тока, а в единицах сопротивления —
омах.
Имею гея омметры и других, более сложных си-
стем, но в основе устройства всех их лежит закон
Ома.
РАБОТА И МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГ0
ТОНА
78. РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Мы знаем, что во всякой замкнутой электричес-
кой цепи происходит двойное превращение энергии.
В источнике тока какой-либо вид энергии превра-
щается в электрическую Например, в гальваниче-
ском элементе в электрическую энергию превраща-
ется химическая энергия. В электрической же цепи
за счет электрической энергии источника тока со-
вершается работа. Например, в электродвигателях
совершается механическая работа. В нагреватель-
ных приборах работа электрического тока приводит
к увеличению внутренней энергии.
Во всех случаях, когда энергия одного вида пре-
вращается в энергию другого вида, совершается ра-
бота. Работа, как мы знаем (<Физика», 6-й класс,
§ 108), есть мера превращения энергии из одного
вида в другой.
В электрической цепи мерой превращения элек-
трической энергии в другие виды энергии является
работа электрического тока.
Как вычислить работу электрического тока? Мы
уже знаем, что напряжение на концах какого-нибудь
участка цепи равно работе, которая совершается
при прохождении по этому участку одного кулона
электричества. При прохождении же по данному
участку цепи не одного, а нескольких кулонов элект-
ричества совершенная работа будет в несколько раз
больше. Таким образом, чтобы найти величину ра-
127
A = lit
1 джоуль =
= 1 ВОЛЬТ X
Х1 ампер X
XI секунда
Рис. 96.
1
боты электрического тока на каком-либо участке
цепи, надо напряжение на концах этого участка це-
пи умножить на количество электричества, прошед-
шего по нему:
работа — напряжениеX количество электричества.
В виде формулы это можно записать так:
A—Uq,
где А — работа, U— напряжение, q — количество
электричества.
Величину количества электричества, прошедшего
по участку цепи, можно определить, измерив силу
тока и время его прохождения:
q=lt.
Используя это соотношение, получим формулу
работы электрического тока, которой удобно поль-
зоваться при расчетах:
А = Ult.
Величина работы электрического тока на участке
цепи равна произведению напряжения на концах
этого участка на силу тока и на время, в течение
которого совершалась работа.
Работу измеряют джоулями, напряжение — воль-
тами, силу тока — амперами и время — секундами,
поэтому можно написать:'
1 джоуль=1 вольтХ 1-амперХ 1 секунда, или
1 дж = 1 в • а • сек.
На рисунке 96 изображена схема опыта, пока-
зывающего, как измерить работу электрического
тока. В этом опыте с помощью электродвигателя ЭД
поднимают груз. Последовательно с электродвигате-
лем в цепь включен реостат Р. Амперметром А изме-
ряют силу тока в цепи, вольтметром V — напряже-
ние на клеммах электродвигателя. Время измеряют
секундомером или часами.
Зная вес груза Р и высоту h, на которую его под-
нимают за некоторый промежуток времени, можно
рассчитать совершенную электродвигателем работу:
A = Ph.
Опыт подтверждает, что величина работы про- '
порциональна напряжению, силе тока и времени.
Энергию электрического тока используют повсюду: в электросварочных аппара-
тах; в электромагнитных подъемных кранах, в бытовых электроприборах; в элек-
тродвигателях станков; на транспорте; в передаче электрических сигналов по ра-
дио и телевидению. Электрический ток поступает во все эти приборы от генера-
тора (рис. в центре).
128
* • «I
• в <
i iiriii hi in tu
Пример. Какую работу совершает электро-
двигатель за 1 ч, если сила тока в цепи электродви-
гателя 5 а. напряжение на его клеммах 220 в? К. п. д.
двигателя 80%.
Дапо:
| 1 ч 3600 сек
1 = 5а
Полная работа тока: А = UH-,
U = 220 в
К. п. д. = 80%
Найти Д
Л — 220g 5а • ЗбООсек =
3 960 000 в-а- сек * 4 000 ОдОдж.
Работа двигателя, равная полез-
ной работе тока, Д составляет
80% от всей работы тока:
. _ 4 000 000-80 дж
- 100 ’
= 3200000 дж^З- 10е дж.
1. Какие преобразования энергии происходят в замкнутой
электрической цепи? 2. Как зависит величина работы тока на
участке цепи от напряжения и количества электричества, пре-
шедшего через этот участок? 3. Как выразить величину работы
тока через напряжение, силу тока и время? 4. Как можно
выразить 1 дж через другие единицы? S. Какими приборами
можно измерить работу тока?
. 1. Какую работу совершает электрический ток в элекфодвига-
теле за 30 мин, если сила тока в Цепи 0,50 а, а напряжение
на клеммах Двигателя 12 в?
2. Подсчитайте работу, совершаемую электрическим *ском в.,
лампочке карманного фонаря за 5 мин, если напр яжение нз
Чламючке 3,5 й, а сила тока 0,25 а.
3. Через раствор медного купороса прошло 1000 к электриче-
ства. Напряжение на электродах 6 в. Чему равна работа, со-
вершенная. током?
73. МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЮ ТОКА
Выведем формулу для расчета мощности элек-
трического тока. Вспомним, что мощность равна
работе, совершенной в 1 сек.
Чтобы найти мощность, надо величину работы
разделить на время- Р = —, буквой Р здесь обозна-
чена мощность.
Величина работы электрического тока, как мы
знаем, выражается произведением напряжения на
силу тока и на время- A = UIt.
Использование атомной энергии в мирных целях: первая в мире советская атом-
ная электростанция (рис. слева » соедией части) и одна из основных частей АЭС—
ядерныи реактор (рис. справа в соедней части); атомный ледокол «В. и. Ленин»,
применение радноак-ивных излучений в медицине (рис. внизу слева) и в сель-
ском хозяйстве (рис внизу справа).
9 Физика. 7 к.ч.
1 вап =
= 1 вольт X
XI ампер
Разделив обе части этой формулы на время /,
получим формулу мощности электрического тока:
Р = -~t или Р = UI.
Мощность электрического тока равна произведе-
нию напряжения на силу тока.
За единицу мощности принимают 1 ватт, равный
1 джоулю в секунду («Физика», 6-й класс, § 97):
, , дж
\ вт— \ .
сек
Из формулы мощности тока следует, что
1 ватт — 1 вольт X 1 ампер, или 1 em = 1 в • а
На практике используют единицы мощности, про-
изводные от ватта:
1 гвт (гектоватт) = 100 вт\
1 кет (киловатт) — 1000 вт\
1 Мет, (мегаватт) = 1 000 000 вт.
Пример. Определить мощность электродвига-
теля, работающего при напряжении 220 в и силе
тока 10 а.
Дано: Р ~ UP,
U = 220 в Р = 220вИ0а =
Т 1 Л V
Найти Р
Ниже приведены мощности некоторых источни-
ков и потребителей электрического тока в ки-
ловаттах:
Лампа карманного фонаря.................... 0.001
Лампы осветительные (бытовые) ......... 0,015—0,2
Электрический утюг.......................... 0.3
Электрическая плитка........................ 0,6
Лампы в звездах Кремлевских башен . . 5
Двигатель токарного станка................ 0,5—15
Двигатель электровоза ..................... 4000
Гидрогенератор Братской ГЭС.......... 250 000
Турбогенератор....................... 50 000—1000 000
Измерять мощность электрического тока можно
с помощью вольтметра и амперметра. На рисун-
ке 80, а показана схема включения амперметра и
вольтметра для измерения мощности тока в лампе.
Чтобы вычислить искомую мощность, перемножают
напряжение и силу тока, найденные по показаниям
приборов.
130
1. Что называют мощностью? 2. Как рассчитать мощность?
3. Как выражается мощность электрического тока через напря-
жение и силу тока? 4. Что принимают за единицу мощности?
5. Как выражается единица мощности через единицы напря-
жения и силы тока? 6. Какие единицы мощности* используют
на практике?
1. В цепь с напряжением 127 в включена электрическая лампа,
сила тока в которой 0,60 а. Найдите мощность тока в лампе.
2. Электроплитка рассчитана на напряжение 220 в и силу то-
ка 3,0 а. Определите мощность тока в плитке.
3. Напряжение на клеммах электродвигателя 12 в, сила тока
в цепи 10 а. Определите мощность двигателя.
Упр. 26
80, ВЫРАЖЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
ЧЕРЕЗ МОЩНОСТЬ
В паспортах приемников тока — лампочках,
плитках, электродвигателях — обычно указывают
мощность тока в них. По мощности можно опреде-
лить величину работы тока за промежуток времени
/, пользуясь формулой Р — у-, из которой следует:.
A = Pt.
Выражая мощность в ваттах, а время в секундах,
получим работу в джоулях:
1 вт = 1 , откуда 1 дж — 1 вт- сек.
В практике работу тока часто выражают не в
джоулях, а в других единицах:
1 гвт-ч (гектоватт-час) = 100 вт-1 ч — 360 000 дж;
1 квт-ч (киловатт-час) — 1000 вт-\ ч — 3600 000 дж,
Зная, на какую мощность рассчитана лампа и
сколько часов она горит, можно рассчитать работу
тока.
Например, имеется электрическая лампа, рассчи-
танная на ток мощностью 100 вт. Ежедневно лампа
горит в течение 6 ч. Найти работу тока за один ме-
сяц (30 дней)
Воспользуемся формулой:
А - Pt;
А — 100 вт - 180ч = 18 000 вт-ч — 18 квт-ч.
1, Какую величину обычно указывают в паспортах приемников
тока? 2. Как можно выразить работу тока через мощность и
время? 3, Какие производные от джоуля единицы работы
используют на практике?
131
9*
81. ПРИМЕРЫ НА РАСЧЕТ РАБОТЫ И МОЩНОСТИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
I. В цепь напряжением 120 в включена электри-
ческая плитка. Сопротивление спирали плитки равно
24 ом. Найти мощность тока.
Дано:
U = 120 в
R = 24 ом
Найти Р
Мощность вычисляем по формуле
P = UL (1)
В этой формуле неизвестна сила
тока, которая может быть найдена
по закону Ома:
. Z / = 4- (2)
Подставляем в формулы (2) и (1) численные
значения величин:
/ = 4^ = 5а; Р = 120в-5 а = 600 em.
24 ом
2. Чему равно сопротивление трамвайного элек-
тродвигателя мощностью 40 кет, если напряжение
на его зажимах во время работы 500 в?
Дано:
Р = 40 кет =
= 40 000 вт
U = 500 в
Найти R
Сопротивление можно найти по
формуле закона Ома:
,2? =4-’
но в этой формуле нам неиз-
вестна сила тока. Силу тока
определяем из формулы мощ-
ности тока: Р — UI,
откуда
(2)
Подставляя численные значения величин в фор-
мулы (2) и (1), получим:
, _ 40 000 вт 500 в „ _
1 Ж —5007— ”= 80 а; * = 6-3 ом-
3. Утюг работает при напряжении 220 в и силе
тока Зав течение 7 ч. Рассчитать стоимость работы,
совершенной током, при тарифе 4 коп. за 1 квг • ч.
132
Дано: Работа тока: А = UIt\
£/ = 220й Л — 220 в-За-7 ч - 4620 вт-ч^
I = 3 а 4,6 квтч;
таРиф4^- К = 4,бквт-ч -4^-^ 18 коп.
г м кет • ч
Найти К — сто-
имость совер-
шенной током
работы
1. Какова сила тока в лампе мощностью 60 вт, если напряже-
ние на ней 127 в, 220 в?
2. Как изменится мощность тока в электроплитке, если ее спи-
раль укоротить?
3. Электродвигатель работает при напряжении 220 в и силе то-
ка 40 а. Полезная мощность двигателя 6,5 к.вт. Каков к. п. д.
электродвигателя?
4. Имеются две лампы на 40 и 60 вт, рассчитанные на одина-
ковое напряжение 220 в. Нить какой из ламп имеет мень-
шее сопротивление?
82. НАГРЕВАНИЕ ПРОВОДНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ
ТОКОМ
Электрический ток нагревает проводник. Это
явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем,
что при наличии тока в проводнике усиливается бес-
порядочное (тепловое) движение молекул, а значит,
увеличивается внутренняя энергия проводника.
Внутренняя энергия проводника увеличивается
потому, что свободные электроны в металлах или
ионы в электролитах, перемещаясь под действием
электрического поля, сталкиваются с молекулами
или атомами вещества проводника и передают им
свою энергию.
Опыты показывают, что в неподвижных метал-
лических проводниках вся работа тока идет на
нагревание проводников, т. е. на увеличение их
внутренней энергии. Мерой же изменения внутрен-
ней энергии тела является количество выделяю-
щейся теплоты.
Мы знаем, что величину работы тока рассчиты-
вают по формуле: A = UIt. Работа тока в металли-
ческом проводнике, как уже указывалось, равна
количеству теплоты, которое выделяется в провод-
нике.
133
Q — UIt
i
Q — fRt
Puc. 97.
Обозначим количество теплоты буквой Q Соглас-
но сказанному выше Q—A, или Q = UIt. Количество
теплоты по этой формуле выражается, как и работа,
в джоулях.
Пользуясь законом Ома, можно выразить коли-
чество теплоты, выделяющееся в участке цепи при
работе тока, через силу тока, сопротивление участка
цепи и время. Для этого заменим в формуле Q = UIt
напряжение U через силу тока / и сопротивление
участка цепи R : U=IR.
Получим: Q = IRIt=RRt.
Количество теплоты, выделяемое при нагрева-
нии проводника электрическим током, пропорцио-
нально квадрату силы тока, сопротивлению провод-
ника и времени.
К этому же выводу, но на основании опытов
впервые пришли независимо друг от друга англий-
ский ученый Джоуль и русский ученый Ленц.
Формулу Q = !2Rt можно проверить на опыте,
используя установку, подобную той, которая изобра-
жена на рисунке 97. Пропуская ток по спирали С,
нагревают жидкость (керосин, спирт, воду), нали-
тую в калориметр. Количество теплоты, выделивше-
еся в жидкости, в простейшем случае рассчитывают
по формуле: Q = cmt, где т — масса жидкости, с —
удельная теплоемкость жидкости, t—температура,
на которую нагрелась жидкость. Количество тепло-
ты, переданное от спирали к жидкости, подсчиты-
вают также по формуле Q = /2A7. Входящие в фор-
мулу величины определяют так: силу тока измеряют
амперметром, время — секундомером или часами,
а сопротивление спирали должно быть известно
(для опыта берут спираль с известным сопротив-
лением). Опыт показывает, что количество теплоты,
найденное тем и другим способом, одинаково.
Ленц Эмилий Христианович (1804—
1865) — рдсский физик. Он является одним
из основоположников электротехники. С его
именем связано открытие закона, определяю-
щего направление индукционного тока, и за-
кона, определяющего тепловые действия
тока.
134
1. Как можно объяснить нагревание проводника электриче-
ским током? 2. Какие энергетические процессы происходят
при нагревании проводника током? 3. По какой формуле мож-
но рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике
током? 4. Как, пользуясь законом Ома, можно выразить коли-
чество теплоты, выделяемое током в проводнике, через силу
тока, сопротивление проводника и время?
1. Сколько теплоты выделится за 30 мин в проволочной спира-
ли сопротивлением 20 ом при силе тока 5 а?
2. С какой целью провода в местах соединения не просто
скручивают, а еще и спаивают? Ответ обоснуйте.
3. Если нагревательный прибор (кипятильник) вынуть из воды,
не выключив предварительно его из сети, то он быстро
перегорает. Почему?
4. В цепь источника тока включены последовательно три про-
волочки одинакового сечения и длины: медная, стальная и
никелиновая. Какая из них больше нагреется? Ответ обос-
нуйте и по возможности проверьте в классе на опыте.
5. В цепь источника тока включены параллельно две прово-
лочки одинакового сечения и длины: железная и медная.
Какая из них больше нагреется? Ответ обоснуйте и по
возможности проверьте в классе на опыте.
6. Электрическая плитка рассчитана на ток мощностью
300 ат. Определите количество теплоты, выделяемое в
плитке за 1 ч.
83. ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ
Основная часть современной лампы накалива-
ния — спираль из тонкой вольфрамовой проволоки.
Спираль помещают в стеклянную колбу, из которой
затем выкачивают насосом воздух. Вольфрам имеет
температуру плавления 3300° С и допускает накали-
вание до 3000° С. Однако при этой температуре
вольфрамовая спираль испаряется. Она становится
тоньше и сравнительно быстро перегорает. Чтобы
предотвратить быстрое испарение вольфрама, со-
временные лампы наполняют инертным в химиче-
ском отношении газом азотом, иногда криптоном
или аргоном. Молекулы газа препятствуют выходу
молекул вольфрама из нити, т. е. препятствуют раз-
рушению накаленной нити.
На рисунке 98 изображена газонаполненная
лампа накаливания. Концы спирали J приварены
к двум проволокам, которые проходят сквозь стекло
и припаяны к металлическим частям цоколя 2 лам-
пы. Одна проволока припаяна к винтовой нарезке,
а другая — к изолированному от нарезки основанию
цоколя.
Для включения лампы в сеть ее ввинчивают
в патрон. Внутренняя часть патрона содержит пру-
Упр. 28
Рис. 98-
жилящий контакт 4, касающийся основания цоколя
лампы, и винтовую нарезку 5, удерживающую лам-
пу. Пружинящий контакт и винтовая нарезка патро-
на имеют зажимы, к которым прикрепляют провода
от сети.
Промышленность выпускает лампы накаливания
на напряжение 220 и 127 в (для осветительной сети),
50 в (для железнодорожных вагонов), 12 и 6 в (для
автомобилей), 3,5 и 2,5 в (для карманных фонарей).
В квартире пользуются несколькими лампами
и все они включаются в электрическую сеть парал-
лельно.
Пионерами электрического освещения с по-
мощью ламп накаливания являются русский инже-
нер А. Н. Лодыгин и американский изобретатель
Т. Эдисон.
J 1. Как устроена современная лампа накаливания? 2, Из како-
• го металла изготовляют проволоки для спиралей лампочки?
3. Почему баллоны современных ламп накаливания наполняют
инертным газом — азотом, аргоном или криптоном? 4. Как
устроен патрон для включения лампочки накаливания в сеть?
5. На какие напряжения рассчитаны лампы накаливания, вы-
пускаемые нашей промышленностью? 6. Как включают в элект-
рическую сеть электрические лампы накаливания в квартире?
7. Назовите первых изобоетателей электрического освещения
с помощью ламп накаливания,
Задание Подготовьте доклад на одну из следующих тем:
1. А. Н. Лодыгин, его жизнь и деятельность.
2. Т. Эдисон. Изобретение лампочки накаливания и па-
трона.
3. П. Н. Яблочков. Русский свет.
4. Дуговая сварка металлов по способу Н Н Бенардоса.
5. Дуговая сварка металлов по способу Н. Г. Славянова
84. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Тепловое действие тока используют в различных
электронагревательных приборах и установках.
В домашних условиях широко применяют электри-
ческие плитки, утюги, чайники, кипятильники. В про-
мышленности тепловое действие тока используют
для выплавки специальных сортов стали и многих
других металлов, для электросварки. В сельском
хозяйстве с помощью электрического тока обогре-
вают теплицы, кормозапарники, инкубаторы, сушат
зерно, приготовляют силос.
Основная часть всякого нагревательного электри-
136 ческого прибора — нагревательный элемент. Нагрева-
тельный элемент представляет собой проводник с боль-
шим сопротивлением, способный, кроме того, выдер-
живать, не разрушаясь, нагревание до высокой тем-
пературы (до 1000— 1200° С). Чаще всего для этого
применяют сплав никеля, железа, хрома и марганца,
известный под названием «нихром». Удельное сопро-
тивление нихрома р= 1,4 ом'*м ( чт0 примерно в 70
раз больше удельного сопротивления меди. Большое
удельное сопротивление нихрома дает возможность
изготовлять из него весьма удобные — малые по раз-
мерам — нагревательные элементы.
В нагревательном элементе проводник в виде
проволоки или ленты намотан на пластинку из жа-
роустойчивого материала: слюды, керамики. Нагре-
вательный элемент электрического утюга изображен
на рисунке 99. В этом элементе ток нагревает нихро-
мовую ленту, а от ленты нагревается нижняя часть
утюга.
У электрической плитки нагревательным элемен-
том является спираль из нихромовой проволоки,
уложенная в канавку керамической пластенки
(рис. 100).
Устройство электрического паяльника показано
на рисунке 101.
1. Приведите примеры использования тепловых действий тока.
2. Что представляет собой нагревательный элемент электрона-
гревательного прибора? 3. Какими свойствами должен обла-
дать материал, из которого изготовляют спирали или ленты
нагревательного элемента? 4. Какие известные вам материа-
лы обладают необходимыми для нагревательного элемента
свойствами?
Подготовьте доклад на одну из следующих тем:
1. Использование тепловых действий тока в устройстве
теплиц.
2. Электрический нагрев в инкубаторе. Автоматическое
поддержание постоянной температуры.
3. Применение электрической энергии при выплавке стали
и алюминия.
Рис. 100.
Задание
Рис. 101. Электрический паяль-
ник
I — медный стержень паяльника;
2 — нихромовая проволока, намотан-
ная поверх слюды; 3 — трубчатая
рукоятка, внутри которой проходят
подводящие провода; 4 — части ме-
таллического защитного кожуха.
137
85. КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ. ПРЕДОХРАНИТЕЛИ
Электрические цепи всегда рассчитаны на опре-
деленную наибольшую силу тока. Если по той или
иной причине сила тока в цепи становится больше
допустимой, то провода могут значительно на-
греться, а покрывающая их изоляция — воспламе-
ниться.
Ниже в таблице приведена допустимая сила тока
в изолированных проводах:
Площадь сечения, мм* Сила тока, а (норма) Площадь сечения, мм2 Силз тока, а (норма)
Медь Алюми- ний Железо Медь Алюми- ний Железо
1 6 6 — 6 25 20 10
1,5 10 8 — 10 31 25 15
2,5 15 10 6 16 43 35 25
4 20 15 8 25 75 60 —
Рис. 102
Рис. 103.
Причиной значительного увеличения силы тока
в сети может быть или одновременное включение
мощных потребителей тока, например электриче-
ских плиток, или так называемое короткое замыка-
ние. Коротким замыканием называют соединение
концов участка цепи проводником, сопротивление
которого очень мало по сравнению с сопротивлением
участка цепи. Оно может возникнуть, например, при
ремонте проводки под током, что делать нельзя
(рис. 102).
Так как сопротивление цепи при коротком замы-
кании очень незначительно, в цепи возникает очень
большой ток.
Чтобы избежать связанной с перегрузкой прово-
дов опасности пожара, в сеть включают предохра-
нители.
Назначение предохранителей — сразу отключить
линию, если сила тока в ней вдруг окажется больше
допустимой нормы. Рассмотрим устройство предо-
хранителей, применяемых в квартирной проводке.
Главная часть всякого предохранителя — свин-
цовая проволока С (рис. 103), проходящая внутри
фарфоровой пробки П. Пробка имеет винтовую на-
резку Р и центральный контакт К. Нарезка соеди-
нена с центральным контактом свинцовой проволо-
кой. Пробка ввинчивается в патрон, находящийся
внутри фарфоровой коробки.
138
Свинцовая проволока представляет, таким обра-
зом, часть общей цепи. Толщина свинцовых прово-
лок рассчитана так, что они выдерживают силу тока
определенной величины, например 5, 10 а и т. д.
Если сила тока превысит допустимое значение, то
свинцовая проволока расплавится и цепь окажется
разомкнутой.
Предохранители с плавящимся проводником на-
зывают плавкими предохранителями.
Предохранители располагают на специальном
щитке, устанавливаемом у самого ввода проводов
в квартиру. В каждый из проводов последовательно
включают отдельный предохранитель (рис. 104).
На рисунке 105 показан плавкий предохрани-
тель, применяемый в радиоприемниках. Тонкий
проводник натянут по оси стеклянной трубки, имею-
щей по концам металлические наконечники. Трубка
вставляется в специальный держатель.
Рис. 104.
1. Что может случиться с проводом, если сила тока в нем
превысит допустимую норму? 2. Что может служить причи-
ной значительного увеличения силы тока в сети? 3. В чем со-
стоит явление короткого замыкания? 4. Чем объяснить, что
при коротком замыкании сила тока в цепи может достигнуть
огромной величины? 5. Для какой цели служат предохрани-
тели, включаемые в сеть? 6. Как устроен распространенный
квартирный предохранитель?
7
Рис. 105.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
86. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
При изучении явления взаимодействия наэлек-
тризованных тел было установлено, что в простран-
стве, окружающем электрический заряд, существует
электрическое поле. Под действием электрического
поля происходит движение заряженных частиц
(электрический ток): электронов — в металлах и
ионов — в жидкостях (§ 56, 57).
В § 58 были описаны различные явления, наблю-
даемые в цепи, в которой существует электрический
ток: тепловые химические и магнитные. Магнитные
явления, как уже указывалось, существуют всегда,
когда существует электрический ток. Основное маг-
нитное явление, на которое было указано в § 58, за-
ключается в том, что между двумя проводниками с
током возникает сила взаимодействия. Такие силы
называются м а г н и т н ы м и с и л а м и. 139
/
Рис. 106.
В дальнейшем при изучении магнитных явлений
мы будем пользоваться магнитной стрелкой. Маг-
нитная стрелка, как известно, является главной
частью компаса. Напомним, что у магнитной стрел-
ки имеются два полюса: северный а южный. Линию,
соединяющую концы (полюсы) магнитной стрелки,
называют осью магнитной стрелки.
Рассмотрим теперь опыт, показывающий взаимо-
действие электрического тока и магнитной стрелки,
который впервые осуществил в 1820 г. датский уче-
ный Эрстед. Этот опыт имел большое значение
для развития учения об электрических явлениях.
Если расположить проводник, включенный
в цепь источника тока, над осью магнитной стрелки
(рис. 106), то при замыкании цепи магнитная стрел-
ка отклоняется от своего первоначального положе-
ния (на рисунке показано пунктиром). При размы-
кании цепи магнитная стрелка возвращается в свое
начальное положение. Это означает, что ток и маг-
нитная стрелка взаимодействуют друг с другом.
Как можно объяснить опыт Эрстеда?
Когда мы видели, что два наэлектризованных
тела взаимодействуют друг с другом, мы пришли
к выводу, что вокруг них имеется электрическое по-
ле Подобно этому опыт Эрстеда показывает, что в
пространстве вокруг проводника с электрическим
током существует магнитное поле. Оно-то и
действует на магнитную стрелку, отклоняя ее.
Магнитное поле существует вокруг всякого элек-
трического тока, т. е. вокруг движущихся электри-
ческих зарядов.
Электрический ток и магнитное поле неотделимы
друг от друга. Таким образом, в пространстве во-
круг неподвижных электрических зарядов сущест-
вует только одно электрическое поле. Вокруг же
движущихся зарядов, т. е. электрического тока, су-
ществует и электрическое, и магнитное поле.
Так как магнитное поле появляется вокруг про-
водника, когда в последнем возникает ток, то ток
следует рассматривать как источник магнитного
140
поля. В этом смысле надо понимать выражения:
«магнитное поле тока» или «магнитное поле, соз-
данное током».
1. Какие явления наблюдаются в цепи, в которой существует
электрический ток? 2. Какие магнитные явления вам известны?
3. В чем состоит опыт Эрстеда? Л. Какая связь существует
между электрическим током и магнитным полем?
87. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПРЯМОГО ТОКА. СИЛОВЫЕ
ЛИНИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Существование магнитного поля вокруг провод-
ника с электрическим током можно обнаружить
различными способами. Один из таких способов
заключается в использовании железных опилок.
В магнитном поле кусочки железа, из которых
состоят опилки, намагничиваются и становятся ма-
ленькими магнитными стрелочками. Ось каждой из
этих стрелочек в магнитном поле устанавливается
вдоль направления сил магнитного поля.
На рисунке 107 изображена картина магнитного
поля прямого проводника с током. Для получения
такой картины прямой проводник пропускают
сквозь лист картона. На картон насыпают тонкий
слой железных опилок.
Под действием магнитного поля тока железные
опилки располагаются вокруг проводника не беспо-
рядочно, а по концентрическим окружностям.
Линии, вдоль которых, в магнитном поле распо-
лагаются оси маленьких магнитных стрелок, назы-
вают силовыми линиями магнитного поля.
С помощью силовых линий удобно изображать
магнитные поля графически.
Силовую линию проводят так, что касательная
к ней в любой ее точке указывает направление силы,
действующей в этой точке на северный полюс маг-
нитной стрелки.
Цепочки, которые образуют в магнитном поле
железные опилки, показывают форму силовых ли-
ний магнитного поля.
Силовые линии магнитного поля тока представ-
ляют собой замкнутые кривые, охватывающие про-
водник.
Рчс. 107.
1. Почему для изучения магнитного поля можно использо-
вать железные опилки? 2. Как располагаются железные опил-
ки в магнитном поле прямого тока? 3. Что называют силовой
линией магнитного поля? 4. Для чего вводят понятие силовой
линии поля? Как проводят силовую линию магнитного поля
тока! ^41
Рис. 108.
Рис. 109.
88. НАПРАВЛЕНИЕ ТОКА И НАПРАВЛЕНИЕ
СИЛОВЫХ ЛИНИИ ЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
На рисунке 108, а показано расположение маг- -
• нитных стрелок вокруг проводника с током. Оси
этих стрелок располагаются вдоль силовых линий
поля. При изменении направления тока в этом про-
воднике все магнитные стрелки поворачиваются на
180° (рис. 108, б). Из этого опыта можно заключить,
что направление силовых линий магнитного поля
тока связано с направлением тока в проводнике.
Эта связь может быть выражена простым прави-
лом, которое называют правилом буравчика.
Правило буравчика заключается в следующем:
если направление поступательного движения бурав'
чика совпадает с направлением тока в проводнике,
то направление вращения ручки буравчика совпа-
дает с направлением силовых линий магнитного
поля тока. На рисунке 109 показано применение
этого правила.
На этом рисунке стрелками с оперением показа-
но направление тока.
Условимся изображать сечение проводника с то-
ком в виде кружка. Если в центре этого кружка
поставить точку, то это будет означать, что ток на-
правлен к нам (как будто мы видим острие летящей
стрелы, рис. ПО, а). Если ток в проводнике направ-
лен от нас, в кружке ставят крестик (как будто
мы видим хвостовое оперение летящей стрелы,
рис. 110,6). По правилу буравчика можно опреде-
лить направление силовых линий магнитного поля
этих токов.
Рис. 110.
1. Как на опыте можно показать связь между направлением
тока в проводнике и направлением силовых линий егр магнит-
ного поля? 2. В чём состоит правило буравчика для определе-
ния направлений силовых линий магнитного поля? 3. Какой
способ изображения на чертеже проводника с током практи-
чески очень удобен?
142
\1. На рисунке 111 изображен проволочный прямоугольник, на-
правление тока в нем показано стрелками. Перечертите ри-
сунок в тетрадь и, пользуясь правилом руравчика, начерти-
те вокруг каждой из его четырех сторон по одной силовой
линии, указав стрелкой ее направление.
2. На рисунке 112 показаны силовые линии магнитного поля
вокруг проводников с током. Проводники изображены кру-
жочками. Перечертите рисунок в тетрадь и условными зна-
ками обозначьте направления токов в проводниках, исполь-<
зуя для этого правило буравчика.
89. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КРУГОВОГО ТОКА
На рисунке 113 изображен проводник в форме
кольца, продетого в отверстия, сделанные в куске
картона. Создав в проводнике ток, с помощью же-
лезных опилок получают картину магнитного поля
кругового тока.
По расположению опилок на картоне можно за-
ключить, что силовые линии магнитного поля кру-
гового тока уже не являются правильными окруж-
ностями. Но и в этом случае все линии замыкаются,
обходя проводник с током.
Направление силовых линий магнитного поля
кругового тока можно определить по расположению
в нем магнитных стрелок или пользуясь известным
нам правилом буравчика. На рисунке 114 направле-
ние тока показано стрелкой с оперением, силовые
линии магнитного поля изображены тонкими ли-
ниями.
Как уже указывалось, направление тока и на-
правление силовых линий его магнитного поля вза-
имно связаны.
На рисунке 115 изображены два кольца, распо-
ложенные во взаимно перпендикулярных плоско-
стях. Если какое-нибудь одно из них изображает
круговой ток с указанным стрелкой направлением,
то другое изображает силовую линию магнитного
поля с соответствующим ей направлением.
Рис. 111.
Рис. 112.
Рис. 114.
Рис. 115.
Рис. 113.
143
?
1. Как с помощью правила буравчика определить направлен^
силовых линий магнитного поля кругового тока? 2. В виде ка-
ких двух колец можно изобразить линию тока и силовую
линию его магнитного поля? 3. Как с помощью магнитной
стрелки можно определить направление силовых линий маг-
нитного поля кругового тока?
Упр. 30
Рис. 116.
1. В сосуде на поверхности воды плавает поплавок, на кото-
ром установлена магнитная стрелка. Как установится эта
стрелка, если сосуд поместить внутрь кольцевого провода
с током? Направление тока показано стрелкой (рис. 116).
2. Как изменится положение магнитной стрелки, если направ-
ление тока в проводе изменить на противоположное?
90. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШНИ С ТОКОМ
Наибольший практический интерес представляет
собой магнитное поле катушки с током.
Сделав в куске картона (или стекла) два ряда
отверстий и протянув сквозь них провод, как пока-
зано на рисунке 117, получают катушку.
Создав в катушке ток, насыпают сверху на кар-
тон железные опилки, которые располагаются вдоль
силовых линий магнитного поля катушки с током.
Магнитное поле катушки с током можно рас-
сматривать как суммарное поле, получившееся от
слияния магнитных полей нескольких круговых то-
ков (рис. 113).
Когда длина катушки значительно превосходит
диаметр витков, то внутри такой катушки сущест-
вует магнитное поле, силовые линии которого па-
раллельны друг другу (рис. 117). На концах катуш-
ки силовые линии расходятся и замыкаются вне
катушки.
Направление силовой линии магнитного поля и в
этом случае можно определить по правилу бурав-
чика.
Если подвесить катушку с током на тонких и гиб-
ких длинных проводниках, то она установится так,
как устанавливается магнитная стрелка компаса.
144
Направление
тока
Направление силовых
линий
Рис. 117.
Юг
Север
Рис. 118.
Один конец катушки будет обращен к северу, дру-
гой — к югу. К северу обращен тот конец катушки,
из которого силовые линии выходят из катушки.
Этот конец катушки подобен северному полюсу маг-
нитной стрелки (рис. 118). Другой конец катушки,
в который силовые линии входят, подобен южному
магнитному полюсу. Таким образом, катушка с то-
ком, как магнитная стрелка, имеет два магнитных
полюса.
Зная направление тока в витках катушки, можно
определить магнитные полюсы катушки но правилу
буравчика.
Для перемены магнитных полюсов катушки до-
статочно изменить направление тока в ней.
На рисунке 119 изображена катушка, состоящая
из большого числа витков провода, намотанных на
деревянный каркас. Когда в катушке есть ток, же-
лезные опилки притягиваются к ее магнитным по-
люсам. При исчезновении тока притянутые опилки
отпадают.
Рис. 119.
1. Как на опыте можно получить картину магнитного поля
катушки с током? 2. Каково расположение силовых линий
магнитного поля катушки с током? 3. Как с помощью правила
буравчика определить направление силовых линий магнитного
поля катушки с током? 4. В каком направлении устанавливается
катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводни-
ках? Какое сходство имеется здесь с магнитной стрелкой?
5. Какой конец катушки обладает свойствами северного
магнитного полюса, южного магнитного полюса? 6. Как с по-
мощью правила буравчика определить магнитные полюсы
катушки? T. Что надо сделать, чтобы изменить магнитные по-
люсы катушки на противоположные?
Упр. 31
1. На рисунке 120 изображен «плавающий» элемент Вольта, к
электродам которого присоединены концы катушки, Опре-
делите, пользуясь правилом буравчика, какой конец катушки
будет северным магнитным полюсом, какой—южным. Как
проверить полюсы катушки с помощью магнитной стрелки?
Может ли эта установка служить компасом?
Если есть возможность, изготовьте такой прибор и про-
делайте с ним опыты.
2. Отрезками АВ и CD на рисунке 121 изображены оси магнит-
ных стрелок. Перерисуйте рисунок в тетрадь и обозначьте
буквами магнитные полюсы у стрелок.
3. На рисунке 122 изображена катушка с током. Вблизи ка-
тушки расположены четыре магнитные стрелки. Перечер-
тите в тетрадь рисунок и укажите на нем полюсь! стрелок.
гаствор серной
кислоты
Рис. 120.
10 Физика. 7 кл.
Рис. 121.
-Ч^.
—=4—
Рис. 122.
Рис. 124.
Рис. 126.
91. ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ
Магнитное поле катушки с током можно значи-
тельно усилить, если поместить внутрь катушки сер-
дечник из железа.
Рассмотрим это явление подробнее. Обратимся
к опыту.
На рисунке 123 изображена схема цепи, состоя-
щей из источника тока, катушки, реостата и выклю-
чателя. Вблизи катушки расположена магнитная
стрелка. Когда в катушке возникает ток, стрелка
поворачивается на некоторый угол. Если стрелку
отодвинуть на большое расстояние, то при той же
силе тока в катушке она поворачивается на мень-
ший угол. Следовательно, действие магнитного поля
на стрелку с увеличением расстояния уменьшается.
При изменении силы тока магнитное поле катуш-
ки изменяется: при увеличении силы тока магнит-
ное поле усиливается, при уменьшении — ослаб-
ляется.
Если ввести внутрь катушки железный сердеч-
ник, то стрелка в нашем опыте резко отклонится.
Железо, введенное внутрь катушки, усиливает маг-
нитное поле, подобно тому как усиливает магнитное
поле увеличение силы тока. Когда цепь размыкают,
магнитное поле в катушке и сердечнике исчезает.
Катушку с железным сердечником внутри назы-
вают электромагнит ом.
Электромагниты бывают различной формы. На
рисунке 124 изображен подковообразный электро-
магнит, удерживающий якорь с подвешенным к не-
му грузом.
Электромагниты, обладающие большой подъем-
ной силой, используют на заводах для переноски
изделий из стали или чугуна, а также стальных и чу-
гунных стружек, слитков (рис. 125).
На рисунке 126 показан в разрезе магнитный
сепаратор для зерна. Зерно 1 высыпается из бун-
кера на вращающийся барабан 2. Внутри барабана
находится сильный электромагнит. Притягивая же-
лезные частицы 4, он извлекает их из потока зерна 3
и таким путем очищает зерно от случайно попавших
в него железных предметов.
1. Какими способами можно усилить магнитное поле катушки?
2. Что называют электромагнитом? 3. Для каких целей исполь-
зуют на заводах электромагниты? 4. Как устроен магнитный
сепаратор для зерна?
?. Через катушку, внутри которой находится стальной стер-
жень (рис. 127), пропускают ток указанного направления.
Определите полюсы у полученного электромагнита. Как
можно изменить положение полюсов у этого электромаг-
нита?
2. Определите направление тока в катушке и полюсы у ис-
точника тока (рис. 128), если при токе в катушке у электро-
магнита возникают указанные на рисунке магнитные полюсы.
3. Направление тока в витках обмотки подковообразного
электромагнита показано стрелками (рис. 129). Определите
полюсы электромагнита.
4. На рисунке 130 схематически изображено устройство элек-
трического звонка На этой схеме ЭМ — подковообразный
электромагнит, Я — железная пластинка — якорь, М — моло-
точек, 3— звонковая чаша, К — контактная пружина, касаю-
щаяся винта С. Рассмотрите схему звонка й объясните, как
он действует,
Упр. 32
92. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕЛЕГРАФ
Телеграф представляет собой установку, при по-
мощи которой можно не только передавать сигналы
на далекие расстояния, но и записывать их. Самое
слово «телеграф» состоит из двух слов: «теле» —
далеко и «графе» — пишу.
Первый электрический телеграфный аппарат был
изобретен в России П. Л. Шиллингом в 1832 г.
Но широкое распространение получил электромаг-
нитный телеграф американца Морзе, изобретен-
ный им в 1837 г.
Схема работы телеграфного аппарата Морзе
изображена на рисунке 131.
Рис. 129.
Рис. 130.
На станции А, передающей сигналы, находятся
источник тока и телеграфный ключ /. На приемной
станции В находится записывающее устройство.
Главная часть этого устройства — электромагнит 2.
Над полюсами электромагнита расположен рычаг,
могущий вращаться вокруг оси О. К. одному плечу
рычага прикреплена железная пластинка 3 (якорь),
на другом плече, оттягиваемом пружиной 4, нахо
дится колесико 5, наполовину погруженное в ста-
канчик с краской. Приемная и передающая станции
соединены проводами.
Телеграфный ключ снабжен пружиной, которая,
отводя металлический рычаг от контакта, размыкает
цепь. Чтобы замкнуть цепь, надо нажать на рукоят-
ку рычага 1 и привести его в соединение с контак-
том. При замыкании цепи на станции А электро-
магнит 2 притягивает к себе железный якорь, при
этом колесиком 5 касается бумажной ленты, кото-
рая охватывает валики. Валики вращаются часо-
вым механизмом.
Коснувшись бумажной ленты, колесико остав-
ляет на ней след — черточку, длина которой зависит
от того, сколько времени якорь находился в контак-
те с колесиками электромагнит^. А это в свою оче-
редь зависит от того, сколько времени цепь была
замкнута. Цепь замыкают на передающей станции
телеграфным ключом. Короткие нажимы на ключ
оставляют на бумаге точки, длительные—тире.
Комбинируя тире и точки, можно при их помощи
составить таблицу условных знаков, соответствую-
щее. 132.
щих буквам азбуки, цифрам и знакам препинания
(азбука Морзе).
На рисунке 132 изображена простейшая схема
телеграфной установки, позволяющая производить
обмен телеграммами между двумя станциями А и В.
На обеих станциях находятся записывающие устрой-
ства и Та и телеграфные ключи К\ и К2. На
рисунке изображено положение, когда станция А
передает телеграмму, а станция В записывает. Элек-
трическая цепь в этой схеме замыкается через
землю.
Необходимо отметить, что описанные телеграф-
ные схемы являются простейшими, они поясняют
только принцип телеграфирования. Устройство и ра-
бота современных телеграфных аппаратов сложнее.
Русский ученый Б. С. Якоби усовершенствовал
телеграфный аппарат, он изобрел буквопечатпые
аппараты.
1. Что означает слово «телеграф»? 2. Из каких основных частей
состоит телеграфная установка? 3. Как устроены и работают
ключ и записывающее устройство телеграфа? 4. Что такое
азбука Морзе?
93. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ РЕЛЕ1
Электромагнитное реле представляет собой
устройство, работающее на слабых токах, при помо-
щи которого включают или выключают цепи с силь-
ными токами. Представление о принципе работы
дает схема простейшего реле (рис. 133).
Основная часть реле — электромагнит 1. Когда
в обмотке электромагнита возникает ток, сердечник
электромагнита притягивает железную пластинку
(якорь) 2, которая замыкает контакты 3 рабочей
1 Слово «реле» французского происхождения. Буквально
оно означает «перепряжка». Такое название во Франции носи-
ли почтовые станции, на которых меняли и перепрягали лоша-
дей в те времена, когда еще не было железных дорог.
149
цепи. В раоочую цепь могут быть включены различ-
ные приемники электрического тока: электродвига-
тели, электрические лампы и различные электриче-
ские аппараты. При размыкании цепи реле пружи-
на 4 оттягивает пластинку 2 вверх, при этом рабочая
цепь размыкается. На рисунке 133 в рабочую цепь
включен электродвигатель 5.
Реле широко применяют во всех областях тех-
ники, особенно в автоматике. Значение реле заклю-
чается в том, что для притягивания якоря 2 нужно
через обмотку электромагнита пропустить малый
ток, а через контакты рабочей цепи может прохо-
дить очень большой ток. Реле позволяет при помощи
малого тока включить большой ток.
1. Что означает слово «реле»? 2. Как устроено реле? 3. Для
чего используют реле?
94. ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ
Мы видели (§ 91), что железный сердечник
внутри катушки с током намагничивается, при раз-
мыкании же цепи катушки стержень размагничи-
вается.
Если вставить в катушку стержень из закаленной
стали, то в отличие от железного стержня он не раз-
магничивается после выключения тока.
Тела, длительное время сохраняющие намагни-
ценность, называют постоянными магнита-
Е м и или просто магнитами.
Е Французский ученый Ампер объяснял намагни-
ценность железа и стали электрическими токами,
В которые циркулируют внутри каждой молекулы
s В этих веществ.
Во времена Ампера о строении атома еще ничего
===_- не знали, поэтому природа молекулярных токов
S НИИМ оставалась неизвестной. Теперь же мы знаем, что
в каждом атоме имеются движущиеся отрицательно
Рис. !о4. заряженные частицы — электроны, обладающие
магнитными полями, они и вызывают намагничен-
ность железа и стали.
Магниты могут иметь самую разнообразную фор-
' му. На рисунке 134 изображены полосовой и подко-
вообразный магниты.
Те места магнита, где обнаруживаются наиболее
сильные магнитные действия, называют полюса-
ис' ' ми магнита (рис. 135). У всякого магнита, как и у
известной нам магнитной стрелки, обязательно есть
ио два полюса: северный и южный (S).
Поднося магнит к предметам, изготовленным из
различных материалов, можно установить, что маг-
нитом притягиваются очень немногие из них. Хоро-
шо притягиваются магнитом чугун, сталь, железо
и некоторые сплавы, значительно слабее — никель
и кобальт.
В природе встречаются естественные магниты
(рис. 136) —железная руда (так называемый маг-
нитный железняк). Богатые залежи магнитного
железняка есть у нас на Урале, на Украине, в Ка-
рельской АССР, Курской области и во многих дру-
гих местах.
Магнитный железняк позволил людям впервые
ознакомиться с магнитными свойствами тел.
1. В чем различие в намагничивании с помощью тока куска
железа и. куска стали? 2. Какие тела называют постоянными
магнитами? 3. Как Ампер объяснял намагничивание железа?
4. Как можно сейчас объяснить молекулярные токи Ампера?
5. Что называют магнитными полюсами магнита? 6. Какие из
известных вам веществ притягиваются магнитом?
95. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИТОВ
Если магнитную стрелку приблизить к другой
такой же стрелке, то они повернутся и установятся
друг против друга противоположными полюсами
(рис. 137).
Так же взаимодействует стрелка и с любым маг-
нитом.
Поднося к полюсам магнитной стрелки магнит,
можно заметить, что северный полюс стрелки оттал-
кивается от северного полюса магнита и притяги-
вается к южному полюсу. Южный же полюс стрелки
отталкивается от южного полюса магнита и притя-
гивается северным полюсом.
На основании описанных опытов можно сделать
следующее заключение.
Разноименные магнитные полюсы притягивают-
ся, одноименные — отталкиваются.
Взаимодействие магнитов можно объяснить тем.
что вокруг всякого магнита имеется магнитное поле.
Магнитное поле одного магнита действует на другой
магнит, и, наоборот, магнитное поле второго магни-
та действует на первый магнит.
Рас. 136.
?
Рис. 137.
1. Как взаимодействуют между собой магниты? 2. Как с по-
мощью магнитной стрелки можно определить полюсы у на-
магниченного стального стержня?
151
Рис 138.
Рис. 139. а <5
96. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ
Рис. 140.
I
С помощью железных опилок можно получить
представление о магнитном поле постоянных маг-
нитов.
На рисунке 138 изображено магнитное поле по-
лосового магнита. Как силовые линии магнитного
поля тока, так и силовые линии магнитного поля
магнита — замкнутые линии. Вне магнита силовые
линии выходят из северного полюса магнита и вхо-
дят в южный, замыкаясь внутри магнита.
На рисунке 139, а изображено магнитное поле
двух магнитов, обращенных друг к другу одноимен-
ными полюсами, а на рисунке 139, б — магнитное
ноле двух магнитов, обращенных друг к другу раз-
ноименными полюсами. На рисунке 140 изображено
магнитное поле подковообразного магнита.
Все эти поля легко получить на опыте.
1. Как можно получить представление о магнитном поле маг-
нита? 2. Что представляют собой силовые линии магнитного
поля магнита?
97. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
Со времен глубокой древности известно, что маг-
нитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг вер-
тикальной оси (в отсутствие вблизи нее магнитов
и электрических токов), всегда устанавливается в
данном месте Земли в определенном направлении.
Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли су-
ществует магнитное поле.
Магнитная стрелка устанавливается вдоль сило-
вых линий магнитного поля Земли.
Наблюдения показывают, что при приближении
к северному географическому полюсу Земли сило-
вые линии магнитного поля Земли все больше
Ш
и больше наклоняются к горизонту и около 70°50'
северной широты и 96° западной долготы становят-
ся вертикальными, входя в Землю. Здесь в настоя-
щее время находится южный магнитный полюс
Земли (рис. 141), он удален от северного географи-
ческого полюса приблизительно на 2100 км.
Северный магнитный полюс Земли находится
вблизи южного географического полюса, а именно
на 70°10z южной широты и 150°45" восточной долго-
ты. Здесь силовые линии магнитного поля Земли
выходят из Земли.
Рис. 141.
Таким образом, магнитные полюсы Земли не
совпадают с ее географическими полюсами.
Так как магнитные полюсы Земли не совпадают
с ее географическими полюсами, то и направление
магнитной стрелки не совпадает с направлением
географического меридиана. Угол между географи-
ческим меридианом данной местности и направле-
нием магнитной стрелки называют углом скло-
нения.
Угол склонения может быть измерен с помощью
компаса (рис. 142), главной частью которого явля-
ется магнитная стрелка.
Как удалось установить, на основании старинных
записей в судовых журналах углы склонения с те-
чением времени изменяются. Кроме того, иногда
внезапно возникают «магнитные бури», так назы-
Рис. 142.
вают кратковременные изменения магнитного поля
Земли.
Наблюдения показывают, что появление магнит-
ных бурь связано с солнечной деятельностью.
В период усиления солнечной деятельности с по-
верхности Солнца в мировое пространство выбрасы-
ваются потоки заряженных частиц, электронов и
протонов. Магнитное поле, образуемое этими движу-
щимися частицами, изменяет магнитное поле Земли
и вызывает магнитную бурю.
Магнитные бури — явление кратковременное. На
земном шаре встречаются области, в которых углы
склонения значительно и постоянно отклоняются от
нормы. Такие области называют областями магнит-
ной аномалии ’.
Одной из самых больших магнитных аномалий
является Курская магнитная аномалия. Причиной
таких аномалий являются огромные залежи желез-
ной руды на сравнительно небольшой глубине.
1 Аномалия — латинское слово, означающее «отклоне-
ние, ненормальность».
Природа земного магнетизма окончательно еще
не выяснена. Установлено только, что большую
роль в изменении магнитного поля Земли играют
разнообразные электрические токи, текущие как
в атмосфере (особенно в верхних слоях ее), так и в
земной коре.
Большое внимание изучению строения и свойств
магнитного поля Земли уделяют при полетах искус-
ственных спутников и космических лабораторий.
Установлено, что земное магнитное поле надеж-
но защищает поверхность Земли от космического
излучения, действие которого на живые организмы
разрушительно.
В состав космического излучения входят элек-
троны, протоны и другие частицы, движущиеся в
пространстве с огромными скоростями.
Магнитное поле Земли является для них своего
рода «ловушкой». Оно, как броня, препятствует про-
никновению большинства из них на Землю.
Полеты космических кораблей на Луну и вокруг
Луны позволили установить отсутствие магнитного
поля у Луны. Исследования, проведенные космиче-
скими кораблями, пока не обнаружили магнитных
полей и у планет Венера и Марс.
?
Рис. 143.
1. Чем объяснить, что магнитная стрелка устанавливается в
данном месте Земли в определенном направлении? 2. Где
находятся магнитные полюсы Земли? 3. Как показать, что
южный магнитный полюс Земли находится на севере, а се-
верный магнитный полюс — на юге? 4. Что называют углом
склонения? 5. Чем объясняют появление «магнитных бурь»?
6. Что такое области магнитной аномалии? 7. Где находится
область, в которой наблюдается наибольшая магнитная
аномалия?
98. ТЕЛЕФОН
Всем хорошо известна телефонная трубка. На
одном конце этой трубки укреплен собственно теле-
фон >, прижимаемый к уху при разговоре, а на дру-
гом— микрофон1 2. Микрофон и телефон соединены
в общую цепь с подобными же приборами, находя-
щимися на другом конце телефонной линии.
1 Телефон-— от греческих слов: «теле» — далеко, «фо-
не» — звук. Телефон — прибор, позволяющий передавать звук
на далекие расстояния.
2 Микрофон — от греческих слов: «микрос» — малый,
«фоне» — звук. Микрофон — прибор, чувствительный к слабым
звукам.
154
На рисунке 143 изображена схема /
устройства микрофона. Основные дета- а
ли микрофона — мембрана 2 (тонкая
пластинка из стали или прессованного
угля) и угольный порошок 3, заключен- А
ный в углублении угольной колодки 4.
Угольная колодка закреплена в корпу-
се 1 и изолирована от него прокладкой _________
5. На дне корпуса (тоже изолированно
от него) укреплен неподвижный элект-
род 6.
Электрические заряды в цепи проходят через
мембрану, угольную колодку, угольный порошок
и электрод 6.
Как работает микрофон?
Когда мы говорим или поем, наши голосовые
связки колеблются и приводят в колебание воздух.
Колебания воздуха воспринимаются нами как
----------
Рис. 144.
звуки.
Когда на мембрану не действуют звуковые коле-
бания воздуха, сопротивление угольного порошка
в микрофоне неизменно и сила тока в цепи постоян-
на. (На графике, показывающем изменения тока
в цепи микрофона (рис. 144), это изображается от-
резком АВ.)
Звуковые колебания воздуха, достигая мембра-
ны, приводят ее в колебания. Мембрана, колеблясь,
изменяет контакты между отдельными зернышками
угольного порошка. Вследствие этого сопротивле-
ние порошка в микрофоне изменяется, что вызывает
изменение тока в цепи. Эти изменения тока происхо-
дят в соответствии с колебаниями мембраны. Ток
в цепи микрофона становится пульсирующим. (На
графике изменения тока (рис. 144) это изображается
отрезком ВС.)
Таким образом, звуковые колебания в микро-
фоне вызывают изменения электрического тока в це-
пи телефона.
Схема устройства телефона изображена на ри-
сунке 145.
В корпусе 2 телефона находится постоянный
магнит 3 со стальными полюсными наконечни-
ками, на которые надеты катушки 4 из очень тонко-
го провода. На корпусе 2 лежит мембрана /, пред-
ставляющая собой тонкую стальную пластинку
круглой формы. Между мембраной и полюсными
наконечниками имеется небольшой воздушный
зазор. Крышка 5 прижимает мембрану 1 к кор-
пусу 2.
3 2
Рис. 145.
155
Когда в катушках телефона нет тока, мембрана
притянута к полюсам магнита и находится в слегка
прогнутом состоянии. Когда же в катушке телефона
возникает изменяющийся по величине ток, то он
вызывает соответствующие изменения магнитного
поля этих катушек.
Так как этот ток изменяется в соответствии со
звуковыми колебаниями, то и дополнительное маг-
нитное поле, созданное им, будет изменяться в соот-
ветствии с этими колебаниями.
Под действием изменяющегося магнитного поля
мембрана телефона колеблется и приводит в коле-
бание прилегающие к ней слои воздуха. В результа-
те слушатель слышит в трубке те слова и фразы,
которые в это время произносит в микрофон его
собеседник.
?
б
Рис. 146.
1. Что означают слова «телефон» и «микрофон»? 2. Как устро-
ен и работает микрофон? 3. Как устроен и работает телефон?
4. Как происходит разговор по телефону?
99. СИЛА, ДЕЙСТВУЮЩАЯ ИА ПРОВОДНИК С ТОКОМ
В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Мы знаем, что два проводника с токами взаимо-
действуют друг с другом с некоторой силой (§ 61)
Это явление объясняется тем, что на каждый
проводник с током действует магнитное поле тока
другого проводника. На первый проводник дей-
ствует магнитное поле второго проводника, а на
второй проводник — магнитное поле первого про-
водника.
Вообще на всякий проводник с током магнитное
поле, в котором находится этот проводник, дейст-
вует с некоторой силой. Наличие такой силы легко
обнаружить на опыте, схема установки для которого
изображена на рисунке 146, а.
В этой установке проводник АВ подвешен на
гибких проводниках, которые присоединены к источ-
нику тока. Проводник АВ помещен между полюсами
подковообразного магнита, т. е. находится в магнит-
ном поле.
При замыкании цепи проводник приходит в дви-
жение (рис. 146, б).
156
Если убрать магнит, то проводник с током дви-
гаться не будет. Значит, со стороны' магнитного поля
на проводник с током действует некоторая сила,
отклоняющая проводник от первоначального поло-
жения. Выясним, отчего зависит направление этой
силы.
Опыт показывает, что при изменении направле-
ния тока изменяется и направление движения про-
водника, а значит, и направление действующей на
него силы.
Если в опыте (рис. 146), не меняя направления
тока, поменять местами полюсы магнита, т. е. изме-
нить направление магнитного поля, то изменится на
противоположное и направление силы, действующей
на проводник Следовательно, направление тока в
проводнике, направление силовых линий магнитного
поля и направление силы, действующей на провод-
ник, связаны между собой.
Направление действующей на проводник с током
силы в магнитном поле можно определить, поль-
зуясь правилом левой руки. Это правило заключает-
ся в следующем.
Левую руку располагают так, чтобы силовые
линии магнитного поля входили в ладонь, четыре
пальца были направлены по току; тогда отставлен-
ный на 90° большой палец расположится вдоль
направления действующей на проводник силы
(рис. 147).
Рис. 147.
1, Как на опыте обнаружить наличие силы, действующей на
проводник с током? 2. От чего зависит направление силы,
действующей на проводник с током? 3. В чем заключается
правило левой руки? 4. Как надо применять правило левой ру-
ки для определения направления силы, действующей на про-
водник с током?
1. В какую сторону покатится легкая алюминиевая трубочка
при замыкании цепи (рис. 148)?
Упр. 33
Рис. 148.
157
в
Рис. 149.
2. По двум оголенным проводникам, соединенным с полюсами
источника тока, может катиться легкая алюминиевая трубоч-
ка АВ (рис. 149), Проводники находятся в магнитном поле,
силовые линии которого выходят из чертежа к нам. В ка-
кую сторону покатится трубочка АВ при замыкании цепи?
3. Между полюсами магнитов (рис. 150) расположены четыре
проводника с током. Определите, в какую сторону движется
каждый из них.
100. ВРАЩЕНИЕ РАМКИ С ТОКОМ В МАГНИТНОМ
ПОЛЕ
Практически важное значение имеет вращение
проводника с током в магнитном поле.
На рисунке 151 изображен прибор, на котором
можно осуществить такое движение. На этом при-
боре Л BCD— легкая прямоугольная рамка, наса-
женная на вертикальную ось. На рамке уложена
обмотка, состоящая из нескольких десятков витков
проволоки, покрытой изоляцией. Концы обмотки
присоединены к металлическим кольцам к. Один
конец обмотки присоединен к одному кольцу, дру-
гой — к другому. Кольца насажены на ту же ось,
что и рамка с обмоткой. Обмотку рамки включают
в цепь источника тока с помощью колец и металли-
ческих пластинок— щеток щ. Рамка устанавливает-
ся в магнитном поле, между магнитными полюсами
магнитов N и S.
На рисунке 151, а плоскость рамки ABCD рас-
положена параллельно силовым линиям магнитного
поля. При замыкании цепи в рамке устанавливается
ток, направление которого показано стрелками на
рисунке 151,6.
Применяя правило левой руки, найдем, что на
часть рамки АВ действует сила F, направленная от
нас за чертеж. К части рамки CD приложена такой
же величины сила F, но направленная от чертежа
к нам. На части же рамки AD и ВС, которые распо-
ложены вдоль силовых линий поля, силы не дейст-
вуют.
Под действием равных и противоположно на-
правленных сил рамка повернется, после нескольких
качаний остановится и установится так, что плос-
кость ее обмотки окажется перпендикулярной сило-
вым линиям магнитного поля. На рисунке 151 это
положение рамки изображено пунктиром.
При перемене направления тока в обмотке рамка
поворачивается еще на 180° и по инерции проходит
даже несколько дальше положения равновесия. Что-
бы рамка еще раз повернулась на 180°, надо изме-
нить направление тока в обмотке в тот момент,
когда она уже по инерции прошла положение равно-
весия. Значит, если бы в нужные моменты (после
каждого поворота рамки на 180°) менять направле-
ние тока в обмотке, то рамка стала бы вращаться
в магнитном поле все время, пока в обмотке сущест-
вует ток.
Можно автоматически изменять направление
тока в обмотке рамки. Для этой цели существует
особое устройство, называемое коллектором.
Простейший коллектор состоит из двух изоли-
рованных друг от друга полуколец, насаженных на
ту же ось, что и рамка, и, следовательно, могущих
вращаться вместе с рамкой. Концы обмотки рамки
присоединены к полукольцам. Обмотка включается
в электрическую цепь через полукольца при помощи
щеток. Рамка с таким коллектором изображена на
рисунке 152.
Когда полукольцо F касается щетки 2, ток в об-
мотке рамки направлен от D к С, как показано на
а
Рис. 152.
б
15®
рисунке 152, а. Рамка при этом поворачивается на
180° После этого поворота рамки к щетке 2 подхо-
дит полукольцо Е. Теперь ток в обмотке направ-
лен от Л кВ (рис. 152,6), т. е. направление тока в
обмотке изменяется на противоположное,- Вслед-
ствие этого рамка делает новый поворот на 180°
и т. д. Получается непрерывное вращение рамки.
Если в приборе, изображенном на рисунке 153, 1
кольца заменить полукольцами, то можно осущест-
вить непрерывное вращение рамки.
1. На какие части обмотки рамки с током действуют силы
со стороны магнитного поля? 2. Как движется прямоугольная
рамка, укрепленная на вертикальной оси и находящаяся в
магнитном поле, когда в обмотке рамки существует электри-
ческий ток? 3. Как можно осуществить непрерывное враще-
ние рамки, о которой говорилось в предыдущем вопросе?
4. При помощи какого устройства можно автоматически
менять направление тока в обмотке рамки? 5. Как устроен и
работает простейший коллектор тока?
101. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Явление вращения проводника с током в магнит-
ном поле используют в устройстве электриче-
ского двигателя.
Прибор, изображенный на рисунке 153, представ-
ляет собой действующую модель электродвигателя
постоянного тока. На этой модели мы видели, что
магнитное поле действует на обмотку с током с наи-
большей сплои в том случае, когда плоскость рамки
с обмоткой расположена вдоль силовых линий маг-
нитного поля. Когда же плоскость рамки при враще-
160
нии устанавливается перпендикулярно к силовым
линиям поля, рамка вращается только по инерции.
Поэтому вращение рамки происходит толчками.
Чтобы вращение рамки сделать более равномер-
ным, можно взять не одну рамку с обмоткой, а две,
расположив их перпендикулярно друг к другу, как
показано на рисунке 154. При этом кольцо коллек-
тора делят не на две, а на четыре части и к каждой
части присоединяют конец проводника.
В технических электродвигателях обмотка со-
стоит из большого числа витков проволоки, находя-
щихся в пазах железного цилиндра. На рисунке 155
изображена схема такого устройства. На этой схе-
ме витки проволоки изображены кружочками.
Железный цилиндр собран из листов. Вдоль бо-
ковой поверхности цилиндра сделаны прорезы, в ко-
торые вложены проводники. Такое устройство на-
зывают якорем двигателя. Железный цилиндр уси-
ливает магнитное поле, в котором находятся эти
проводники при работе электродвигателя.
Концы проводников якоря припаивают к изоли-
рованным друг от друга медным пластинкам кол-
лектора. Коллектор укрепляют на общей оси с яко-
рем. С помощью угольных щеток, которые касаются
пластин коллектора, проводники якоря включают
в цепь источника тока. На рисунке 156 изображен
якорь двигателя постоянного тока с пластинчатым
коллектором.
Магнитное поле, в котором вращается якорь та-
кого двигателя, создается сильным электромагни-
том. Электромагнит питается током от того же
источника тока, что и обмотка якоря.
На рисунке 157 показан разрез электрического
двигателя постоянного тока: здесь Я—якорь, А и
Б — щетки, К — коллектор.
Пока в проводниках якоря есть ток, якорь вра-
щается. Укрепив на оси якоря шкив или соединив
ось якоря с осью какой-либо машины, можно вра-
щение якоря передать любой машине.
В проводниках обмотки якоря двигателя электри-
ческий ток совершает работу, при этом затрачивает-
ся энергия, которая необходима для получения тока.
Рис. 154.
Рис. 155.
Рис. 157.
11 Физика, 7 кл.
Рис. 156.
161
<
Один из первых в мире электрических двигате-
лей, пригодных для практического применения, был
изобретен академиком Б. С. Якоби в 1834 году.
1. Какое явление используют в устройстве и работе электро-
двигателя? 2. Как устроен якорь двигателя постоянного тока?
3. Каким путем создается магнитное поле в электродвигателе?
102. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Мы ознакомились с устройством электрического
двигателя постоянного тока. Кроме этих двигателей,
существуют двигатели, работающие на переменном
.токе (они будут изучаться в старших классах).
Электрические двигатели сравнительно с тепло-
выми двигателями обладают рядом преимуществ.
При одинаковой мощности они имеют меньшие раз-
меры и более удобны в работе. При работе они не
выделяют газов, дыма и пара; для них не нужен за-
пас топлива и воды.
Электродвигатели можно установить в удобном
месте: на станке, под полом трамвая, на тележке
электровоза. Существуют электродвигатели, которые
выкачивают нефть из скважин.
Можно изготовить электрический двигатель лю-
бой мощности: от нескольких ватт, например в
электрических бритвах, до сотен и тысяч киловатт
на экскаваторах, прокатных станах, кораблях.
Коэффициент полезного действия мощных элек-
трических двигателей достигает 98%• Такого высо-
кого к.п.д. не имеет никакой другой двигатель.
Якоби Борис Семенович (1801—1874)—
русский академик. Прославился открытием
гальванопластики. Построил первый в мире
практически пригодный электродвигатель.
Изобрел телеграфный аппарат, печатающий
буквы.
162
На заводах и фабриках электрические двига-
тели приводят в движение различные станки и ма-
шины. В сельском хозяйстве электрические двигате-
ли используют в насобах, молотилках, веялках,
доильных аппаратах, соломорезках.
На транспорте электрические двигатели приво-
дят в движение трамваи, троллейбусы, поезда мет-
ро, электровозы.
Использование электрических двигателей в раз-
личных бытовых машинах — пылесосах, холодиль-
никах, стиральных и швейных машинах — облегчает
человеческий труд и создает удобства.
1. Каковы преимущества электрических двигателей по срав-
нению с тепловыми? 2. Где применяют электрические дви-
гатели?
103. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Изучение разнообразных электромагнитных яв-
лений, многие из которых нами были уже рассмот-
рены, показывает, что всюду, где есть электрический
ток, вокруг него существует и магнитное поле.
Но если электрический ток, как говорят, «созда-
ет» магнитное поле, то не существует ли обратного
явления? Нельзя ли с помощью магнитного поля
создать электрический ток в проводнике?
В 1822 г. английский ученый Фарадей поставил
перед собой задачу: «превратить магнетизм в элек-
тричество».
Фарадей Майкл. (1791—1867) —англий-
ский физик. Он создал учение об электричес-
ком и магнитном поле, открыл явление
электромагнитной индукции, установил за-
коны химического действия тока.
163
Рас. 159.
Рис. 158.
Чтобы понять, как удалось Фарадею разрешить
задачу: «превратить магнетизм в электричество»,
рассмотрим некоторые опыты Фарадея, которые
сейчас, при современной технике, легко воспроизве-
сти в школе.
На рисунке 158 изображен проводник, концы ко-
торого присоединены к гальванометру. Если этот
проводник вдвигать внутрь магнита или удалять из
него так, чтобы он пересекал силовые линии маг-
нитного поля магнита, то в нем возникает и сущест-
вует во все время движения электрический ток. Этот
ток обнаруживается по отклонению стрелки гальва-
нометра.
Когда же проводник неподвижен или движется
параллельно силовым линиям, он при этом не пере-
секает силовых линий и в обоих случаях электриче-
ский ток в нем не возникает.
Рассмотрим еще несколько опытов.
На рисунке 159, а показана проволочная катуш-
ка, концы которой присоединены к гальванометру.
Когда внутрь такой катушки вводят магнит, стрелка
гальванометра отклоняется, указывая на появление
в цепи катушки электрического тока. Такое же
Рис. 160.
явление наблюдают и при удалении магнита из
катушки. Только в этом случае стрелка гальвано-
метра отклоняется в другую сторону. Это показы-
вает, что при удалении магнита из катушки в пос-
ледней возникает ток, противоположный по направ-
лению тому току, который возникал при вдвигании
магнита в катушку.
Но как только движение магнита относительно
катушки прекращается (рис. 159, б), исчезает и ток.
Следовательно, ток в цепи катушки возникает и су-
ществует только во время движения магнита отно-
сительно катушки, т. е. при изменении магнитного
поля.
Опыт можно видоизменить: на неподвижный
магнит надевать катушку и снимать ее (рис. 160).
При этом во все время движения катушки относи-
тельно магнита в цепи катушки с гальванометром
существует электрический ток.
Магнит можно заменить катушкой с током или
электромагнитом, как это показано на рисунке 161,
и проделать те же опыты, что и с магнитом. При
внесении катушки 1 с током в катушку 2, соединен-
ную с гальванометром, в последней возникает ток.
Такое же явление наблюдается и при удалении ка-
тушки 1 из катушки 2.
Во всех этих опытах, когда катушка и магнит
движутся относительно друг друга, витки катушки
пересекают силовые линии магнитного поля. Имен-
но пересечение силовых линий витками катушки
служит причиной того, что в катушке возникает
электрический ток.
Можно вставить катушку 1 внутрь катушки 2 и,
не двигая их друг относительно друга, замыкать
и размыкать цепь катушки /, и в этих случаях в ка-
тушке 2 возникает кратковременный электрический
ток. В этом опыте при замыкании цепи возникает
магнитное поле, при размыкании исчезает. Но при
возникновении и исчезновении изменяется число си-
0
165
Рис. 161.
ловых линий, пересекающих витки катушки. В ка-
тушке появляется ток.
Во всех вышеописанных опытах в проводнике
возникает электрический ток. Причина возникнове-
ния его одинаковая.
Фарадей, открывший это явление, доказал, что
электрический ток возникает в проводнике в том
случае, когда силовые линии магнитного поля пере-
секаются проводником. Чем большее число силовых
линий магнитного поля пересечет проводник в 1 сек,
тем большей силы ток возникнет в этом проводнике.
Явление возникновения в замкнутом проводнике
электрического тока при пересечении этим провод-
ником силовых линий магнитного поля называют
электромагнитной индукцией *.
Возникающий при этом ток называют индук-
ционным током.
Явление электромагнитной индукции было от-
крыто Фарадеем в 1831 г. Оно является одним из
самых замечательных открытий первой половины
XIX в. Явление электромагнитной индукции лежит
в основе всей электротехники и радиотехники.
1. Основываясь на каких фактах, Фарадей поставил перед
собой задачу: «превратить магнетизм в электричество»? 2. При
каких условиях в проводнике, находящемся в магнитном поле,
возникает ток? 3. На каких опытах можно показать возникно-
вение тока в проводнике при пересекании им силовых линий
магнитного поля? 4. Какое явление называют электромагнит-
ной индукцией? 5. Как называют ток, возникающий при элек-
тромагнитной индукции?
104. НАПРАВЛЕНИЕ ИНДУКЦИОННОГО ТОКА.
ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ
Для
дополнительного
чтения
Индукционный ток, возникающий в проводнике,
может иметь разное направление.
Об этом можно было заключить по отклонению
стрелки гальванометра в опытах, описанных в § 103.
В одних случаях стрелка отклонялась в одну сторо-
ну, в других — в другую.
Опыты и наблюдения показывают, что направ-
ление индукционного тока в проводнике зависит от
направления силовых линий магнитного поля и от
направления движения проводника.
1 Индукция — латинское слово, в переводе на русский
язык означает «наведение».
166
Существует простое механическое правило пра-
вой руки, пользуясь которым в некоторых случаях
можно определить направление возникающего
в проводнике индукционного тока.
Если расположить ладонь правой руки так, что-
бы в нее входили силовые линии магнитного поля,
а отставленный на 90° большой палец направить по
движению проводника, то положение четырех паль-
цев руки определит направление индукционного
тока в проводнике. На рисунке 162 показано, как
надо применять это правило.
Рас. 162.
105. ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
На явлении электромагнитной индукции основа-
но устройство и работа генераторов электрического
тока.
На рисунке 163 изображена модель такого гене-
ратора. Она состоит из знакомой уже нам рамки с
обмоткой. Концы проводника обмотки через кольца
и щетки соединены с гальванометром. Рамка поме-
щена в магнитное поле магнитов.
При вращении рамки изменяется число силовых
линий, которые ее пересекают. Поэтому вследствие
явления электромагнитной индукции в обмотке воз-
никает ток, направление которого, как показывает
стрелка гальванометра, меняется дважды за один
оборот рамки. Сила же тока в обмотке меняется
непрерывно от 0 до некоторой величины, а затем
снова убывает до 0. Это изменение тока повторяется
периодически и тоже отмечается гальванометром.
Рис. 163.
167
Электрический ток, который с течением времени
меняется по величине и направлению, называют пе-
ременным током. Следовательно, на рисунке 163
изображена модель генератора переменного элек-
трического тока.
Мы рассмотрели принцип работы генератора пе-
ременного тока.
Устройство технического генератора тока значи-
тельно сложнее. Генератор состоит из двух основных
частей: статора и ротора. Статор — это неподвиж-
Рис. 164.
пая часть машины, ротор — подвижная.
Статор представляет собой полый цилиндр, изго-
товленный из специальной листовой стали. В пазах,
сделанных во внутренней полости такого цилиндра,
укладывают проводники, в которых при работе гене-
- ратора возникает индукционный ток. На рисун-
ке 164, а изображен один виток, вложенный в пазы
стального цилиндра.
Вращающаяся часть генератора — ротор (рис.
164, б) — представляет собой электромагниты. Об-
мотка этих электромагнитов при работе генератора
соединяется с источником постоянного тока при по-
мощи колец и щеток.
На рисунке 164, в изображена полная схема ге-
нератора переменного тока. На этой схеме видно,
что если ротор вращать какой-либо внешней силой,
то вместе с ним будет вращаться и создаваемое им
магнитное поле.
При этом силовые линии поля будут пересекать
проводники статора и в них (если цепь будет замк-
нутой) возникнет переменный электрический ток.
Для приведения во вращение ротора генератора
используют двигатели внутреннего сгорания, паро-
вые турбины и гидравлические двигатели.
Электрический генератор и паровую турбину,
соединенные между собой в один агрегат (рис. 165),
называют турбогенератором. На рисунке
165 слева изображен генератор, справа — турбина.
168
Рис- 165.
Генератор
Рис. 166.
Турбогенератор—это основной генератор электри-
ческого тока на тепловых электростанциях. Наши
заводы могут строить такие генераторы мощностью
до 1 000 000 кет
На рисунке 166 изображен внешний вид гид-
рогенератора большой мощности.
Генератор, соединенный проводами с электро-
двигателями, лампами, нагревательными прибора-
ми. создает в них электрический ток, который совер-
шает работу. При этом расходуется энергия либо
топлива, либо поднятой плотинами воды.
1. На каком физическом явлении основано устройство и
работа генераторов электрического тока? 2. Из каких основ-
ных частей состоит генератор тока? 3. Что называют турбоге-
нератором? 4. Что называют гидрогенератором? S. Какие энер-
гетические процессы происходят в электрических цепях, ис-
точником тока в которых является генератор?
106. ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ СССР
Электричество в жизни современного общества
играет исключительно важную роль.
Электрическое освещение, различные электриче-
ские приборы, телеграф, телефон, радио и телевиде-
ние прочно вошли в быт советских людей.
На фабриках и заводах, в шахтах и рудниках
электродвигатели приводят в движение станки и
другие механизмы. В металлургии в электрических
печах получают высокие сорта стали, алюминий и
многие ценные металлы.
Электрический ток широко используют в химиче-
ской промышленности и на транспорте. В нашей
стране электрифицированы многие тысячи километ-
ров железных дорог.
Для
дополнительного
чтения
169
С каждым годом все шире и шире применяют
электрическую энергию в сельском хозяйстве. Здесь
электрическую энергию используют не только для
освещения, но и для приведения в действие различ-
ных машин, для механической дойки, стрижки овец,
для нагревания воды, пастеризации молока.
Чем объяснить такое широкое применение элек-
тричества в наше время? Дело в том, что использо-
вать энергию электрического тока очень удобно, а в
некоторых случаях его ничем заменить нельзя. На-
пример, телефонная, телеграфная и радиосвязь
возникли только благодаря применению действий
электрического тока. Электрические сигналы позво-
ляют осуществить быструю связь между самыми
удаленными местами земного шара и даже между
Землей и другими планетами.
Большими преимуществами обладают электри-
ческие двигатели перед тепловыми. Электрические
двигатели можно изготовлять различных мощно-
стей — от маломощного, используемого, например,
в электрической бритве, до двигателей в сотни ки-
ловатт, используемых в подъемных кранах.
Очень просты и удобны в обращении бытовые
электрические приборы.
Широкое внедрение электрической энергии в на-
родное хозяйство и быт называется электрифи-
кацией.
Электрификация страны связана с решением
трех важных задач: получения электрической энер-
гии, ее передачи и ее использования.
Громадное значение электрификации СССР
придавал создатель Советского государства Влади-
мир Ильич Ленин.
В. И. Ленин говорил: «Коммунизм—это есть
Советская власть плюс электрификация всей
страны».
По предложению В. И. Ленина в 1920 г. был
составлен первый план электрификации России. По
этому плану за 10—15 лет намечалось построить
30 электростанций общей мощностью 1,75 млн. кет.
Но уже в 1932 г. мощность построенных электро-
станций составляла 2,9 млн. кет. В 1940 г. в СССР
действовали электростанции общей мощностью
11,2 млн. кет.
После Великой Отечественной войны электрифи-
кация Советского Союза стала развиваться еще бы-
стрее. Были построены мощные государственные
районные электрические станции (ГРЭС). Такие
станции расположены вблизи залежей топлива:
170
угля, горючего сланца, торфа, газа или нефти. Мощ-
ность некоторых из них свыше 2 млн. кет
Электрические станции, преобразующие энергию
топлива в электрическую энергию, называют теп-
ловыми электростанциями.
Кроме тепловых станций, которые дают стране
80% электрической энергии, в Советском Союзе
построено и строится много мощных гидроэлектро-
станций (ГЭС): на Волге, Каме, Днепре, Ангаре,
Енисее, Оби, Иртыше и других больших реках на-
шей Родины.
На этих станциях в электрическую энергию пре-
образуется энергия воды.
Первой гидроэлектростанцией, построенной еще
при жизни В. И. Ленина, была Волховская мощ-
ностью 80 000 кет.
Мощность Волжской им. XXII съезда КПСС
гидроэлектростанции 2 млн. 500 тыс. кет; Братская
ГЭС имени 50-летия Великого Октября (на реке
Ангаре) имеет мощность 4,5 млн. кет. Это сейчас
самая мощная гидроэлектростанция в мире.
Мощность Красноярской ГЭС на Енисее, оконча-
ние строительства которой приурочено к 100-летию
со дня рождения В. И. Ленина, составит 6 млн. кет.
Наряду с тепловыми и гидравлическими элек-
тростанциями в нашей стране строят мощные атом-
ные электростанции (АЭС). Атомные электростан-
ции преобразуют атомную энергию в электриче-
скую.
Общая мощность всех электрических станций
Советского Союза достигла к юбилейному 1967 году
135 млн. кет (в то время как все станции дорево-
люционной России имели мощность 1 млн. кет).
Многие электростанции связаны между собой
линиями электропередач, образуя как бы один мощ-
ный источник электрической энергии, или, как гово-
рят, Единую энергетическую систему. В одну энер-
госистему в настоящее время, например, объедине-
ны все электростанции Европейской части СССР.
От общей энергосистемы электрическая энергия
поступает к отдельным потребителям.
На электростанциях мощные генераторы выра-
батывают переменный электрический ток при на-
пряжении не выше 22 000 в.
Однако установлено, что, чем выше напряжение,
тем меньше получаются потери в линиях передачи.
Поэтому, прежде чем направить ток, полученный от
генераторов, в линии передачи, напряжение его по-
вышают до 220 000 в и выше. Повышение напряже-
171
ния осуществляется в особых устройствах, называе-
мых трансформаторами (их устройство
будет рассмотрено в дальнейшем в курсе физики).
В местах потребления электрической энергии ток
высокого напряжения с помощью понижающих на-
пряжение трансформаторов преобразуется в ток
нужного низкого напряжения: 127, 220 и 380 в.
С вводом в строй новых мощных электростанций
растет могучий поток энергии, приближающий нас
к светлому будущему — коммунизму. То, о чем го-
ворил, о чем мечтал В. И. Ленин, осуществляется
советскими людьми на практике.
Для
дополнительного
чтения
107. ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ
Мы уже упоминали при описании опыта Резер-
фора (§ 48) о том, что некоторые химические эле-
менты испускают заряженные частицы. Это явление
было открыто в конце прошлого века. Обнаружили,
что руда, содержащая уран, испускает невидимые
лучи, действующие на фотопластинку. Явление это
получило название радиоактивности. Было
установлено, что радиоактивен не только уран, но и
некоторые другие элементы.
Изучая явление радиоактивности, ученые Пьер
и Мария Кюри нашли в урановой руде, кроме
урана, неизвестный в то время металл, радиоактив-
ность которого оказалась во много раз больше, чем
у урана. Его назвали радий ’. Радий — это очень
редкий металл, при обработке нескольких тонн ура-
новой руды ученым удалось выделить лишь около
1 г радия.
На опытах было установлено, что радиоактив-
ные лучи производят различные действия. Попадая
на фотопластинку, радиоактивные лучи засвечи-
вают ее. Если крупинка радиоактивного вещества
попадет на фотопластинку, то можно будет увидеть
следы излучения, испускаемого крупинкой во все
стороны.
Проходя через воздух или другой газ, радиоак-
тивные лучи превращают на своем пути атомы газа
в ионы, отчего газ становится проводником электри-
чества. Если к заряженному электроскопу поднести
кусочек радиоактивного вещества, то воздух станет
проводником и электроскоп разрядится.
1 Радио — латинское слово, означающее «излучаю, испу-
скаю лучи».
172
Радиоактивные лучи вызывают свечение некото-
рых веществ. В том месте, где они падают на экран,
покрытый одним из таких веществ, появляется све-
тящееся пятнышко.
108. СОСТАВ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Действия радиоактивного излучения помогли
изучить его свойства и состав. В опыте по его иссле-
дованию кусочек радиоактивного вещества заклю-
чали в свинцовую коробочку с. узким каналом, что-
бы получить тонкий пучок лучей (рис. 167, а). Он
направлялся вверх и оставлял на фотопластинке
, темное пятно в точке 1.
Затем этот пучок помещали в сильное электри-
ческое поле, созданное при помощи двух металличе-
ских пластин, заряженных зарядами противополож-
ного знака.
Замысел был такой: если радиоактивное излуче-
ние состоит из потока заряженных частиц, то оно в
электрическом поле отклонится к пластинам. Если
же эти лучи подобны световым, то они не отклонят-
ся. (Было известно, что световые лучи не отклоняют-
ся электрическим полем.)
Результат опыта был таков: весь пучок разде-
лился на три пучка. Один из этих пучков отклонился
к положительной пластине, другой — к отрицатель-
ной, третий не отклонился совсем, и на фотопластин-
ке получилось три темных пятна 1,2 иЗ (рис. 167,6).
Значит, радиоактивное излучение в данном случае
состояло из трех разнородных излучений. Их назва-
ли а-, Р- и у '-излучениями (по трем первым буквам
греческого алфавита).
Можно утверждать, что пучок, который откло-
нился к отрицательно заряженной пластине, пред-
ставляет собой поток положительно заряженных ча-
стиц. Их назвали а-частицами. Каждая а-частица
представляет собой атом гелия, лишенный электро-
нов, т. е. ядро атома гелия.
Пучок, отклонившийся к положительно заряжен-
ной пластине — p-излучение, представляет собой
поток отрицательно заряженных частиц — электро-
нов. Третий пучок, никуда не отклонившийся, назва-
ли у-излучением. Оно сходно со световым излуче-
нием.
Для
дополнительного
чтения
1
2 1 3
Т
а р
Рис. 167.
Рис. 168.
1 Эти буквы читаются так: альфа, бета и гамма
Рис. 169-
Рис. 170.
Для
дополнительного
чтения
Зная, что радиоактивное излучение состоит из
заряженных частиц (за исключением у-излучения),
можно объяснить еще одно их действие, сыгравшее
громадную роль в науке.
Проходя через насыщенные, прозрачные пары
воды или спирта, заряженные частицы превращают
атомы, встречающиеся на их пути, в ионы. Попы
становятся центрами конденсации паров, и поэтому
на пути прохождения а- или 0-частиц образуется
полоска тумана, хорошо видимая простым глазом
(рис. 168). По внешнему виду эта полоска напоми-
нает след, оставленный летящим на большой высоте
самолетом. След частицы можно сфотографировать
и по нему определить, как пролетала частица. На
рисунке 169, сделанном с такой фотографии, видны
следы а-частиц, вылетающих из радиоактивного
вещества. Видно, что частицы разлетаются во все
стороны.
Изучение таких следов позволило определить
свойства частицы: ее заряд, массу, а также энергию.
Можно проследить по ним и некоторые явления.
На рисунке 170 видно, как одна из летящих а-частиц
столкнулась с ядром атома вещества и была отбро-
шена в сторону.
109. ПОНЯТИЕ ОБ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ
Изучая внутреннюю энергию тел, мы упоминали,
что большую часть ее составляет энергия движения
и взаимодействия частиц, входящих в состав атома.
Колоссальные запасы внутренней энергии содержат-
ся в ядрах атомов. Ядерные силы, удерживающие
частицы — протоны и нейтроны — в ядре, во много
раз больше других сил — сил тяготения и электриче-
ских. Поэтому и потенциальная энергия взаимодей-
ствия частиц в ядре в миллионы раз больше энергии
взаимодействия и движения молекул, атомов и элек-
тронов оболочек атома. Ее называют ядерной или
атомной энергией.
Открытие способа получения атомной энергии
принадлежит к числу самых замечательных науч-
ных достижений XX в.
К сожалению, в 1945 г. это открытие было исполь-
зовано правительством США для массового уничто-
жения людей при бомбардировке атомными бомба-
ми японских городов Хиросима и Нагасаки.
Советский Союз также обладает этим оружием
колоссальной разрушительной силы. Однако наша
174
Рис. 171.
страна прилагает все усилия к тому, чтобы запре-
тить его использование. Атомная энергия должна
применяться только в мирных целях. В мирном при-
менении атомной энергии СССР идет впереди всех
других стран.
В 1954 г. в нашей стране была построена первая
в мире промышленная электростанция мощностью
5000 кет, работающая на атомной энергии. Сейчас
уже есть атомные электростанции -мощностью в сот-
ни тысяч киловатт, строятся АЭС еще большей мощ-
ности..
На рисунке 171 изображена схема паросиловой
установки с атомным реактором. Теплом, получае-
мым при использовании атомной энергии, нагревает-
ся газ, который затем в паровом котле (теплообмен-
нике) нагревает воду, превращая ее в пар.
Атомные реакторы могут устанавливаться на су-
дах. В 1959 г. в Советском Союзе был построен са-
мый мощный в мире ледокол «Ленин», двигатели
которого работают на ядерном топливе.
Мощность двигателей ледокола 29 420 кет. Ядер-
ное топливо имеет очень небольшой объем и мало
весит. Поэтому ледокол «Ленин» может работать
целый год, не пополняя запаса топлива.
175
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
llllllllllllllillllllllinillllllllllllllllllllinillllllllllllllllllinillllNIIIIIIHIflllllllllllllMIIIWIIIIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIllllllllllllllRIIIINIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIillllllll
1. СРАВНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВ ТЕПЛОТЫ ПРИ СМЕШЕНИИ ВОДЫ
Приборы и материалы: калориметры, мензурка, термометр.
Указания к работе: 1. Налить в один калориметр '200 г горячей воды, а в
другой — столько же холодной. Измерить их температуры.
2. Вылить холодную воду в сосуд с горячей водой, осторожно помешать
термометром полученную смесь и измерить ее температуру.
3. Рассчитать количество теплоты, отданное горячей водой при остывании
до температуры смеси, и количество теплоты, полученное холодной водой при
ее нагревании до этой температуры.
Результаты измерений и вычислений записать в таблицу.
Масса горячей воды Началь- ная тем- пература горячей воды Темпера- тура смеси Количество теплоты, отданное горячей водой Масса холодной воды Началь- ная тем- пература холодной воды Количество теплоты, полученное холодной водой
4. Сравнить количество теплоты, отданное горячей водой, с количеством
теплоты, полученным холодной подои.
Сделать вывод.
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Приборы и материалы: калориметр, термометр, весы, алюминиевый ци-
линдрик. 4
Указания к работе: 1. Налить в калориметр 250—300 г воды комнатной _
температуры. Измерить температуру воды.
2. Измерить массу алюминиевого цилиндрика.
3. Прогреть алюминиевый цилиндрик в кипящей воде, прикрепив к нему
нить. Затем опустить в калориметр с водой.
4. Измерить температуру воды в калориметре после опускания алюминие-
вого цилиндрика.
176
5. Все данные измерений записать в таблицу.
Масса воды в калориметре Начальная температура воды Масса алюминия т2 Начальная температура алюминия Общая темпе- ратура воды и алюминия t
-
6. Рассчитать:
а) количество теплоты Qi, которое получила вода, нагреваясь от 1Х° до /°,
всего на (t—Л)°-
Qi = cIznI (t—Л); cj—удельная теплоемкость воды.
б) Количество теплоты Q2, отданное алюминием при охлаждении от 12° до
t°, всего на (l2—t)°:
Q2=c2m2 (Z2—0; с2 — удельная теплоемкость алюминия, эту величину надо
определить.
Зная, что количество теплоты, полученное водой при нагревании, равно
количеству теплоты, отданному алюминием при охлаждении, можно записать:
Qi = Q2, откуда
C|fft| (t—ti) = с2т2 (tt—t). — fa) ?”« "f. * j
В полученном уравнении неизвестной величиной является удельная тепло-
емкость алюминия с.2. Подставив в уравнение численное значение величин, из-
меренных на опыте, вычислить неизвестную величину с2.
7. Записать результаты всех звеньев класса и найти среднее значение для
удельной теплоемкости алюминия. Сравнить его с табличным значением.
3. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА НАГРЕВАНИЕМ. ПЛАВЛЕНИЕМ И ОТВЕРДЕВАНИЕМ НАФТАЛИНА
Приборы и материалы: широкая пробирка, термометр, наф-
талин, стакан химический, спиртовка.
Указания к работе: 1. Пробирку с нафталином и термомет-
ром в нем погрузить в стакан или колбу с водой, которую
следует нагревать горелкой с небольшим пламенем (рис. 172):
2. Когда нафталин нагреется до 50—60° С, надо через каж-
дую минуту отмечать температуру нафталина и записывать ее
в тетрадь. Нагревать нафталин до 90° С, после чего вынуть его
из горячей воды и дать ему остыть в воздухе, продолжая отме-
чать каждую минуту его температуру до тех пор, пока он не
остынет до 60° С.
3. Занести данные наблюдения на клетчатую бумагу в виде
графика изменения температуры нафталина, в зависимости от
времени нагревания (пример такого графика показан на Рис. 172.
рис. 24).
4. Отметить на графике температуру плавления и кристал-
лизации нафталина. Сравнить их.
5. Объяснить полученный график
12 Физика. 7 кл. 177
4. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА НАГРЕВАНИЕМ И КИПЕНИЕМ ВОДЫ
Приборы и материалы: небольшая колба или химический стакан, термо-
метр, штатив, часы.
Указания к работе: I. Налить в колбу некоторое количество нагретой до
40—50° С воды. Опустить в воду термометр, подвесив его к штативу, и нагре-
вать колбу Температур^' воды записывать через каждую минуту.
Когда вода закипит, продолжать минут пять нагревание, потом прекра-
тить. После этого продолжать записывать через каждую минуту температуру
еще в течение 4—5 мин.
2. По полученным данным начертить график, откладывая в определенном
масштабе по горизонтальной оси время в минутах, а по вертикальной — темпе-
ратуру в градусах.
5. СБОРКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ К ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТОКА В ЕЕ РАЗЛИЧНЫХ УЧАСТКАХ
Приборы и материалы: аккумулятор или батарея из трех элементов, низ-
ковольтная лампа на подставке, выключатель, амперметр, соединительные
провода.
Указания к работе: 1. Собрать цепь, как на рисунке 173. Записать показа-
ния амперметра. Затем включить амперметр в участки, обозначенные па ри-
сунке буквами а и б Сравнить все полученные показания амперметра. Сделать
вывод.
2. Нарисовать в тетради схему соединения приборов.
Примечание: нельзя присоединять амперметр к зажимам источника
тока без какого-либо приемника тока, соединенного последовательно с ампер-
метром. Можно испортить амперметр!
6. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАЗЛИЧНЫХ УЧАСТКАХ ЦЕПИ
Приборы и материалы: батарея из трех сухих элемен-
Рис. 173.
тов или четырех щелочных аккумуляторов, низковольтная
лампа на подставке, вольтметр, выключатель, соедини-
тельные провода.
Указания к работе: 1. Измерить напряжение на полю-
сах каждого из элементов и на полюсах батареи,
Сравнить полученные величины. Во сколько раз напря-
жение на полюсах батареи больше напряжения на полю-
сах одного элемента?
2. Включить в цепь батареи лампу и выключатель.
Замкнуть цепь.
3. Измерить напряжение на зажимах лампы. Сравнить
найденное напряжение с общим напряжением на клем-
мах батареи.
4. Начертить схему цепи, показав на ней включение
вольтметра для измерения напряжения на полюсах бата-
----"реи п па зажимах лампы.
178
I ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИК* ПРИ ПОМОЩИ АМПЕРМЕТР* И ВОЛЬТМЕТР*
Приборы и материалы: батарея элементов (или аккумуляторов), исследуе-
мый проводник (небольшая никелиновая спираль), лабораторные амперметр
и вольтметр, реостат, выключатель, провода.
Указания к работе: 1. Собрать цепь, включив в нее батарею элементов,
амперметр, исследуемый проводник, реостат, выключатель. Измерить силу тока.
2. К концам исследуемого проводника присоединить вольтметр и измерить
напряжение на проводнике.
3. С помощью реостата изменить сопротивление цепи и снова измерить
силу тока и напряжение.
4. Результаты измерений занести в таблицу:
№ п/п Сила тока в амперах Напряжение в вольтах Сопротивление в омах
Проводник 1 2
5. Используя закон Ома, определить сопротивление проводника по данным
каждого отдельного измерения. Найти среднее значение сопротивления про-
водника.
В. ИЗУЧЕНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ
Приборы и материалы: источник тока (аккумулятор или батарея для кар-
манного фонаря), два никелиновых проводника (две небольшие никелиновые
спиральки), амперметр, вольтметр, выключатель, соединительные провода.
Указания к работе: 1. Собрать цепь из источника тока, реостата, двух
проводников, амперметра, соединив их все последовательно (см. рис. 90).
2. Измеряя напряжение на всем участке цепи, состоящем из двух провод-
ников, и на отдельных проводниках, а также ток в цепи, вычислить по резуль-
татам измерений сопротивление всего участка и отдельных проводников.
3. Найти значения сопротивлений и Занести их в таблицу:
Напряже- ние на всем участке цепи и Сила тока I Сопро- тивление всего участка цепи Напряже- ние на концах 1-го провод- ника Ut Сопро- тивление 1-го про- водника R, Напря- жение на концах 2-го про- водника и2 Сопро- тивление 2-го провод- ника
179
12»
4. Сравнит^ сопротивление всего участка цепи R с суммой + сопротив-
лений двух проводников.
5. Сравнить напряжение на участке двух проводников U с суммой напря-
жений + на концах отдельных проводников.
9 , ИЗУЧЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ
Приборы и материалы: источник тока (батарея для карманного фонаря
или щелочной аккумулятор), два никелиновых проводника в виде спиралей,
лабораторные вольтметр и амперметр, выключатель, соединительные провода.
Указания к работе: 1. Собрать цепь по схеме, изображенной на рисунке 91, б.
2. Измерить напряжение на концах проводников, соединенных парал-
лельно.
3. Включая амперметр поочередно в основную цепь и в ветви, измерить
силу тока в основной цепи и в ветвях. Записать результаты в таблицу.
4. По полученным данным вычислить среднее значение сопротивления
участка и отдельных ветвей.
Напря- жение на участке и Общий ток / Ток к 1-й ветви h Ток во 2-й ветви h Сопро- тивление участка «-.т Сопро- тивление 1-й ветви Сопротивле ние 2-й ветви R.2 - -у- 12
5. Сравнить сумму сил токов Л + /2 в отдельных проводниках с силой тока
I. в основной цепи.
Подтверждается ли опытом формула:
_L„_L +_«_>
R Rt 1 R,
10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ТОКА 8 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛАМПЕ
Приборы и материалы: источник тока (батарея для карманного фонаря
или щелочной аккумулятор), лампочка от карманного фонаря на подставке,
вольтметр и амперметр, выключатель, провода.
Указания к работе: 1. Собрать цепь из источника тока, лампы и выключа-
теля. Для измерения тока последовательно с лампой включить амперметр.
2. Измерить вольтметром напряжение на лампе.
3. Записать в тетрадь схему соединения всех частей цепи и записать
данные приборов.
4. Вычислить мощность тока в лампе.
5. Проверить, совпадает ли полученное значение мощности с величиной
мощности, обозначенной на лампе.
180
11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВКИ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ НАГРЕВАТЕЛЕМ
Приборы и материалы: электрическая плитка, сосуд с водой, весы или
мензурка (общие на класс), лабораторный термометр (общий на класс), часы.
Указания к работе: 1. В сосуд для кипячения налить определенное коли-
чество воды. Измерить и записать начальную температуру воды/ Включить
электронагревательный прибор и нагреть воду до кипения. Заметить время,
в течение которого вода доведена до кипения.
2. Зная мощность электронагревательного прибора (она указана в паспор-
те прибора) и время нагревания, вычислить работу тока в джоулях.
3. Вычислить в джоулях количество теплоты, затраченное на нагревание
воды (масса воды, ее начальная и конечная температура известны).
4. Вычислить тепловую отдачу нагревателя (в процентах).
Тепловой отдачей нагревателя называют отношение количества теплоты,
пошедшего на нагревание воды, к величине работы тока.
Результаты измерений и вычислений занести в тетрадь.
Масса воды, кг Начальная температура воды, • С Время нагревания, сек Мощ- ность. вт Работа тока, дж Количе- ство теплоты, дж Тепловая отдача, %
12. СБОРКА ЭЛЕКТРОМАГНИТА И ИСПЫТАНИЕ ЕГО ДЕЙСТВИЯ
Приборы и материалы: источник тока, реостат, выключатель, соединитель'
ные провода, компас, детали для сборки электромагнита.
Указания к работе: 1. Составить электрическую цепь из батарейки, катуш-
ки и ключа. Включить цепь и с помощью компаса определить магнитные полю-
са у катушки.
2. Отодвинуть компас вдоль оси катушки па такое расстояние, на котором
действие катушки на стрелку компаса незначительно. Вставить железный сер-
дечник в катушку и пронаблюдать действие электромагнита на стрелку. Сде-
лать вывод.
3. Собрать подковообразный магнит из готовых деталей. Катушки электро-
магнита соединить между собой последовательно, так, чтобы на их свободных
концах получились разноименные магнитные полюса. Проверить полюса с по->
мощью компаса.
13. СБОРКА И ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РЕЛЕ
Приборы и материалы: детали для сборки электромагнита, два источника
тока, лампа от карманного фонаря на подставке, выключатель, соединитель-
ные провода.
181
Рас. 174.
Указания к работе: 1. Собрать из деталей набора электромагнитное реле
(рис. 174). Проверить действие реле, подключив к нему источник тока и вы-
ключатель.
2. Составить рабочую цепь, включив лампу в осветительную сеть.
3. Смонтировать контакт, который замыкался бы пружинящим якорем
реле.
4. Замыкать и размыкать цепь реле выключателем и Пронаблюдать за
явлениями, происходящими в рабочей цепи.
5. Зарисовать схему опыта.
14. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАГНИТА И ПОЛУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Приборы и материалы: два полосовых магнита, магнитная стрелка, сито
с железными опилками, кусочки мягкой железной проволоки, картон.
. Указания к работе: 1. Положить на стол железный гвоздь, карандаш, ре-
зинку, кусок стекла, кусок алюминия, бумагу и другие подручные предметы.
Поднося по очереди к ним магнит, установить,' какие из них являются магнит-
ными материалами.
2. Проверить, что магнитное действие магнита сильнее всего проявляется
на полюсах.
3. Положить на стол полосовой магнит, а поверх магнита картон. Насы-
пать на картон опилки и слегка постучать по картону пальцем. Рассмотреть
и зарисовать полученный вид магнитного поля.
4. Получить вид магнитного поля двух одноименных полюсов, двух разно-
именных полюсов. Зарисовать полученные виды магнитных полей.
16. СБОРКА Н ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОНА
Приборы и материалы: подковообразный магнит, якорь с коллектором, де-
ревянная подставка, щетки, стойки-подшипники, соединительные провода,
источник тока.
Указания к работе' 1. Собрать модель электродвигателя.
2. Включив ток, привести якорь в движение. Если якорь не движется,
найти причину и устранить ее. Коллектор прибора может поворачиваться на
оси. Поворачивая коллектор, найти нужное положение его относительно якоря
в ‘магнитном поле.
182
ОТВЕТЫ К УПРАЖНЕНИЯМ
f
Упр. 5. 4. а) » 140 000 дж; б) 740 кал; в) 75 000 000 дж.
5. а) « 7 400 000 дж; б) 3,5 ккал; в, 200 000 000 ккал •
Упр. 6. 3. 105 000 ккал; 1300 ккал.
Упр. 7. 6. 60 000 дж; 7. 1,3° С.
Упр. 8. 3, Не будет. 4. Можно.
Упр. 9. 3. 1 400 000 дж; 4. 500 000 дж; 5. 10 000 ккал;
6. 520 ккал.
Упр. 11. 4. х 81 ккал; 5.^3 200 ккал; 6. « 2 700 000 дж',
7. х 2,4 кг.
Упр. 13. 2. 6 протонов и 6 нейтронов.
Упр. 16. 1. 90 к; 2. 300 к; 3. 144 000 к; 4. 6-Ю18 электронов-
Упр. 18. 1. 4 в; 2. 1 а.
Упр. 19. 1. 5 ом; 2. х 290 ом; 3, х 25 ом.
Упр. 20. 1. 2 а. 2. «130 в; 3. 15 000 ом; 4. 12,5 ом; 5. 0,01 а.
Упр. 21. 1. Сопротивление первого проводника в 8 раз меньше,
чем сопротивление второго проводника. 2. Сопротив-
ление первого проводника в 2 раза больше, чем сопро-
тивление второго проводника. 3. 1,0 м; 4. в 1,7 раза;
5. 60 в; х 120 м; 6. 4 6.
Упр. 22. 4. 150 м; 5. 0,5 а.
Упр. 23. 1. 0,8 в; 1,2 в; 2 в; 2. Zj = /2 = /3 = 0,5 а; 1 в; 2 в;
3 в; 4. 63,5 в.
Упр. 24. 1. 5 ом; 2. 1 а; 0,5 а; 1,5 а; 3. 1 а.
Упр. 25. 1. 10 800 дж; 2. х 260 дж; 3. 6 000 дж.
Упр. 26. I. х 76 вт; 2. 660 вт; 3. 120 вт.
Упр. 27. 1. «0,5 а; х 0,3 а; 2. Увеличится. 3. х 74 %. 4. Со-
противление спирали лампы мощностью 40 вт больше,
чем сопротивление спирали лампы мощностью 60 вт-
Упр. 28. 1. 900 000 дж; 6. х 1 000 000 дж.
ЗАДАЧИ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ
ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Теплопередача и работа
1. Броуновское движение (движение мелких крупинок краски, растворен-
ных в воде) является одним из примеров теплового движения. Какие признаки
его свидетельствуют об этом?
2. В теплую комнату внесли с улицы пустую бутыль, закрытую пробкой.
Через некоторое время пробка выскочила из бутыли. Почему?
3. Резиновый мяч упал с некоторой высоты. После удара о землю он под-
скочил вверх. Какие превращения энергии произошли при этом? Почему мяч
подскочил не до того уровня, с которого он упал?
4. Почему при обработке детали напильником деталь и напильник нагре
ваются?
5. Почему при скоростной обработке металла резец сильнее нагревается,
чем при обычной?
6. В алюминиевую и фарфоровую кружки налили кипяток. Почему ручки
кружек неодинаково нагреваются? Почему край алюминиевой кружки обжи-
гает губы, а фарфоровой нет?
7. Почему ватные пальто и меховые шапки предохраняют тело человека
и от мороза, и от сильной жары? При какой примерно температуре в жару
имеет смысл надевать такую одежду?
8. Чтобы охладить кружку с молоком, се поставили на лед. Почему для
скорейшего охлаждения молока его нужно перемешивать?
9. Почему вспаханное поле сильнее нагревается солнечными лучами, чем
зеленый луг? Как перемещаются конвекционные потоки воздуха на границе
этих участков земли?
10. Почему лицо человека, сидящего перед открытой топящейся печкой,
сразу ощущает прохладу, если закрыть дверцу печки?
11, Ученые работают над созданием специальных составов для покрытий
оболочек искусственных спутников Земли. Эти покрытия изменяют цвет‘при
нагревании и охлаждении. При повышении температуры покрытие приобре-
тает белый цвет, а при понижении — черный. Для чего нужно покрывать обо-
лочки спутников такими составами?
12. В каком из ведер, выставленных на солнце, вода будет быстрее нагре-
ваться: в открытом или закрытом стеклом?
13. Найдите в таблице удельную теплоемкость воды. Подсчитайте (устно)
количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг воды на 2, 10 и 100° С.
184
14. Какое количество теплоты необходимо для нагревания на 1°С воды,
масса которой 3, 4 и 10 кг? (Устно.)
15. Какое количество теплоты необходимо для нагревания от 20 до 1120° С
стальной детали массой 30 кг?
16. Какое количество теплоты пошло на нагревание от 10 до 20°С воз-
духа в комнате,' объем которой 4X5X3 «3 (при условии, что не было потерь
ккал
тепла)? Удельная теплоемкость воздуха 0,24 кг.град
17. На конце резца находится керамическая пластинка, масса которой 12 г
Во время скоростной обработки металла пластинка нагрелась на 1000° С. Ка-
ким путем увеличилась внутренняя энергия пластинки? На сколько джоулей
увеличилась ее внутренняя энергия? Удельная теплоемкость вещества, из ко-
дж
торого сделана пластинка, равна 590 кггра^
18. Железный котелок массой 1,5 кг вмещает 2 л воды. Какое количество
теплоты необходимо для нагревания котелка с водой на 80° С?
19. Сколько воды можно нагреть от 20° С до кипения, сообщив ей 640 ккал
тепла?
20. Воздух в комнате (см. задачу 16) нагревался, получая тепло ст кир-
пичной печи. На сколько градусов остыла при этом печь, если масса ее 800 кг?
21. В ведро налито 5 л холодной воды, температура которой 9° С. Сколь-
ко кипятку нужно прилить в ведро, чтобы получить теплую воду температу-
рой 30° С?
22. Во время работы стальное сверло нагрелось на 100° С. Какое количе-
ство теплоты отдало сверло при охлаждении до прежней температуры, если
масса сверла равна 90 г? Каким путем увеличилась при нагревании и умень-
шилась при охлаждении внутренняя энергия сверла?
23. При обработке стальной детали на шлифовальном станке была затра-
чена механическая работа, равная 575 000 дж. 40% этой работы пошло на
нагревание детали, масса которой 10 кг. На сколько градусов нагрелась
деталь?
24. Пользуясь таблицей, в которой дана теплота сгорания различных
видов топлива, подсчитайте (устно), какое количество теплоты выделится при
сюрании; а) 2 кг дров, б) 1,5 кг бурого угля, в) 1 т антрацита и г) 500 г
бензина.
25. Для нагревания воды в баке нужно затратить 10 000 ккал теплоты.
Сколько для этой цели нужно сжечь: а) древесного угля, б) природного газа,
в) керосина?
26. Для поддержания нормальной температуры в жилом помещении ока-
залось необходимым передать ему в сутки 24 000 ккал тепла. При этом на на-
гревание помещения расходовалось 30% от того тепла, которое выделилось
при сгорании топлива. Сколько дров нужно сжигать в течение суток в печи
для поддержания в помещении нормальной температуры?
27. Сколько воды можно нагреть на 55° С, передавая ей всю теплоту, по-
лученную при сгорании 1 кг керосина?
28. На примусе нагрели 2 л воды от 12 до 100° С При этом сгорело 50 г
керосина. Сколько тепла получила вода и сколько его выделилось при сгорании
керосина. Почему не равны друг другу эти количества теплоты? Какую часть
составляет теплота, использованная на нагревание воды, от того количества
теплоты, которое выделилось при сгорании керосина?
Изменение агрегатных состояний вещества
29. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы расплавить: а) 500 г
снега, температура которого 0° С; б) 200 а нафталина, имеющего температуру
80’С; в) 10 иг олова, температура которого 232’С? Удельная теплота плавле-
ккал
ния нафталина 36 ———.
30. Сколько нужно затратить теплоты, чтобы превратить 2 кг снега, взя-
того при температуре 0° С, в воду с температурой 40° С?
31. Какое количество теплоты потребуется для расплавления, а) бруска
олова массой 2 кг, температура которого J2’C; б) кусочка льда массой 50 г,
ккал
имеющего температуру —10’С? Удельная теплоемкость олова 0,055 кг,ер^д-
32. В вагранке расплавили 1.5 т железногб лома, первоначальная темпе-
ратура которого была 20’ С. Какое количество теплоты потребовалось для это-
го? Сколько кокса нужно было сжечь, чтобы расплавить лом, если из всего
количества теплоты, выделившегося при сгорании кокса, 60% пошло на рас-
ккал
плавление лома? Теплота сгорания кокса 7000 ———.
33. Почему после дождя становится немного,прохладнее?
34. Почему в прорезиненной одежде труднее переносить жару, чем в
обычной?
35. При горении сырых дров слышится треск. Почему?
36. Какое количество теплоты потребуется для обращения в пар при
нормальном давлении: а) 200 г воды, взятой при температуре 100° С;
б) 10 г спирта, взятого при температуре 78° С; в) 2 г эфира, взятого при
температуре 35° С?
37. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы обратить в пар при
нормальном давлении: а) 0,5 кг воды, взятой при температуре 20° С; б) 100 г
спирта, взятого при температуре 18° С; в) 5 а эфира, взятого при темпера-
ккал
туре 5’С? Удельная теплоемкость эфира 0,56 к^-град
38. Температура куска льда массой 200 г равна 0°С. Сколько нужно
затратить теплоты, чтобы, его расплавить, а полученную воду нагреть до
кипения?
39. Водяной пар, температура которого 100° С, конденсируется, и образо-
вавшаяся из него вода остывает до 0° С. Какое количество теплоты выделяет-
ся при этом? Масса пара 1 кг.
Тепловые двигатели
' I
40. Почему цилиндр двигателя внутреннего сгорания требует во время
работы охлаждения, а цилиндр, в который помещают паровую турбину, нет?
41. Для чего четырехтактный двигатель внутреннего сгорания снабжают
массивным маховиком? Почему четырехцилиндровый двигатель (двигатель,
состоящий из четырех цилиндров, соединенных между собой) может быть
снабжен маховиком меньшего размера?
42. Тепловоз ТЭ-3 в течение 1 ч производит работу 8 000 000 кдж. За это
время он расходует 800 кг дизельного топлива, теплота сгорания которого
дж
равна 4 107 - к~~ . Определите к. п. д. двигателя тепловоза.
186
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Строение атома
43. Как определить знак заряда наэлектризованной гильзы, имея в распо-
ряжении палочки из плексигласа и кусочек меха?
44. Чтобы передать часть заряда наэлектризованной стеклянной палочки
электроскопу, ученик прикоснулся этой палочкой к шарику электроскопа. Дру-
гой ученик провел палочкой по шарику. В каком случае электроскоп получит
больший заряд? Почему’ Ответьте на этот же вопрос для случая, если заряд
передается электроскопу с металлической палочки.
45. Рассмотрите схему строения атома лития (рис. 53). Почему несмотря
на то, что его ядро имеет электрический заряд, атом в целом нейтрален?
46. Ядро атома кислорода содержит 8 протонов и 8 нейтронов. Каков со-
став атома кислорода? В каком случае атом кислорода обращается в отрица-
тельный ион?
47. При электризации соприкосновением часть электронов переходит с од-
ного тела на другое. Почему при этом очень мало изменяются массы электри-
зующихся тел?
48. Два электроскопа соединены металлическим стержнем, в середине
которого имеется ручка из изолятора (рис. 50). Как, имея в распоряжении
одну заряженную палочку, зарядить этот электроскоп разноименными заряда-
ми? Опишите, как будут двигаться электроны во время заряжения электро-
скопов.
49. Есть ли в незаряженном теле электрические заряды? Чем отличается
заряженное тело от незаряженного?
Сила тока, напряжение, сопротивление
50. Незаряженный электроскоп соединили с заряженным при помощи ме-
таллического стержня (рис. 50). Возникнет ли в стержне электрический ток?
Долго ли он будет существовать? Каким образом можно поддерживать ток
в стержне длительное время?
51. Можно ли получить гальванический элемент, опустив в раствор кис-
лоты или соли две цинковые пластинки?
52. Начертите схему электрической цепи, состоящей из батареи и двух
ламп, каждую из которых можно включать независимо от второй.
53. В больнице в комнате дежурной сестры находится электрический зво-
нок. Начертите схему цепи, дающую возможность включать звонок больным,
лежащим в трех разных палатах.
54. Прохождение тока через раствор медного купороса сопровождается
выделением на одной из пластин чистой меди, а при прохождении тока через
медную проволоку не происходит переноса меди. Почему?
55. Через раствор азотнокислого серебра пропускают ток, чтобы получить
на катоде чистое серебро. Какие явления происходят при этом в растворе?
Как и почему можно ускорить процесс выделения серебра на катоде?
56. Через раствор азотнокислого серебра прошло 500 к электричества.
Какова масса выделившегося из раствора серебра, если при прохождении
1 к электричества выделяется 1,118 мг серебра?
57. Сколько серебра выделится из раствора азотнокислого серебра за
0,5 ч при силе тока 100 а? (см. предыдущую задачу.)
187
58. Определите цену деления амперметра и вольтметра, изображенных
на рисунке 80, а.
59. Какое количество электричества протекает через амперметр, изобра-
женный на рисунке 80, а, за )0 мин?
60. У различных металлов в единице объема содержится разное число
свободных электронов. Сказывается ли это различие на величине удельного
сопротивления металла? Почему?
61. Найдите в таблице удельное сопротивление железа. Подсчитайте
(устно), чему равно сопротивление железной проволоки сечением 1 мм2,
имеющей длину: а) 2 м, б) 10 Л, в) 100 м.
62. Определите (устно) сопротивление железной проволоки длиной 1 м
и сечением: а) 2 мм2, б) 4 мм2, в) 0,5 мм2, г) 0,01 мм2.
63. На специальном станке проволоку протягивают так, что она стано-
вится длиннее и тоньше в два раза. Как изменится ее сопротивление в ре-
зультате протягивания?
64. Рассчитайте сопротивление медного провода, длина которого 9 км.
а площадь поперечного сечения 60 мм2.
65. Вычислите и сравните сопротивления алюминиевого и нихромового
проводников, если каждый из них имеет длину 10 м и сечение 0,2 льи2.
66. Сколько метров никелиновой проволоки сечением 0,2 мм2 потребует-
ся для изготовления реостата, имеющего сопротивление 30 ом?
67. В одну и ту же сеть включают различные бытовые приборы: лампу,
плитку, вентилятор. Почему через эти приборы проходит неодинаковой
силы ток?
68. В сеть напряжением 120 в включены электрический чайник и на-
стольная лампа. Сопротивление спирали чайника 22 ом, сопротивление ни-
ти накала лампы 240 ом. Определите силу тока в том и другом приборе.
69. Реостат изготовлен из никелиновой проволоки длиной 40 м и пло-
щадью поперечного сечения 0,5 м,и2. Напряжение на зажимах реостата рав-
но 80 в. Какова сила тока, проходящего через реостат?
70. Электрическая лампа, сопротивление которой 240 ом, горит полным
накалом при силе тока 0,5 а. Каково напряжение на зажимах лампы?
71. Определите падение напряжения на телеграфной линии, протяженность
которой 200 км, если провода линии, изготовленные из железа, имеют сечение
12 мм2, а сила тока в проводах составила 0,01 а.
72. Две лампы сопротивлением по 240 ом каждая соединены последова-
тельно и включены в сеть напряжением 220 в. Чему равна сила тока в каж-
дой лампе?
73. Для елочной гирлянды взяты лампочки, каждая из которых имеет со-
противление 20 ом и потребляет ток 0,3 а. Сколько таких лампочек нужно
соединить последовательно в гирлянду, чтобы ее можно было включить в сеть
напряжением 220 в?
74. Два проводника сопротивлением 5 и 20 ом соединены параллельно
и включены в цепь напряжением 40 в. Определите силу тока в каждом про-
воднике.
75. Две электрические лампы сопротивлением 200 и 300 ом соединены па- »
раллельно. Определите силу тока во второй лампе, если в первой сила тока
равна 0,6 а.
Работа и мощность тока
76. Чему равна работа, совершенная за 10 мин электрическим током, про-
ходящим через лампу, если сила тока в цепи 0,5 а, напряжение на лампе 127 в?
77. Определите мощность тока в электрической лампе, которая при напря-
жении 220 в потребляет ток 0,25 а.
78. Электродвигатель сопротивлением 20 ом включают в сеть иапряже-
нием*220 в. Определите работу тока в электродвигателе за 8 ч.
79. Две электрические лампы мощностью 100 и 25 вт соединены парал-
лельно и включены под напряжение 200 в. Определите силу тока в каждой
лампе. У какой из ламп больше сопротивление нити накала?
^^Определите стоимость работы тока в течение 1 ч в следующих быто-
вых электрических приборах: а) в утюге мощностью 300 вт\ б) в лампе
мощностью 60 вт\ в) в телевизоре мощностью 220 вт. Стоимость 1 кет. ч
равна 4 коп.
81. Почему спираль электрической плитки нагревается сильнее в том месте,
где она тоньше?
82. Какое количество теплоты выделится за 20 мин в электрическом чай-
нике сопротивлением 100 ом, включенном в сеть напряжением 220 в? Какова
масса воды, налитой в чайник, если она нагрелась за это время от 20° С до
кипения?
83. Мощность лампы накаливания, находящейся в кремлевской звезде,
равна 5000 вт. Какое количество теплоты выделится в такой лампе в течение
1 ч? (Лампы охлаждают специальным вентилятором.)
Электромагнитные явления
84. Как при помощи магнита можно отделить железные опилки от мед-
ных? Почему это можно сделать?
85. Из двух стальных игл одна намагничена. Как узнать, какая игла на-
магничена, имея в распоряжении только эти две иглы?
86. Как будут вести себя эти иглы, если их поместить па пробки, плаваю-
щие в воде?
87. Стрелка компаса отклоняется от своего первоначального положения,
если к ней поднести магнит. Будет ли она отклоняться при поднесении к ней
железного бруска, медного бруска?
4
ОТВЕТЫ К ЗАДАЧАМ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ
13. 8400 дж; 42 000 дж;
420 000 дж.
14. 12 600 дж; 16 800 дж;
42 000 дж.
15. 15 200 000 дж.
16. 186 ккал.
17.7100 дж.
18. 730 000 дж.
19. 8 кг.
20. 1,3° С.
21. 1,5 кг.
22. 990 кал.
23. 50° С.
24. а) 5000 ккал; 6) 4500 ккал;
в) 8 000 000 ккал; г) 5500 ккал.
25. а) 1.4 кг; 6) 0,96 кг; в) 0,91 кг.
26. » 32 кг.
27. 200 кг.
28. 176 ккал; 550 ккал; 32 %.
29. а) 40 ккал; б) 7,2 ккал;
в) 140 ккал.
30. 240 ккал.
31. а) 52 ккал; б) 4,2 ккал.
32. 350 000 ккал; 83 кг.
36. а) 108 ккал; б) 2,04 ккал;
в) 170 кал.
37. а) 310 ккал; б) 24 ккал;
в) 500 кал.
38. 364 ккал.
39. 639 ккал.
42 . 25 %.
56. 0,56 г.
57. 200 г.
61. а) 0,2 ом; б) а; 1 ом;
в) ~ 10 ом.
62. а) 0,05 ом; б) 0,025 ом;
в) 0,2 ом; г) 10 ом.
63. Увеличится в 4 раза.
64. а: 2,6 ом.
65. 1,4 ом и 55 ом.
66. 15 м.
68. ~ 5,5 а; 0,5 а.
69. 2,5 а
70. 120 в.
71. 16 в.
72. /1 = /2 а 0,5 а.
73Г 37 штук.
74. 8 а и 2 а.
75. 0,4 а.
76. a 38 000 дж.
77. 55 вт.
78. a 19 квт ч.
79. 0.5 а и 0,125 а.
80. а) 1,2 коп.; 6) 0,24 коп.;
в) 0,88 коп.
82. « 580 000 дж; ~ 17. кг.
83. яа 4300 ккал.
ПРЕДМЕТНО-ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
1Ш1111111111П111Ш11111111111111111111111111Ш111111М111111Ш11Ш^
Аккумулятор 86
Альфа (а)-излучение 173
— -частица 74—76, 173
Ампер Андре Мари 97, 150
Ампер 97
Амперметр 98
Анод 90
Аномалия магнитная 153
Атом 76—78
Бета (Р)-излучение 173
Ватт 130
Взаимодействие магнитов 151
— проводников с током 96
— тел, имеющих электрические за-
ряды, 67, 70
Вольта Алессандро 102
Вольт 101
Вольтметр 103—104
Гальванометр 93
Гамма (у)-излучение 173
Генератор электрического тока 63,
87, 167
Гидрогенератор 130, 169
Гидроэлектростанция 171
Двигатель внутреннего сгорания 59,
60
— тепловой 58
— электрический 160—162
Движение тепловое 6
Джоуль Д. 134
Джоуль 128
Единицы измерения количества теп-
лоты 25—26
------- электричества 97
-------мощности электрического то-
ка 130
-----напряжения электрического
тока 101—102
----- работы электрического тока
128
----силы тока 97
----- сопротивления проводника
109
Заземление 80
Закон Ома 111
Закон превращения и сохранения
энергии 32
Замыкание короткое 138
Заряд электрический 65
----отрицательный 67
----положительный 67
----делимость 71—72
Излучение 20
Изолятор 80
Индукция электромагнитная 166
Ион 78, 90—91
Иоффе А. Ф. 73
Испарение 48—49
Источник электрического тока 83
Калория 25
Катод 90
Кипение 53
Количество теплоты 11, 23—25, 28,
134
— электричества 95
Коллектор электродвигателя 159, 161
Конвекция 15—16
— свободная 16
— вынужденная 16
Конденсация 48, 51
Коэффициент полезного действия
63—64
Кристаллизация 39
Купон Ш. 97
Кулон 97
Кюри Пьер 172
Кюри Мария 172
Лампа накаливания 135—136
Ледокол «Ленин» 175
Ленц Э. X, 134
Линии силовые магнитногд поля 141—
144, 164—165
Лодыгин А, Н. 136
Магнит постоянный 150
Микрофон 154—155
Милликен Р. 73
Морзе С. 147
Мощность электрического тока 129—
131
Напряжение электрическое 100—
102, 105—106
191