Методическая разработка Электродинамика (стр. 10 )

Проводники – это материалы, по которым может проходить электрический ток.

Проводимость – свойство пропускать ток.

Сопротивление – способность мешать прохождению тока за счет того, что электроны сталкиваются с атомами (§ 6).

Изоляторы (диэлектрики) - это материалы, которые не пропускают ток, в них нет свободных электронов.

Подробное объяснение темы.

Все тела состоят из мельчайших частиц – атомов. Атом очень мал. Так, например, на 1 см можно разместить 100 000 000 атомов водорода. Слово «атом» означает «неделимый». Так думали, когда вводили это слово для обозначения мельчайшей частицы мироздания.

 

Но потом оказалось, что атом – очень сложная система. Но в основном атом состоит из двух частей – ЯДРА и ЭЛЕКТРОНОВ, которые вращаются вокруг ядра.

У разных элементов – неодинаковые по массе ядра и разное количество электронов: у водорода – один электрон, у меди – 29 электронов, вокруг ядра урана вращается 92 электрона…

Внимание! Это важно для электротехники: электроны вращаются по разным орбитам – некоторые поближе к ядру, некоторые подальше от ядра.

Электротехнику интересуют электроны на последних (от ядра) орбитах – это свободные электроны, из свободных электронов и получается электрический ток.

ЭЛЕКТРОНЫ… ЭЛЕКТРОНЫ

Что это такое?

Электроны – это мельчайшие (на сегодняшний день) частицы особого вида материи – электричества.

 

Условно принято считать – электроны заряжено ОТРИЦАТЕЛЬНО.

В ядре имеются (кроме множества и других частиц) и положительно заряженные частицы – ПРОТОНЫ.

Величина зарядов у электронов и протонов ОДИНАКОВА:

У электрона Кл;

У протона Кл.

Но массе электрон примерно в 1840 раз легче протона (это очень важно для электротехники – легче двигать).

-  ? + Тела ЗАРЯЖЕННЫЕ – НЕ ЗАРЯЖЕННЫЕ (нейтральные) – что это такое? В любом в нормальных условиях – сколько протонов, столько и электронов, сколько «ПЛЮСОВ», столько и «МИНУСОВ», в сумме – НОЛЬ. Чего НОЛЬ? – В целом нет никакого заряда – атом НЕЙТРАЛЕН (но нейтральный атом электротехнику не интересует – его с места не сдвинешь, не разрушая тело, тока из него не получишь…).

Электротехнику интересуют заряженные частицы, особенно – электроны, так как организованное (и направленное) движение заряженных частиц и есть электрический ток.

В основных проводниках – металлах, а также в угле и графите то образуется за счет электронов.

Поэтому будем в дальнейшем говорить: ТОК – это направленное

движение ЭЛЕКТРОНОВ.

Что означает – ЗАРЯДИТЬ АТОМ (или тело из атомов)? Зарядить – это значит нарушить РАВНОВЕСИЕ ЗАРЯДОВ.

Внимание! Большой физический смысл: на отрыв электронов от атомов и на их передвижение надо затратить энергию, работу. А частицы, получившие энергию, должны отдать ее, если для этого будут созданы условия. (Для сравнения – из механики пример: если мы подняли что-то тяжелое, а потом это отпустили, то груз, падая, тоже должен что-то сделать – отдать нашу энергию, забить гвоздь, разрушить камень… то же самое у электронов: если мы оторвали его от атома – затратили энергию. Теперь наша энергия – у электрона, он должен отдать ее, тоже что-то сделать – нагреть, вращать, заставить динамик песни петь…).

Итак, если создать условия. То оторванные и движущиеся электроны (а это же – ток, под действием напряжения!) будут отдавать полученную (от источника) энергию. А условия эти – для отдачи энергии – создают в потребителях – там эта энергия превращается в другой вид энергии (вспомните лампу) – в световую; утюг – в тепловую; электромотор – в механическую; аккумулятор во время зарядки – в химическую; громкоговоритель – в энергию магнитного поля.

Взаимодействие зарядов

Что означает – «заряды», «заряженное тело», «заряженнные частицы»?

Это означает – нарушено равновесие между количеством положительных отрицательных зарядов, заряженных частиц.

положительный заряд – НЕ хватает электронов

отрицательный заряд – «лишние» электроны.

Величина заряда обозначается буквой q и измеряется в КУЛОНАХ (Кл.)

1 кулон – это 6 280 000 000 000 000 000 электронов (или протонов).

Если на ОДНУ секунду прошел ОДИН КУЛОН электричества, то говорят: I – СИЛА ТОКА равна ОДНОМУ АМПЕРУ.

ЗАКОН КУЛОНА

Заряженные тела или отталкиваются или притягиваются – взаимодействуют.

От чего зависит – притягиваются или отталкиваются? Посмотрите на рисунок – будет ясно:

F F

-  такие отталкиваются и

и такие отталкиваются

F F

 

а такие притягиваются.

Так от чего же зависит – притягиваются или отталкиваются? Как будут себя вести два электрона?

Еще в 1785 г. физик Кулон установил, от чего как зависит сила, с которой заряды действуют друг на друга – взаимодействуют:

Это закон Кулона. Из него видно, от чего же зависит эта сила:

1.  От величины зарядов и - чем больше заряды, тем и сила больше – во столько же раз (прямо пропорциональна).

2.  От расстояния между зарядами r (м). И не просто от расстояния, а от квадрата расстояния между зарядами (это значит, что если расстояние уменьшить в 6 раз, то сила увеличится в 36 раз, а не в 6 раз).

И еще важное замечание: расстояние r – в знаменателе дроби. Это означает – сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.

Отсюда полезный для нас вывод – чем электроны дальше от ядра, тем их легче оторвать, они менее связаны с ядром, свободнее. Такие электроны и называются свободными, из них и получается электрический ток; иногда они и сами отрываются, переходят к соседним атомам или даже блуждают по проводнику -–в полном смысле свободные.

Чтобы из свободных электронов получить электрический ток, их надо заставить организованно двигаться в одну сторону.

Вернемся к закону Кулона:

- это 3,14; Ф (фарада)/М (метр)

все это – величины постоянные, на физическую сущность формулы не влияют.

А вот это важное понятие:

Наибольшая сила взаимодействия между зарядами – в пустоте. Но если между зарядами какой-нибудь диэлектрик, т. е. изолятор, то сила взаимодействия уменьшается. Во сколько раз уменьшается? Парафин в 2 раза; масло трансформаторное – в 2,5; канифоль – в 2,4-3; стекло органическое – в 4,0; фарфор – в 5,0-6,0; титанат бария (тибар) – в 1500-9000; вода дистиллированная – в 82 раза.

Обратите внимание на проницаемость воды – 82 раза. Это пригодится при изучении темы «Химическое действие тока».

Все перечисленные материалы – диэлектрики, изоляторы, через них ток не идет – в них нет свободных электронов. Но ток не идет до поры до времени.

КАК СОЗДАЕТСЯ ТОК В ПРОВОДНИКЕ

Еще раз: электрический ток – это организованное. Направленное движение электронов в проводнике.

Для того, чтобы заставить электроны двигаться в одну сторону, нужна сила.

Это можно сделать с помощью электрического поля (или – магнитного поля – об этом в разделе «Электромагнетизм»).

Электрическое поле

Заряженные тела и частицы взаимодействуют между собой на расстоянии.

Пространство вокруг заряженного тела, где обнаруживается действие на другие заряженные тела, называется электрическим полем.

Главные характеристики электрического поля.

Напряженность поля в данной точке – это сила, действующая на заряд в один кулон: E= F / q (Н/ Кл).

Здесь F – сила в ньютонах (Н);

q – заряд в кулонах (Кл).

F – это та самая сила, которая будет перемещать заряды, создавать ток в проводнике.