Все 62 конспектов внутри этой страницы. После сохранения на сайте добавь эту страницу в закладки и открывай в том же браузере. Очистка данных браузера удаляет сохранённую копию. Обновления загружаются на сайте при наличии интернета.
Для поиска включи JavaScript. Полные тексты также приведены ниже.§ 1. Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества Свойства вещества объясняются движением и взаимодействием его мельчайших частиц.
Молекулярно-кинетическая теория, сокращённо МКТ, связывает наблюдаемые свойства тел с их внутренним строением. Её первое положение утверждает, что вещество состоит из частиц: атомов, молекул или ионов. Между ними существуют промежутки. Частицы чрезвычайно малы, поэтому отдельную молекулу нельзя рассмотреть обычным глазом. При этом любое привычное тело содержит огромное количество таких частиц, совместное поведение которых определяет его свойства.
Второе положение МКТ заключается в непрерывном беспорядочном движении частиц. Его проявлением служит диффузия: вещества постепенно проникают друг в друга без специального перемешивания. Например, запах распространяется по комнате, хотя источник находится в одном месте. При повышении температуры диффузия обычно ускоряется. Это связано с более быстрым тепловым движением, а не с увеличением размера самих молекул вещества.
Другое подтверждение движения молекул даёт броуновское движение. Мелкие частицы, взвешенные в жидкости или газе, движутся случайным образом из-за неравномерных ударов окружающих молекул. Под микроскопом наблюдают именно взвешенную частицу, а не отдельные молекулы воды. Если отметить её положения через одинаковые промежутки времени, получится ломаная линия. Такое движение нельзя объяснить намеренным перемещением самой частицы или течением жидкости.
Третье положение говорит, что частицы взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются. Эти силы особенно заметны на небольших расстояниях. Притяжение помогает объяснить сохранение целостности твёрдых тел, а отталкивание препятствует их чрезмерному сжатию. МКТ объединяет многочисленные факты в одну систему объяснений. Важно различать модель строения вещества и опытные факты, которые её подтверждают: диффузию, броуновское движение, сжатие и тепловое расширение тел.
Три положения: частицы существуют, непрерывно движутся и взаимодействуют. Броуновская частица значительно больше молекулы. При нагревании усиливается тепловое движение, а не увеличиваются сами атомы. Страницы: 3–5
§ 2. Агрегатные состояния вещества Агрегатное состояние определяется расположением, движением и взаимодействием частиц.
Одно вещество может существовать в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. При переходе между ними молекулы данного вещества сохраняются, но меняются расстояния между частицами и характер их движения. Например, лёд, вода и водяной пар состоят из молекул воды. Отличия их свойств объясняются не появлением новых молекул, а изменением того, как частицы расположены и взаимодействуют между собой.
Газ не имеет собственного постоянного объёма и формы: он занимает всё доступное пространство. Обычно расстояния между его частицами значительно превышают их размеры. Частицы свободно перемещаются и сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Поэтому газ сравнительно легко сжать: уменьшаются главным образом промежутки между частицами. Давление газа связано с многочисленными ударами частиц о поверхность стенок.
Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда и может течь. Её частицы расположены близко, поэтому жидкость плохо сжимается. Однако они не закреплены навсегда возле одних соседей: после колебаний около временного положения частица может переместиться в другое. Именно такие перестройки позволяют жидкости менять форму. У твёрдого тела частицы колеблются около устойчивых положений, поэтому сохраняются и объём, и форма.
Кристаллические твёрдые тела отличаются упорядоченным расположением частиц. В аморфных телах дальнего регулярного порядка нет, хотя частицы также расположены близко. Состояние вещества зависит от температуры и давления: меняется соотношение энергии движения и взаимодействия частиц. Нельзя утверждать, что в твёрдом теле частицы неподвижны. Даже при отсутствии видимого движения самого предмета внутри него сохраняется тепловое движение, а наблюдаемые свойства определяются коллективным поведением огромного числа частиц.
Газ сохраняет ни форму, ни собственный объём; жидкость сохраняет объём; твёрдое тело — форму и объём. В кристаллах расположение частиц упорядочено. При смене агрегатного состояния меняется организация вещества, а не состав его молекул. Страницы: 6–9
§ 3. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления Взаимодействие жидкости с поверхностью вызывает смачивание и движение жидкости в узких порах.
При попадании на поверхность жидкость может растекаться или собираться в капли. Растекание связано со смачиванием, а образование округлых капель часто указывает на несмачивание. Например, вода обычно смачивает чистое стекло, но плохо смачивает поверхность, покрытую воском. Результат зависит не только от жидкости, но и от материала поверхности, её чистоты и покрытия: одна жидкость ведёт себя по-разному на разных телах.
Объяснение связано с взаимодействием частиц. Если притяжение молекул жидкости к частицам поверхности достаточно велико по сравнению с их взаимным притяжением, жидкость распределяется по поверхности. При несмачивании взаимодействие внутри жидкости относительно сильнее, поэтому она стремится уменьшить площадь соприкосновения. Вблизи стенки сосуда поверхность жидкости искривляется. При смачивании возникает вогнутый мениск, а при несмачивании обычно наблюдают выпуклую поверхность.
Очень узкие трубки называют капиллярами. В них искривление поверхности влияет на весь столбик жидкости: смачивающая жидкость поднимается относительно уровня в широком сосуде, а несмачивающая опускается. Чем уже капилляр, тем заметнее изменение уровня при прочих одинаковых условиях. Подъём не продолжается бесконечно: постепенно устанавливается равновесие. Капиллярные явления встречаются не только в стеклянных трубках, но и в многочисленных порах материалов.
Бумага, ткань, древесина и почва содержат узкие промежутки, по которым распространяется влага. Поэтому полотенце впитывает воду, а вода в почве может подниматься к поверхности и испаряться. Рыхление разрушает часть капилляров и уменьшает потерю влаги. При строительстве используют гидроизоляцию, препятствующую намоканию стен. Свойства покрытий важны и для живой природы: загрязнение оперения нефтью нарушает защиту птицы от намокания и охлаждения.
Смачивание зависит от пары «жидкость — поверхность». Капилляры — узкие трубки и поры. В смачиваемом капилляре жидкость поднимается, в несмачиваемом — опускается. Страницы: 10–13
§ 4. Температура Температура характеризует тепловое состояние тела и связана со средней энергией движения частиц.
Температура показывает, насколько нагрето тело, но её нельзя надёжно определить только прикосновением. Ощущение зависит от состояния кожи и скорости передачи энергии. Например, металлический и деревянный предметы в одной комнате могут казаться разными по температуре. Для объективного сравнения нужен термометр. Перед измерением он должен некоторое время находиться в контакте с исследуемой средой, чтобы их температуры успели сравняться.
Тепловым равновесием называют состояние, при котором соприкасающиеся тела имеют одинаковую температуру и направленный теплообмен между ними прекращается. Термометр непосредственно показывает собственную температуру. Температурой исследуемого тела его показание становится после установления теплового равновесия. Работа жидкостного термометра основана на изменении объёма жидкости при нагревании и охлаждении. Для правильного результата необходимо учитывать пределы измерений, цену деления и условия применения прибора.
В шкале Цельсия за опорные температуры принимают таяние льда и кипение воды при нормальном атмосферном давлении. Им соответствуют ноль и сто градусов. Промежуток делят на сто равных частей. В физике применяют также абсолютную шкалу Кельвина. Её начало связано с абсолютным нулём, равным примерно минус 273 градусам Цельсия. Изменение температуры на один кельвин равно изменению на один градус Цельсия.
С точки зрения МКТ температура связана со средней кинетической энергией теплового движения частиц. Чем выше температура, тем больше эта средняя энергия. Речь идёт о множестве частиц, движущихся с разными скоростями, а не о температуре одной молекулы. Для воды важно особое свойство: наибольшую плотность она имеет примерно при четырёх градусах Цельсия. Это помогает объяснить распределение температуры в глубоких водоёмах зимой.
Приближённый перевод: T = t + 273, где T в кельвинах, t в °C. Термометр должен прийти в тепловое равновесие с телом. Температура связана со средней кинетической энергией частиц, а не с энергией всего тела. Страницы: 14–19
§ 5. Внутренняя энергия Внутренняя энергия складывается из энергии движения частиц и энергии их взаимодействия.
Любое тело состоит из частиц, которые движутся и взаимодействуют. Поэтому даже неподвижный предмет обладает внутренней энергией. Она включает кинетическую энергию теплового движения всех частиц и потенциальную энергию их взаимодействия. Это не энергия движения тела как единого целого. Например, лежащая на столе металлическая ложка не летит и не катится, но её частицы продолжают двигаться и взаимодействовать друг с другом.
Внутренняя энергия зависит от состояния вещества. При нагревании обычно увеличивается средняя кинетическая энергия частиц, поэтому возрастает внутренняя энергия. При изменении агрегатного состояния меняется также энергия взаимодействия частиц. Два тела одинаковой температуры могут иметь разную внутреннюю энергию: значение имеют масса, вещество и состояние. Поэтому температуру нельзя считать полной мерой запасённой в теле энергии или прямо отождествлять с внутренней энергией.
Механическая и внутренняя энергии способны превращаться друг в друга. При ударе свинцового шара о плиту его движение замедляется, а шар и плита немного нагреваются и деформируются. Часть механической энергии переходит во внутреннюю. Похожее происходит при трении ладоней или торможении транспорта. Исчезновение видимого движения не означает исчезновения энергии: она распределяется между частицами тел и может передаваться окружающей среде.
Если тело просто поднять выше над полом, изменится его потенциальная энергия относительно Земли, но внутренняя энергия при неизменном состоянии останется прежней. Если тот же предмет нагреть, его внутренняя энергия увеличится без обязательного перемещения. Для объяснения задачи полезно отдельно рассматривать движение тела целиком и происходящее внутри вещества. Такое разделение позволяет правильно описывать нагревание, охлаждение, удары и последующие превращения энергии в различных физических процессах.
Внутренняя энергия: движение частиц плюс их взаимодействие. Подъём тела меняет его механическую потенциальную энергию, но не обязательно внутреннюю. Одинаковая температура не означает одинаковую внутреннюю энергию. Страницы: 20–23
§ 6. Способы изменения внутренней энергии Внутреннюю энергию изменяют совершением работы или теплопередачей.
Внутренняя энергия тела может изменяться двумя основными способами: при совершении работы и при теплопередаче. В первом случае энергия передаётся через действие сил и перемещение. Например, при трении ладони становятся теплее, а при многократном сгибании проволоки нагревается место изгиба. В обоих случаях изменение состояния связано с механическим воздействием, хотя первоначально температура окружающих тел может быть такой же.
Работу могут совершать над телом или само тело может совершать работу. При быстром сжатии газа его внутренняя энергия обычно возрастает, и газ нагревается. При расширении газ может двигать поршень, передавая энергию другим телам. Если теплообменом можно пренебречь, при этом внутренняя энергия газа уменьшается и он охлаждается. Такие процессы показывают связь между видимым механическим движением и хаотическим движением частиц вещества.
При теплопередаче внутренняя энергия изменяется из-за разности температур без механической работы как способа передачи энергии. Горячая ложка, опущенная в холодную воду, отдаёт ей энергию и остывает. Вода получает энергию и нагревается. Самопроизвольная передача происходит от более нагретого тела к менее нагретому, пока между ними не установится тепловое равновесие. Одного наличия внутренней энергии недостаточно: для направленного теплообмена нужна разность температур.
В реальных ситуациях оба способа могут действовать одновременно. Например, при обработке металлической детали силы трения увеличивают её внутреннюю энергию, а воздух и охлаждающая жидкость отводят часть энергии. Поэтому изменение температуры определяется общим результатом нескольких процессов. При разборе примера нужно назвать источник энергии и способ её передачи. Слово «нагревание» описывает повышение температуры, но само по себе ещё не объясняет, происходило оно из-за работы или теплообмена.
Два способа: работа и теплопередача. При теплообмене энергия самопроизвольно идёт от горячего тела к холодному. При расширении без теплообмена совершающий работу газ охлаждается. Страницы: 24–27
§ 7. Теплопроводность При теплопроводности энергия передаётся между частицами без переноса вещества в целом.
Теплопроводностью называют передачу энергии от более нагретой части тела к менее нагретой благодаря движению и взаимодействию частиц. Если один конец металлической ложки находится в горячей воде, через некоторое время нагревается и другой конец. При этом вещество ложки не перетекает вдоль неё. Именно отсутствие переноса вещества в целом отличает теплопроводность от другого механизма теплопередачи — конвекции в жидкостях и газах.
На микроскопическом уровне частицы более нагретой области обладают большей средней энергией движения. Взаимодействуя с соседними частицами, они передают им часть энергии. Этот процесс постепенно распространяется по телу. В металлах важную роль играют также свободные электроны. Скорость передачи энергии зависит от свойств материала, размеров тела и разности температур. Поэтому одинаковые по форме стержни из разных веществ могут нагреваться неодинаково быстро.
Хорошими проводниками тепла обычно являются металлы, а дерево, воздух и многие пористые материалы проводят тепло плохо. Воздух между волокнами одежды уменьшает потери энергии, поэтому тёплая одежда не создаёт тепло сама, а затрудняет охлаждение тела. Вода также обладает сравнительно небольшой теплопроводностью; быстрое нагревание всей воды в кастрюле обычно связано главным образом с движением её слоёв, а не с одной теплопроводностью.
Свойства материалов учитывают в быту и технике. Корпус кастрюли должен хорошо передавать энергию пище, а ручки делают из теплоизолирующего материала. Стены и трубы утепляют, чтобы уменьшить нежелательный теплообмен. Металл при комнатной температуре кажется холоднее дерева, потому что быстрее отводит энергию от кожи. Это не доказывает различия их начальных температур. Для сравнения температуры используют термометр, а прикосновение отражает ещё и скорость передачи энергии.
Теплопроводность не сопровождается переносом вещества в целом. Металлы обычно проводят тепло лучше дерева и неподвижного воздуха. Одежда сохраняет энергию тела, а не вырабатывает её. Страницы: 28–32
§ 8. Конвекция Конвекция переносит энергию вместе с движущимися слоями жидкости или газа.
Конвекцией называют перенос энергии потоками жидкости или газа. В отличие от теплопроводности, здесь перемещается само вещество. Когда воду нагревают снизу, её нижние слои получают энергию и обычно расширяются. Их плотность уменьшается, поэтому под действием выталкивающей силы они поднимаются. Более холодная и плотная вода опускается на освободившееся место. Возникает непрерывная циркуляция, которая помогает прогреть значительную часть жидкости.
Такой механизм называют естественной конвекцией, потому что движение возникает из-за различий плотности в поле тяжести. Если жидкость нагревают сверху, условия для перемешивания оказываются хуже: тёплый менее плотный слой уже находится наверху. Тогда нижние слои нагреваются медленнее. В твёрдых телах обычная конвекция невозможна, поскольку частицы не могут образовывать свободно перемещающиеся макроскопические потоки, подобные течениям жидкости или воздуха.
В комнате воздух возле радиатора нагревается и поднимается, а более холодный воздух поступает к радиатору снизу. Постепенно формируются потоки, распределяющие энергию по помещению. Поэтому расположение отопительных приборов и препятствий влияет на обогрев. Конвекция участвует и в возникновении тяги: нагретые газы поднимаются по трубе, а снизу поступает воздух. Однако реальное движение зависит также от формы каналов, ветра и разности температур.
Существует и вынужденная конвекция, при которой жидкость или газ перемещают насосом, вентилятором либо другим устройством. Такой способ используют в системах охлаждения и отопления. Вентилятор не обязательно снижает температуру воздуха сам по себе, но усиливает обмен энергией между воздухом и поверхностями. При объяснении примеров важно сначала установить, перемещается ли вещество, а затем определить причину движения: различие плотности или действие внешнего устройства.
Конвекция возможна в жидкостях и газах. Естественная конвекция связана с различием плотности и действием силы тяжести. Вынужденную конвекцию создают насосы и вентиляторы. Страницы: 33–34
§ 9. Излучение Излучение передаёт энергию без обязательного участия вещества между телами.
Излучение — способ передачи энергии, который возможен даже через пустое пространство. Именно так солнечная энергия достигает Земли: между ними нет сплошного вещества, способного переносить тепло конвекцией или обычной теплопроводностью. Все тела испускают тепловое излучение, хотя при привычных температурах оно обычно невидимо для глаза. Нагретый предмет одновременно излучает энергию сам и поглощает часть излучения, приходящего от окружающих тел.
Интенсивность теплового излучения зависит от температуры и свойств поверхности. При повышении температуры излучение обычно усиливается. Тёмные матовые поверхности, как правило, лучше поглощают падающее излучение, чем светлые блестящие, и при одинаковых условиях сильнее излучают. Поэтому выбор покрытия влияет на нагревание и охлаждение предмета. Однако цвет в видимом свете не полностью описывает свойства поверхности во всех диапазонах излучения.
В быту действие излучения ощущается возле нагретой печи или костра даже тогда, когда горячий воздух поднимается вверх и не движется прямо к человеку. Светлая одежда на солнце часто нагревается меньше тёмной. Загрязнённый снег сильнее поглощает солнечную энергию и быстрее тает. При этом в каждом примере могут одновременно действовать другие способы теплопередачи, поэтому нельзя объяснять любое охлаждение или нагревание только одним механизмом.
Термос уменьшает передачу энергии сразу несколькими способами. Разреженное пространство между стенками ограничивает теплопроводность и конвекцию, а отражающие поверхности снижают обмен излучением. Плотная пробка уменьшает теплообмен через горловину. Такой сосуд помогает сохранять как горячие, так и холодные продукты, поскольку замедляет обмен энергией в любом направлении. Для полного объяснения устройства нужно рассматривать все пути теплопередачи, а не считать вакуум абсолютной преградой для любого переноса энергии.
Излучение распространяется и в вакууме. Более горячие тела обычно излучают интенсивнее. Термос уменьшает теплопроводность, конвекцию и обмен излучением. Страницы: 35–38
§ 10. Количество теплоты. Единицы количества теплоты Количество теплоты измеряет энергию, переданную при теплообмене.
При теплопередаче одно тело получает энергию, а другое её отдаёт. Переданную таким способом энергию называют количеством теплоты и обозначают буквой Q. Это характеристика процесса передачи, а не особое вещество, находящееся внутри предмета. У тела есть внутренняя энергия, но выражение «содержит количество теплоты» физически неточно. Количество теплоты позволяет сравнивать, сколько энергии передано в разных процессах нагревания и охлаждения.
Поскольку количество теплоты является энергией, его единица в Международной системе — джоуль. Для больших значений применяют килоджоули и мегаджоули. Один килоджоуль равен тысяче джоулей, а один мегаджоуль — миллиону джоулей. При решении задач единицы обязательно согласуют. Например, значение в килоджоулях нельзя подставлять как джоули без пересчёта, иначе ответ может отличаться от правильного в тысячу раз.
Для нагревания тела количество теплоты зависит от его массы, изменения температуры и вещества. Большую кастрюлю воды при одинаковых условиях нагреть труднее, чем маленькую чашку. Чтобы одну и ту же массу воды нагреть на сорок градусов, требуется больше энергии, чем на двадцать. При одинаковой массе и одинаковом изменении температуры разные вещества также требуют неодинакового количества теплоты из-за различия их теплоёмкостей.
При охлаждении зависимости аналогичны: отданная энергия определяется теми же характеристиками, если агрегатное состояние не меняется. Нельзя судить о количестве теплоты только по конечной температуре. Маленький горячий предмет может передать меньше энергии, чем большой умеренно нагретый. Для сравнения необходимо знать начальную температуру, массу и свойства материала. Отдельно учитывают ситуации плавления и кипения: в них энергия может передаваться без повышения температуры, поэтому требуется другой способ расчёта.
Q измеряют в джоулях; 1 кДж = 1000 Дж. Количество теплоты характеризует процесс теплообмена. При нагревании Q зависит от массы, вещества и изменения температуры. Страницы: 39–40
§ 11. Удельная теплоёмкость Удельная теплоёмкость показывает, сколько энергии требуется для нагревания единицы массы на один градус.
Разные вещества при одинаковой массе требуют разного количества энергии для одинакового повышения температуры. Это различие описывает удельная теплоёмкость, обозначаемая буквой c. Она показывает, какое количество теплоты необходимо передать одному килограмму вещества, чтобы повысить его температуру на один градус Цельсия. При этом подразумевается отсутствие изменения агрегатного состояния. Значение характеристики зависит от вещества и может зависеть от температуры и физических условий.
Единица удельной теплоёмкости — джоуль на килограмм и градус Цельсия. Для воды в школьных расчётах обычно используют значение 4200 Дж/(кг·°C). Это означает, что нагревание одного килограмма воды на один градус требует примерно 4200 джоулей. Если массу увеличить вдвое, при том же изменении температуры потребуется вдвое больше энергии. Если увеличить только температурный интервал, изменится соответствующее количество теплоты, но не сама табличная характеристика.
Высокая теплоёмкость воды объясняет многие привычные явления. Вода способна получить или отдать значительную энергию при сравнительно небольшом изменении температуры. Поэтому её используют как теплоноситель в отоплении, а большие водоёмы смягчают колебания температуры побережий. Однако высокая теплоёмкость не означает высокую теплопроводность: первая характеристика относится к запасанию энергии при нагревании, а вторая — к скорости и механизму её передачи через вещество.
Для одного вещества в разных агрегатных состояниях теплоёмкость может различаться. Например, лёд и жидкая вода имеют разные табличные значения, хотя состоят из одинаковых молекул. При выборе величины в задаче нужно определить состояние вещества и внимательно прочитать единицы таблицы. Удельную теплоёмкость не следует путать с теплоёмкостью целого тела: последняя зависит ещё и от массы. Поэтому маленький и большой куски одного металла имеют одинаковое c, но разные теплоёмкости.
c = Q/(m·Δt), если нет фазового перехода. Для воды c ≈ 4200 Дж/(кг·°C). Теплоёмкость тела C = cm зависит от массы. Страницы: 41–43
§ 12. Расчёт количества теплоты. Уравнение теплового баланса При теплообмене без потерь отданная энергия равна полученной.
Для нагревания тела без изменения агрегатного состояния количество теплоты рассчитывают по формуле Q = cmΔt. Здесь c — удельная теплоёмкость, m — масса, а Δt — разность конечной и начальной температур. Формула показывает пропорциональность всем трём величинам. В расчётах массу переводят в килограммы, теплоёмкость берут в согласованных единицах, а количество теплоты получают в джоулях. Для охлаждения можно отдельно вычислять положительную величину отданной энергии.
Если нагревается несколько тел, энергии складывают. Например, при нагревании воды в металлическом котелке энергия требуется и воде, и самому котелку. Их массы и теплоёмкости различны, поэтому сначала находят количество теплоты для каждого тела, затем суммируют результаты. Пренебрегать нагреванием сосуда можно только тогда, когда это прямо допускает условие или его вклад действительно мал по сравнению с остальными затратами.
При смешивании горячей и холодной воды горячая часть отдаёт энергию, а холодная получает её до установления общей температуры. В теплоизолированной системе действует тепловой баланс: сумма отданных количеств теплоты равна сумме полученных. Для двух тел без фазовых переходов записывают c₁m₁(t₁−t) = c₂m₂(t−t₂), где t₁ выше общей температуры t, а t₂ ниже неё. Такое уравнение позволяет найти неизвестную массу или температуру.
Равенство отданной и полученной энергии справедливо только при учёте всех участников теплообмена. В реальном опыте часть энергии может получить воздух, термометр и стенки сосуда. Поэтому расхождение простого расчёта и измерения не отменяет закон сохранения энергии, а показывает неполноту выбранной модели. Перед вычислениями полезно нарисовать направление передачи энергии и проверить, что найденная общая температура лежит между начальными температурами тел, если дополнительных процессов не происходит.
Нагревание: Q = cm(t₂−t₁). Теплоизолированная система: Qотданное = Qполученное. Учитывай теплоёмкость сосуда и возможные потери энергии. Страницы: 44–47
§ 13. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания При горении энергия выделяется вследствие превращения веществ, а её количество зависит от вида и массы топлива.
При сгорании топлива происходят химические превращения: исходные вещества образуют новые соединения, и часть энергии выделяется в окружающую среду. Например, при полном сгорании углеродсодержащего топлива образуется углекислый газ, а при наличии водорода — также вода. Энергия не возникает из ничего: меняется энергия взаимодействия частиц в исходных веществах и продуктах реакции. Полученную энергию используют для отопления, приготовления пищи и работы двигателей.
Разные топлива при одинаковой массе выделяют неодинаковую энергию. Для сравнения вводят удельную теплоту сгорания q. Она показывает, сколько энергии выделится при полном сгорании одного килограмма топлива. Единица этой величины — джоуль на килограмм. Табличные значения относятся к определённому виду и состоянию топлива. Например, влажные и сухие дрова нельзя считать полностью равноценными: часть энергии влажного топлива расходуется на нагревание и испарение воды.
Если топливо сгорает полностью, выделившееся количество теплоты рассчитывают по формуле Q = qm. При известной энергии можно найти необходимую массу: m = Q/q. При этом нужно отличать выделившуюся энергию от полезно использованной. Не вся энергия газовой горелки нагревает воду: часть получает посуда, окружающий воздух и другие тела. Поэтому фактический расход топлива часто превышает значение, полученное без учёта потерь и эффективности устройства.
Сравнивая виды топлива, важно понимать, что большее значение q означает преимущество при одинаковой массе, а не обязательно при одинаковом объёме. Плотности веществ могут сильно различаться. Выбор топлива зависит также от хранения, перевозки, доступности и воздействия на окружающую среду. Неполное горение уменьшает полезный результат и может приводить к появлению опасных продуктов. Опыты с горючими веществами проводят только в предусмотренных учебных условиях под руководством учителя.
Q = qm при полном сгорании. q измеряют в Дж/кг. Полезная энергия обычно меньше энергии, выделившейся при горении. Страницы: 48–51
§ 14. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах Энергия не исчезает и не возникает: она передаётся между телами и превращается из одного вида в другой.
Механическая энергия включает кинетическую энергию движения тела и потенциальную энергию взаимодействия тел. Внутренняя энергия относится к движению и взаимодействию частиц вещества. В различных процессах эти составляющие могут изменяться. Например, при падении потенциальная энергия превращается в кинетическую, а при ударе часть энергии переходит во внутреннюю. Поэтому остановившееся тело не обязательно «потеряло энергию» без следа: она могла перейти другим телам или изменить форму.
Закон сохранения энергии утверждает, что полная энергия изолированной системы остаётся постоянной. Изолированной считают систему, которая не обменивается энергией с окружающими телами. Внутри неё могут происходить разнообразные превращения: тела нагреваются, охлаждаются, движутся и деформируются. Суммарная энергия при этом сохраняется. Для применения закона важно правильно выбрать границы системы, иначе передача энергии наружу может ошибочно показаться её исчезновением.
Если на систему действуют внешние силы или она участвует в теплообмене, её полная энергия изменяется. Изменение равно сумме переданного количества теплоты и работы внешних сил. Когда изменение механической энергии можно не учитывать, это соотношение относится к внутренней энергии. Например, если над газом совершают работу и одновременно его нагревают, оба воздействия могут увеличивать внутреннюю энергию. При охлаждении или совершении газом работы знаки соответствующих вкладов меняются.
Закон позволяет объяснять и проверять расчёты тепловых процессов. При смешивании воды энергия горячей части переходит холодной, а при трении механическая энергия становится внутренней. Тепловой баланс является частным применением общего закона сохранения. Важно учитывать, что «потери энергии» в технике означают уменьшение полезной части, а не уничтожение энергии. Например, энергия нагретого двигателя распределяется в окружающем воздухе и становится менее удобной для выполнения нужной работы.
Для изолированной системы полная энергия постоянна. При неизменной механической энергии ΔU = Q + Aвнешних сил. Технические потери — передача энергии в неполезные для задачи формы. Страницы: 52–54
§ 15. Плавление и отвердевание кристаллических тел Плавление и кристаллизация происходят при определённой температуре и сопровождаются обменом энергией.
Плавлением называют переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. Чтобы расплавить кристаллическое тело, его сначала обычно нагревают до температуры плавления. Для льда при нормальном атмосферном давлении она равна примерно нулю градусов Цельсия. После достижения этой температуры дальнейшее подведение энергии вызывает таяние. Пока одновременно существуют лёд и вода и продолжается равновесное плавление, температура смеси практически не изменяется.
Температура плавления зависит от вещества и внешнего давления. Поэтому разные материалы плавятся при разных условиях: лёд легко растопить в комнате, а для плавления железа требуется значительно более высокая температура. Таблицы позволяют сравнивать эти свойства. Однако достижение нужной температуры само по себе ещё не гарантирует полного плавления. Необходимо продолжать передавать энергию, которая расходуется на изменение организации частиц и разрушение устойчивого кристаллического порядка.
Обратный процесс называют отвердеванием, а для образования кристалла — кристаллизацией. В обычных равновесных условиях чистое вещество кристаллизуется при той же температуре, при которой плавится. При этом оно отдаёт энергию окружающим телам. Температура остаётся постоянной до завершения перехода, хотя энергия продолжает уходить. После полного затвердевания дальнейшее охлаждение уже уменьшает температуру твёрдого тела. Именно поэтому необходимо различать охлаждение вещества и собственно кристаллизацию.
На основе таблицы температур плавления можно определить состояние вещества при заданных условиях. Если температура существенно ниже температуры плавления, устойчиво твёрдое состояние; если выше — жидкое, пока не достигнуты условия перехода в газ. Но в самой точке плавления возможна смесь состояний. При описании опыта нужно указывать давление и чистоту вещества, а также не переносить свойства кристаллических тел на аморфные материалы, размягчение которых происходит постепенно.
Плавление требует подвода энергии, кристаллизация сопровождается её выделением. При равновесном фазовом переходе температура постоянна. Для чистого вещества при одинаковом давлении температуры плавления и кристаллизации совпадают. Страницы: 55–56
§ 16. График плавления и отвердевания кристаллических тел График помогает различать нагревание вещества и переход между агрегатными состояниями.
На графике зависимости температуры от времени наклонные и горизонтальные участки описывают разные процессы. При нагревании льда ниже нуля градусов его температура возрастает, и линия идёт вверх. Частицы движутся интенсивнее, увеличивается их средняя кинетическая энергия. Когда достигается температура плавления, появляется горизонтальный участок. Энергия продолжает поступать, но расходуется преимущественно на изменение взаимодействия и расположения частиц, а не на повышение температуры.
Во время плавления в сосуде одновременно находятся твёрдая и жидкая фазы. Доля льда постепенно уменьшается, а доля воды растёт. После исчезновения последнего льда дальнейший подвод энергии нагревает уже жидкую воду, и график снова становится наклонным. Продолжительность горизонтального участка зависит от массы вещества и скорости подвода энергии. Поэтому более длинный участок не обязательно означает другую температуру плавления: он может отражать большую массу или меньшую мощность нагревателя.
При охлаждении последовательность обратная. Сначала падает температура жидкости, затем при кристаллизации появляется горизонтальный участок, после которого остывает твёрдое тело. Во время кристаллизации частицы образуют более упорядоченную структуру и передают энергию окружающей среде. Важно читать подписи осей: график температуры от времени отличается от графика температуры от переданного количества теплоты. Вывод о скорости нагревания требует учитывать, как именно энергия подводится или отводится.
Аморфные вещества не имеют столь чёткой температуры плавления: при нагревании они постепенно размягчаются. Кроме того, температура фазового перехода зависит от давления, а в специальных условиях возможно переохлаждение жидкости. Школьные графики обычно описывают чистые кристаллические вещества при постоянном давлении и без таких осложнений. При решении задачи полезно подписать каждый участок словами, указать агрегатное состояние и только затем выбирать формулу для расчёта энергии на соответствующем этапе.
Наклонный участок: меняется температура. Горизонтальный участок чистого кристаллического вещества: фазовый переход. Продолжительность плавления зависит от массы и мощности подвода энергии. Страницы: 57–60
§ 17. Удельная теплота плавления Количество энергии для плавления определяется массой вещества и его удельной теплотой плавления.
При плавлении кристалла его температура не повышается, но энергия необходима для перестройки расположения частиц. Разные вещества требуют разного количества энергии даже при одинаковой массе. Для сравнения вводят удельную теплоту плавления λ. Она показывает, сколько энергии нужно сообщить одному килограмму вещества, уже нагретого до температуры плавления, чтобы полностью превратить его в жидкость. Эта характеристика измеряется в джоулях на килограмм.
Количество теплоты для плавления находят по формуле Q = λm. Например, если массу льда увеличить вдвое, энергия его плавления при той же начальной температуре также увеличится вдвое. В учебных расчётах для льда часто используют значение около 3,4·10⁵ Дж/кг. Это означает, что жидкая вода при нуле градусов имеет большую внутреннюю энергию, чем такая же масса льда при той же температуре.
При кристаллизации равной массы того же вещества выделяется такое же по модулю количество теплоты. Таким образом, формула применяется и к отвердеванию, но направление передачи энергии противоположно. При плавлении тело получает энергию, при кристаллизации отдаёт. Если задача требует знака изменения энергии, это различие нужно явно учитывать. Если же спрашивается количество выделившейся теплоты, обычно указывают положительную величину выделенной энергии.
Формула λm описывает только сам фазовый переход. Если начальная температура твёрдого тела ниже температуры плавления, дополнительно требуется энергия на его нагревание: cmΔt. После полного плавления может понадобиться нагреть и полученную жидкость, уже с её теплоёмкостью. Поэтому сложную задачу разбивают на последовательные этапы. Такой подход предотвращает распространённую ошибку, когда всю энергию рассчитывают одной формулой и забывают, что разные процессы требуют разных физических характеристик.
Плавление при температуре плавления: Q = λm. λ измеряют в Дж/кг. Нагревание до плавления и нагревание жидкости рассчитывают отдельно. Страницы: 61–64
§ 18. Испарение. Конденсация. Насыщенный и ненасыщенный пар Испарение и конденсация идут одновременно, а насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью.
Испарение представляет собой переход вещества из жидкости в газ с её поверхности. Оно происходит при любой температуре, при которой жидкость существует, а не только при кипении. Частицы жидкости движутся с разными скоростями. Некоторые достаточно быстрые частицы у поверхности преодолевают притяжение соседей и покидают жидкость. Поэтому лужа может высохнуть даже в прохладную погоду, хотя вода в ней не нагревалась до ста градусов.
Скорость испарения зависит от температуры, площади свободной поверхности, свойств жидкости и движения воздуха над ней. При нагревании возрастает число частиц, способных выйти из жидкости. Большая поверхность даёт больше возможностей для выхода. Ветер удаляет пар от поверхности и уменьшает возвращение частиц обратно. Поэтому разлитая тонким слоем вода обычно испаряется быстрее, чем такая же масса в узком сосуде при прочих равных условиях.
Обратный переход газа в жидкость называют конденсацией. Частицы пара могут возвращаться на поверхность жидкости. В закрытом сосуде количество пара постепенно увеличивается, а вместе с ним усиливается конденсация. Когда число покидающих жидкость и возвращающихся частиц за одинаковое время становится равным, устанавливается динамическое равновесие. Пар в таком состоянии называют насыщенным. Слово «динамическое» подчёркивает, что молекулярные процессы продолжаются, хотя макроскопические количества перестают изменяться.
Ненасыщенный пар не находится в таком равновесии и при наличии жидкости может увеличивать свою концентрацию за счёт испарения. Плотность и давление насыщенного пара зависят от температуры и вещества. При повышении температуры равновесие устанавливается при большей плотности пара. Важно не путать водяной пар с видимым туманом: сам пар прозрачен, а белёсое облако состоит преимущественно из мельчайших капелек воды, возникших при конденсации.
Испарение идёт с поверхности при разных температурах. Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью. Нагревание, увеличение поверхности и движение воздуха обычно ускоряют испарение. Страницы: 65–69
§ 19. Поглощение энергии при испарении жидкости. Выделение энергии при конденсации пара Испарение требует энергии и может охлаждать жидкость, а конденсация сопровождается выделением энергии.
При испарении жидкость теряет прежде всего частицы, которые способны преодолеть притяжение соседей. В среднем они уносят больше энергии, чем остающиеся частицы. Если поступление энергии извне недостаточно, средняя энергия оставшихся частиц уменьшается и жидкость охлаждается. Поэтому влажная кожа ощущает прохладу, а термометр, резервуар которого обёрнут влажной тканью, может показывать меньшую температуру, чем сухой термометр рядом с ним.
Охлаждение не означает, что испарение всегда непрерывно понижает температуру жидкости. Она одновременно получает энергию от более тёплого воздуха, сосуда и других окружающих тел. Установившаяся температура определяется балансом поступающей энергии и затрат на испарение. Если внешнее нагревание достаточно сильное, жидкость может испаряться без заметного охлаждения. Например, вода на нагретой поверхности получает необходимую энергию от этой поверхности, а не только расходует собственную внутреннюю энергию.
При конденсации происходит обратное: пар превращается в жидкость и передаёт энергию окружающим телам. Поэтому горячий водяной пар способен передать поверхности значительную энергию не только при охлаждении, но и при самом переходе в жидкое состояние. Это объясняет, почему контакт с паром опасен. В учебных рассуждениях важно учитывать оба процесса отдельно и не ограничиваться сравнением начальных температур пара и воды одинаковой массы.
Испарение и конденсация играют важную роль в природе. Вода испаряется с водоёмов и почвы, а при охлаждении влажного воздуха образуются капельки тумана и облаков. Роса появляется на поверхностях, температура которых стала достаточно низкой для конденсации водяного пара. Эти явления сопровождаются переносом энергии и участвуют в круговороте воды. Белые облака над чайником или туман состоят из капелек, тогда как газообразный водяной пар сам по себе невидим.
Испарение поглощает энергию; конденсация выделяет её. Без достаточного подвода энергии испаряющаяся жидкость охлаждается. Видимый туман — капли воды, а не отдельные молекулы пара. Страницы: 70–72
§ 20. Влажность воздуха. Способы определения влажности воздуха Влажность показывает содержание водяного пара и степень его близости к насыщению.
В воздухе присутствует водяной пар, количество которого меняется при испарении и конденсации. Абсолютная влажность характеризует массу водяного пара в единице объёма воздуха, то есть его плотность. Однако одного этого значения недостаточно, чтобы судить об интенсивности испарения. При разных температурах насыщенный пар имеет разную плотность. Поэтому одинаковое содержание водяного пара может соответствовать разной близости воздуха к состоянию насыщения.
Относительная влажность показывает отношение фактической плотности пара к плотности насыщенного пара при той же температуре. Это отношение выражают в процентах. При насыщении относительная влажность равна ста процентам. Если воздух охлаждается без удаления водяного пара, относительная влажность обычно растёт, поскольку для насыщения при более низкой температуре требуется меньшая плотность пара. При нагревании при прочих одинаковых условиях относительная влажность уменьшается.
Точкой росы называют температуру, при которой содержащийся в воздухе пар становится насыщенным при охлаждении. При дальнейшем охлаждении начинается конденсация. На этом основано определение влажности конденсационным гигрометром: находят температуру появления капелек на охлаждаемой поверхности. Важно отличать точку росы от обычной температуры воздуха. Если поверхность холоднее воздуха, вода может конденсироваться на ней, хотя в остальном помещении капли или туман не образуются.
Психрометр содержит сухой и влажный термометры. Вода испаряется с ткани вокруг влажного резервуара, охлаждая его. Чем суше воздух при данных условиях, тем сильнее испарение и обычно больше разность показаний. По температуре сухого термометра и разности температур используют специальную таблицу. Влажность учитывают при хранении продуктов, бумаги и музейных предметов, а также при создании условий в помещениях. Она влияет на испарение, высыхание материалов и теплообмен живых организмов.
φ = (ρ/ρнас)·100%, обе плотности при одной температуре. Точка росы — температура достижения насыщения при охлаждении. Психрометр использует охлаждение при испарении с влажного термометра. Страницы: 73–78
§ 21. Кипение Кипение происходит во всём объёме жидкости, когда пузырьки пара способны устойчиво расти.
Кипение отличается от испарения тем, что образование пара происходит не только с поверхности, но и внутри жидкости. При нагревании на стенках и дне сосуда появляются пузырьки, содержащие газ и водяной пар. По мере повышения температуры давление насыщенного пара внутри них увеличивается. Когда условия позволяют пузырькам расти и подниматься к поверхности, начинается интенсивное парообразование во всём объёме жидкости, сопровождаемое характерным движением пузырьков.
Температура кипения зависит от вещества и давления. Для воды при нормальном атмосферном давлении она составляет около ста градусов Цельсия. Если внешнее давление уменьшить, кипение начинается при более низкой температуре. Поэтому в высокогорных условиях вода кипит раньше по температуре, но это не обязательно ускоряет приготовление пищи. При повышенном давлении температура кипения возрастает. Утверждение «вода всегда кипит при ста градусах» без указания давления неполно.
Во время равновесного кипения чистой жидкости при постоянном давлении её температура практически не меняется, хотя энергия продолжает поступать. Эта энергия расходуется на превращение жидкости в пар и связанное с ним изменение состояния вещества. Увеличение мощности нагрева главным образом усиливает скорость образования пара. Оно не приводит к такому же росту температуры кипящей воды в открытом сосуде, пока сохраняются те же давление и состав жидкости.
На графике нагревания сначала виден рост температуры, а затем участок кипения, близкий к горизонтальному. Для расчётов нужно разделять нагревание до кипения и парообразование. Пар непосредственно над кипящей водой при равновесных условиях имеет примерно ту же температуру, однако способен передать дополнительную энергию при конденсации. Наблюдать кипение следует безопасно: горячие поверхности, жидкость и пар могут вызвать ожоги, а закрытый нагреваемый сосуд опасен из-за роста давления.
Кипение — парообразование во всём объёме. Температура кипения зависит от давления. При постоянном давлении энергия кипения идёт на фазовый переход, а не на рост температуры. Страницы: 79–82
§ 22. Удельная теплота парообразования Парообразование требует энергии, пропорциональной массе жидкости и её удельной теплоте парообразования.
Для превращения жидкости в пар необходимо сообщить ей энергию, даже если температура уже достигла температуры кипения. Частицы должны перейти из тесно связанного жидкого состояния в газообразное, а расширяющийся пар может совершать работу. Разные жидкости при одинаковой массе требуют неодинаковой энергии. Это свойство характеризует удельная теплота парообразования L: количество теплоты для превращения одного килограмма жидкости в пар при заданных условиях.
Единицей L служит джоуль на килограмм. Табличное значение обязательно связывают с температурой и давлением, поскольку оно не является одинаковым при любых условиях. В школьных таблицах обычно приведены данные для температуры кипения при нормальном атмосферном давлении. Для воды используют значение около 2,3·10⁶ Дж/кг. Это значительно больше энергии, необходимой для нагревания одного килограмма воды на один градус, что объясняет большие затраты на испарение.
Количество теплоты, необходимое для парообразования массы m, рассчитывают по формуле Q = Lm. При конденсации такого же количества пара в тех же условиях выделяется равная по модулю энергия. Поэтому водяной пар эффективно передаёт энергию при превращении в воду. Если требуется нагреть жидкость перед испарением, сначала находят cmΔt, затем добавляют Lm. Эти слагаемые описывают разные этапы и не заменяют друг друга.
В задачах на конденсацию и охлаждение также полезно составлять последовательность процессов. Сначала пар может превратиться в жидкость, затем образовавшаяся жидкость остывает до конечной температуры. У каждого этапа своё количество теплоты. Важно не считать всю переданную энергию только изменением внутренней энергии пара без оговорок: при парообразовании при постоянном давлении часть энергии связана с работой расширения. Для школьного теплового баланса используют именно переданное количество теплоты по указанным формулам.
Парообразование: Q = Lm. Конденсация выделяет столько же энергии при тех же условиях. Для воды при 100 °C и нормальном давлении L ≈ 2,3·10⁶ Дж/кг. Страницы: 83–86
§ 23. Работа газа и пара при расширении Расширяющийся нагретый газ способен превращать часть полученной энергии в механическую работу.
Газ оказывает давление на стенки сосуда, поскольку его частицы непрерывно движутся и сталкиваются с ними. Если одна из стенок может перемещаться, например представляет собой поршень, газ способен двигать её. При расширении сила давления совершает работу. Так энергия, связанная с состоянием газа, передаётся механическому движению других тел. Этот принцип позволяет использовать нагретый газ или пар как рабочее тело теплового двигателя.
В учебном примере нагреваемая вода превращается в пар, который расширяется и приводит в движение пробку или поршень. Последовательность превращений такова: энергия топлива передаётся воде, увеличивается энергия рабочего тела, затем часть её превращается в механическую энергию. При этом значительная доля энергии может уходить на нагревание сосуда и окружающей среды. Поэтому полученная механическая работа меньше всей энергии, выделившейся при сгорании топлива.
Однократное расширение ещё не означает непрерывную работу двигателя. Чтобы процесс повторялся, рабочее тело или устройство нужно возвращать в состояние, позволяющее снова получить энергию и выполнить рабочий ход. Это требует организации цикла. В реальном двигателе предусмотрены нагревание, расширение и отвод части энергии, а иногда замена рабочего газа. Без таких этапов поршень дошёл бы до конца цилиндра, после чего дальнейшее полезное движение прекратилось бы.
Тепловыми двигателями называют устройства, превращающие часть энергии, полученной от нагревателя, в механическую работу. К ним относятся поршневые двигатели и турбины. Общим является использование рабочего тела с подходящими температурой и давлением, а конкретные способы передачи движения различаются. При описании важно назвать нагреватель, рабочее тело и получателя механической энергии. Опыты с нагреванием закрытых сосудов не следует воспроизводить самостоятельно: давление может быстро стать опасным и привести к разрушению сосуда.
Газ совершает работу, когда сила давления перемещает границу его объёма. Тепловой двигатель превращает в работу лишь часть полученной энергии. Для многократной работы нужен повторяющийся цикл. Страницы: 87–88
§ 24. Двигатель внутреннего сгорания В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндра, а расширяющийся газ приводит в движение поршень.
Двигатель внутреннего сгорания отличается тем, что топливо сгорает непосредственно внутри устройства, где образовавшиеся горячие газы выполняют работу. В поршневом двигателе газ расширяется в цилиндре и перемещает поршень. Шатун передаёт его движение коленчатому валу, превращая возвратно-поступательное движение во вращательное. Впускные и выпускные клапаны управляют поступлением свежего заряда и удалением отработавших газов, а маховик помогает поддерживать более равномерное вращение.
Рабочий цикл четырёхтактного двигателя включает впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Во время впуска поршень движется так, что цилиндр заполняется смесью или воздухом. Затем клапаны закрываются и содержимое цилиндра сжимается. При сгорании топлива температура и давление резко возрастают. Расширяющийся газ толкает поршень и совершает полезную работу. На последнем такте отработавшие газы вытесняются через открытый выпускной клапан.
В бензиновом двигателе смесь обычно воспламеняется электрической искрой. В дизельном двигателе сначала сильно сжимается воздух и его температура повышается; впрыснутое топливо воспламеняется в горячем воздухе. Конкретные системы подачи топлива могут различаться. Важно понимать не устройство каждой современной модели, а общий принцип: энергия химического превращения топлива передаётся газу, затем преобразуется в движение поршня и вращение вала, часть которого используют для нужной работы.
Из четырёх тактов непосредственно рабочим является один, а остальные требуют энергии, запасённой вращающимися частями или полученной от других цилиндров. Поэтому многоцилиндровые двигатели работают равномернее: рабочие ходы происходят последовательно. Часть энергии неизбежно уходит с выхлопом, через охлаждение и трение деталей. Двигатель нуждается в смазке и охлаждении, а его применение связано с расходом топлива и воздействием выхлопных газов на окружающую среду. Эти особенности ограничивают эффективность реального устройства.
Четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Поршень, шатун и коленчатый вал передают механическое движение. В дизеле топливо воспламеняется в сильно нагретом сжатием воздухе. Страницы: 89–92
§ 25. Паровая турбина Паровая турбина превращает энергию потока пара во вращение ротора.
Паровая турбина является тепловым двигателем, в котором вращение получают без возвратно-поступательного движения поршня. Нагретый пар под давлением поступает к соплам. В них он расширяется и приобретает большую скорость: часть энергии пара превращается в кинетическую энергию направленного потока. Затем поток воздействует на лопатки, расположенные на вращающейся части турбины — роторе. Ротор передаёт механическую энергию соединённому с ним устройству.
Лопатки имеют форму, позволяющую эффективно изменять направление и скорость потока. При взаимодействии с ними пар передаёт часть своей энергии вращению. В реальных турбинах используют несколько последовательных ступеней. После прохождения одной ступени пар ещё обладает энергией, которую можно частично использовать на следующих. Поэтому многоступенчатая конструкция позволяет лучше использовать расширение пара, чем единственное колесо с одним рядом лопаток, хотя полностью устранить потери невозможно.
Паровые турбины применяют для привода электрических генераторов на тепловых и атомных электростанциях. Источник нагревания может различаться, но сама последовательность превращений остаётся похожей: нагрев рабочего тела, образование и расширение пара, вращение турбины, работа генератора. Не следует говорить, что турбина непосредственно производит электрический ток. Она прежде всего создаёт механическое вращение, а электрическое преобразование выполняется отдельной машиной, связанной с её валом.
По сравнению с поршневой машиной турбина удобна для получения непрерывного быстрого вращения и большой мощности. При этом требуются устройства подвода пара, его последующего охлаждения или отвода и возврата воды в цикл. Часть энергии остаётся у отработавшего пара или рассеивается в окружающей среде. В пересказе важно проследить движение энергии, а не только перечислить детали: сопло ускоряет поток, лопатки получают его воздействие, ротор вращается и передаёт полезную механическую энергию.
Сопло превращает часть энергии пара в энергию быстрого потока. Лопатки передают энергию потока ротору. Турбина вращает генератор, но не заменяет его. Страницы: 93–94
§ 26. КПД теплового двигателя КПД показывает, какая доля полученной энергии превращается в полезную работу.
Тепловой двигатель получает энергию от нагревателя и использует рабочее тело для выполнения механической работы. Однако всю полученную энергию превратить в полезную работу при циклическом действии нельзя. Часть передаётся более холодному телу, которое называют холодильником. В реальных устройствах дополнительная часть энергии рассеивается из-за трения, нагревания деталей и других процессов. Поэтому для оценки двигателя нужно сравнить полезный результат с затраченной энергией.
Коэффициент полезного действия, сокращённо КПД, равен отношению полезной работы к полученной энергии. Его обозначают буквой η и часто выражают в процентах. Если двигатель из ста джоулей энергии превращает в полезную работу двадцать пять джоулей, его КПД составляет двадцать пять процентов. Оставшаяся энергия не исчезает: она переходит окружающим телам или сохраняется в продуктах и деталях, но не выполняет нужную полезную работу.
Для идеализированного цикла, в котором рабочее тело получает Q₁ и отдаёт холодильнику Q₂, работа равна Q₁−Q₂. Тогда η = (Q₁−Q₂)/Q₁. Если энергия поступает от сгорания топлива, её рассчитывают как qm при соответствующих условиях полного сгорания. В задачах нужно выяснить, относительно какой энергии определяется КПД: всей энергии топлива или энергии, фактически полученной рабочим телом. Без этого одинаковые числовые формулы можно применить к разным границам системы.
Повышение КПД позволяет выполнять ту же работу с меньшим расходом топлива. Для этого уменьшают нежелательные потери и совершенствуют конструкцию, но учитывают прочность материалов и безопасность. Использование тепловых двигателей связано также с выбросами и нагреванием окружающей среды. Поэтому эффективность рассматривают вместе с экологическими последствиями. Утверждение о стопроцентном КПД циклического теплового двигателя противоречит его принципу работы; высокая мощность двигателя сама по себе тоже не означает высокий КПД.
η = Aполезная/Qзатраченная; для процентов умножают на 100%. Для цикла A = Q₁−Q₂. Мощность и КПД описывают разные свойства двигателя. Страницы: 95–98
§ 27. Электризация тел при соприкосновении. Взаимодействие заряженных тел Электризация создаёт избыток заряда одного знака, а одноимённые и разноимённые заряды взаимодействуют по-разному.
Некоторые тела после соприкосновения и трения приобретают способность притягивать лёгкие предметы. Так, пластмассовая расчёска может притягивать волосы и небольшие кусочки бумаги. Это явление называют электризацией. Трение помогает многократно соприкасать поверхности, поэтому эффект становится заметнее, но электризация связана именно с взаимодействием веществ при контакте. Она не означает появления особой новой материи внутри предмета: меняется распределение электрических зарядов между соприкасавшимися телами.
Опыты показывают, что заряженные тела не всегда притягиваются. Две одинаково подготовленные эбонитовые палочки могут отталкиваться, а эбонитовая и стеклянная палочки, наэлектризованные соответствующим образом, притягиваются. Поэтому вводят два знака электрического заряда: положительный и отрицательный. Эти названия условны и не означают «хороший» и «плохой» заряд. Знак позволяет различать характер взаимодействия и правильно складывать заряды при количественном описании электрических явлений.
Тела с зарядами одинакового знака отталкиваются, а с противоположными знаками притягиваются. При этом действие взаимно: оба тела испытывают электрические силы. Если одно из них закреплено, видимо движется только другое, но взаимодействие всё равно относится к обоим. Чем сильнее электризация при прочих одинаковых условиях, тем заметнее действие. На результат влияют также расстояние между телами, их размеры, форма и окружающая среда.
Притяжение лёгкой бумажки ещё не доказывает, что она заранее заряжена противоположно. Заряженное тело может вызвать перераспределение зарядов в первоначально нейтральном предмете, после чего возникает притяжение. Поэтому для определения знака неизвестного заряда используют сравнение с телом известного знака, особенно наблюдение отталкивания. В пересказе важно отделять факт электризации от объяснения её механизма, которое опирается на строение атомов и возможность перехода электронов между поверхностями.
Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Положительный и отрицательный — условные обозначения знаков заряда. Притяжение возможно и между заряженным и первоначально нейтральным телом. Страницы: 100–102
§ 28. Электроскоп. Проводники и непроводники электричества Электроскоп обнаруживает заряд, а проводимость зависит от возможности перемещения заряженных частиц.
Электроскоп служит для обнаружения электрического заряда. В простейшем устройстве металлический стержень соединён с лёгкими листочками. При передаче заряда листочки получают заряды одинакового знака и расходятся из-за отталкивания. Отклонение позволяет судить о наличии электризации, но не даёт автоматически точного значения заряда. Чтобы сравнивать показания, нужно сохранять одинаковые условия и учитывать конструкцию прибора, поскольку угол зависит не только от одной абстрактной величины.
Электрометр устроен так, чтобы отклонение подвижной стрелки было удобнее наблюдать и оценивать по шкале. Заряд передаётся проводящим частям, которые взаимодействуют электрически. После опыта прибор можно разрядить, обеспечив отвод заряда, например через проводящее соединение с Землёй в предусмотренной учебной установке. Важно помнить, что приближение заряженного тела без касания тоже способно вызвать отклонение вследствие перераспределения зарядов, а не обязательно передачи нового суммарного заряда.
Вещества, в которых электрические заряды могут достаточно свободно перемещаться, называют проводниками. К ним относятся металлы. Если соединить заряженные проводящие тела металлической проволокой, заряд перераспределяется между ними. Диэлектрики, или непроводники, не имеют большого количества свободно перемещающихся носителей заряда при обычных условиях. К ним относят стекло, резину и многие пластмассы. Из таких материалов делают изолирующие части приборов, чтобы ограничивать нежелательное перемещение зарядов.
Между хорошими проводниками и диэлектриками находятся полупроводники, свойства которых особенно заметно зависят от температуры, освещения и примесей. Это делает их полезными в электронике. При этом проводимость — не абсолютно неизменная характеристика: материал может вести себя иначе при сильном нагреве, увлажнении или большом электрическом воздействии. Поэтому нельзя считать любой изолятор гарантированной защитой во всех условиях. Учебные опыты с электроскопом проводят с безопасными источниками, не подключая самодельные устройства к бытовой сети.
Листочки электроскопа расходятся из-за одноимённых зарядов. В проводниках имеются подвижные носители заряда. Свойства полупроводников существенно зависят от внешних условий и примесей. Страницы: 103–105
§ 29. Закон Кулона. Электрическое поле Заряды взаимодействуют через электрическое поле, а сила для точечных зарядов определяется законом Кулона.
Электрическое взаимодействие зависит от величин зарядов и расстояния между ними. Закон Кулона описывает силу между неподвижными точечными зарядами. Точечными можно считать тела, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними. Модуль силы прямо пропорционален произведению модулей зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния. Поэтому увеличение расстояния вдвое уменьшает силу в четыре раза, если остальные условия не меняются.
В вакууме закон записывают как F = k·модуль(q₁q₂)/r². Коэффициент k зависит от выбранных единиц; в системе СИ его значение приблизительно равно 9·10⁹ Н·м²/Кл². Силы направлены вдоль линии, соединяющей заряды. По знакам зарядов определяют притяжение или отталкивание. Формулу нельзя без оговорок применять к большим телам сложной формы: распределение заряда по их поверхности может влиять на результирующее взаимодействие.
Для объяснения действия на расстоянии вводят электрическое поле. Его создают заряженные тела, и оно действует на другие заряды. Поле обнаруживают по силе, возникающей при внесении пробного заряда. Напряжённость поля равна отношению силы, действующей на положительный пробный заряд, к величине этого заряда. Направление напряжённости совпадает с направлением силы на положительный заряд; на отрицательный заряд сила направлена противоположно.
Если поле создают несколько зарядов, действует принцип суперпозиции: результирующая напряжённость равна векторной сумме напряжённостей отдельных полей. Поэтому важно учитывать направления, а не только складывать положительные числа. В одной точке поля могут усиливать друг друга, а в другой частично компенсироваться. Электрическое поле обладает энергией и может совершать работу при перемещении зарядов. Такой подход связывает наблюдаемое движение заряженных тел с пространственным распределением физического поля вокруг них.
Для точечных зарядов в вакууме F = k·модуль(q₁q₂)/r². Напряжённость E = F/q для положительного пробного заряда. Напряжённости нескольких полей складываются с учётом направлений. Страницы: 106–110
§ 30. Делимость электрического заряда. Электрон Электрический заряд передаётся порциями, связанными с элементарным зарядом.
При соединении заряженного проводящего тела с другим проводником заряд может перераспределяться. Например, при соединении одинаковых изолированных металлических шаров часть заряда переходит с одного на другой. В симметричных условиях заряды одинаковых шаров после установления равновесия равны. Такой опыт показывает, что заряд можно делить между телами. Однако сам по себе он ещё не отвечает на вопрос, может ли деление продолжаться бесконечно малыми частями.
Более точные исследования показали существование элементарного электрического заряда. Модуль заряда электрона составляет приблизительно 1,6·10⁻¹⁹ кулона. Электрон имеет отрицательный заряд. При обычной электризации тел изменение их суммарного заряда связано с передачей целого числа электронов, поэтому измеряемый заряд оказывается кратным элементарному. Это свойство называют дискретностью заряда. Макроскопические значения кажутся непрерывными, потому что даже небольшой наблюдаемый заряд соответствует очень большому числу частиц.
Электрон является материальной частицей, а не просто названием отрицательного знака. Он имеет массу, хотя она чрезвычайно мала по сравнению с массой обычных предметов и даже с массой атомных ядер. Заряд и масса описывают разные свойства частицы. Нельзя считать, что уменьшение заряда тела означает уменьшение заряда каждого электрона: меняется число лишних или недостающих электронов, тогда как заряд отдельного электрона остаётся тем же.
При решении задач число переданных электронов находят делением модуля заряда на элементарный заряд. Знак показывает направление изменения: избыток электронов соответствует отрицательному суммарному заряду, недостаток — положительному. Условия равного распределения важно оговаривать: одинаковые проводники и симметричная обстановка. Для тел разного размера заряд обычно распределяется не поровну. Эти представления подготавливают объяснение электризации через строение атома и позволяют связать видимое отклонение электрометра с перемещением микроскопических частиц вещества.
Заряд электрона −e, где e ≈ 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Число переданных электронов N = модуль(q)/e. Заряд одинаковых проводников делится поровну только при соответствующих симметричных условиях. Страницы: 111–112
§ 31. Строение атома Атом состоит из положительного ядра и электронной оболочки, а потеря или присоединение электронов образует ион.
Атом не является неделимым сплошным шариком. В его центре находится небольшое положительно заряженное ядро, а окружающую область занимает электронная оболочка. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, размеры которого намного меньше размеров самого атома. Электроны имеют отрицательный заряд и удерживаются в атоме благодаря электрическому взаимодействию. Планетарная модель наглядно показывает разделение ядра и оболочки, но движение электронов в современном описании не следует буквально представлять как движение планет.
Ядро состоит из протонов и нейтронов. Протон имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, а нейтрон электрически нейтрален. Число протонов определяет заряд ядра и принадлежность атома к химическому элементу. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому положительный и отрицательный заряды взаимно компенсируются. Нейтральность не означает отсутствия заряженных частиц: она означает равенство суммарных зарядов противоположных знаков.
Если атом теряет один или несколько электронов, образуется положительный ион. Заряд ядра остаётся прежним, но отрицательного заряда становится недостаточно для полной компенсации. Если атом присоединяет дополнительные электроны, возникает отрицательный ион. Такие изменения электронной оболочки лежат в основе многих электрических и химических явлений. При этом простая потеря электрона не превращает атом в другой химический элемент, поскольку число протонов в ядре не изменилось.
Строение атома помогает объяснить электризацию тел и взаимодействие частиц вещества. Электроны могут переходить между телами или немного смещаться внутри атомов, тогда как ядра при обычной электризации не перестраиваются. Поэтому свойства заряженного предмета определяются небольшим нарушением общего баланса огромного числа зарядов. В пересказе полезно последовательно назвать состав ядра, знак каждой частицы, условие нейтральности и механизм образования ионов, не смешивая электрический заряд атома с его массой или размером.
Нейтральный атом: число электронов равно числу протонов. Потеря электронов даёт положительный ион; присоединение — отрицательный. Химический элемент определяется числом протонов в ядре. Страницы: 113–115
§ 32. Объяснение электрических явлений. Закон сохранения электрического заряда При электризации заряд перераспределяется, а его алгебраическая сумма в замкнутой системе сохраняется.
Электризацию тел объясняют изменением распределения электронов. При соприкосновении некоторых материалов часть электронов переходит с одного тела на другое. Тело, получившее избыток электронов, становится отрицательно заряженным, а потерявшее электроны — положительно заряженным. При этом новые электроны не возникают из трения. Трение лишь создаёт многочисленные контакты поверхностей и делает перенос более заметным. Ядра атомов при обычных опытах электризации остаются в составе соответствующего вещества.
Если первоначально нейтральные тела взаимодействуют только друг с другом и не обмениваются зарядом с окружающей средой, приобретённые заряды равны по модулю и противоположны по знаку. Это частный случай закона сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы не меняется. Слово «алгебраическая» означает, что положительные и отрицательные значения складывают со знаками. Исчезновение видимой электризации может быть результатом компенсации, а не уничтожения заряженных частиц.
В металлах имеются свободные электроны, способные перемещаться по всему проводнику. Под действием внешнего электрического поля они перераспределяются, создавая избыток заряда на одной стороне и недостаток на другой. Поэтому заряженная палочка может притянуть первоначально нейтральную металлическую гильзу. Ближе к палочке оказывается заряд противоположного знака, и его притяжение сильнее отталкивания более далёкого одноимённого заряда. Суммарный заряд гильзы при этом может оставаться нулевым.
В диэлектриках свободное движение зарядов ограничено, однако внутри атомов и молекул возможно небольшое смещение положительных и отрицательных зарядов. Такое разделение тоже объясняет притяжение кусочков бумаги к заряженному предмету. Значит, отсутствие хорошей проводимости не означает отсутствия электрического взаимодействия. При анализе задачи нужно различать передачу заряда между телами и его перераспределение внутри одного тела. В обоих случаях закон сохранения выполняется, если границы системы выбраны правильно и учтены все пути обмена зарядом.
В замкнутой системе q₁ + q₂ + … = const. Отрицательный заряд тела соответствует избытку электронов. Нейтральное тело может притягиваться вследствие перераспределения зарядов. Страницы: 116–119
§ 33. Статическое электричество, его учёт и использование в быту и технике Накопление электрического заряда может мешать работе устройств, но управляемая электризация полезна в технологии.
Статическим электричеством называют явления, связанные с накоплением электрического заряда на телах. Заряд может появляться при соприкосновении и разделении материалов, например при движении ремня по шкиву или трении синтетической одежды. Если заряд плохо отводится, между участками системы возникает значительное электрическое воздействие. Иногда происходит быстрый разряд с искрой. Само слово «статическое» не означает, что заряды вообще никогда не перемещаются: накопление сменяется перераспределением и разрядами.
Нежелательная электризация вызывает прилипание пыли, спутывание волокон, помехи работе приборов и повреждение чувствительных электронных компонентов. В атмосфере горючего газа или пыли искра может стать источником воспламенения. Поэтому на производстве учитывают материалы, влажность и пути отвода заряда. Важно оценивать условия: безобидный разряд при снятии свитера и искра возле горючих паров имеют разные последствия, хотя относятся к одной группе физических явлений.
Для уменьшения накопления заряда используют заземление проводящих частей, антистатические покрытия и другие специально рассчитанные способы. Некоторые покрытия повышают проводимость поверхности и позволяют заряду постепенно уходить. Влажность также может влиять на утечку заряда по поверхностям. Однако меры защиты должны соответствовать устройству и условиям работы. Самостоятельно соединять предметы с бытовой электросетью или заменять профессиональное заземление случайными проводами недопустимо: это создаёт уже другую, гораздо более серьёзную электрическую опасность.
Управляемую электризацию применяют и с пользой. Заряженные частицы краски направляют к окрашиваемой поверхности, что помогает равномерно наносить покрытие. Электрическое поле позволяет ориентировать и осаждать ворсинки при изготовлении декоративных материалов. В очистительных устройствах электрические силы помогают отделять частицы пыли от газового потока. Во всех случаях используют один принцип: заряд позволяет действовать на мелкие частицы полем. Поэтому одно и то же физическое явление может быть вредным или полезным в зависимости от организации процесса.
Накопленный заряд может разрядиться искрой. Заземление и антистатические материалы уменьшают нежелательную электризацию. Электрические силы применяют при окрашивании, нанесении ворса и очистке газов. Страницы: 120–122
§ 34. Электрический ток. Источники электрического тока Для длительного тока нужны подвижные заряды и источник, поддерживающий электрическое поле.
Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц. В металле такими частицами являются свободные электроны, а в других средах носителями могут быть ионы и другие заряженные частицы. Само наличие зарядов недостаточно: без направляющего действия их тепловое движение не создаёт устойчивого тока в определённом направлении. Для возникновения тока необходимо электрическое поле и возможность перемещения носителей заряда в данной среде.
Если соединить два по-разному заряженных проводника, заряды начнут перераспределяться. Но такой ток быстро ослабеет, когда условия, вызывавшие движение, исчезнут. Для длительной работы нужен источник тока, который поддерживает разделение зарядов и электрическое поле в цепи. Источник не создаёт электроны из ничего: он совершает работу по перераспределению уже существующих зарядов, преобразуя энергию другого вида в энергию электрических процессов.
В различных источниках используются разные превращения энергии. В гальваническом элементе действуют химические процессы, в генераторе — механическое движение, в солнечном элементе — энергия излучения. Аккумулятор можно многократно заряжать, запасая энергию в результате обратимых в рабочем режиме процессов, а затем получать её при разрядке. Батарейка и аккумулятор отличаются возможностью предусмотренного повторного использования. Неперезаряжаемый элемент нельзя произвольно заряжать: это не делает его безопасным аккумулятором.
За направление электрического тока условно принимают направление движения положительных зарядов. Во внешней цепи оно идёт от положительного полюса источника к отрицательному. Электроны в металлическом проводнике движутся упорядоченно в противоположную сторону. Это соглашение важно для схем и правил определения направлений. При описании источника полезно назвать исходный вид энергии, его полюса и назначение в цепи. При этом энергия расходуется на работу устройств, а электрический заряд продолжает циркулировать и не «сгорает» внутри лампы.
Ток — упорядоченное движение зарядов. Источник поддерживает разделение зарядов за счёт другой формы энергии. Условное направление тока противоположно движению электронов в металле. Страницы: 123–127
§ 35. Электрическая цепь и её составные части Электрическая цепь объединяет источник, потребителей и соединения, а устойчивый ток требует замкнутого проводящего пути.
Электрическая цепь представляет собой соединённые между собой устройства, по которым может проходить ток. Её внутренняя часть связана с источником, а внешняя включает потребителей, соединительные провода и управляющие элементы. Источник обеспечивает передачу энергии, а потребители преобразуют её в другие виды. Например, лампа даёт свет и нагревается, двигатель совершает механическую работу. Эти элементы выполняют разные задачи, хотя входят в общую систему.
Чтобы ток проходил длительно, путь движения зарядов должен быть замкнут. При разрыве единственной цепочки ток прекращается сразу во всей цепочке, а не только после места разрыва. Для управления используют ключи, кнопки и выключатели, которые соединяют или разъединяют контакты. При этом источник может сохранять напряжение даже в разомкнутой цепи. Поэтому отсутствие тока ещё не означает отсутствия электрического напряжения на её участках.
Сложное устройство удобнее описывать электрической схемой, чем рисунком внешнего вида. На схеме каждый элемент обозначается условным знаком: источник, лампа, резистор, ключ и другие приборы имеют свои обозначения. Линии показывают электрические соединения, а не обязательное расположение проводов в пространстве. Два устройства могут выглядеть совершенно по-разному, но иметь одинаковую схему, если соответствующие контакты соединены одинаковым способом и выполняют те же функции.
При чтении простой схемы сначала находят источник и его полюса, затем прослеживают замкнутый путь через потребители и ключ. Условное направление тока во внешней цепи идёт от положительного полюса к отрицательному. Например, в фонарике батарея, выключатель и лампа образуют такую цепочку. Собирать учебную цепь следует при отключённом источнике и под руководством учителя. Бытовая розетка не подходит для самостоятельной проверки учебных схем: ошибки соединения могут быть опасны.
Замкнутая цепь необходима для длительного тока. Источник, потребитель и выключатель выполняют разные функции. Схема показывает соединения условными обозначениями. Страницы: 128–129
§ 36. Электрический ток в металлах Ток в металле создаётся направленным движением свободных электронов, а ионы сохраняют положения в решётке.
В твёрдом металле положительные ионы образуют кристаллическую решётку и колеблются около положений равновесия. Часть электронов слабо связана с отдельными атомами и может перемещаться по всему проводнику. Эти свободные электроны существуют в металле ещё до подключения источника. Их беспорядочное движение само по себе не создаёт тока в одном выбранном направлении: в среднем перенос заряда через сечение в противоположные стороны компенсируется.
При появлении электрического поля к беспорядочному движению электронов добавляется упорядоченное перемещение. Отрицательно заряженные электроны смещаются к положительному полюсу источника, то есть против условного направления тока. Ионы решётки не перемещаются вместе с ними вдоль провода. Поэтому металлическая проводимость не сопровождается переносом вещества проводника из одного конца в другой. Электрический заряд движется, но сам провод сохраняет своё положение и обычный химический состав.
Электронную природу тока подтвердили опыты. При длительном прохождении тока через соприкасающиеся цилиндры из разных металлов не обнаружили переноса их вещества, ожидаемого при движении ионов. В другом опыте быстро вращавшуюся катушку резко тормозили: свободные носители продолжали двигаться по инерции, создавая кратковременный ток. Знак заряда и отношение заряда к массе этих частиц соответствовали электрону. Так эксперимент позволил определить невидимых носителей электрического тока.
Направленная скорость электронов в обычном проводе сравнительно мала, однако лампа включается почти сразу после замыкания выключателя. Причина в быстром распространении электрического поля по цепи: электроны уже находятся во всех её участках и начинают двигаться под действием поля. Им не нужно сначала добежать от батареи до лампы. Полезно различать три характеристики: беспорядочное движение электронов, их медленное направленное смещение и быстрое распространение электрического воздействия вдоль всей цепи.
Носители тока в металлах — свободные электроны. Электроны движутся против условного направления тока. Быстрое включение лампы связано с распространением поля, а не с быстрым пробегом отдельных электронов. Страницы: 130–132
§ 37. Действия электрического тока Наличие тока обнаруживают по его тепловому, химическому и магнитному действиям.
Движение отдельных носителей заряда обычно нельзя увидеть непосредственно, поэтому электрический ток обнаруживают по вызываемым им явлениям. Такие явления называют действиями тока. Основные изучаемые действия — тепловое, химическое и магнитное. Они могут проявляться одновременно, но в конкретном устройстве одно из них используется как главное. Например, электрический нагреватель предназначен прежде всего для получения теплоты, хотя ток в его проводнике также создаёт магнитное поле.
Тепловое действие заключается в увеличении внутренней энергии проводника. В металле движущиеся под действием поля электроны взаимодействуют с частицами решётки и передают им энергию. Проводник нагревается, а затем отдаёт теплоту окружающим телам. Этот эффект используется в утюгах и нагревательных элементах. При контактной сварке особенно сильно нагревается место соединения деталей; после размягчения и сжатия металл образует прочное соединение. В проводах же избыточное нагревание нежелательно.
Химическое действие наблюдается при прохождении тока через растворы и расплавы электролитов. Заряд здесь переносят положительные и отрицательные ионы, движущиеся в противоположные стороны. На электродах могут происходить химические превращения и выделение веществ. Электрод, соединённый с положительным полюсом источника, называется анодом, с отрицательным — катодом. Например, при электролизе расплава хлорида натрия у катода получается натрий, а у анода выделяется хлор. Это описание процесса, а не безопасный домашний опыт.
Магнитное действие проявляется во взаимодействии проводника с током с магнитами и другими токами. Катушка, намотанная на железный сердечник, при включении может притягивать железные предметы. Рамка с током между полюсами магнита способна поворачиваться. На этом основана работа некоторых измерительных приборов: движение катушки передаётся стрелке гальванометра. По отклонению стрелки судят о наличии и направлении тока. Таким образом, наблюдаемый механический результат позволяет исследовать невидимое движение электрических зарядов в цепи.
Тепловое действие связано с нагреванием. Химическое действие проявляется в превращениях веществ на электродах. Магнитное действие используется в электромагнитах и измерительных приборах. Страницы: 133–137
§ 38. Сила тока. Измерение силы тока Сила тока показывает заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Для количественного описания тока необходимо знать, сколько электрического заряда проходит через сечение проводника за определённое время. Отношение этого заряда к времени называют силой тока: I = q/t. Здесь I обозначает силу тока, q — прошедший заряд, t — время. Для постоянного тока сила и направление не изменяются. Чем больше заряд, проходящий за одну секунду, тем больше сила тока, независимо от толщины самого провода.
В системе СИ силу тока измеряют в амперах. Один ампер соответствует прохождению одного кулона за одну секунду: 1 А = 1 Кл/с. На практике применяют миллиамперы и микроамперы: 1 А равен 1000 мА и миллиону мкА. Из основной формулы можно выразить заряд q = It или время t = q/I. Например, при токе 0,5 А за 20 секунд через сечение проходит заряд 10 Кл.
Силу тока измеряют амперметром, который включают последовательно с исследуемым участком, то есть в разрыв цепи. Тогда через прибор проходит тот же ток, что и через потребитель. Амперметр должен слабо изменять работу цепи, поэтому его собственное сопротивление обычно мало. Присоединять такой прибор непосредственно к полюсам источника без нагрузки нельзя: это может создать очень большой ток. Перед измерением выбирают подходящий предел и проверяют правильность подключения прибора.
В цепи постоянного тока соблюдают обозначенную на клеммах полярность. В неразветвлённой цепи установившаяся сила тока одинакова во всех сечениях, поскольку заряд не накапливается постоянно внутри лампы или проводов. Поэтому утверждение, будто лампа «расходует часть тока», неверно: она преобразует энергию, а не уничтожает заряд. При чтении стрелочного прибора сначала определяют цену деления, затем отсчитывают показание. Значение обязательно записывают вместе с единицей и учитывают выбранный диапазон измерений.
I = q/t, для постоянного тока q = It. Амперметр включают последовательно. В неразветвлённой цепи ток одинаков до и после потребителя. Страницы: 138–142
§ 39. Электрическое напряжение. Измерение напряжения Напряжение характеризует работу электрического поля при переносе единичного заряда между двумя точками.
Электрическое поле действует на заряженные частицы и при их перемещении может совершать работу. Эта работа связана с превращением электрической энергии во внутреннюю, механическую и другие виды. Одинаковый прошедший заряд ещё не означает одинаковую переданную энергию. Чтобы сравнивать участки цепи по этому признаку, вводят напряжение — отношение работы поля к перенесённому заряду: U = A/q. Напряжение относится к двум точкам, а не к одной точке самой по себе.
Единица напряжения в СИ — вольт. Напряжение равно одному вольту, если при переносе заряда один кулон поле совершает работу один джоуль: 1 В = 1 Дж/Кл. Например, при напряжении 6 В перенос заряда 2 Кл соответствует работе 12 Дж. Для расчётов используют преобразования A = Uq и q = A/U. Тысяча вольт составляет киловольт, а тысячная доля вольта — милливольт, поэтому приставки важно учитывать.
Напряжение измеряют вольтметром, подключая его параллельно исследуемому участку. Оба вывода прибора соединяют с теми же двумя точками, между которыми требуется измерить напряжение. В отличие от амперметра, вольтметр не вставляют в разрыв основного пути тока. У него большое сопротивление, чтобы через измерительную ветвь проходил сравнительно малый ток. При измерениях постоянного напряжения учитывают знаки клемм и заранее выбирают допустимый предел измерения прибора.
Источник поддерживает напряжение на своих полюсах за счёт преобразования другой энергии. Напряжение может существовать и при разомкнутой цепи, когда ток через потребитель отсутствует. Поэтому нельзя отождествлять напряжение с силой тока: первое описывает энергетическое действие поля, второе — скорость переноса заряда. Для пересказа полезно сопоставить приборы: амперметр измеряет ток последовательно, вольтметр измеряет напряжение параллельно. Самостоятельные измерения в бытовой электросети недопустимы: учебные правила подключения не заменяют профессиональной подготовки и защиты.
U = A/q, работа A = Uq. Вольтметр подключают параллельно участку. Напряжение и сила тока — разные физические величины. Страницы: 143–146
§ 40. Электрическое сопротивление проводника. Закон Ома для участка цепи Закон Ома связывает силу тока с напряжением и сопротивлением участка: I = U/R.
Если к разным проводникам приложить одинаковое напряжение, силы тока могут оказаться различными. Это означает, что проводники по-разному препятствуют упорядоченному движению зарядов. Такое свойство характеризуют электрическим сопротивлением R. Для исследуемого участка его определяют отношением напряжения к силе тока: R = U/I. Единица сопротивления — ом: сопротивление 1 Ом соответствует току 1 А при напряжении 1 В на концах данного проводника.
При неизменной температуре для многих металлических проводников сила тока прямо пропорциональна напряжению. Увеличение напряжения вдвое приводит к такому же увеличению тока. Эту зависимость выражает закон Ома для участка цепи: I = U/R. При одном и том же напряжении увеличение сопротивления, напротив, уменьшает ток. Закон описывает определённые условия, поэтому нельзя без проверки считать сопротивление любого устройства неизменным: например, сильное нагревание может изменить его значение.
График зависимости силы тока от напряжения для проводника с постоянным сопротивлением представляет прямую, проходящую через начало координат. Чем больше ток при выбранном напряжении, тем меньше сопротивление. Из закона Ома получают формулы U = IR и R = U/I. Например, при сопротивлении 6 Ом и напряжении 12 В ток равен 2 А. Перед расчётом миллиамперы переводят в амперы, а килоомы — в омы либо согласуют используемые единицы.
Причина сопротивления металла связана с взаимодействием движущихся электронов с кристаллической решёткой и другими препятствиями внутри материала. Электроны не просто беспрепятственно ускоряются на всём пути, а передают энергию веществу. Для проверки закона Ома измеряют ток амперметром последовательно, напряжение — вольтметром параллельно проводнику. Затем сравнивают отношение U/I при нескольких значениях напряжения. Важно отличать вычислительную формулу от причины изменения сопротивления: изменение напряжения само по себе не обязательно делает сопротивление больше или меньше.
I = U/R, U = IR, R = U/I. При постоянном R ток прямо пропорционален напряжению. Сопротивление измеряют в омах; условия и температура могут влиять на него. Страницы: 147–151
§ 41. Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление Сопротивление однородного проводника зависит от материала, длины и площади сечения: R = ρl/S.
Сопротивление зависит не только от факта наличия проводника, но и от его устройства. Для однородной проволоки при постоянной температуре оно прямо пропорционально длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения. Более длинный провод оказывает большее сопротивление, а более толстый — меньшее. При сравнении нужно изменять один параметр, оставляя остальные одинаковыми. Иначе невозможно понять, вызвана ли разница длиной, толщиной или материалом исследуемых проводников.
Влияние материала характеризует удельное сопротивление ρ, читаемое «ро». Формула сопротивления имеет вид R = ρl/S, где l — длина, S — площадь поперечного сечения. Удельное сопротивление является характеристикой вещества при указанной температуре, а не всего конкретного куска проволоки. В СИ его измеряют в ом-метрах. Для тонких проводов удобно пользоваться единицей Ом·мм²/м, когда длина дана в метрах, а площадь — в квадратных миллиметрах.
Например, для проволоки с удельным сопротивлением 1,1 Ом·мм²/м, длиной 2 м и сечением 0,5 мм² сопротивление составляет 4,4 Ом. Если такую проволоку удлинить вдвое без изменения сечения, сопротивление удвоится. Если увеличить вдвое площадь сечения при прежней длине, сопротивление уменьшится вдвое. Диаметр и площадь нельзя путать: площадь круглого сечения пропорциональна квадрату диаметра, поэтому удвоение диаметра увеличивает площадь в четыре раза.
Малое удельное сопротивление меди и алюминия позволяет использовать их для передачи электрической энергии с относительно небольшими потерями. Сплавы с большим удельным сопротивлением, например нихром, удобны для нагревательных элементов и резисторов. При решении задачи сначала определяют материал и единицы табличного значения, затем подставляют согласованные величины. Обратные формулы позволяют найти длину, сечение или удельное сопротивление. Температура тоже важна: табличное число относится к указанным условиям, а при нагревании свойства проводника могут изменяться.
R = ρl/S. Удельное сопротивление характеризует материал при заданной температуре. Увеличение длины повышает R, увеличение площади сечения уменьшает R. Страницы: 152–155
§ 42. Примеры на расчёт сопротивления проводника, силы тока и напряжения Задачи о проволоке решают, связывая геометрию проводника с сопротивлением и законом Ома.
Расчёт электрической цепи часто требует двух последовательных шагов. Сначала по материалу и размерам провода находят сопротивление R = ρl/S, затем по закону Ома определяют ток I = U/R или напряжение U = IR. Величины описывают разные стороны задачи: удельное сопротивление относится к материалу, длина и сечение — к форме проводника, напряжение и ток — к его работе в конкретной цепи.
До вычислений полезно кратко записать данные, искомую величину и выбранные единицы. Если удельное сопротивление дано в Ом·мм²/м, допустимо оставить сечение в квадратных миллиметрах, а длину обязательно выразить в метрах. Если используется Ом·м, площадь нужно перевести в квадратные метры. Миллиамперы переводятся в амперы делением на тысячу. Особенно важно помнить, что квадратный миллиметр составляет миллионную долю квадратного метра, а не тысячную.
Например, проволока имеет удельное сопротивление 0,5 Ом·мм²/м, длину 10 м и сечение 1 мм². Её сопротивление равно 5 Ом. Если напряжение на концах составляет 15 В, сила тока равна 3 А. Можно сразу объединить формулы и получить I = US/(ρl). Такой общий вид помогает увидеть, как изменится ответ: при прежнем напряжении удвоение длины вдвое уменьшит ток, а увеличение сечения вдвое его увеличит.
Правильность ответа проверяют не только арифметически. После подстановки единиц должна получиться единица искомой величины: ом, ампер или вольт. Затем оценивают физический смысл результата и зависимости от исходных данных. Например, замена проволоки материалом с большим удельным сопротивлением при тех же размерах и напряжении должна уменьшить ток. Если расчёт показывает противоположное, вероятно, перепутаны числитель и знаменатель. Такая проверка помогает обнаружить ошибку ещё до окончательной записи ответа.
Сначала R = ρl/S, затем закон Ома. Согласовывай единицы удельного сопротивления, длины и площади. Проверяй размерность и физический смысл ответа. Страницы: 156–158
§ 43. Реостаты Реостат позволяет регулировать ток, изменяя сопротивление включённого в цепь участка проволоки.
Реостатом называют прибор с изменяемым сопротивлением, предназначенный для регулирования электрического тока. Его действие опирается на зависимость сопротивления проволоки от длины. Если в цепь включена большая часть одной и той же проволоки, сопротивление больше; если меньшая — меньше. При неизменном напряжении источника это позволяет изменять силу тока. Поэтому реостат также называют переменным резистором, хотя способы устройства переменных резисторов могут быть различными.
Школьный ползунковый реостат имеет проволочную обмотку на изолирующем цилиндре, металлический стержень и перемещающийся контакт — ползунок. Проволоку делают из материала с достаточно большим удельным сопротивлением, чтобы получить нужное сопротивление при удобных размерах прибора. Витки отделены друг от друга изоляцией, иначе ток пошёл бы коротким путём поперёк обмотки. Ползунок касается выбранного участка проволоки и соединяет его с одной из клемм прибора.
Для регулирования в цепь включают конец обмотки и контакт ползунка. При его перемещении изменяется рабочая длина проволоки между этими точками. Если подключить только два неподвижных конца всей обмотки, передвижение ползунка не изменит её сопротивление. Поэтому нельзя судить об увеличении тока лишь по словам «ползунок движется вправо»: результат зависит от того, какой конец обмотки подключён. Нужно проследить реальный путь тока и определить, становится ли он длиннее или короче.
У реостата есть максимальное сопротивление и допустимая сила тока. Превышение допустимого тока вызывает избыточное нагревание и может повредить прибор. В учебном опыте перед включением обычно устанавливают наибольшее рабочее сопротивление, а затем плавно меняют его, наблюдая за амперметром. Например, последовательное добавление сопротивления к лампе при постоянном напряжении уменьшает ток и меняет её яркость. Реостат не создаёт энергию и не расходует электрический заряд: часть передаваемой энергии превращается в его внутреннюю энергию.
Реостат регулирует ток изменением сопротивления. Рабочая длина определяется подключённым концом и ползунком. Необходимо соблюдать допустимую силу тока и правильное подключение. Страницы: 159–160
§ 44. Последовательное соединение проводников При последовательном соединении ток одинаков, а напряжения и сопротивления отдельных участков складываются.
Последовательным называют соединение, при котором проводники образуют одну цепочку без разветвлений. Конец одного элемента соединён с началом следующего, и заряд проходит через каждый из них по очереди. В установившемся режиме заряд не накапливается в промежуточных точках, поэтому сила тока одинакова на всех участках: I = I₁ = I₂. Это следствие сохранения заряда, а не особое свойство одинаковых ламп или одинаковых резисторов.
Общее напряжение на цепочке равно сумме напряжений на её элементах: U = U₁ + U₂. Электрическое поле совершает работу при переносе заряда через каждый участок, и эти работы складываются. При одинаковом токе закон Ома даёт U₁ = IR₁ и U₂ = IR₂. Следовательно, большему сопротивлению соответствует большее напряжение, а отношение напряжений равно отношению сопротивлений: U₁/U₂ = R₁/R₂. Равными напряжения будут только у равных сопротивлений.
Полное сопротивление последовательной цепи находится сложением: R = R₁ + R₂. Для трёх и большего числа элементов добавляют сопротивления всех участков. Поэтому общее сопротивление больше сопротивления любого отдельного элемента. Например, резисторы 4 Ом и 8 Ом образуют цепочку сопротивлением 12 Ом. Если подать на неё 24 В, ток составит 2 А, а напряжения будут 8 В и 16 В. Их сумма действительно равна напряжению источника.
Разрыв любого звена прекращает ток во всей неразветвлённой цепи. Это полезно для выключателей и защитных контактов, но неудобно, если потребители должны работать независимо. При решении задачи сначала находят общее сопротивление и общий ток, затем напряжения на отдельных элементах. Амперметр можно включить в любой участок цепочки, а вольтметр подключают к нужной паре точек. Не следует переносить правило одинакового тока на разветвлённые цепи: там поток заряда может распределяться между несколькими путями.
I = I₁ = I₂. U = U₁ + U₂; R = R₁ + R₂. При разрыве одного элемента ток прекращается во всей цепочке. Страницы: 161–164
§ 45. Параллельное соединение проводников При параллельном соединении напряжение одинаково, общий ток складывается из токов ветвей, а сопротивление уменьшается.
При параллельном соединении начала проводников объединены в одной точке, а концы — в другой. Между этими двумя узлами существуют несколько путей для движения зарядов, называемых ветвями. Все ветви подключены к одной и той же паре точек, поэтому напряжение на каждой одинаково: U = U₁ = U₂. Данное правило действует независимо от того, равны ли сопротивления ветвей или какие именно потребители в них установлены.
В точке разветвления общий поток зарядов разделяется, а после соединения ветвей снова объединяется. Поэтому общий ток равен сумме токов отдельных ветвей: I = I₁ + I₂. Каждый ток рассчитывается отдельно по закону Ома: I₁ = U/R₁ и I₂ = U/R₂. Через ветвь с меньшим сопротивлением проходит больший ток. При этом токи не обязаны быть одинаковыми; равенство получается лишь при одинаковых сопротивлениях и общем напряжении.
Из этих правил следует формула общего сопротивления: 1/R = 1/R₁ + 1/R₂. Для двух резисторов её можно записать как R = R₁R₂/(R₁ + R₂). Результат меньше сопротивления каждой отдельной ветви, поскольку добавляется дополнительный путь для зарядов. Например, резисторы 6 Ом и 3 Ом дают общее сопротивление 2 Ом. При напряжении 12 В токи ветвей равны 2 А и 4 А, а общий ток составляет 6 А.
Параллельное соединение позволяет потребителям работать независимо: отключение одной ветви не разрывает остальные. По такому принципу подключают многие бытовые приборы. Однако независимость включения не означает неограниченную допустимую нагрузку: добавление потребителей увеличивает общий ток в подводящих проводах. Поэтому электропроводка и защитные устройства рассчитываются на определённые условия. При разборе схемы важно находить общие узлы, а не ориентироваться только на внешний вид рисунка: параллельные электрические ветви могут быть изображены любым удобным способом.
U = U₁ = U₂. I = I₁ + I₂; для двух ветвей R = R₁R₂/(R₁ + R₂). Добавление параллельной ветви уменьшает общее сопротивление и повышает общий ток при прежнем напряжении. Страницы: 165–168
§ 46. Работа и мощность электрического тока Работа показывает переданную электрическую энергию, а мощность — скорость её передачи.
Работой электрического тока называют работу электрического поля по перемещению зарядов в цепи. Если напряжение постоянно, работа равна A = Uq. Поскольку при постоянном токе заряд q = It, получают формулу A = UIt. Работа зависит от напряжения, силы тока и продолжительности работы устройства. В системе СИ её измеряют в джоулях: произведение вольта, ампера и секунды даёт джоуль. Это та же единица энергии, которая используется в механике и тепловых явлениях.
Мощность характеризует, сколько работы совершается за единицу времени: P = A/t. Для постоянного тока отсюда следует P = UI. Единица мощности — ватт, равный одному джоулю в секунду. Например, устройство при напряжении 12 В и токе 2 А потребляет мощность 24 Вт. За 10 секунд ему передаётся энергия 240 Дж. Большая мощность означает более быстрое преобразование энергии, но общий расход зависит также от длительности включения.
В быту электрическую энергию удобно измерять в киловатт-часах. Один киловатт-час — энергия, которую устройство мощностью 1 кВт потребляет за один час; это 3,6 миллиона джоулей. Киловатт обозначает мощность, а киловатт-час — энергию, поэтому эти единицы нельзя заменять друг другом. Например, прибор мощностью 0,5 кВт за четыре часа непрерывной работы использует 2 кВт·ч. При изменяющейся мощности расход находят с учётом времени работы в каждом режиме.
Счётчик учитывает потреблённую электрическую энергию. Чтобы определить расход за период, из конечного показания вычитают начальное, а для расчёта стоимости умножают расход на заданный тариф. Цена в учебной задаче является условием расчёта, а не неизменной стоимостью электроэнергии. Мощность можно измерить специальным прибором или рассчитать по напряжению и току в подходящих условиях. При объяснении важно уточнять превращение энергии: в нагревателе она главным образом становится внутренней, в двигателе значительная часть превращается в механическую.
A = UIt; P = UI; A = Pt. 1 кВт·ч = 3 600 000 Дж. Мощность и энергия различаются: расход зависит и от мощности, и от времени. Страницы: 169–171
§ 47. Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца Количество теплоты, выделяемое током в сопротивлении, определяется законом Q = I²Rt.
При прохождении электрического тока проводник обычно нагревается. В металле электроны под действием поля приобретают энергию и при взаимодействии с решёткой передают её веществу. Увеличивается внутренняя энергия проводника, а затем возможна передача теплоты окружающей среде. Этот процесс используют в нагревателях, но в соединительных проводах он часто означает нежелательные потери энергии. Наличие тока само по себе не говорит, насколько сильно возрастёт температура: важны условия отвода теплоты.
Закон Джоуля—Ленца выражает количество выделяемой теплоты формулой Q = I²Rt. Здесь I — сила тока, R — сопротивление, t — время, в течение которого эти величины остаются постоянными. Теплота прямо пропорциональна времени и сопротивлению при неизменном токе, но зависит от квадрата силы тока. Поэтому увеличение тока вдвое повышает тепловыделение в четыре раза. Именно эта квадратичная зависимость делает чрезмерный ток особенно опасным для проводки.
Если вся работа электрического поля на участке превращается во внутреннюю энергию, можно записать Q = UIt. Подстановка закона Ома даёт также Q = U²t/R. Эти записи не противоречат друг другу: при сравнении нужно понимать, что сохраняется постоянным. При одинаковом токе больше нагревается сопротивление большего значения, а при одинаковом напряжении большая мощность выделяется в меньшем сопротивлении. Последовательное и параллельное соединения поэтому требуют разного подхода к сравнению нагревания.
Например, через сопротивление 5 Ом проходит ток 2 А в течение 60 секунд. Выделяется Q = 4 · 5 · 60 = 1200 Дж теплоты. Чтобы по этой энергии найти повышение температуры, нужны масса, удельная теплоёмкость и сведения о потерях теплоты. Нельзя непосредственно приравнивать число джоулей к числу градусов. При нагревании воды дополнительно учитывают энергию сосуда и возможное испарение. Закон описывает выделенную энергию, а дальнейший тепловой процесс анализируется с помощью законов теплообмена.
Q = I²Rt. При удвоении тока тепловыделение возрастает в четыре раза. Температура зависит не только от выделенной теплоты, но и от свойств тела и теплоотдачи. Страницы: 172–173
§ 48. Лампа освещения. Электрические нагревательные приборы Электрический ток применяют для освещения и нагревания, используя разные способы преобразования его энергии.
В лампе накаливания ток проходит через тонкую спираль, которая сильно нагревается и излучает свет. Для спирали нужен тугоплавкий материал, обычно вольфрам. Стеклянная колба защищает её от быстрого разрушения при взаимодействии с окружающим воздухом; в лампах используют вакуум или подходящее газовое заполнение. Электрические контакты связывают спираль с внешней цепью. Значительная часть энергии такой лампы превращается в теплоту, поэтому получение света сопровождается сильным нагреванием.
В истории электрического освещения важную роль сыграли дуговая свеча Яблочкова и лампы накаливания, над которыми работали Лодыгин и Эдисон. Принципы этих устройств различаются: у дуговой лампы светится газовый разряд между электродами, а у лампы накаливания — раскалённое твёрдое тело. Поэтому одинаковое назначение не означает одинаковое устройство. Сравнивая источники света, рассматривают способ получения излучения, расход энергии, нагревание и условия безопасной эксплуатации, а не только яркость.
Газ в обычных условиях плохо проводит ток, но при ионизации в нём возникают свободные электроны и ионы. Их упорядоченное движение в электрическом поле образует газовый разряд. В люминесцентной лампе разряд создаёт излучение, которое воздействует на покрытие колбы — люминофор, а тот испускает видимый свет. Светодиодные лампы используют иной принцип: излучение возникает в полупроводниковом элементе. Их не следует объяснять как уменьшенную лампу накаливания или разновидность свечения горячей спирали.
В электрических нагревателях тепловое действие тока является основным полезным результатом. Нагревательные элементы делают из материалов, выдерживающих высокую температуру и имеющих подходящее сопротивление, например из специальных сплавов. В чайнике теплота передаётся воде, в утюге — подошве, в печи — обрабатываемому веществу. Терморегулятор может отключать нагрев при достижении заданной температуры и снова включать после охлаждения. Эти устройства требуют исправной изоляции и соблюдения инструкции: полезное нагревание элемента не должно превращаться в перегрев проводов или корпуса.
Лампа накаливания светит благодаря горячей спирали. Газоразрядные и светодиодные лампы используют другие процессы. Нагревательные элементы должны выдерживать рабочую температуру и иметь рассчитанное сопротивление. Страницы: 174–178
§ 49. Короткое замыкание. Предохранители Слишком большой ток перегревает проводку, поэтому защитные устройства должны своевременно размыкать цепь.
Каждая электрическая цепь рассчитана на определённую нагрузку и допустимую силу тока. Сечение проводов, изоляция и защитные устройства выбираются с учётом этих условий. Если одновременно включить слишком много параллельных потребителей, общее сопротивление уменьшается, а общий ток возрастает. Возникает перегрузка, при которой даже исправные приборы вместе могут создавать недопустимый режим для подводящих проводов. Поэтому количество работающих устройств само по себе не заменяет оценки их суммарной мощности.
Коротким замыканием называют соединение точек цепи через очень малое сопротивление, например при повреждении изоляции и соприкосновении проводов. Нормальная нагрузка оказывается обойдённой, полное сопротивление цепи резко уменьшается, а ток может сильно вырасти. Он не становится математически бесконечным: его ограничивают сопротивления источника, проводов и соединений. Но даже ограниченный ими ток способен вызвать интенсивное нагревание, повреждение оборудования и пожар. Короткое замыкание нельзя специально устраивать как домашний эксперимент.
Защита должна разорвать цепь раньше, чем опасный перегрев приведёт к тяжёлым последствиям. В плавком предохранителе тонкая вставка нагревается чрезмерным током и расплавляется, прекращая его прохождение. Предохранитель устанавливают последовательно с защищаемой цепью, чтобы через него проходил контролируемый ток. Его параметры должны соответствовать проводке и нагрузке. Заменять вставку случайной проволокой или устанавливать произвольно более мощную защиту нельзя: при этом цепь может остаться без необходимой защиты от перегрева.
В автоматических устройствах отключение может обеспечиваться нагреванием биметаллической пластины. Она составлена из двух металлов, расширяющихся при нагревании неодинаково, поэтому изгибается и действует на механизм размыкания. После устранения причины неисправности исправное устройство допускает повторное включение по установленным правилам. Однако постоянные срабатывания нельзя просто игнорировать и снова включать нагрузку. Сначала необходимо выяснить причину с помощью специалиста. Главная связь темы с законом Джоуля—Ленца такова: рост тока особенно резко увеличивает тепловыделение, поскольку ток входит в формулу в квадрате.
Перегрузка и короткое замыкание повышают ток опасным образом. Предохранитель включают последовательно и подбирают по расчётным условиям. Нельзя заменять защиту случайной проволокой или многократно включать неисправную цепь. Страницы: 179–181
§ 50. Постоянные магниты Постоянный магнит сохраняет магнитные свойства и имеет два взаимодействующих с другими магнитами полюса.
Постоянными магнитами называют тела, способные длительное время сохранять магнитные свойства. Они могут притягивать железо и некоторые другие материалы, но не всякий металл обязательно заметно притягивается обычным магнитом. Магниты бывают природными, например магнитный железняк, и искусственными, изготовленными из специально подобранных материалов. Их используют в защёлках, приборах и механизмах. Способность притягивать предметы не связана с наличием липкого покрытия или обязательным соприкосновением: действие обнаруживается и на расстоянии.
При соприкосновении с магнитом некоторые тела намагничиваются и сами начинают притягивать железные предметы. Однако материалы сохраняют приобретённые свойства по-разному. Мягкое железо после удаления внешнего магнита обычно теряет большую часть намагниченности, а подходящие сорта стали удерживают её значительно лучше. Поэтому материал выбирают по назначению устройства: для постоянного магнита нужно длительное сохранение свойств, а для управляемого сердечника иногда полезна возможность быстро ослаблять магнитное действие.
Наиболее сильное действие полосового магнита наблюдается около его концов, называемых полюсами. У магнита есть северный полюс N и южный S. Одноимённые полюсы двух магнитов отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Именно взаимодействие с известным магнитом помогает определить полюсы другого. При этом простое притяжение железного предмета ещё не доказывает, что перед нами определённый полюс: ненамагниченное железо может притягиваться и к северному, и к южному концу магнита.
Свободно подвешенный магнит ориентируется в магнитном поле Земли примерно в направлении север — юг. На этом свойстве основан компас. Если полосовой магнит разделить на части, не получится отдельно северного и отдельно южного полюса: каждая часть будет иметь оба полюса. Так магниты отличаются от тел с разделёнными положительными и отрицательными электрическими зарядами. Для пересказа важно последовательно назвать свойства магнитов, правило взаимодействия полюсов, различие материалов и невозможность получить однополюсный магнит обычным разрезанием.
Одноимённые полюсы отталкиваются, разноимённые притягиваются. Разделение магнита создаёт новые двухполюсные магниты. Не всякий металл притягивается обычным магнитом одинаково. Страницы: 183–185
§ 51. Магнитное поле Магнитное поле связывает взаимодействие магнитов и электрических токов и обнаруживается по действию на них.
Магнит и проводник с током способны действовать на другие объекты без непосредственного соприкосновения. Такое взаимодействие объясняют существованием магнитного поля в окружающем пространстве. Его создают намагниченные тела и движущиеся электрические заряды, в частности токи в проводниках. Поле обнаруживают по силовому действию на магнитную стрелку или другой проводник с током. Оно является физической реальностью, а изображаемые в учебнике линии служат лишь способом его описания.
Связь электрических и магнитных явлений показал опыт Эрстеда. Рядом с магнитной стрелкой помещают проводник и пропускают через него ток. Стрелка отклоняется от первоначального направления, хотя провод не касается её. Если выключить ток, действие проводника исчезает, и стрелка снова ориентируется главным образом по земному полю. Изменение направления тока меняет направление магнитного воздействия. Такой опыт позволяет отличить магнитное действие тока от простого механического толчка или случайного движения стрелки.
Проводники с токами также взаимодействуют между собой. Взаимодействие объясняется тем, что каждый ток создаёт поле, действующее на другой проводник. Поэтому электрические и магнитные явления нельзя считать полностью независимыми. Энергия для движения элементов цепи связана с источником и изменением состояния всей системы, а не возникает из ничего. При описании опыта важно назвать источник поля, объект, на который оно действует, и наблюдаемый результат — отклонение, притяжение или отталкивание.
Ампер предположил, что магнитные свойства вещества связаны с микроскопическими токами внутри него. Эта идея помогла связать постоянные магниты с электрическими явлениями. Современное объяснение учитывает магнитные свойства электронов и строение вещества, поэтому не следует буквально представлять атомы как маленькие школьные катушки. На уровне изучаемой темы главное состоит в единстве происхождения магнитных явлений и возможности исследовать их через токи. Магнитное поле отличается от электрического, хотя оба вида поля связаны между собой в электромагнитных процессах.
Опыт Эрстеда обнаружил действие тока на магнитную стрелку. Поле создают магниты и движущиеся заряды. Магнитное взаимодействие токов показывает связь электрических и магнитных явлений. Страницы: 186–188
§ 52. Магнитное поле проводников с током и постоянных магнитов. Магнитные линии Магнитные линии показывают направление поля, а их форма зависит от источника магнитного поля.
Для наглядного изображения магнитного поля используют магнитные линии. В каждой точке направление такой линии совпадает с направлением, в котором устанавливается северный конец маленькой магнитной стрелки. Стрелка располагается по касательной к линии, а не обязательно указывает прямо на ближайший магнит. Железные опилки, намагничиваясь, тоже ориентируются и помогают получить картину поля. Однако сами линии не являются материальными нитями: это модель непрерывного поля, существующего также между нарисованными линиями.
Вокруг длинного прямого проводника с током магнитные линии имеют форму окружностей, лежащих в плоскостях, перпендикулярных проводу. Центры этих окружностей находятся на оси проводника. Направление обхода определяется направлением тока. Если ток изменить на противоположный, форма картины сохранится, но направление магнитных линий сменится. Поэтому одни только опилки показывают расположение линий, а магнитная стрелка дополнительно позволяет определить их направление в выбранной точке пространства.
Связь направлений выражает правило буравчика. Если поступательное движение обычного правого винта совпадает с направлением тока, вращение его ручки показывает направление магнитных линий вокруг провода. Правило можно применять и обратно, находя ток по известному направлению поля. Например, для тока, направленного к наблюдателю из плоскости рисунка, линии обходят провод против часовой стрелки. Важно сначала определить положение наблюдателя, поскольку при взгляде с другой стороны описание вращения изменится.
Магнитные линии витка и постоянного магнита имеют другую форму, но сохраняют замкнутость. У полосового магнита вне него линии направлены от северного полюса к южному, а внутри продолжаются обратно. Между близкими разноимёнными полюсами линии соединяют их области, при одноимённых полюсах картина отражает отталкивание. Линии не начинаются и не заканчиваются на полюсах так, как линии электрического поля на зарядах. Для уверенного пересказа нужно различать форму линий, их направление и физический источник поля.
Вокруг прямого тока магнитные линии — окружности. Правило буравчика связывает направление тока и обход линий. Магнитные линии замкнуты; снаружи магнита идут от N к S. Страницы: 189–191
§ 53. Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение Катушка с током создаёт управляемое магнитное поле, которое усиливается подходящим сердечником.
Катушка состоит из множества витков изолированного провода, намотанных на каркас. При прохождении тока магнитные поля отдельных витков складываются, образуя общее поле. У длинной цилиндрической катушки, или соленоида, картина поля напоминает поле полосового магнита: можно выделить северный и южный концы. Внутри достаточно длинной катушки линии почти параллельны, а поле вдали от концов сравнительно однородно. Снаружи линии возвращаются, образуя замкнутые кривые.
Направление поля внутри катушки связано с направлением тока в витках. Если пальцы правой руки охватывают катушку по направлению тока, большой палец показывает направление поля внутри и сторону её северного полюса. При изменении направления тока полюсы меняются местами. Магнитное действие усиливается при увеличении тока, а при сопоставимых размерах катушки — при увеличении числа витков. Поэтому важно сравнивать катушки в одинаковых условиях, а не только считать витки без учёта геометрии.
Если внутрь катушки поместить подходящий железный сердечник, он намагничивается и значительно усиливает магнитное действие. Катушку с таким сердечником называют электромагнитом. В отличие от постоянного магнита, его удобно включать и выключать электрическим током, а также регулировать силу действия. При отключении мягкий железный сердечник теряет большую часть намагниченности, хотя остаточные свойства могут сохраняться. Устройство подбирают так, чтобы это соответствовало его назначению и требуемому способу управления.
Электромагниты применяют для подъёма стальных деталей, отделения магнитных материалов от немагнитных и управления механизмами. В магнитном сепараторе притягиваемые частицы отклоняются от общего потока и отделяются. В реле электромагнит перемещает контактную систему, позволяя одной цепи управлять другой. Даже при неподвижном удержании груза катушка может потреблять энергию: ток нагревает её сопротивление. Поэтому отсутствие перемещения груза не означает отсутствия расхода электричества. Конструкция должна обеспечивать допустимый нагрев, достаточное магнитное действие и безопасное отключение нагрузки.
Катушка с током имеет два магнитных полюса. Ток, число витков и сердечник влияют на магнитное действие. Электромагниты используются в подъёмниках, сепараторах и реле. Страницы: 192–196
§ 54. Магнитное поле Земли Земля обладает изменяющимся магнитным полем, которое ориентирует компас и взаимодействует с солнечным ветром.
Земля имеет собственное магнитное поле, поэтому свободная магнитная стрелка устанавливается в определённом направлении. В упрощённой модели поле планеты напоминает поле большого полосового магнита, но реальная картина сложнее. Географические полюсы определяются осью вращения Земли, а магнитные — особенностями её поля. Они не совпадают, поэтому компас указывает приблизительное направление на географический север, а для точной навигации необходимо учитывать отклонение магнитного направления от географического.
Северный конец компасной стрелки притягивается к области вблизи географического Севера. По правилу взаимодействия полюсов эта область соответствует южной магнитной полярности Земли в модели школьного магнита. При этом в географии названия магнитных полюсов часто связывают с полушарием, поэтому важно уточнять принятую терминологию. Положение магнитных полюсов со временем меняется. Приведённые в учебнике координаты относятся к указанному году и не являются неизменными координатами на все времена.
Главная причина земного поля связана с движением электропроводящего вещества во внешнем жидком ядре. Возникающие токи и процессы в недрах поддерживают магнитное поле планеты. Оно распространяется в окружающее пространство и взаимодействует с потоком заряженных частиц от Солнца. Благодаря этому часть частиц отклоняется, а условия в околоземном пространстве отличаются от условий без магнитной защиты. Поле важно для навигации и работы технических систем, но его нельзя считать абсолютно непроницаемым щитом.
Местные отклонения магнитного поля называют магнитными аномалиями. Они могут быть связаны, например, с залежами магнитных горных пород; известный пример — Курская магнитная аномалия. Кратковременные значительные возмущения поля, связанные с солнечной активностью, называют магнитными бурями. Это не одно и то же явление: аномалия характеризует особенность определённой области, а буря — изменение поля во времени. При пользовании компасом также учитывают близость железных предметов, магнитов и проводников с током, способных исказить его показания.
Географические и магнитные полюсы не совпадают. Поле связано с процессами в электропроводящем внешнем ядре. Магнитные аномалии и магнитные бури различаются по происхождению и характеру изменений. Страницы: 197–198
§ 55. Действие магнитного поля на проводник с током. Правило левой руки Магнитное поле действует на ток силой, направление которой определяется взаимной ориентацией поля и тока.
Проводник с током, помещённый в магнитное поле, может перемещаться под действием магнитной силы. Это наблюдают, например, у подвижной рамки между полюсами магнита. Когда цепь замыкают, рамка отклоняется; при отключении тока действие, связанное с током, исчезает. Если изменить направление тока или поменять местами полюсы магнита, направление силы изменится. Таким образом, результат определяется не только наличием поля, но и направлением движения зарядов в проводнике.
Для определения направления силы используют правило левой руки. Левую ладонь располагают так, чтобы магнитные линии входили в неё, а четыре вытянутых пальца указывали условное направление тока. Отставленный под прямым углом большой палец показывает направление силы, действующей на проводник. В простом школьном случае ток и поле взаимно перпендикулярны. Сила при этом направлена поперёк обоих направлений, поэтому нельзя считать, что проводник обязательно движется вдоль линий поля.
Магнитное действие на проводник объясняется действием поля на движущиеся заряженные частицы внутри него. Для положительной частицы четыре пальца направляют по её движению, для отрицательной — против движения. Поэтому электрон и положительный ион при одинаковых скоростях отклоняются в противоположные стороны. Если движение частицы или ток в прямом проводнике направлены вдоль магнитных линий, соответствующая магнитная сила равна нулю. Наличие поля не означает одинакового действия при любой ориентации.
Чтобы решить задачу на направление, сначала отмечают северный и южный полюсы магнита и определяют направление поля между ними. Затем устанавливают условное направление тока по схеме источника, после чего применяют правило левой руки. Не следует путать его с правилом буравчика: буравчик определяет поле, созданное током, а левая рука — силу действия уже заданного поля на ток. Этот принцип используется в электродвигателях и измерительных приборах, где электрическая энергия через магнитное взаимодействие вызывает механическое движение.
Линии поля входят в левую ладонь, пальцы направлены по току, большой палец показывает силу. Для отрицательной частицы направление пальцев противоположно скорости. При токе вдоль магнитных линий сила равна нулю. Страницы: 199–203
§ 56. Индукция магнитного поля Магнитная индукция характеризует направление и силу действия магнитного поля в каждой точке.
Разные магниты и токи могут создавать поля разной силы. Чтобы сравнивать их количественно, вводят магнитную индукцию B. Это векторная величина, поэтому у неё есть не только численное значение, но и направление. Она характеризует поле в выбранной точке пространства, а не сам по себе размер магнита или количество притянутых предметов. Для измерения сравнивают действие поля на проводник с известными током, длиной и ориентацией относительно магнитных линий.
Если прямолинейный участок проводника расположен перпендикулярно однородному полю, сила достигает максимума при данных токе и длине. Магнитную индукцию определяют формулой B = F/(Il), где l — длина участка, находящегося в поле. Отсюда для такой ориентации F = BIl. В системе СИ индукцию измеряют в теслах: 1 Тл = 1 Н/(А·м). При вычислениях длину переводят в метры, а силу тока — в амперы.
Например, при индукции 0,2 Тл на перпендикулярный полю участок длиной 0,5 м с током 3 А действует сила 0,3 Н. Удвоение тока удвоит силу, но не означает, что внешнее поле стало вдвое сильнее. Именно отношение F/(Il) позволяет отделить характеристику поля от характеристик пробного проводника. Формулу максимальной силы нельзя без оговорок применять к проводнику, расположенному под произвольным углом: ориентация также влияет на результат.
Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного конца магнитной стрелки и касательной к магнитной линии. Если в некоторой области модуль и направление B одинаковы во всех точках, поле называют однородным. Его изображают параллельными равномерно расположенными линиями. Если модуль или направление меняются, поле неоднородно. Приближённо однородное поле получают внутри достаточно длинного соленоида вдали от концов. Вокруг небольшого постоянного магнита поле обычно существенно меняется от точки к точке, поэтому одна стрелка не описывает всю область.
B = F/(Il) для проводника, перпендикулярного полю. Единица магнитной индукции — тесла. Однородное поле имеет одинаковые модуль и направление B во всей рассматриваемой области. Страницы: 204–206
§ 57. Электрический двигатель Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую благодаря действию магнитного поля на ток.
Работа электрического двигателя основана на действии магнитного поля на проводник с током. Если прямоугольную рамку поместить между полюсами магнита, на её противоположные стороны действуют силы разных направлений. Эти силы могут поворачивать рамку вокруг оси. Источник обеспечивает ток и передачу электрической энергии, а магнитное взаимодействие создаёт вращательное движение. Таким образом, двигатель не производит энергию, а преобразует поступающую электрическую энергию в механическую и частично во внутреннюю.
В простейшей модели двигателя постоянного тока концы рамки соединены с двумя изолированными полукольцами. К ним прижимаются неподвижные щётки, связанные с полюсами источника. После каждого полуповорота рамки контакты переключаются, и ток в ней меняет направление. Это позволяет действующим силам поддерживать вращение в прежнюю сторону. Если не обеспечить подходящее переключение, рамка может остановиться в положении равновесия, а не совершать непрерывные обороты под действием постоянного тока.
В реальном двигателе вместо единственной рамки используют многовитковую обмотку. Её размещают в пазах железного сердечника, который усиливает магнитное действие и образует вращающуюся часть — якорь в рассматриваемой конструкции. Вал передаёт движение связанному механизму: вентилятору, станку или другому устройству. Внешнее поле может создаваться постоянными магнитами либо электромагнитами. Существуют различные типы двигателей, поэтому схема с полукольцами объясняет основной принцип, но не описывает устройство абсолютно каждого электромотора.
Электродвигатели применяются в бытовых приборах, транспорте и промышленности. Они удобны управлением и позволяют получать механическую работу без сжигания топлива непосредственно внутри двигателя. Однако экологические последствия зависят также от того, как произведена электроэнергия. Часть энергии теряется из-за нагревания обмоток, трения и других процессов, поэтому коэффициент полезного действия меньше ста процентов. При пересказе полезно разделять цепочку: источник создаёт ток, поле действует на обмотку, обмотка вращает вал, а вал выполняет полезную механическую работу.
Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Силы, действующие на стороны рамки, создают вращение. В простой модели коллектор переключает направление тока через каждые пол-оборота. Страницы: 207–209
§ 58. Магнитный поток Магнитный поток зависит от поля, площади контура и его ориентации относительно магнитных линий.
Для описания связи магнитного поля с контуром вводят магнитный поток Φ. Наглядно его связывают с количеством магнитных линий, проходящих через поверхность, ограниченную контуром. Это не буквальный подсчёт реальных нитей и не течение вещества: линии являются способом изображения поля. Поток характеризует действие поля на выбранную поверхность в целом, поэтому отличается от магнитной индукции, описывающей поле в определённой точке. Один и тот же магнит может создавать разные потоки через разные контуры.
Если плоский контур расположен перпендикулярно линиям однородного поля, поток тем больше, чем больше магнитная индукция и площадь контура. При увеличении индукции вдвое поток также удваивается, если площадь и ориентация не изменились. При увеличении площади вдвое происходит такое же изменение при прежнем поле. В этом частном положении зависимость можно записать как Φ = BS. Важно уточнять условия: эта простая запись относится к полю, перпендикулярному поверхности контура.
Поток меняется и при повороте контура. Он максимален по модулю, когда плоскость контура перпендикулярна магнитным линиям. По мере поворота к положению вдоль линий число условных пересечений уменьшается. Если линии лежат в плоскости контура, поток через ограниченную им поверхность равен нулю, хотя само магнитное поле не исчезло. Следовательно, нулевой поток не означает нулевой индукции: причиной может быть только ориентация поверхности относительно существующего поля.
Изменить поток можно тремя основными способами: изменить поле, изменить площадь контура или повернуть его. Перемещение тоже может менять поток, если контур попадает в область другого поля, но не любое движение обязательно даёт такой результат. Например, перенос неизменного контура в однородном поле без поворота сохраняет поток. Эта разница особенно важна для следующей темы — электромагнитной индукции. При анализе опыта нужно спрашивать не просто «двигается ли рамка», а «изменяется ли магнитный поток через неё».
Поток зависит от индукции, площади и ориентации. При перпендикулярном поле Φ = BS. Нулевой поток возможен даже при ненулевом поле, если линии лежат в плоскости контура. Страницы: 210–211
§ 59. Явление электромагнитной индукции Индукционный ток возникает в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через него.
Открытие магнитного действия тока поставило перед физиками обратный вопрос: можно ли с помощью магнитного поля получить электрический ток? Опыты Фарадея показали, что это возможно, но одного неподвижного магнита возле неподвижной замкнутой катушки недостаточно. Существенным оказалось изменение магнитного потока через контур. Возникновение связанного с таким изменением электрического тока называют явлением электромагнитной индукции, а полученный ток — индукционным. Он переносится обычными носителями заряда проводника, а не каким-то особым веществом.
В простом опыте катушку соединяют с гальванометром и вдвигают в неё магнит. Стрелка прибора отклоняется, показывая ток. Когда магнит останавливается, ток исчезает, хотя магнит остаётся внутри катушки. При извлечении магнита отклонение происходит в другую сторону: направление тока меняется. Такой же результат можно получить, перемещая катушку относительно неподвижного магнита. Важен не выбор движущегося тела, а изменение потока через замкнутую цепь в ходе относительного движения.
Изменять поток можно и без перемещения магнитов. Если рядом расположить две катушки и менять ток в первой, её поле будет изменять поток через вторую. Во второй катушке, замкнутой на прибор, тогда возникает индукционный ток. Он появляется, например, при замыкании и размыкании первой цепи или изменении её тока реостатом. Вращение рамки в магнитном поле тоже способно изменять поток, поскольку меняется ориентация её поверхности относительно магнитных линий.
Общий признак всех опытов — изменение магнитного потока, а не просто наличие сильного поля или движение как таковое. Для появления тока контур должен быть замкнут; в разомкнутой цепи возможно наведённое напряжение, но непрерывного тока по отсутствующему замкнутому пути не будет. Энергия электрического процесса поступает за счёт механической работы или энергии другого источника, изменяющего поле. На электромагнитной индукции основаны генераторы и трансформаторы, поэтому это открытие связало лабораторные наблюдения с возможностью масштабного получения и передачи электрической энергии.
Изменение магнитного потока вызывает электромагнитную индукцию. Постоянный поток через неподвижную катушку не поддерживает индукционный ток. Энергия индуцированного тока имеет внешний источник. Страницы: 212–215
§ 60. Направление индукционного тока. Правило Ленца Индукционный ток создаёт поле, противодействующее изменению внешнего магнитного потока, которое вызвало этот ток.
При приближении магнита к замкнутому проводящему кольцу в нём возникает индукционный ток, и кольцо может отталкиваться от магнита. При удалении магнита кольцо, напротив, притягивается к нему. Если кольцо разрезано, устойчивый ток по окружности не возникает, и характерное взаимодействие резко ослабляется. Такой опыт показывает, что направление индукционного тока связано с изменением магнитного потока, а не определяется только названием приближающегося магнитного полюса.
Правило Ленца формулируют так: магнитное поле индукционного тока противодействует тому изменению внешнего потока, которое вызвало ток. Если внешний поток увеличивается, поле контура направлено так, чтобы препятствовать его увеличению. Если поток уменьшается, поле контура стремится поддержать прежний поток. Поэтому неверно говорить, будто индукционное поле всегда направлено против внешнего. При уменьшении потока направления полей могут совпадать, поскольку противодействие относится именно к изменению, а не к существованию поля.
Для определения направления тока сначала устанавливают направление внешнего поля через кольцо. Затем выясняют, возрастает или убывает поток. По правилу Ленца выбирают направление поля самого кольца и только после этого по правилу правой руки находят направление тока в его витке. Например, приближение северного полюса вызывает на обращённой к нему стороне кольца северную полярность, обеспечивающую отталкивание. При удалении того же полюса ближайшая сторона кольца становится южной, обеспечивая притяжение.
Правило согласуется с законом сохранения энергии. Чтобы приближать магнит к кольцу вопреки отталкиванию или удалять вопреки притяжению, нужно совершать механическую работу. Она может превращаться в электрическую энергию и затем в теплоту сопротивления кольца. Если бы возникающий ток сам усиливал вызывающее его изменение без затраты энергии, можно было бы получить необоснованное самоускорение процесса. Для пересказа полезно связать три звена: изменение потока, направление наведённого поля, направление тока и механическое противодействие движению магнита.
Поле индукционного тока противодействует изменению внешнего потока. При уменьшении потока наведённое поле поддерживает его, а не обязательно направлено против него. Правило Ленца согласуется с сохранением энергии. Страницы: 216–218
§ 61. Способы получения электрической энергии На электростанциях другие виды энергии преобразуются в электрическую, часто посредством индукционного генератора.
Электрическую энергию получают преобразованием других видов энергии. На многих электростанциях используется генератор, в котором механическое вращение вызывает изменение магнитного потока через обмотки. В результате электромагнитной индукции возникает напряжение, а при подключении нагрузки — ток. Генератор не создаёт энергию из ничего: для его вращения нужен привод, совершающий работу. Поэтому при объяснении устройства электростанции необходимо назвать не только генератор, но и первоначальный источник используемой энергии.
Переменным называют ток, величина и направление которого периодически изменяются. Его можно получить при вращении магнита относительно катушки или рамки в магнитном поле. В рассматриваемом промышленном генераторе вращающаяся часть называется ротором, неподвижная — статором. Вращение магнитного поля меняет поток через обмотки статора, создавая переменное напряжение. Частота 50 Гц означает пятьдесят полных периодов в секунду; для синусоидального тока направление меняется дважды за период, то есть сто раз в секунду.
На гидроэлектростанции турбину вращает вода, и энергия её движения превращается в механическую энергию вала, затем в электрическую. На тепловой станции сжигаемое топливо нагревает рабочее вещество, например воду для получения пара, который приводит турбину. На атомной станции теплота выделяется при ядерных процессах, а дальнейшая цепочка с паром, турбиной и генератором может быть похожей. Различие этих станций связано прежде всего с источником первичной энергии, а не с отдельным «видом электричества» на выходе.
Используют также энергию ветра, солнечного излучения и приливов. Не все способы требуют вращающейся турбины: солнечные фотоэлектрические элементы непосредственно преобразуют энергию света в электрическую. При сравнении источников учитывают возобновляемость, доступность, устойчивость выработки и экологические последствия. Сжигание топлива сопровождается выбросами, плотины меняют речные экосистемы, атомная энергетика требует обращения с радиоактивными материалами. Возобновляемые источники тоже имеют ограничения и влияние на среду. Поэтому выбор энергосистемы связан с сочетанием технологий, а не с представлением о совершенно бесплатной и безусловно безвредной энергии.
Генератор преобразует механическую энергию в электрическую через индукцию. Ротор вращается, статор остаётся неподвижным. Тип электростанции определяется прежде всего первичным источником энергии. Страницы: 219–222
§ 62. Передача электрической энергии Высокое напряжение позволяет передавать ту же мощность меньшим током и уменьшать нагрев проводов.
Электростанции часто находятся далеко от городов и предприятий, поэтому электрическую энергию передают по линиям электропередачи. Провода имеют сопротивление и нагреваются при прохождении тока. Потери энергии за время t определяются законом Джоуля—Ленца: Q = I²Rt. Их можно уменьшить снижением сопротивления или силы тока. Для проводов выбирают хорошо проводящие материалы и подходящее сечение, но чрезмерное увеличение толщины повышает массу, расход металла и стоимость всей линии.
Более эффективный способ уменьшить потери связан с повышением напряжения. В простой модели передаваемая мощность P = UI, поэтому для той же мощности большее напряжение позволяет уменьшить ток. Если напряжение повысить в десять раз, ток уменьшится в десять раз, а потери I²R при неизменном сопротивлении — в сто раз. Высокое напряжение здесь используется не ради увеличения расхода энергии, а ради уменьшения тока, необходимого для передачи заданной мощности на расстояние.
Для изменения переменного напряжения применяют трансформатор. Он содержит две обмотки на общем магнитном сердечнике. Переменный ток в первичной обмотке создаёт меняющийся поток, который вызывает напряжение во вторичной. В идеализированном случае отношение напряжений соответствует отношению чисел витков: U₂/U₁ = N₂/N₁. Если во вторичной обмотке витков больше, трансформатор повышает напряжение; если меньше — понижает. Постоянный неизменный ток не обеспечивает такого непрерывного преобразования, поскольку для индукции нужно изменение магнитного потока.
Перед линией напряжение повышают, а возле потребителей последовательно понижают до значений, предусмотренных для оборудования. Трансформатор не увеличивает доступную энергию: при повышении напряжения допустимый ток соответствующим образом уменьшается, а в реальном устройстве существуют потери. Высоковольтные линии, подстанции и трансформаторы требуют специальной изоляции и профессиональной защиты, поэтому приближаться к опасным частям нельзя. Общую схему передачи удобно пересказать цепочкой: генератор, повышающий трансформатор, линия, понижающие подстанции, потребитель. Так объединяются законы индукции, работы тока и его теплового действия.
Потери в линии пропорциональны I²R. Повышение напряжения снижает ток при той же передаваемой мощности. Трансформатор работает благодаря изменению магнитного потока и не создаёт дополнительную энергию. Страницы: 223–227