4. ЗМІСТ
ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ І СТРУМ
§ 1.
§ 2.
Електричне поле
Напруженість електричного поля
Це цікаво знати
;
§ 3. Потенціал електричного поля. Різниця потенціалів
Це цікаво знати
§ 4. Електроємність. Конденсатор. Енергія електричного поля
Задачі та вправи
,
§ 5. Електричний струм. Електричне коло. З'єднання провідників
§ 6. Робота та потужність електричного струму
§ 7. Електрорушійна сила. Закон Ома д л я повного кола
Це цікаво знати
Лабораторна робота № 1. Вимірювання ЕРС і внутрішнього опору
джерела струму
Задачі та вправи
§ 8. Електричний струм у різних середовищах
§ 9. Електричний струм у напівпровідниках
§ 10. Донорні та акцепторні домішки. Електричний струм черезр-п-перехід
§11. Напівпровідниковий діод. Застосування напівпровідників
Це цікаво знати
Лабораторна робота № 2. Дослідження електричного кола
з напівпровідниковим діодом
Задачі та вправи
Перевірте свої знання
Контрольні запитання
Що я знаю і вмію робити
Тестові завдання
9
11
13
13
15
16
22
24
28
ЗО
33
35
36
40
42
44
47
49
.'
51
52
53
53
54
55
Е Л Е К Т Р О М А Г Н І Т Н Е ПОЛЕ
§ 12. Взаємодія струмів. Магнітне поле. Дія магнітного поля на провідник зі струмом. 62
§ 13. Індукція магнітного поля. Потік магнітної індукції
64
§ 14. Сила Ампера. Сила Лоренца
67
Це цікаво знати
69
Задачі та вправи
71
§ 15. Магнітні властивості речовини. Магнітний запис інформації
74
Це цікаво знати
76
§ 16. Електромагнітна індукція. Закон електромагнітної індукції
77
Лабораторна робота № 3. Дослідження явища електромагнітної індукції
80
§ 17. Індуктивність. Енергія магнітного поля котушки зі струмом
81
Задачі та вправи
84
§18. Змінний струм. Генератор змінного струму
88
Це цікаво знати
90
§ 19. Трансформатор. Виробництво, передача та використання енергії
електричного струму
92
Задачі та вправи
95
Перевірте свої знання
97
5. Контрольні запитання
Що я знаю і вмію робити
Тестові завдання
97
98
99
КОЛИВАННЯ І х в и л і
§ 20. Коливальний рух. Період і частота коливань
§21. Гармонічні коливання
§ 22. Математичний маятник. Період коливань математичного маятника
Лабораторна робота № 4. Виготовлення маятника і визначення
періоду його коливань
§ 23. Вільні коливання. Вимушені коливання. Резонанс
§ 24. Поширення механічних коливань у пружному середовищі.
Поперечні та поздовжні хвилі. Довжина хвилі
Задачі та вправи
§ 25. Коливальний контур. Виникнення електромагнітних коливань
у коливальному контурі
§ 26. Гармонічні електромагнітні коливання. Частота власних коливань контуру
§ 27. Затухаючі та вимушені електромагнітні коливання. Резонанс
§ 28. Електромагнітне поле. Електромагнітні хвилі
Це цікаво знати
§ 29. Швидкість поширення, довжина, частота електромагнітної хвилі.
Шкала електромагнітних хвиль
§ ЗО. Властивості електромагнітних хвиль та їх застосування
Задачі та вправи
Перевірте свої знання
Контрольні запитання
Що я знаю і вмію робити
Тестові завдання
109
110
114
115
116
119
121
125
126
130
132
135
138
140
143
146
146
146
147
ХВИЛЬОВА І КВАНТОВА ОПТИКА
§31. Розвиток поглядів на природу світла
155
§32. Поширення світла в різних середовищах. Явища на межі двох середовищ
156
Це цікаво знати
160
Задачі та вправи
161
§ 33. Інтерференція світла
163
§ 34. Дифракція світла
168
Лабораторна робота № 5. Спостереження інтерференції та дифракції світла . . 172
§ 35. Поляризація світла. Поперечність світлових хвиль
і електромагнітна теорія світла
173
Це цікаво знати
175
§36. Дисперсія світла
177
Задачі та вправи
180
§ 37. Розвиток квантової фізики. Гіпотеза Планка
182
§ 38. Фотон. Енергія, маса, імпульс фотона. Фотоелектричний ефект
184
§39. Застосування фотоефекту
187
§40. Люмінесценція
188
§41. Квантові генератори та їх застосування
191
§ 42. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла
194
6. Задачі та вправи
Перевірте свої знання
Контрольні запитання
Що я знаю і вмію робити
Тестові завдання
195
197
197
198
199
АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА
§ 43.
§ 44.
§ 45.
§ 46.
Історія вивчення атома
Квантові постулати Бора
Модель атома Гідрогену за Бором. Труднощі теорії Бора
Спектроскоп. Спектральний аналіз
Це цікаво знати
Лабораторна робота № 6. Спостереження неперервного
і лінійчастого спектрів речовини
§ 47. Рентгенівське випромінювання
Задачі та вправи
§ 48. Атомне ядро. Ядерні сили. Енергія зв'язку атомних ядер
§ 49. Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду
§ 50. Ядерні реакції
§ 51. Ланцюгова реакція поділу ядер Урану
§52. Фізичні основи ядерної енергетики
§ 53. Дія радіоактивного випромінювання на живий організм
§ 54. Елементарні частинки, їх класифікація та характеристика
Задачі та вправи
Перевірте свої знання
Контрольні запитання
Що я знаю і вмію робити
Тестові завдання
Робота
Робота
Робота
Робота
Робота
Робота
205
207
210
212
216
217
218
222
224
228
231
233
234
239
241
245
249
249
249
250
№ 1. Вивчення конденсаторів
255
№ 2. Дослідження електричних кіл
• • • 256
№ 3. Визначення довжини світлової хвилі
257
№ 4. Визначення прискорення вільного падіння за допомогою маятника . . . . 258
№ 5. Вивчення будови дозиметра і складання радіологічної карти місцевості. 259
№ 6. Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями
260
§ 55. Сучасна фізична картина світу
§ 56. Науково-технічний прогрес і проблеми екології
§ 57. Фізика і загальнолюдські цінності
262
264
268
Узагальнююче повторення курсу фізики
271
Фізичні задачі навколо нас
Відповіді до рубрики «Задачі та вправи»
Відповіді до рубрики «Фізичні задачі навколо нас»
Словник фізичних термінів
Предметно-іменний покажчик
287
291
294
296
302
7.
8.
9. Електричне п о л е
Напруженість електричного п о л я
Потенціал електричного п о л я .
Різниця потенціалів
Е л е к т р о є м н і с т ь . Конденсатор.
Енергія е л е к т р и ч н о г о п о л я
Електричний с т р у м . Електричне коло.
З'єднання провідників
Робота та потужність електричного с т р у м у
Електрорушійна с и л а .
Закон Ома д л я повного кола
Електричний с т р у м у різних с е р е д о в и щ а х
Електричний с т р у м у напівпровідниках
Донорні та акцепторні домішки.
Електричний с т р у м через р-п-перехід.
Напівпровідниковий д і о д .
Застосування напівпровідників
10. ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ
Перед т и м , як почати розгляд е л е к т р и ч н о г о поля та й о г о в л а с т и в о с т е й ,
пригадаємо, що ви вивчали раніше. З к у р с у ф і з и к и 7 та 9 класів ви дізналися,
щ о в с і т і л а , я к і нас о т о ч у ю т ь ; с к л а д а ю т ь с я з а т о м і в , а а т о м и м о ж у т ь
о б ' є д н у в а т и с я в м о л е к у л и . До складу в с і х без в и н я т к у а т о м і в (і м о л е к у л )
в х о д я т ь так звані елементарні ч а с т и н к и — н а й м е н ш і ч а с т и н к и р е ч о в и н и ,
що м а ю т ь е л е к т р и ч н і з а р я д и , електрони і протони: е л е к т р о н и м а ю т ь
негативний заряд, а п р о т о н и — т а к и й с а м и й за значенням, але позитивний.
Електрон (з грец. — янтар, бурштин) — стабільна елементарна ч а с т и н к а
з негативним е л е к т р и ч н и м зарядом е = - 1 , 6 0 2 1 8 9 2 ( 4 6 )
Кл і м а с о ю
те = 9 , 1 0 9 5
кг.
Тепер пригадаємо властивості з а р я д ж е н и х тіл. Зарядимо натиранням об
х у т р о ебонітову паличку і підвісимо її на нитці. Я к щ о піднести до неї так с а м о
заряджену і н ш у е б о н і т о в у паличку (мал. 1), т о вони будуть в і д ш т о в х у в а т и с я
одна від одної. Я к щ о ж до зарядженої ебонітової палички піднести заряджену
тертям об ш о в к чи сухий папір скляну паличку, то палички будуть
п р и т я г у в а т и с ь одна д о одної (мал. 2 ) .
Отже, о д н о й м е н н о заряджені тіла в і д ш т о в х у ю т ь с я , а р і з н о й м е н н о
з а р я д ж е н і тіла п р и т я г у ю т ь с я .
Я к щ о заряджені тіла відштовхуються або притягуються, то говорять, що
вони взаємодіють м і ж с о б о ю . Пригадаємо закон взаємодії, експериментально
в і д к р и т и й у X V I I I столітті ф р а н ц у з ь к и м вченим Ш. К у л о н о м .
М а т е м а т и ч н о закон Кулона (взаємодії) м о ж н а записати т а к :
де
— взаємодіючі точкові заряди; і— відстань між ними; й — коефіцієнт, який
залежить від вибору одиниць величин, що входять до закону,
11. Р о з г л я н е м о д е т а л ь н і ш е саме я в и щ е е л е к т р и ч н о ї в з а є м о д і ї . З а к р і п и м о
металеву к у л ю на с т е р ж н і електрометра (мал. 3) і з а р я д и м о її від е б о н і т о в о ї
п а л и ч к и , п о т е р т о ї х у т р о м . Стрілка відхилиться від п о л о ж е н н я рівноваги,
це засвідчить, що куля має е л е к т р и ч н и й заряд. П і д в і с и м о на т о н к і й нитці
л е г к у , в и г о т о в л е н у з ф о л ь г и , гільзу і п о ч н е м о п і д н о с и т и її до кулі. На певній
відстані п о м і т и м о , щ о гільза п р и т я г у є т ь с я д о кулі, внаслідок ч о г о н и т к а
в і д х и л и т ь с я від в е р т и к а л ь н о г о п о л о ж е н н я .
Н а ш а уява звикла до т о г о , що дія о д н о г о тіла на і н ш е відбувається вна
с л і д о к б е з п о с е р е д н ь о г о к о н т а к т у м і ж н и м и . Так, вагон почне р у х а т и с я л и ш е
тоді, к о л и л о к о м о т и в буде тягти чи ш т о в х а т и й о г о . М ' я ч змінить напрям р у х у
в т о й м о м е н т , к о л и д о т о р к н е т ь с я до ноги футболіста чи с т і й к и в о р і т .
Який же механізм взаємодії заряджених тіл? Відповідь на це запитання
дав англійській ф і з и к М. Ф а р а д е й , о с м и с л и в ш и всі відомі на т о й час знання
з е л е к т р и к и і д і й ш о в ш и в и с н о в к у п р о існування е л е к т р и ч н о г о поля як виду
матерії.
Е л е к т р и ч н е поле є о с о б л и в а ф о р м а матерії, нерозривно зв'язана з у с я к и м
е л е к т р и ч н и м з а р я д о м . Через електричне поле відбуваються всі електричні
взаємодії.
Д о с л і д ж е н н я е л е к т р и ч н о г о поля м о ж н а п р о в о д и т и , п о м і щ а ю ч и в п о л е
невеликі заряджені тіла. Н и м и м о ж у т ь бути легкі заряджені кульки чи гільзи.
Такі тіла ми далі називатимемо п р о б н и м и заря
д а м и . За їх д о п о м о г о ю виявляють наявність елек
тричного поля в даній точці простору. П р о наявність
поля свідчить дія на заряджене тіло певної сили.
Я к щ о в конкретну точку електричного поля
п о с л і д о в н о п о м і щ а т и п р о б н і заряди
я к і м а ю т ь різні значення, то на н и х з о о к у поля
будуть діяти різні сили
Я к щ о знайти
відношення к о ж н о ї з ц и х сил до значення пробного
заряду, на я к и й діє ця сила, то о т р и м а є м о одне й
те саме значення:
Це означає, що відношення
характеризує
електричне поле, адже воно не залежить від зна
чення в м і щ е н о г о у дану т о ч к у поля п р о б н о г о
заряду і має одне й те саме значення для конкретної
т о ч к и даного поля, але у р і з н и х т о ч к а х поля м о ж е
мати різні значення.
12. 1.
2.
3.
4.
Як проявляється взаємодія заряджених тіл?
С ф о р м у л ю й т е закон Кулона.
Що таке електричне поле?
Що є основною характеристикою електромагнітного поля?
НАПРУЖЕНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ
Фізичну величину, яка визначається відношенням сили, що діє на
заряд, в м і щ е н и й у дану т о ч к у поля, до значення ц ь о г о заряду, н а з и в а ю т ь
напруженістю електричного поля. П о з н а ч а є т ь с я н а п р у ж е н і с т ь л і т е р о ю Е і
визначається за ф о р м у л о ю
О д и н и ц е ю напруженості електричного поля в СІ є 1 в о л ь т на 1 м е т р
Напрям вектора н а п р у ж е н о с т і збігається з н а п р я м о м с и л и , з я к о ю поле
діє на п о з и т и в н и й п р о б н и й заряд, р о з м і щ е н и й у даній т о ч ц і п о л я .
Я к щ о поле створене н е р у х о м и м т о ч к о в и м зарядом q0, то на п р о б н и й заряд
q буде д і я т и сила ^ = к*Щ-. Т о м у значення н а п р у ж е н о с т і е л е к т р о с т а т и ч н о г о
поля, створеного н е р у х о м и м т о ч к о в и м зарядом, р о з р а х о в у є т ь с я за ф о р м у л о ю
де Е — напруженість е л е к т р и ч н о г о поля,
точковий
заряд, г — відстань м і ж зарядами.
Для т о г о , щ о б визначити напруженість е л е к т р и ч н о г о п о л я , с т в о р е н о г о
с и с т е м о ю н е р у х о м и х т о ч к о в и х з а р я д ж е н и х тіл, слід в и х о д и т и з принципу
суперпозиції, згідно з я к и м :
Е л е к т р и ч н е поле м о ж н а з о б р а ж а т и , п р о в о д я ч и в е к т о р и н а п р у ж е н о с т і
в к о ж н і й й о г о т о ч ц і . П р о т е таке графічне з о б р а ж е н н я є н е з р у ч н и м , т о м у
що в е к т о р и н а п р у ж е н о с т і накладаються о д и н на о д н о г о і с п о с т е р і г а є т ь с я
заплутана картина.
13. М. Фарадей запропонував більш наочний метод з о б р а ж е н н я е л е к т р и ч н и х
п о л і в за д о п о м о г о ю силових ліній (ліній напруженості).
Силові лінії т о ч к о в и х зарядів я в л я ю т ь с о б о ю п р я м і лінії, щ о п р о х о д я т ь
через ці заряди.
В в а ж а є т ь с я , що силові лінії п о ч и н а ю т ь с я на п о з и т и в н о з а р я д ж е н и х тілах
і з а к і н ч у ю т ь с я на негативно з а р я д ж е н и х (мал. 4 ) .
Лінії н а п р у ж е н о с т і не п е р е т и н а ю т ь с я , адже в к о ж н і й точці поля вектор
має л и ш е один н а п р я м . З т о г о , як г у с т о р о з м і щ е н і силові лінії в полі, м о ж н а
судити про напруженість поля.
О т ж е , силові лінії д а ю т ь наочну к а р т и н у розподілу е л е к т р и ч н о г о поля у
п р о с т о р і : густота с и л о в и х ліній і їх напрям характеризують значення і напрям
в е к т о р а н а п р у ж е н о с т і е л е к т р и ч н о г о поля в к о ж н і й й о г о т о ч ц і . Силові лінії
е л е к т р и ч н о г о п о л я ніде не п е р е т и н а ю т ь с я , вони м о ж у т ь тільки с х о д и т и с ь до
заряду або р о з х о д и т и с ь від н ь о г о .
На мал. 4 п о д а н о приклади ліній н а п р у ж е н о с т і п о з и т и в н о і негативно
з а р я д ж е н и х к у л ь о к (мал. 4, а, б), д в о х різнойменно заряджених к у л ь о к (мал.
4, в), д в о х о д н о й м е н н о з а р я д ж е н и х к у л ь о к (мал. 4, г), д в о х пластин, заряди
я к и х однакові за м о д у л е м і п р о т и л е ж н і за знаком (мал. 4, д).
а
б
в
14. Е л е к т р и ч н е п о л е , в я к о м у н а п р я м і з н а ч е н н я на
п р у ж е н о с т і в у с і х т о ч к а х о д н а к о в і , н а з и в а є т ь с я одно
р і д н и м . В о д н о р і д н о м у полі с и л о в і лінії паралельні одна
одній, мають однаковий напрям, однакову густоту.
Прикладом однорідного поля м о ж е слугувати поле м і ж
двома паралельними металевими пластинами з рівними за
значенням і п р о т и л е ж н и м и за знаком зарядами (мал. 5).
Електричне поле не має меж, воно існує в усіх точках про
стору. Я к щ о й кажуть про певну межу, то мають на увазі певну
т о ч к у поля, в якій прилади вже не м о ж у т ь виявити це поле.
На о с н о в і з а к о н у Кулона і п р и н ц и п у с у п е р п о з и ц і ї полів
м о ж н а визначити н а п р у ж е н і с т ь поля п р а к т и ч н о будь-якої
с у к у п н о с т і з а р я д ж е н и х тіл.
1. Що називають пробним зарядом?
2. Що таке напруженість електричного поля? Що вона характеризує?
3. Як визначається напруженість електричного поля?
4. У чому полягає принцип суперпозиції?
5. Які лінії називаються силовими?
6. Яке електричне поле називається однорідним?
Велике значення напруженості поблизу вістря на зарядженому провіднику приво
дить до явища, відомого під назвою «електричний вітер».
В атмосферному повітрі завжди є невелика кількість позитивних йонів і вільних
електронів, які виникають під впливом космічних променів, випромінювання
радіоактивних речовин тощо. У сильному електричному полі біля вістря позитивні йони
рухаються і захоплюють за с о б о ю молекули повітря, утворюючи «електричний вітер».
Якщо біля вістря розмістити полум'я свічки, то воно під дією «вітру» буде відхилятися.
ПОТЕНЦІАЛ ЕЛЕКТРИЧНОГО
РІЗНИЦЯ ПОТЕНЦІАЛІВ
ПОЛЯ.
На к о ж е н заряд, р о з м і щ е н и й в е л е к т р и ч н о м у полі, діє сила, під д і є ю я к о ї
він п е р е м і щ у є т ь с я . П р и р у с і заряду електричне поле в и к о н у є певну р о б о т у .
Р о б о т у сил е л е к т р и ч н о г о поля м о ж н а розглядати я к зміну потенціальної
енергії, я к у має к о ж н е заряджене тіло, що перебуває в ц ь о м у е л е к т р и ч н о м у
п о л і . Я к щ о п о з н а ч и т и потенціальну е н е р г і ю з а р я д ж е н о г о тіла, щ о
п е р е м і щ у є т ь с я під д і є ю е л е к т р и ч н и х с и л , у п о ч а т к о в і й і к і н ц е в і й т о ч к а х
т р а є к т о р і ї відповідно
, то р о б о т а сил е л е к т р и ч н о г о поля визначати
меться за ф о р м у л о ю
Різні пробні заряди у даній точці поля матимуть різні потенціальні енергії.
Водночас в і д н о ш е н н я потенціальної енергії п р о б н и х зарядів до їх значень
для даної т о ч к и поля є в е л и ч и н о ю с т а л о ю .
15. Потенціал п о з н а ч а є т ь с я л і т е р о ю ф і з а п и с у є т ь с я у вигляді
П о т е н ц і а л є с к а л я р н о ю в е л и ч и н о ю . П о т е н ц і а л и т о ч о к поля п о з и т и в н о
з а р я д ж е н о г о тіла м а ю т ь додатне значення, п о т е н ц і а л и ж негативно
з а р я д ж е н о г о тіла м а ю т ь в і д ' є м н е значення.
О д и н и ц е ю п о т е н ц і а л у в СІ є 1 вольт (1 В ) :
П о т е н ц і а л х а р а к т е р и з у є е л е к т р и ч н е п о л е у даній й о г о т о ч ц і та є й о г о
енергетичною характеристикою.
Я к щ о п о з н а ч и т и потенціали т о ч о к , в я к и х перебував п р о б н и й заряд д о
і п і с л я в и к о н а н н я р о б о т и силами електричного поля з й о г о п е р е м і щ е н н я ,
відповідно
і врахувати, що
то м о ж н а записати
Значення цієї роботи пропорційне значенню переміщуваного заряду і
залежить від т о г о , з я к о ї в я к у т о ч к у п е р е м і щ у є т ь с я заряд.
Значення п о т е н ц і а л ь н о ї енергії залежить від в и б о р у п о ч а т к у її відліку
( в и б о р у н у л ь о в о г о рівня потенціальної енергії). О т ж е , значення потенціалу
залежить від в и б о р у т о ч к и , в я к і й потенціал д о р і в н ю є н у л ю . Т а к о ю т о ч к о ю
у ф і з и ц і в в а ж а ю т ь т о ч к у , що з н а х о д и т ь с я у н е с к і н ч е н н о с т і .
Слід зазначити, що поняття « н е с к і н ч е н н і с т ь » , де прийнято вважати
ф і з и ч н о не в и з н а ч е н о . Т о м у під час з н а х о д ж е н н я п о т е н ц і а л у в д о в і л ь н і й
т о ч ц і поля завжди д о п у с к а ю т ь н е т о ч н і с т ь на значення потенціалу в т о ч ц і ,
я к у в в а ж а ю т ь р о з м і щ е н о ю у н е с к і н ч е н н о с т і . І н ш и м и с л о в а м и , потенціал
д о в і л ь н о ї т о ч к и поля в и з н а ч а ю т ь завжди з т о ч н і с т ю до адитивної с т а л о ї .
Т о м у п о н я т т я « п о т е н ц і а л » у ц ь о м у р о з у м і н н і д е щ о ф і з и ч н о не визначено.
Б і л ь ш т о ч н и м й о д н о з н а ч н и м п о н я т т я м є « р і з н и ц я потенціалів» як фізична
величина, щ о визначається р о б о т о ю під час переміщення п р о б н о г о заряду
Кл м і ж т о ч к а м и поля з потенціалами
На практиці часто буває зручнішим вважати рівним нулю потенціал
Землі. Це д о п у с т и м о , оскільки при будь-яких розрахунках важливо
знати різницю потенціалів між деякими точками електричного поля, а
не абсолютне значення потенціалів у цих точках. В и м і р ю ю т ь різницю
16. потенціалів заземленим е л е к т р о м е т р о м , п о р і в н ю ю ч и потенціал з а р я д ж е н о г о
електрометра з потенціалом Землі.
Позначають напругу л і т е р о ю 17. О д и н и ц е ю напруги в СІ є 1 в о л ь т (1 В ) .
В р а х о в у ю ч и , що
, знаходимо зв'язок між напругою і
напруженістю електричного поля:
Вчені домовилися проводити поверхні так, щ о б різниця потенціалів
для д в о х с у с і д н і х п о в е р х о н ь була в с ю д и одна й та сама. Т о д і за г у с т о т о ю
еквіпотенціальних поверхонь можна зробити висновок про значення
напруженості поля: чим густіше розміщені ці поверхні, тим швидше
з м і н ю є т ь с я потенціал під час переміщення в з д о в ж нормалі до п о в е р х о н ь і
т и м більша у ц ь о м у м і с ц і н а п р у ж е н і с т ь
1. Як визначити роботу сил електричного поля?
2. Д а й т е визначення потенціалу.
3. Яких значень може набувати потенціал?
4. Що таке різниця потенціалів в електричному полі?
5. Які одиниці напруги в системі СІ?
У с е ж и т т я л ю д и н у оточують природні атмосферні електричні п о л я . Найяскравіше
проявляє себе електричне поле під час грози. Т о д і його напруженість біля Землі
досягає 10 кіловольт на метр (кВ/м). А л е і в безхмарну п о г о д у напруженість атмо
с ф е р н о г о поля в середньому становить 130 В/м. Ми говоримо про середнє значен
ня тому, що, як і, д о п у с т и м о , сонячна активність, атмосферне електричне поле коли
ваються циклічно, досягаючи максимуму в певні періоди. Найбільші значення припа
дають на 22-річний (два одинадцятирічних), річний, 27-добовий і добовий періоди.
Залежить це значення і від географічного положення: максимальна сила електрично
го поля в помірних широтах, мінімальна — на полюсах і біля екватора. А л е всі ці зміни
сприймаються організмом як належне.
Внаслідок активної науково-технічної діяльності, особливо в останні д е с я т и л і т т я ,
л ю д и н а привнесла свої корективи в атмосферу, що оточує нас. Рівень напруженості
електричного поля зріс, і в деяких місцях став вже небезпечний д л я живого організму.
О с о б л и в о негативно електричне п о л е впливає на з д о р о в ' я л ю д и н и там, де є
високовольтні лінії електропередач ( Л Е П ) . Напруженість електричного поля безпосе
редньо під Л Е П залежно, звичайно, від її конструкції, досягає іноді десятків кіловольт
на метр.
На думку вчених, основний механізм біологічної дії електричного поля — поява
в організмі «струмів з с у в у » . Так називається рух електрично заряджених частинок.
Дослідження показали, що ступінь функціональних розладів залежить від тривалості
перебування людини в електричному полі. Найбільш чутлива до цього нервова с и с т е -
17. ма, опосередковано можуть виникати р о з л а д и діяльності і серцево-судинної с и с т е
ми, зміни у складі крові.
Тому л ю д и , які знаходяться в зоні високовольтних с п о р у д , мають дотримуватися
всіх необхідних норм безпеки.
Вченими встановлена потенційна небезпека перебування л ю д и н и в електричному
полі, напруженість якого перевищує 25 кВ/м. Т у т можна працювати тільки із застосу
ванням засобів індивідуального захисту.
Безпечним є рівень напруженості електричного поля в житлових будівлях, де л ю
д и н а перебуває за часом необмежено багато, — 0,5 кВ/м. Д л я порівняння можна на
вести приклад: такий електропобутовий прилад, як електроковдра, створює рівень
напруженості до 0,2 кВ/м. Д о п у с т и м и й рівень напруженості в районах житлової забу
дови становить 1 кВ. А ось у місцях, маповідвідуваних людьми (незабудовані території,
сільськогосподарські у г і д д я ) , безпечний рівень встановлений до 15 кВ/м, у важкодоступних, практично непрохідних місцях — 20 кВ/м.
Не знаючи про т е , як впливає на організм електричне поле високої напруги, деякі
л ю д и в зоні Л Е П розбивають г о р о д и , д о в г о і часто працюють там. Це неприпустимо!
Навіть професіоналам, що за службовим обов'язком здійснюють контроль і ремонт
Л Е П , дозволяється працювати не більше, ніж півтори години в день, якщо напруженість
там д о с я г а є 15 кВ/м, і не більше, ніж 10 хвилин при напруженості до 20 кВ/м.
У зоні електричного поля Л Е П небажано г у л я т и , кататися на лижах, о с о б л и в о
дітям та л ю д я м з ослабленою серцево-судинною системою. Це с т о с у є т ь с я і міських
територій, через які проходять високовольтні лінії. Потрібно максимально обмежити
своє перебування в подібних місцях. Ночівлі ж беззастережно виключаються.
Хотілося б застерегти аматорів-садівників, щоб вони не будували ніяких метале
вих будиночків, сарайчиків д л я зберігання інвентарю на території Л Е П . Д о т и к до такої
с п о р у д и , навіть якщо людина ізольована від Землі, наприклад гумовим взуттям, може
завдати д у ж е сильне і далеко не завжди безпечне д л я життя ураження струмом.
ЕЛЕКТРОЄМНІСТЬ. КОНДЕНСАТОР.
ЕНЕРГІЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ.
Я к щ о і з о л ь о в а н о м у п р о в і д н и к у будь-якої ф о р м и , надавати п о с л і д о в н о
заряди
з б і л ь ш у ю ч и загальний заряд, т о й о г о потенціал буде
зростати.
Д о с л і д и м о , від ч о г о з а л е ж и т ь потенціал з а р я д ж е н о г о тіла. Для ц ь о г о
скористаємося двома електрометрами, корпуси я к и х заземлені. На стержнях
електрометрів закріпимо металеві порожнисті кулі різного діаметра (мал. 6 ) .
З а р я д и м о м е т а л е в у к у л ь к у н а і з о л я ц і й н і й р у ч ц і від в и с о к о в о л ь т н о г о
перетворювача або електрофорної машини і почнемо вносити її у порожнину
меншої за діаметром кулі (мал. 6, а ) , аж доки не торкнемося нею внутрішньої
п о в е р х н і кулі. В е с ь заряд з к у л ь к и перейде на з о в н і ш н ю п о в е р х н ю кулі,
електрометр п о к а ж е певне значення потенціалу. П р о р о б и в ш и аналогічний
дослід з б і л ь ш о ю кулею (мал. 6, б ) , ми побачимо, що стрілки обох електрометрів
відхиляються, але кут відхилення у них буде різний. Знову зарядимо кульку і
перенесемо п о р ц і ю заряду на порожнисті кулі, їхні заряди збільшаться вдвічі, а
електрометри покажуть збільшення потенціалу. Я к щ о будемо і далі повторювати
18. такі дії кілька разів, то спостерігатимемо відповідне зростання потенціалів
к у л ь . П о т е н ц і а л к у л ь буде п р о п о р ц і й н и й з н а ч е н н ю ї х заряду, щ о м о ж н а
відобразити відповідними графіками. Але потенціал більшої кулі буде зростати
повільніше, ніж меншої. Отже, графіки залежності потенціалу куль від заряду
будуть різними. Проаналізувавши результати досліду та графіки (мал. 6, а, б),
можна зробити висновки: потенціал к о ж н о ї кулі прямо пропорційний її заряду;
коефіцієнт пропорційності для різних куль має різні значення.
О т ж е , відношення заряду п р о в і д н и к а до й о г о потенціалу для р і з н и х к у л ь
буде р і з н и м . Це відношення називають електроємністю п р о в і д н и к а .
19. Проаналізувавши виконані досліди та отримане рівняння, м о ж н а сказати,
що електроємність кулі більшого діаметра більша. У X V I I — X V I I I ст.
електрику уявляли собі як аналог рідини, що м о ж е «вливатися» у провідник
і « в и л и в а т и с я » із н ь о г о . З ц и х уявлень стає зрозумілим п о х о д ж е н н я терміну
« е л е к т р о є м н і с т ь » . Е л е к т р о є м н і с т ь провідника залежить від й о г о розмірів
і ф о р м и , не з а л е ж и т ь від матеріалу, агрегатного с т а н у , ф о р м и і р о з м і р і в
п о р о ж н и н всередині провідника. Це п о я с н ю є т ь с я т и м , що надлишок зарядів
розподіляється лише на зовнішній поверхні провідника. Електроємність
провідника не залежить т а к о ж ні від заряду, розташованого на провіднику,
ні від й о г о п о т е н ц і а л у , але з а л е ж и т ь від їх с п і в в і д н о ш е н н я . Сказане не
суперечить формулі, о с к і л ь к и вона лише показує, що потенціал провідника
п р я м о п р о п о р ц і й н и й й о г о заряду і обернено пропорційний до електроємності.
О д и н и ц е ю е л е к т р о є м н о с т і є 1 фарад (1 Ф ) . Ця о д и н и ц я названа на честь
а н г л і й с ь к о г о ф і з и к а М. Фарадея, я к и й з р о б и в значний в н е с о к у вивчення
електричних явищ.
Значення є м н о с т і тіла 1 Ф д у ж е велике, т о м у н а практиці в и к о р и с т о в у ю т ь
о д и н и ц і є м н о с т і , кратні фараду:
Велику е л е к т р о є м н і с т ь м а ю т ь с и с т е м и з д в о х п р о в і д н и к і в , я к і називають
конденсаторами (з лат. condense — згущую). К о н д е н с а т о р являє с о б о ю два
п р о в і д н и к и , розділені ш а р о м діелектрика, т о в щ и н а я к о г о мала п о р і в н я н о з
розмірами п р о в і д н и к і в . У ц ь о м у випадку провідники називають обкладками
конденсатора.
Слід з а з н а ч и т и , щ о о с н о в н а к л а с и ф і к а ц і я к о н д е н с а т о р і в п р о в о д и т ь с я
за т и п о м д і е л е к т р и к а в к о н д е н с а т о р і . Тип д і е л е к т р и к а визначає о с н о в н і
е л е к т р и ч н і параметри к о н д е н с а т о р і в : о п і р ізоляції, стабільність є м н о с т і ,
в е л и ч и н у втрат т о щ о .
За видом діелектрика р о з р і з н я ю т ь : вакуумні конденсатори (обкладки без
д і е л е к т р и к а з н а х о д я т ь с я у в а к у у м і ) , конденсатори з газоподібним і рідким
діелектриком, конденсатори з твердим неорганічним діелектриком (скляні,
с л ю д я н і , к е р а м і ч н і , т о н к о ш а р о в і з н е о р г а н і ч н и х п л і в о к ) , конденсатори
з твердим органічним діелектриком (паперові, металопаперові, п л і в к о в і ,
комбіновані — паперовоплівкові, тонкошарові з органічних синтетичних
плівок),
електролітичні
і
оксидно-напівпровідникові.
Такі
конденсатори
в і д р і з н я ю т ь с я від у с і х і н ш и х т и п і в п е р ш з а все с в о є ю в е л и к о ю є м н і с т ю .
Я к д і е л е к т р и к в и к о р и с т о в у ю т ь о к с и д н и й ш а р н а металевому аноді. Друга
обкладка ( к а т о д ) — це або електроліт (в е л е к т р о л і т и ч н и х к о н д е н с а т о р а х )
або шар напівпровідника (в оксидно-напівпровідникових), нанесений
б е з п о с е р е д н ь о н а о к с и д н и й ш а р . А н о д в и г о т о в л я є т ь с я , з а л е ж н о від т и п у
к о н д е н с а т о р а , з а л ю м і н і є в о ї , н і о б і є в о ї або танталової ф о л ь г и .
Крім того, конденсатори розрізняються за здатністю змінювати с в о ю
є м н і с т ь : постійні конденсатори — о с н о в н и й клас к о н д е н с а т о р і в , я к і не
20. з м і н ю ю т ь с в о є ї є м н о с т і , змінні конденсатори — к о н д е н с а т о р и , що м о ж у т ь
змінювати є м н і с т ь у процесі ф у н к ц і о н у в а н н я апаратури (керування є м н і с т ю
здійснюється механічно, електричною напругою (варіконди, варікапи) і
температурою
(термоконденсатори)),
підстроювальні
конденсатори
—
к о н д е н с а т о р и , є м н і с т ь я к и х з м і н ю є т ь с я під час р а з о в о г о або п е р і о д и ч н о г о
регулювання і не з м і н ю є т ь с я у процесі функціонування апаратури. На мал. 7
зображені к о н д е н с а т о р и р і з н о г о т и п у .
Найпростішим конденсатором — плоским конденсатором — є с и с т е м а із
двох плоских провідних пластин, р о з м і щ е н и х паралельно одна одній на малій
п о р і в н я н о з р о з м і р а м и пластин відстані і розділених ш а р о м д і е л е к т р и к а .
Електричне поле п л о с к о г о к о н д е н с а т о р а в о с н о в н о м у з о с е р е д ж е н е м і ж
пластинами (мал. 8 ) , але біля країв пластин і у н а в к о л и ш н ь о м у с е р е д о в и щ і
т а к о ж виникає порівняно слабке електричне поле, яке називають полем
р о з с і ю в а н н я . У багатьох задачах наближено м о ж н а нехтувати полем
р о з с і ю в а н н я і вважати, що електричне поле п л о с к о г о конденсатора ц і л к о м
зосереджене м і ж й о г о обкладками (мал. 9).
З урахуванням р о з м і р і в обкладок п л о с к о г о конденсатора і відстані м і ж
н и м и , е л е к т р о є м н і с т ь п л о с к о г о конденсатора буде визначатися т а к :
де С — е л е к т р о є м н і с т ь п л о с к о г о к о н д е н с а т о р а ,
(електрична стала),
— діелектрична п р о н и к н і с т ь ,
— площа обкладки
конденсатора,
— відстань м і ж обкладками конденсатора.
Щ о б одержати потрібну електроємність, к о н д е н с а т о р и з ' є д н у ю т ь у батареї.
Мал. 7
21. Мал. 8
Мал. 9
Під час паралельного з'єднання конденсаторів (мал. 10) напруги на
конденсаторах о д н а к о в і :
, а заряди д о р і в н ю ю т ь
Т а к у с и с т е м у м о ж н а розглядати як єдиний к о н д е н с а т о р е л е к т р о є м н і с т ю С,
заряджений зарядом
при напрузі м і ж обкладками, щ о д о р і в н ю є
Звідси в и п л и в а є
Т а к и м ч и н о м , під час паралельного з'єднання конденсаторів їх електро
ємності
додаються.
Я к щ о конденсатори з'єднати послідовно (мал. 11), то однаковими
виявляться заряди о б о х конденсаторів:
а напруги на них дорівнють
Таку с и с т е м у м о ж н а розглядати я к є д и н и й к о н д е н с а т о р ,
з а р я д ж е н и й зарядом
при напрузі м і ж обкладками
Отже,
Під
час
послідовного з'єднання конденсаторів додаються їхні обернені
електроємності.
Ф о р м у л и для паралельного і п о с л і д о в н о г о з'єднання залишаються
справедливими для будь-якого числа конденсаторів, з ' є д н а н и х у батарею.
Н а п р а к т и ц і в и к о р и с т о в у є т ь с я т а к о ж з м і ш а н е з'єднання к о н д е н с а т о р і в .
Досліди п о к а з у ю т ь , щ о з а р я д ж е н и й к о н д е н с а т о р м і с т и т ь запас енергії.
П р о ц е с зарядки конденсатора м о ж н а уявити як послідовне перенесення
д о с и т ь м а л и х п о р ц і й заряду
з однієї обкладки на і н ш у (мал. 12).
Мал. 10
22. У цей же час одна обкладка п о с т у п о в о з а р я д ж а є т ь с я п о з и т и в н и м з а р я д о м , а
і н ш а — негативним. О с к і л ь к и к о ж н а п о р ц і я п е р е н о с и т ь с я в у м о в а х , к о л и на
обкладках в ж е є д е я к и й заряд
а м і ж н и м и і с н у є деяка р і з н и ц я потенціалів
т о при перенесенні к о ж н о ї п о р ц і ї
з о в н і ш н і с и л и повинні в и к о н а т и
роботу
Після закінчення п р о ц е с у зарядки енергія
к о н д е н с а т о р а є м н і с т ю С,
з а р я д ж е н о г о зарядом
визначиться за ф о р м у л о ю
Я к щ о врахувати співвідношення
то формулу, я к а виражає енергію
з а р я д ж е н о г о к о н д е н с а т о р а , м о ж н а записати в і н ш і й еквівалентній ф о р м і :
Електричну енергію
слід р о з г л я д а т и я к п о т е н ц і а л ь н у е н е р г і ю , щ о
накопичилася в зарядженому конденсаторі.
Конденсатори знаходять с в о є застосування в у с і х галузях е л е к т р о т е х н і к и .
В о н и в и к о р и с т о в у ю т ь с я для п о б у д о в и різних е л е к т р и ч н и х кіл з частотнозалежними в л а с т и в о с т я м и , зокрема, фільтрів, кіл з в о р о т н о г о з в ' я з к у ,
коливальних к о н т у р і в т о щ о .
Під час ш в и д к о г о р о з р я д ж а н н я к о н д е н с а т о р а м о ж н а о т р и м а т и імпульс
великої п о т у ж н о с т і , наприклад, у ф о т о с п а л а х а х , е л е к т р о м а г н і т н и х приско
рювачах, і м п у л ь с н и х лазерах з о п т и ч н о ю н а к а ч к о ю .
Я к щ о конденсатор м о ж е довгий час зберігати заряд, то й о г о м о ж н а
в и к о р и с т о в у в а т и як елемент п а м ' я т і або п р и с т р і й зберігання е л е к т р и ч н о ї
енергії.
Конденсатори в и к о р и с т о в у ю т ь с я як вимірювальні перетворювачі, а
с а м е : у в и м і р ю в а л ь н о м у перетворювачі малих п е р е м і щ е н ь (мала зміна
відстані м і ж обкладками д у ж е п о м і т н о впливає на є м н і с т ь к о н д е н с а т о р а ) , у
в и м і р ю в а л ь н о м у перетворювачі в о л о г о с т і п о в і т р я , деревини (зміна складу
діелектрика п р и в о д и т ь д о зміни є м н о с т і ) .
23. 1. Що таке електроємність провідника? Від чого вона залежить? Як вона визнача
ється?
2. Що таке 1 ф а р а д ?
3. Який конденсатор називається плоским?
4. За якою ф о р м у л о ю визначається електроємність плоского конденсатора?
5. Які види конденсаторів ви знаєте?
6. Як визначається електроємність конденсаторів, з'єднаних паралельно? П о с л і
довно?
7. Що таке енергія конденсатора? Як вона визначається?
8. Наведіть приклади застосування конденсаторів у техніці.
Розв'язуємо разом
1. В однорідному електростатичному полі на однаковій відстані від двох пластин
розміщені електрон і протон. Чи з однаковою швидкістю вони досягнуть пластин?
Розв'язання
Більшу швидкість матиме електрон, тому що внаслідок меншої маси він набуває
значно більшого прискорення.
2. Позитивну обкладку конденсатора електроємністю
= 1 м к Ф з'єднали з
позитивною обкладкою конденсатора, електроємність якого
= 2 мкФ, а негативну
— з негативною. Визначте різницю потенціалів
на затискачах такої батареї
конденсаторів, якщо до з'єднання напруга на першому конденсаторі була
= 300 В,
а на другому
= 150 В.
Розв'язання
Заряд першого конденсатора дорівнював до з'єднання
а після з'єднання
Відповідно заряд другого конденсатора
був д о з ' є д н а н н я п і с л я
з'єднання
Оскільки з'єднано однойменно заряджені обкладки,то за зако
ном збереження заряду
Звідси
Підставивши значення фізичних величин, отримаємо U = 200 В.
1. Чому лінії напруженості електричного поля не перетинаються?
2. Зобразіть картину ліній напруженості електричного поля між двома зарядами у
випадках:
3. Заряд 0,1 мкКл перебуває в електричному полі у точці напруженістю 5 Н/Кл. Яка
сила діє на цей заряд?
4. У деякій точці поля на заряд 2 нКл діє сила 0,4 мкН. Визначте напруженість поля
у цій точці.
5. Яке значення точкового заряду, на який однорідне електричне поле напруже
ністю 600 кН/Кл діє із силою 0,3 м Н ?
6. Визначте напруженість поля заряду 36 нКл у точках, віддалених від нього на 9 і
18 см.
7. На якій відстані від заряду
Кл напруженість поля дорівнює 300 Н/Кл?
24. 8. Визначте заряд, що створює електричне поле, якщо на відстані 5 см від заряду
напруженість поля становить
9. Ємність конденсатора дорівнює 40 п Ф . Виразіть цю ємність у фарадах та
мікрофарадах.
10. Відокремленому провіднику надали заряд
зарядивши його до
потенціалу 100 В. Визначте електроємність провідника у фарадах, мікрофарадах
і пікофарадах.
11. На конденсаторі написано: 100 пФ; 300 В. Чи можна використати цей конденсатор
для накопичення заряду 50 нКл?
12. Яку ємність має конденсатор, якщо під час його заряджання до напруги 1,4 кВ
він дістав заряд 28 нКл?
13. До якої напруги зарядили конденсатор ємністю 20 мкФ, якщо він дістав заряд
4мКл?
14. Найбільша ємність шкільної демонстраційної батареї конденсаторів 58 мкФ. Який
заряд вона накопичить, якщо її приєднати до полюсів джерела струму напругою
50 В?
15. Як зміниться електроємність шкільного розсувного конденсатора, я к щ о
збільшити відстань між його пластинами?
2
16. Площа пластин слюдяного конденсатора 15 см , а відстань між пластинами
0,02 см. Яку ємність має конденсатор?
2
17. Пластини конденсатора мають площу по 10 см . Яка товщина діелектрика (слюди)
між ними, коли ємність конденсатора становить 500 пФ?
18. Визначте енергію конденсатора, я к щ о його ємність 0,25 м к Ф , а різниця
потенціалів між пластинами 400 В. Який заряд має конденсатор?
4
19. Ємність конденсатора 6 мкФ, а заряд 3-Ю" Кл. Визначте енергію електричного
поля конденсатора.
20. Заряд конденсатора
напруга на обкладках 500 В. Визначте енергію
електричного поля конденсатора.
21. Визначте напруженість електричного поля в точці, віддаленій на відстань 10 см
від точкового заряду, якщо в точці, віддаленій від нього на 5 см, напруженість
дорівнює 40 В/м.
22. Відстань між двома точковими зарядами
дорівнює 10 см.
Яка напруженість поля, створеного цими зарядами, у точці, що знаходиться
посередині між ними?
23. Негативний заряд -30 нКл і позитивний заряд 20 нКл знаходяться на відстані
1 м один від одного. В якій точці напруженість електричного поля дорівнює нулю?
24. Два однакові точкові заряди по 3 нКл кожний розміщені на відстані 6 см один
від одного. Визначте напруженість поля у точці, що перебуває на відстані 5 см
від кожного із зарядів.
25. Напруженість поля між двома горизонтально розміщеними пластинами до
рівнює
Н/Кл. У полі цих пластин зависла заряджена пилинка масою
Який заряд пилинки?
26. Наблизьте палець до кульки зарядженого електроскопа. Листочки зійдуться.
Заберіть палець — і листочки знову розійдуться. Як пояснити це явище?
27. Конденсатор невідомої ємності С зарядили до напруги 100 В. Потім його з'єднали
паралельно із незарядженим конденсатором ємністю 5 мкФ. При цьому напруга
на першому конденсаторі зменшилась на 25 В. Визначте ємність С.
28. З якою силою взаємодіють пластини плоского конденсатора площею
якщо різниця потенціалів між ними 500 В, а відстань 3 мм?
25. 29. Плоский конденсатор, відстань між пластинами якого 1 см, заряджено до напруги
200 В. Якою буде напруга на конденсаторі, якщо його пластини розсунути до
10 см?
30. Визначте заряд плоского конденсатора ємністю 0,04 мкФ, якщо напруженість
поля в конденсаторі 320 В/см, а відстань між пластинами 2 мм.
31. У скільки разів зміниться енергія конденсатора, якщо напругу на ньому збільшити
в 4 рази?
32. Площа кожної з пластин плоского конденсатора становить
а відстань між
ними дорівнює 1 см. Визначте енергію поля, якщо напруженість 500 кВ/м.
33. Як зміниться ємність плоского конденсатора, я к щ о між його пластинами
розмістити провідну пластинку, товщиною якої можна знехтувати? Як буде
впливати на ємність конденсатора місце розташування розміщеної пластинки?
Чи буде впливати на зміну ємності товщина розміщеної пластинки?
34. Пластини плоского повітряного конденсатора площею 5 притягуються із силою
Р. Визначте заряд конденсатора.
35. Плоский повітряний конденсатор із площею пластин
і відстанню між
пластинами
заряджено до напруги
після чого від'єднано від джерела. Яку
роботу треба виконати, щоб розсунути пластини до відстані с^?
ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ. ЕЛЕКТРИЧНЕ КОЛО.
З'ЄДНАННЯ ПРОВІДНИКІВ
З к у р с у ф і з и к и 9 класу ви знаєте, що електричним с т р у м о м називають
упорядкований (напрямлений) рух заряджених частинок. Електричний струм
в и н и к а є , к о л и в п о р я д к о в а н о п е р е м і щ у ю т ь с я вільні електрони у металі або
йони в електролітах і т.д. Але, я к щ о переміщати нейтральне в цілому тіло, т о ,
незважаючи на впорядкований рух величезної кількості електронів і атомних
ядер, електричний с т р у м не виникає. Повний заряд, я к и й переноситься через
будь-який переріз провідника, дорівнюватиме н у л ю , бо заряди різних знаків
переміщуються з однаковою середньою швидкістю.
Е л е к т р и ч н и й с т р у м м а є п е в н и й н а п р я м . За напрям струму беруть
напрям руху позитивно заряджених частинок. Я к щ о с т р у м у т в о р и в с я
рухом негативно заряджених частинок, то напрям струму вважають
протилежним напряму руху частинок. Розрізняють постійний і змінний
с т р у м и . П р и п о с т і й н о м у с т р у м і через п р о в і д н и к у будь-якій й о г о ділянці
з ч а с о м п р о т і к а є о д н а к о в и й за значенням заряд і в о д н о м у н а п р я м і . Для
існування е л е к т р и ч н о г о с т р у м у в п е в н о м у середовищі повинні виконувати
ся такі у м о в и : 1) наявність вільних н о с і ї в заряду (електронів, йонів т о щ о ) ;
2) наявність у середовищі причин, внаслідок я к и х вільні заряджені ч а с т и н к и
п е р е м і щ а ю т ь с я в певному напрямі, наприклад, наявність електричного поля;
3) наявність з а м к н е н о г о кола.
С т р у м , я к щ о він і с н у є , о б о в ' я з к о в о п р и з в о д и т ь а б о д о в и н и к н е н н я
м а г н і т н о г о п о л я , або до нагрівання провідника, або до зміни й о г о с т р у к т у р и .
Ви в ж е знаєте, що будь-який заряджений провідник має певний потенціал
і в у с і х т о ч к а х й о г о поверхні цей потенціал о д н а к о в и й . Коли ж у провіднику
існує струм, то потенціал у його різних точках не буде однаковим — він
зменшується (спадає) у напрямі струму.
26. У провідниках майже завжди потрібно підтримувати струм протягом
тривалого часу, тобто на їхніх кінцях різниця потенціалів не повинна
зменшуватись. Пристрої, в яких відбувається розділення заряджених
ч а с т и н о к , за р а х у н о к ч о г о і п і д т р и м у є т ь с я необхідна р і з н и ц я потенціалів,
н а з и в а ю т ь с я джерелами струму. С и л и , я к і д і ю т ь у д ж е р е л і с т р у м у ,
п е р е н о с я т ь з а р я д від т о ч о к з м е н ш и м п о т е н ц і а л о м д о т о ч о к з б і л ь ш и м
потенціалом, в и к о н у ю ч и у цей час р о б о т у . Отже, д ж е р е л о с т р у м у є д ж е р е л о м
енергії. Н а п р у г у н а к і н ц я х д ж е р е л а ( р і з н и ц ю п о т е н ц і а л і в ) щ е н а з и в а ю т ь
енергетичною характеристикою струму. У гальванічних елементах і
акумуляторах в електричну енергію перетворюється енергія хімічних
в з а є м о д і й , у термогенераторах — теплова енергія т о щ о .
Електричні кола, в я к и х п і д т р и м у є т ь с я с т р у м і в и к о р и с т о в у ю т ь с я й о г о
властивості, складаються з джерела струму, споживачів (нагрівники,
освітлювальні прилади, електродвигуни т о щ о ) , вимірювальних і регулювальних
приладів, вимикачів та і н ш и х елементів, з'єднаних провідниками.
К і л ь к і с н о ю х а р а к т е р и с т и к о ю електричного с т р у м у є й о г о сила / і густина
де
— заряд, що п е р е н о с и т ь с я вільними н о с і я м и заряду через п о п е р е ч н и й
переріз провідника,
— інтервал часу перенесення заряду. Вона в к а з у є ,
с к і л ь к и заряджених частинок п р о й ш л о через поперечний переріз провідника
за о д и н и ц ю часу.
При рівномірному розподілі густини струму по поперечному перерізу
п р о в і д н и к а сила с т р у м у буде визначатися так:
де
— з а р я д ч а с т и н к и , — к і л ь к і с т ь частинок в одиниці о б ' є м у , — с е р е д н я
ш в и д к і с т ь напрямленого р у х у ч а с т и н о к ,
— п л о щ а п о п е р е ч н о г о перерізу
провідника.
Для створення й існування електричного струму необхідна наявність
вільних з а р я д ж е н и х ч а с т и н о к (носіїв с т р у м у ) — п о з и т и в н о або негативно
заряджених ч а с т и н о к , не зв'язаних в єдину електрично нейтральну с и с т е м у , і
сили, що с т в о р ю є і підтримує їх упорядкований р у х . Як правило, т а к о ю с и л о ю
є с и л а з б о к у е л е к т р и ч н о г о п о л я всередині п р о в і д н и к а , я к е в и з н а ч а є т ь с я
е л е к т р и ч н о ю н а п р у г о ю на к і н ц я х провідника.
Для т о г о , щ о б с т р у м б у в тривалим, енергія е л е к т р и ч н о г о поля повинна
весь час п о п о в н ю в а т и с я , т о б т о , потрібен такий п р и с т р і й , в я к о м у певний вид
енергії безперервно п е р е т в о р ю є т ь с я на енергію е л е к т р и ч н о г о п о л я . Т а к и й
пристрій називається д ж е р е л о м електрорушійної сили або д ж е р е л о м с т р у м у .
Для отримання електричного струму необхідно створити електричне
к о л о , я к е складається з джерела с т р у м у , с п о ж и в а ч і в електричної енергії,
27. в и м і р ю в а л ь н и х і р е г у л ю в а л ь н и х приладів, в и м и к а ч і в та і н ш и х елементів,
з ' є д н а н и х п р о в і д н и к а м и . К о л о п о в и н н о б у т и замкнене.
З к у р с у ф і з и к и 9 класу ви знаєте, що сила с т р у м у на ділянці кола
п р я м о п р о п о р ц і й н а прикладеній напрузі і о б е р н е н о п р о п о р ц і й н а до о п о р у
цієї ділянки:
Нагадаємо, щ о о п і р х а р а к т е р и з у є здатність п р о в і д н и к а
протидіяти напрямленому р у х у заряджених ч а с т и н о к . Вперше цю залежність
сили с т р у м у від напруги й о п о р у у 1827 р. встановив н і м е ц ь к и й вчений Г. О м .
На й о г о ч е с т ь її називають з а к о н о м Ома для ділянки кола. Іноді ф о р м у л у для
з а к о н у Ома з а п и с у ю т ь т а к :
Д о б у т о к ІВ. н а з и в а ю т ь спадом напруги на даній ділянці кола. Я к щ о вона не
м і с т и т ь д ж е р е л а с т р у м у , то п о н я т т я напруги і спаду напруги з б і г а ю т ь с я .
Е л е к т р и ч н а е н е р г і я від д ж е р е л а с т р у м у п е р е д а є т ь с я п о п р о в о д а х
с п о ж и в а ч а м : електродвигунам, лампам, нагрівальним приладам, телевізорам,
радіоприймачам т о щ о . За д о п о м о г о ю з'єднувальних провідників і вимикачів у
електричне к о л о часто в м и к а ю т ь т а к о ж вимірювальні прилади: амперметри,
в о л ь т м е т р и , о м м е т р и , ватметри, л і ч и л ь н и к и електричної енергії т о щ о .
Найпоширенішими і найпростішими типами з'єднання провідників є
послідовне і паралельне з ' є д н а н н я .
П р и п о с л і д о в н о м у з ' є д н а н н і е л е к т р и ч н е к о л о н е має р о з г а л у ж е н ь . У с і
п р о в і д н и к и в в і м к н е н о в к о л о по черзі, один за о д н и м . На мал. 13 показано
послідовне з'єднання двох провідників, опори яких
(наприклад, з
д в о м а л а м п о ч к а м и , д в о м а о б м о т к а м и електродвигуна т о щ о ) .
Сила с т р у м у в о б о х п р о в і д н и к а х однакова:
о с к і л ь к и в провідниках під час п р о х о д ж е н н я п о с т і й н о г о с т р у м у електричний
заряд не н а к о п и ч у є т ь с я , і через будь-який переріз п р о в і д н и к а за певний
інтервал часу п р о х о д и т ь один і той с а м и й заряд.
Н а п р у г а ( а б о р і з н и ц я потенціалів) на к і н ц я х розглядуваної д і л я н к и кола
с к л а д а є т ь с я з напруг на п е р ш о м у і д р у г о м у п р о в і д н и к а х :
Застосувавши закон Ома для всієї ділянки в цілому і для ділянок з опорами
м о ж н а д о в е с т и , щ о повний о п і р при п о с л і д о в н о м у з'єднанні т а к и й :
А н а л о г і ч н а формула застосовна для будь-якої к і л ь к о с т і п о с л і д о в н о
з'єднаних провідників.
Н а п р у г и на провідниках і їхні о п о р и в разі послідовного з'єднання зв'язані
співвідношенням:
Мал. 13
На мал. 14 показано паралельне з'єдна
ння д в о х п р о в і д н и к і в , о п о р и я к и х
У цьому випадку електричний струм 1
р о з г а л у ж у є т ь с я на дві ч а с т и н и . Силу
струму в першому і другому провідниках
28. позначимо
Оскільки в точці А —
розгалуженні провідників (таку точку
н а з и в а ю т ь в у з л о м ) — е л е к т р и ч н и й заряд не
н а к о п и ч у є т ь с я , то заряд, що надходить за
о д и н и ц ю ч а с у у в у з о л , д о р і в н ю є заряду, щ о
в и х о д и т ь з вузла за т о й с а м и й ч а с . О т ж е ,
Напруга
на провідниках, з'єднаних
паралельно, одна і та сама.
В освітлювальній мережі підтримується
Мал. 14
напруга 220 В. На цю напругу розраховані
прилади, що використовують електричну
е н е р г і ю . Т о м у паралельне з'єднання — н а й п о ш и р е н і ш и й с п о с і б з ' є д н а н н я
різних с п о ж и в а ч і в . У ц ь о м у випадку вихід з ладу одного приладу не впли
ває на р о б о т у і н ш и х , тоді як при п о с л і д о в н о м у з'єднанні вихід з ладу о д н о г о
приладу р о з м и к а є все к о л о .
З а с т о с о в у ю ч и закон Ома для д і л я н о к з о п о р а м и
можна довести,
що величина, обернена до п о в н о г о о п о р у ділянки АВ, д о р і в н ю є с у м і величин,
обернених до опорів окремих провідників:
Звідси
Вказані ф о р м у л и м о ж н а з а с т о с у в а т и до паралельного з ' є д н а н н я будь-якої
кількості провідників.
Сили с т р у м у в п р о в і д н и к а х і ї х н і о п о р и у випадку паралельного з ' є д н а н н я
зв'язані с п і в в і д н о ш е н н я м :
На практиці, щ о б виміряти силу струму в провіднику, амперметр
в м и к а ю т ь послідовно ц ь о м у провіднику (мал. 15). А л е треба мати на увазі,
щ о сам амперметр має д е я к и й о п і р
Т о м у о п і р ділянки кола з у в і м к н у т и м
амперметром збільшується, і при незмінній напрузі сила с т р у м у з м е н ш у є т ь с я
згідно із законом Ома. Щ о б амперметр я к о м о г а менше впливав на силу
с т р у м у , я к и й в и м і р ю ю т ь , й о г о о п і р р о б л я т ь д у ж е м а л и м . Ц е слід п а м ' я т а т и
і н і к о л и не намагатися « в и м і р я т и с и л у с т р у м у » в освітлювальній м е р е ж і ,
в м и к а ю ч и амперметр у р о з е т к у . Станеться к о р о т к е з а м и к а н н я . Сила с т р у м у
при м а л о м у о п о р і приладу д о с я г н е т а к о г о в е л и к о г о значення, щ о о б м о т к а
амперметра з г о р и т ь .
Щ о б в и м і р я т и н а п р у г у н а д і л я н ц і к о л а з о п о р о м і?,
д о н ь о г о паралельно в м и к а ю т ь в о л ь т м е т р . Н а п р у г а н а
в о л ь т м е т р і з б і г а т и м е т ь с я з н а п р у г о ю на д і л я н ц і к о л а
(мал. 16).
Мал. 15
29. Я к щ о опір вольтметра Д в , то після й о г о вмикання в к о л о
о п і р д і л я н к и в ж е буде не
Тому напруга, яку вимірюють на ділянці кола,
з м е н ш и т ь с я . Щ о б вольтметр п о м і т н о не с п о т в о р ю в а в
вимірюваної напруги, його о п і р має бути набагато більшим
п о р і в н я н о з о п о р о м ділянки кола, на я к і й в и м і р ю є т ь с я напруга. В о л ь т м е т р
м о ж н а в м и к а т и в к о л о , не р и з и к у ю ч и , що він згорить, я к щ о він розрахований
на напругу, я к а п е р е в и щ у є напругу в м е р е ж і .
Мал. 1 6
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Що таке електричний струм? Який його напрям?
Які є види електричного струму?
По чому можна судити про наявність струму в провіднику?
Як визначається сила струму, що тече через поперечний переріз провідника?
Назвіть умови створення й існування електричного струму в колі.
Запишіть закони послідовного і паралельного з'єднання провідників.
Чому опір амперметра має бути малим, а опір вольтметра — великим?
РОБОТА ТА ПОТУЖНІСТЬ
ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ
П р и в п о р я д к о в а н о м у р у с і з а р я д ж е н и х ч а с т и н о к у п р о в і д н и к у електричне
поле в и к о н у є р о б о т у . Ц ю р о б о т у п р и й н я т о називати роботою струму.
Я к щ о розглядати довільну ділянку електричного кола — однорідний
провідник: нитку лампи розжарення, резистор, обмотку електродвигуна
т о щ о , то м о ж н а з'ясувати, що за інтервал часу
через поперечний переріз
провідника
п р о х о д и т ь заряд
Т о д і е л е к т р и ч н е поле в и к о н у є р о б о т у
Оскільки сила струму
то ця робота визначається за ф о р м у л о ю :
де
— сила с т р у м у в к о л і ;
— напруга на ділянці кола;
п р о т я г о м я к о г о виконувалася р о б о т а .
—інтервал ч а с у ,
Згідно із з а к о н о м з б е р е ж е н н я енергії ця р о б о т а має д о р і в н ю в а т и зміні
енергії розглядуваної ділянки кола. Т о м у енергія, я к а в и д і л я є т ь с я на даній
д і л я н ц і к о л а з а інтервал ч а с у
дорівнює роботі електричного струму:
Я к щ о на ділянці кола не в и к о н у є т ь с я механічна р о б о т а і с т р у м не чинить
х і м і ч н и х дій, відбувається тільки нагрівання провідника, я к и й віддає теплоту
навколишньому середовищу.
30. Як же це відбувається? В і д о м о , я к щ о електрон п о т р а п л я є в е л е к т р и ч н е
поле, то він п о ч и н а є р у х а т и с я з п р и с к о р е н н я м . П і с л я зіткнення з й о н а м и
к р и с т а л і ч н о ї ґ р а т к и електрони передають й о н а м с в о ю е н е р г і ю , і внаслідок
ц ь о г о енергія х а о т и ч н о г о р у х у й о н і в біля п о л о ж е н ь рівноваги з р о с т а є . Ц е
свідчить п р о збільшення в н у т р і ш н ь о ї енергії провідника, температура я к о г о
п і д в и щ у є т ь с я , і він п о ч и н а є передавати теплоту н а в к о л и ш н і м тілам. Через
невеликий інтервал часу після замикання кола процес у с т а н о в л ю є т ь с я
і т е м п е р а т у р а з ч а с о м п е р е с т а є з м і н ю в а т и с я . До п р о в і д н и к а за р а х у н о к
р о б о т и е л е к т р и ч н о г о поля безперервно н а д х о д и т ь енергія, й о г о в н у т р і ш н я
енергія з а л и ш а є т ь с я н е з м і н н о ю , о с к і л ь к и п р о в і д н и к передає н а в к о л и ш н і м
тілам к і л ь к і с т ь теплоти, я к а д о р і в н ю є р о б о т і е л е к т р и ч н о г о с т р у м у . О т ж е ,
співвідношення
для роботи струму у випадку однорідного провідника
визначає к і л ь к і с т ь теплоти, щ о передається п р о в і д н и к о м і н ш и м тілам.
Я к щ о у формулі
напругу записати через с и л у с т р у м у або с и л у
с т р у м у через н а п р у г у , с к о р и с т а в ш и с ь з а к о н о м Ома для д і л я н к и к о л а , т о
о т р и м а є м о три еквівалентні формули для р о б о т и е л е к т р и ч н о г о с т р у м у :
Формулу
з р у ч н о в и к о р и с т о в у в а т и для к о л а з п о с л і д о в н и м
з ' є д н а н н я м п р о в і д н и к і в , т о м у що сила с т р у м у в у с і х п р о в і д н и к а х о д н а к о в а .
П р и паралельному з ' є д н а н н і к р а щ е в и к о р и с т о в у в а т и ф о р м у л у
т о м у щ о напруга н а в с і х провідниках однакова.
Закон, що визначає кількість теплоти, я к у виділяє провідник зі с т р у м о м у
навколишнє середовище, вперше експериментально встановили англійський
учений Д ж . Д ж о у л ь і р о с і й с ь к и й учений Е. X. Ленц, т о м у він і о т р и м а в назву
— закон Д ж о у л я — Л е н ц а :
де
— к і л ь к і с т ь т е п л о т и , що виділилася у п р о в і д н и к у ;
— сила с т р у м у
в провіднику;
— електричний опір провідника;
—інтервал часу
проходження струму по провіднику.
Закон Д ж о у л я — Л е н ц а виведено із закону збереження енергії. Ф о р м у л а
дає з м о г у визначити к і л ь к і с т ь теплоти, що виділяється на будья к і й ділянці е л е к т р и ч н о г о кола, я к е складається з будь-яких п р о в і д н и к і в .
Будь-який с п о ж и в а ч е л е к т р и ч н о г о с т р у м у ( л а м п о ч к а , е л е к т р о д в и г у н ,
електродзвінок т о щ о ) розрахований на використання певної енергії за
о д и н и ц ю ч а с у . Т о м у разом з р о б о т о ю с т р у м у важливе значення має п о н я т т я
потужності
електричного
струми.
31. Ц е й вираз для п о т у ж н о с т і м о ж н а подати в к і л ь к о х еквівалентних ф о р м а х ,
в и к о р и с т о в у ю ч и з а к о н Ома для д і л я н к и к о л а :
Д л я б і л ь ш о с т і е л е к т р о п р и л а д і в з а з н а ч е н о п о т у ж н і с т ь , я к у в о н и спо
ж и в а ю т ь , на к о р п у с і або в т е х н і ч н и х п а с п о р т а х .
1. Що називають роботою електричного струму? За якими ф о р м у л а м и вона визна
чається?
2. Як зв'язана р о б о т а електричного струму з потужністю споживача струму?
3. Як можна визначити потужність струму?
ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛА.
ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОВНОГО КОЛА
Я к щ о у п р о в і д н и к у і с н у є електричне поле, але не створені у м о в и для й о г о
п і д т р и м к и , то переміщення носіїв с т р у м у (електронів, йонів) за к о р о т к и й час
призведе до т о г о , що поле всередині провідника зникне і с т р у м п р и п и н и т ь с я .
Я к вам у ж е в і д о м о , з а н а п р я м с т р у м у в з я т о н а п р я м р у х у п о з и т и в н о
заряджених носіїв. Вони рухаються в напрямі напруженості поля в
п р о в і д н и к у , т о б т о в б і к з м е н ш е н н я потенціалу.
Переміщення носіїв с т р у м у в провіднику без підтримки електричного поля
п р и в о д и т ь д о в и р і в н ю в а н н я потенціалів у з д о в ж п р о в і д н и к і в . Т о м у для т о г о ,
щ о б п і д т р и м у в а т и с т р у м тривалий час, треба від кінця провідника з м е н ш и м
потенціалом (носії с т р у м у вважаються позитивно зарядженими) безперервно
відводити заряди, я к і п р и н о с я т ь с я до ц ь о г о к і н ц я провідника с т р у м о м , а до
к і н ц я з б і л ь ш и м потенціалом безперервно їх підводити. І н ш и м и с л о в а м и ,
необхідно здійснити кругообіг зарядів, щ о б вони рухалися замкненим
к о н т у р о м (мал. 1 7 ) .
Здійснити такий рух носіїв струму тільки за наявності електростатичного поля
не м о ж н а . А д ж е рух позитивно заряджених носіїв струму від кінця провідника
з меншим потенціалом до кінця провідника з більшим потенціалом відбувається
проти дії кулонівських сил — сил електростатичного поля. Отже, у замкненому
колі повинні бути ділянки, де перенесення позитивних зарядів відбувається
Мал. 17
проти сил е л е к т р о с т а т и ч н о г о п о л я . П е р е м і щ е н н я
н о с і ї в заряду на ц и х д і л я н к а х м о ж л и в е л и ш е за
д о п о м о г о ю сил неелектростатичного п о х о д ж е н н я ,
я к і мають назву — сторонні сили.
Т а к и м ч и н о м , для п і д т р и м к и с т р у м у п о т р і б н і
сторонні сили, що діють або в у с ь о м у колі, або
н а о к р е м и х й о г о д і л я н к а х . Ц і сили м о ж у т ь б у т и
обумовлені хімічними процесами, д и ф у з і є ю носіїв
струму в неоднорідному середовищі або через м е ж у
м і ж двома різнорідними речовинами, електричними
