Issuu

УДК 53(075.3) ББК 22.3я721 З-36

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України (наказ МОН України від 10.05.2016 р. № 491) видано за рахунок державних коштів. Продаж заборонено

Експерти, які здійснювали експертизу даного підручника під час проведення конкурсного відбору проектів підручників для учнів 8 класу загальноосвітніх навчальних закладів і зробили висновок про доцільність надання підручнику грифа «Рекомендовано Міністерством освіти і науки України»: Зиков С. М., учитель Запорізького ліцею «Логос» Запорізької міської ради, учитель-методист; Левицька Т. М., завідувач міським методичним кабінетом управління освіти Ніжинської міської ради; Чінчой О. О., кандидат педагогічних наук, доцент кафедри фізики та методики її викладання Кіровоградського державного педагогічного університету імені Володимира Винниченка

Засєкіна Т. М. З-36 Фізика : підруч. для 8 кл. загальноосвіт. навч. закладів / Т. М. Засєкіна, Д. О. Засєкін. — К. : УОВЦ «Оріон», 2016. — 256 с. : іл.

ISBN 978-617-7355-36-5. УДК 53(075.3) ББК 22.3я721

ISBN 978-617-7355-36-5

Як користуватися підручником Юні друзі! Вивчаючи фізику в 7 класі, ви переконались, що ця наука відкриває для вас багато таємниць природи, допомагає пояснити явища, з якими ви стикаєтеся на кожному кроці. Ще більше відкриттів ви зробите, вивчаючи теплові й електричні явища у 8 класі! Полегшить вам цей шлях пізнання книга, яку ви тримаєте в руках і з якою працюватимете впродовж навчального року. Цей підручник містить два розділи. Перед кожним із них коротко викладено суть матеріалу, що міститься в даному розділі, а наприкінці, у рубриці «Підсумки до розділу …» узагальнено і систематизовано навчальний матеріал. Розділи поділено на параграфи, що починаються з коротких рубрик «Ви дізнаєтесь» і «Пригадайте». Ці рубрики повідомлять вам про основні питання, які розглядатимуться в параграфі, а також підкажуть, що потрібно пригадати із раніше вивченого. В основному тексті параграфа формули, визначення і поняття для зручності виділено шрифтом і кольором. Наприкінці кожного параграфа є рубрика «Підбиваємо підсумки», яка допоможе вам краще запам’ятати головне. Важливо, щоб результатом навчання стали не лише глибокі й міцні знання з фізики, а й сформовані вміння використовувати їх для розв’язання різноманітних навчальних і життєвих задач. З цією метою в підручнику після кожного параграфа є рубрика «Я знаю, вмію й розумію». В рубриці «Домашні досліди та спостереження» пропонуються завдання, які ви зможете виконати самостійно. Оскільки розв’язування фізичних задач є одним із найважливіших умінь, що формуються у процесі опанування фізики, то в підручнику запропоновано рубрику «Вчимося розв’язувати задачі», а також «Вправи» із задачами різної складності. Задачі підвищеного рівня складності позначені зірочкою (*). Виконуючи завдання з рубрики «Перевірте себе», ви зможете оцінити свої знання й уміння застосувати їх. У рубриці «Фізика навколо нас» міститься додатковий матеріал, що ілюструє текст параграфа прикладами з історії фізики, техніки та повсякденного життя. У деяких параграфах є рубрика з додатковим матеріалом, яка позначена відповідною піктограмою . У кінці підручника вміщено відповіді до вправ і предметний покажчик. Бажаємо успіхів у навчанні, нехай ця книжка стане вашим добрим помічником! Автори

ЗМІСТ Як користуватися підручником . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 розділ 1. Теплові явища. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 § 1. Тепловий рух . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 § 2. Агрегатні стани речовини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 § 3. Температура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 § 4. Залежність розмірів тіл від температури. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 § 5. Внутрішня енергія . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 § 6. Теплопровідність. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 § 7. Конвекція . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 § 8. Теплове випромінювання. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 § 9. Кількість теплоти. Розрахунок кількості теплоти під час нагрівання тіла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 § 10. Тепловий баланс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Лабораторна робота № 1. вивчення теплового балансу за умов змішування води різної температури . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Лабораторна робота № 2. визначення питомої теплоємності речовини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Перевірте себе (§1–10) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 § 11. Кристалічні та аморфні тіла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 § 12. Розрахунок кількості теплоти під час плавлення/тверднення тіл . . . 68 § 13. Випаровування і конденсація . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 § 14. Кипіння. Розрахунок кількості теплоти під час пароутворення / конденсації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 § 15. Згорання палива. Розрахунок кількості теплоти внаслідок згорання палива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 § 16. Перетворення енергії в теплових процесах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 § 17. Теплові двигуни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Перевірте себе (§11–17). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Підсумки до розділу «Теплові явища» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 виконуємо навчальні проекти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Проявляємо компетентність . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 розділ 2. електричні явища. електричний струм . . . . . . . . . . . . . . . . 118 § 18. Взаємодія заряджених тіл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 § 19. Електрон. Електричні властивості речовини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5 § 20. Електричне поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 § 21. Механізми електризації тіл. Закон збереження електричного заряду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 § 22. Подільність електричного заряду. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 § 23. Закон Кулона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 § 24. Електричний струм. Джерела електричного струму . . . . . . . . . . . . . 150 § 25. Дії електричного струму. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 § 26. Електричне коло . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 § 27. Сила струму . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 § 28. Електрична напруга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 § 29. Електричний опір. Закон Ома для ділянки кола . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Лабораторна робота № 3. вимірювання опору провідника за допомогою амперметра й вольтметра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 § 30. Електричний опір металевих провідників. Питомий опір . . . . . . . . . 183 Перевірте себе (§18–30). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 § 31. Послідовне з’єднання провідників . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Лабораторна робота № 4. Дослідження електричного кола з послідовним з’єднанням провідників. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 § 32. Паралельне з’єднання провідників . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Лабораторна робота № 5. Дослідження електричного кола з паралельним з’єднанням провідників . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 § 33. Робота і потужність електричного струму . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 § 34. Закон Джоуля — Ленца. Електронагрівальні прил ади . . . . . . . . . . . 217 § 35. Електричний струм в металах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 § 36. Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів. Закон Фарадея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 § 37. Електричний струм у газах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Перевірте себе (§31–37). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Підсумки до розділу «електричні явища. електричний струм» . . . . 244 виконуємо навчальні проекти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 відповіді до вправ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Предметний покажчик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

Розділ 1

Теплові явища

Серед планет Сонячної системи тільки на Землі сформувалися всі умови, необхідні для існування життя. Це наявність води, повітря, достатньої кількості світла й тепла. Теплові явища відіграють величезну роль в житті людини, тварин та рослин. Вони лежать в основі кругообігу речовин й енергії в природі, зміни кліматичних умов, забезпечують розмаїття природи. Завдяки дослідженням теплових процесів люди зуміли створити машини, без яких неможливо уявити побут сучасної людини та стрімкий розвиток виробництва. В історії земної цивілізації навіть виокремлюють період, який називають «століттям пари». З часом парові машини удосконалювались, на заміну деяким із них прийшли електричні машини, але й до сьогодні уявити сучасний світ без двигунів внутрішнього згорання, реактивних двигунів, теплових установок — неможливо! І неможливо при цьому оминути питання, пов’язані з наслідками використання теплових машин: забруднення, глобальне потепління, енергетичні й економічні проблеми та кризи. Вивчаючи розділ «Теплові явища», ви дізнаєтеся, що таке тепловий рух, температура, кількість теплоти, внутрішня енергія. З’ясуєте, що відбувається всередині тіла, коли воно нагрівається, плавиться або випаровується. Ознайомитесь із різноманіттям речовин у природі й дізнаєтесь, які речовини люди навчилися створювати штучно. Попереду вас чекають цікаві досліди і спостереження, які ви зможете виконати самостійно. Ви дослідите особливості теплових процесів, зрозумієте, чому речовини можуть змінювати свої агрегатні стани. Навчитесь обчислювати кількість теплоти під час теплообміну між тілами й у разі зміни агрегатного стану речовини. Після вивчення розділу «Теплові явища» ви здобудете знання, які дозволять вам не тільки пояснювати теплові явища, а й застосовувати їх у своїй практичній і майбутній професійній діяльності.

§1

Тепловий рух

Теплові явища. У природі відбуваються явища, які ми пов’язуємо з теплом і холодом: нагрівання й охолодження, плавлення й тверднення, випа Як рухаються ровування й конденсація. Такі явища називають і взаємодіють тепловими. Теплові явища можуть супроводжуваміж собою молекули тися зміною агрегатного стану речовини.  Чому рух молекул Питання: що таке теплота, як її можна виміряназивають тепловим ти, як вона передається від одного тіла до іншого — цікавили багатьох дослідників ще з давніх часів. Пригадайте Те, що теплові явища пов’язані із внутрішнім рухом і взаємодією частинок тіла, учені довели завдяки три Положення валим спостереженням, дослідженням і дискусіям. молекулярноПерші спроби пояснити теплові явища належать кінетичного вчення філософам давнини, які розглядали вогонь і пов’язану про будову з ним теплоту як одну зі стихій, що разом із землею, речовини водою й повітрям входить до складу всіх тіл. У той самий час деякі дослідники робили спроби пов’язати теплоту з рухом. Що могло бути підставою для таких спроб? Відповідь може видатись очевидною, адже всім відомо, що внаслідок удару або тертя тіла нагріваються. Проте процес узгодження наукових пояснень теплових явищ на основі внутрішнього руху та взаємодії частинок речовини був складним і тривалим. Адже людина неспроможна безпосередньо бачити частинки речовини й спостерігати особливості їхнього руху. Як саме фізикам вдалося пояснити тепловий стан тіла — головна проблема, яку ми будемо досліджувати в цьому розділі. Почнемо з дослідів, що переконливо доводять: речовина складається із мікрочастинок (молекул, атомів), які постійно й хаотично1 рухаються та взаємодіють між собою. Наші дослідження будуть пов’язані з мікрочастинками, яких ми не можемо побачити неозброєним оком. Тому для опису цих частинок, зображення їх на малюнках ми будемо користуватися фізичним моделюванням. Пригадуєте, досліджуючи механічний рух, ми використовували фізичну модель — матеріальну точку, тобто в певних умовах нехтували розмірами тіла.

Ви дізнаєтесь

Хаотèчно (від старогрец. χάος) — безладно, неорганізовано, неконтрольовано.

9 Досліджуючи теплові явища, також будемо вдаватися до моделювання, зокрема, до схематичного та графічного зображення структурних часток речовини у вигляді кульок. Хоча насправді внутрішня будова речовини є іншою. Як відомо, структурними частками різних речовин можуть бути атоми, йони, молекули та інші частинки. Для пояснення деяких процесів, коли не важливо, яка саме частинка є структурною, вживається узагальнений термін «молекула». Одним із найсучасніших досягнень людства є нанотехнології, які дозволили вченим «зазирнути» в таємниці мікросвіМ��. 1. Фотографія органічної ту. Сучасні нанотехнології дають змогу молекули пентацена (C22H14), що складається із 22 атомів Карбону не лише отримати зображення молекул й 14 атомів Гідрогену. й атомів (мал. 1), а й створити нові їхні Розмір молекули 1,4 нм. Знизу — комбінації для отримання матеріалів із модель цієї молекули: сірі кульки — наперед заданими властивостями. атоми Карбону, білі — Гідрогену Явища, що підтверджують рух молекул. Поспостерігайте, що відбуватиметься, якщо налити в посудину томатного соку, а потім акуратно, щоб не відбувалося змішування, долити води й залишити розчин на 2–3 дні. Ви помітите, що з часом почне змінюватися колір рідини: спершу на межі двох рідин, а згодом — і в усьому об’ємі (мал. 2). Як це можна пояснити? Очевидно, що молекули однієї речовини (наприклад, томатного соку) внаслідок руху можуть проникати між молекули іншої (наприклад, води) без жодного зовнішнього втручання. У цей же час молекули води також проникають між молекули томатного соку. М��. 2. Дослід Це явище має назву дифузія. зі спостереження дифузії в рідинах

Дифузія — явище взаємного проникнення частинок однієї речовини у проміжки між частинками іншої при їх безпосередньому контакті. Явище дифузії зумовлене безладним рухом частинок речовини. Дифузія спостерігається в газах, рідинах і твердих тілах. Відмінність у характері руху й взаємодії молекул у твердому, рідкому та газоподібному станах зумовлює різну швидкість дифузії. Наприклад, щоб аромат парфумів поширився кімнатою, потрібно декілька секунд, а щоб цукор повністю розчинився у воді — кілька хвилин.

10 Спостерігати явище дифузії у твердих тілах складніше, але можливо. В одному з дослідів добре відшліфовані свинцеву та золоту пластинки поклали одна на одну і притиснули тягарем. За кімнатної температури впродовж 5 років золото і свинець взаємно проникли одне в одне на відстань близько 1 мм (мал. 3). М��. 3. Дослід зі спостереження Швидкість дифузії залежить не лише дифузії у твердих тілах від агрегатного стану речовин, що взаємодіють. Якщо б дослід із дифузією рідин ви проводили в теплому місці та прохолодному, чи однаковим був би результат? Життєвий досвід і спостережливість підкажуть вам, що в теплому місці дифузія відбувається швидше. Переконатись у тому, що молекули речовини постійно й хаотично рухаються, можна й за допомогою такого досліду. Розчинимо у воді невелику кількість фарби (сажі або М��. 4. Спостереження молока). Візьмемо краплину цього слабкого й моделювання броунівського руху розчину, нанесемо її на скельце та помістимо на предметний столик мікроскопа. Спостерігаємо дивну картину: часточка фарби ніби оживає, вона рухається безладно в різних напрямах. Що змушує її рухатись? Причина руху полягає в тому, що молекули води зіштовхуються з мікрочастинкою фарби (або жиру молока чи крупинкою сажі), штовхають її з різних боків, і ці удари не компенсуються, оскільки кількість ударів-зіткнень у кожний момент часу з кожного боку різна. У результаті мікрочастинка рухається. роберт Броун (1773–1858) Траєкторія її руху — ламана лінія (мал. 4). Англійський (шотландський) учений (ботанік), який у 1827 р. першим спостерігав хаотичний рух мікрочастинок речовини — явище броунівського руху

Першим таке явище в 1827 р. спостерігав англійський ботанік Роберт Броун. За допомогою мікроскопа він розглядав спори плауна1 у воді. Учений помітив, що спори рухаються. Сам Броун спочатку вважав, що це відбувається тому, що спори живі. Однак частинки продовжували хаотично рухатися навіть після кип’ятіння суміші. Причому при збільшенні температури суміші Плаун, або п’ядич, зелениця, — рід багаторічних, трав’янистих, вічнозелених спорових рослин. Спîри (від грец. «сім’я, сіяння») — мікроскопічні одноклітинні, рідше багатоклітинні зачатки рослин, що служать для розмноження й поширення, а також збереження виду в несприятливих умовах. 1

11 рух спор ставав інтенсивнішим. Згодом Броун спостерігав такий самий хаотичний рух дрібних частинок інших речовин (органічних і неорганічних). Однак він не зміг пояснити цього явища. Проте ім’я дослідника ввійшло в історію фізики: рух завислих у рідині мікрочастинок названо на його честь — броунівським рухом. Броунівський рух вивчали багато вчених. Пояснення цьому явищу дали в 1905–1906 рр. видатний німецький фізик А. Ейнштейн та польський учений М. Смолуховський. Особливості теплового руху. Усі теплові явища зумовлені рухом і взаємодією частинок речовини (молекул). Таким чином, явище дифузії та броунівський рух є наочним підтвердженням хаотичного й безперервного руху мікрочастинок речовини. Причому швидкість руху молекул збільшується зі збільшенням температури речовини. Тому хаотичний рух молекул і називають тепловим.

Мар’ян Смолуховський (1872–1917) Видатний польський учений. Професор і ректор Львівського університету. Один з основоположників молекулярної фізики

Тепловим рухом називають безперервний, невпорядкований (хаотичний) рух молекул. Рух яблука або залізної кульки — це приклад механічного руху, а рух молекул яблука або молекул заліза — це тепловий рух (мал. 5). альберт ейнштейн (1879–1955)

М��. 5. Механічні й теплові рухи

Чому виникла необхідність називати рух молекул тепловим? Адже кожна молекула здійснює механічний рух, має певну швидкість руху, кінетичну енергію. Головна відмінність теплового руху від механічного пояснюється тим, що речовина містить величезну кількість молекул (наприклад, за нормальних умов1 в 1 м3 Нормальні умови (скорочено н. у.) — значення тиску (р = 101 кПа) й температури (t = 0 °C), за яких проводять фізичні й хімічні експерименти, з метою спрощення порівнянь їх результатів.

Видатний німецький та американський фізик-теоретик. Автор унікальних праць з теорії відносності, фотоелектричного ефекту, молекулярно-кінетичної теорії. Лауреат Нобелівської премії з фізики

12 кисню — 2,7·1025 молекул). При цьому кожна молекула зазнає зіткнень, внаслідок чого постійно змінюються її швидкість і напрям руху. Навіть якщо нам вдасться дослідити закономірності руху однієї молекули, стверджувати, що вони властиві всім іншим частинкам речовини, не можна! Тепловий рух великої кількості молекул має якісно інші характеристики порівняно з рухом окремої молекули. У цьому випадку, описуючи рух молекул, використовують середні значення: середня швидкість руху молекул, середня кінетична енергія молекул, середня потенціальна енергія молекул. Від значень цих величин (тобто від особливостей теплового руху та взаємодії молекул) залежить тепловий стан тіла: нагрівання й охолодження тіла, розширення тіл під час нагрівання, а також агрегатний стан речовини.

Підбиваємо підсумки Явище дифузії, броунівський рух підтверджують, що молекули хаотично й безперервно рухаються. Усі теплові явища зумовлені рухом і взаємодією частинок речовини (молекул). Тепловим рухом називають безперервний, невпорядкований (хаотичний) рух молекул.

1. Які явища вказують на невпорядкованість руху частинок речовини? 2. У чому полягає суть явища дифузії? Броунівського руху? 3. Наведіть приклади дифузії. Які особливості протікання цього явища у твердих тілах, рідинах і газах? 4. Чому хаотичний рух молекул називають тепловим? 5. Що відрізняє тепловий рух від механічного? ПОЯСніТЬ 1. Чи можна вважати безладний рух порошинок у повітрі броунівським? 2. Чому плями від розлитої кави легше видалити відразу і значно важче зробити це згодом?

§2

Агрегатні стани речовини

Пояснення агрегатних станів речовини на осноВи дізнаєтесь ві молекулярно-кінетичного вчення про будову речовини. Одна й та сама речовина може перебувати  Які особливості руху у твердому, рідкому та газоподібному станах, які молекул у рідкому, називають агрегатними станами речовини. твердому та газоУ природі різні стани тієї самої речовини подібному станах найчастіше можна спостерігати на прикладі води (лід, вода, водяна пара). Склад цієї речовини в Пригадайте різних агрегатних станах незмінний — два атоми Гідрогену й один атом Оксигену (мал. 6).  Що вам відомо про На відміну від води, інші речовини в природі в будову речовин усіх трьох агрегатних станах спостерігати складніше. Для цього потрібно створити відповідні умови (температура, тиск та інші). Назви таких речовин указують на їх агрегатний стан, наприклад, рідкий азот, пари ртуті, рідке олово. З’ясуємо, у чому відмінність руху та взаємодії молекул речовини в різних агрегатних станах. Газоподібний стан (або газ)1 — це стан речовини, в якому окремі молекули слабо взаємодіють між собою й рухаються хаотично. Середня кінетична енергія молекул є більшою, ніж їхня потенціальна енергія. У газоподібному стані молекули майже не зазнають взаємного притягання. Зіштовхуючись між собою кілька мільярдів разів за секунду, вони змінюють напрям руху. Відстань між атомами й молекулами газів набагато більша за їхні розміри (приблизно в десятки, а то й сотні разів). Цим, зокрема, пояснюється значна стисливість газів. Слабкі сили притягання молекул газу не можуть утримати їх одну біля М��. 6. Склад молекули води однаковий у всіх її агрегатних станах одної. Саме тому гази здатні безмеж(водяна пара, вода, лід) но розширюватись і не зберігають ані 1

Ще для означення цього стану вживають термін газуватий.

М��. 7. Опис властивостей газів: а — моделювання внутрішньої структури; б, в — відсутність власної форми, стисливість

форми, ані об’єму, тобто займають весь об’єм посудини, в якій вони містяться (мал. 7). Ці ознаки зумовлені тим, що молекули газу між короткочасними зіткненнями перебувають у вільному русі. Більшість речовин переходять у газоподібний стан з рідкого або твердого внаслідок нагрівання. Перехід із рідкого в газоподібний стан називають випаровуванням, а протилежний йому перехід із газоподібного стану в рідкий — конденсацією. Перехід із твердого стану в газоподібний, минаючи рідкий, називають сублімацією, а протилежний — десублімацією. Прикладом сублімації є висихання білизни на морозі. Тобто у водяну пару перетворюється лід, а не вода. Прикладом десублімації є утворення інею із водяної пари. Деякі речовини не мають газоподібного стану. Це речовини зі складною хімічною будовою, які при підвищенні температури розпадаються внаслідок хімічних реакцій раніше, ніж перетворюються на газ. Здебільшого, у звичних для людини земних умовах, певний газ має однакову густину, температуру, тиск у будь-якій точці посудини, яку займає. Однак це не універсальний закон. Наприклад, повітря в полі тяжіння нашої планети має різну густину, тиск і температуру: ці величини зменшуються з віддаленням від поверхні Землі. У рідині молекули перебувають на відстанях, сумірних із їхніми розмірами. На таких відстанях сила, з якою притягуються молекули, має велике значення. Тому потенціальна енергія притягання молекул рідини більша, ніж кінетична енергія їхнього теплового руху. Однак молекули рідини достатньо рухливі, тому вони часто змінюють своє положення, рухаючись «стрибками». Молекули рідини перебувають здебільшого в щільному оточенні су-

М��. 8. Опис властивостей рідин: а — моделювання внутрішньої структури; б, в — текучість, наявність вільної поверхні, відсутність власної форми, збереження об’єму

сідніх молекул. Коли ж раптово поруч виникає розрідження, то молекула проникає в нього. Таким чином вона потрапляє в «компанію» інших молекул і перебуває там поки не з’явиться можливість для нового «стрибка». Рухаючись, молекули рідини в будь-який момент часу мають більш-менш упорядковане розташування, яке називають ближнім порядком. Однак цей порядок на великих відстанях не зберігається і саме тому й називається ближнім порядком. У рідкому стані речовина зберігає об’єм, але не тримає форму. Це означає, що рідина може займати тільки частину об’єму посудини, але вільно перетікати й проникати в усі її закутки (мал. 8). Рідина, на відміну від газу, має добре визначену поверхню. Такі явища, як змочування тіл, утворення крапель зумовлені саме особливостями взаємодії молекул, що містяться в поверхневому шарі рідини (мал. 9). Вам, мабуть, доводилося бачити, як краплина води може розтікатися по поверхні, а може набувати форму кульки. Це зумовлено співвідношенням між силами притягання молекул рідини між собою та з молекулами твердого тіла, з яким контактує рідина. Якщо молекули рідини притягуються одна до одної слабше, ніж до молекул твердого тіла, — то рідина розтікається (змочує поверхню) (мал. 10, а, с. 16). А якщо сили притягання між молекулами самої рідини сильніші, ніж сили притягання цих молекул до молекул твердого тіла, — то рідина набуває форму кулі (не змочує поверхню) (мал. 10, б, с. 16).

М��. 9. Явище поверхневого натягу та його моделювання

б М��. 10. Явища змочування (а) і незмочування (б)

Для більшості речовин рідина — проміжний стан між газом і твердим тілом. Речовина може переходити в рідкий стан із твердого в результаті процесу, який називається плавленням, або з газоподібного — в результаті конденсації. Зворотний процес переходу з рідкого стану у твердий називається твердненням (або кристалізацією). У газоподібний стан рідина переходить унаслідок процесу пароутворення (кипіння й випаровування). Оскільки можна вважати, що в рідин, як і в газів, рухливість молекул досить значна, то їхні фізичні властивості не залежать від порядку розташування молекул. Проте існують ще й рідкі кристали, які досить широко використовуються в сучасних годинниках, моніторах і телевізорах. Зазвичай довгі, вузькі молекули рідкого кристалу розміщуються так, як зображено на малюнку 11. У твердих тілах структурні частинки (атоми або молекули) перебувають дуже близько одна від одної. Саме тому сили притягання між молекулами є досить великими. Оскільки середня потенціальна енергія взаємного притягання молекул значно більша за їхню кінетичну енергію, то молекули можуть лише хаотично коливатись відносно своїх положень. Вільно переміщуватись (так само, як у рідинах або газах) молекули твердих тіл не можуть. Саме цим пояснюється те, що тверді тіла мають певну форму та об’єм (мал. 12). Тверді тіла можуть бути кристалічними або аморфними. Прикладами кристалічних тіл є кварц, золото, лід, гірський кришталь, кремній, галіт (кам’яна сіль) та багато інших. Для кристалічних твердих тіл характерне впорядковане розташування молекул (мал. 13).

a М��. 11. Модель внутрішньої будови рідких кристалів

М��. 12. Опис властивостей твердих тіл: а — моделювання внутрішньої структури; б — наявність форми та об’єму

Просторові фігури, у вершинах яких містяться структурні частки речовини, називаються комірками кристалічної ґратки. Такі комірки в кристалі повторюються в усіх трьох напрямах. Саме тому кристалам притаманний дальній порядок. Тверді тіла, яким, так само як рідинам, дальній порядок не притаманний, називаються аморфними (наприклад, смола, парафін) (мал. 14, с. 18). Певна впорядкованість у розташуванні молекул твердих тіл зумовлює їхні фізичні властивості (теплопровідність, електропровідність, пружність та інші). Вивчаючи теплові явища, ми найчастіше будемо досліджувати такі речовини:  гази — повітря, водяна пара, кисень, вуглекислий газ;  рідини — вода, нафта, ртуть, гас;  тверді тіла — лід, алюміній, залізо, чавун, смола, парафін, пластмаси. Тому не зайвим буде пригадати все, що ви вивчали про ці речовини на уроках хімії, географії та біології. Зміни агрегатного стану речовини. Будь-яке тверде тіло завдяки нагріванню може перейти в рідкий або

б М��. 13. Кристалічні тіла: а — моделювання внутрішньої структури; б — зразки кристалів

Скло

Бурштин

газоподібний стан, тобто розплавитись або безпосередньо випаруватись. І навпаки, кожна рідина може стати твердим тілом, якщо її достатньою мірою охолодити (мал. 15). Кожній речовині потрібно створити відповідні умови (температура, тиск та ін.) для зміни агрегатного стану. Наприклад, ртуть необхідно охолодити до –39 °С, щоб вона затвердла, тоді як залізо плавиться за 1539 °С. Ще вищою є температура плавлення таких сполук, як карбіди та оксиди. За температури вище 6000 °С жодна з відомих нам речовин не може існувати як тверде тіло. Випаровуються не тільки рідини, а й тверді тіла. Так, шматок вольфраму за кімнатної температури навіть через тисячу років практично не втратить своєї маси. Якщо ж його помістити у вакуум за температури близько 3000 °С, то вже через день маса вольфраму зменшиться (приблизно на 1,7 грама з квадратного сантиметра поверхні). Але ви повинні запам’ятати, що при зміні агрегатного стану склад молекул речовини не змінюється. Плазма. Природно, виникає запитання: чи переходить газ у якийсь новий стан за значного збільшення температури? Такий стан існує, а речовина, яка перебуває в ньому, отримала назву плазма. Плазмою називають різновид газу, який складається із «зруйнованих атомів»: йонів та окремих електронів. Плазма може утворитися за значного нагрівання газу.

Тверда речовина

Рідина

Каніфоль Теплота надходить (плавлення)

Цукрові льодяники

Теплота віддається (кристалізація)

Газ Теплота надходить (випаровування і кипіння)

Теплота віддається (конденсація)

б Теплота надходить (сублімація)

М��. 14. Аморфні тіла: а — моделювання внутрішньої структури; б — зразки аморфних тіл

Теплота віддається (десублімація)

М��. 15. Схематичне зображення процесів, що приводять до змін агрегатних станів

М��. 16. Плазма

При цьому молекули настільки інтенсивно рухаються, що під час зіткнення, унаслідок великої сили удару, вони можуть втратити свої зовнішні електрони і в результаті з’являються вільні електрони та йони. Прикладом плазми (мал. 16) є речовина, з якої складаються Сонце та інші зорі. У земних умовах плазму можна спостерігати в атмосферних явищах: блискавка, північне сяйво. Полум’я також є плазмою.

Підбиваємо підсумки Речовини можуть перебувати в різних агрегатних станах. Склад молекули однієї й тієї самої речовини у твердому, рідкому та газоподібному станах однаковий. Той чи інший агрегатний стан речовини визначається відмінністю між характером руху і взаємодії молекул.

1. Які особливості руху молекул у рідкому, твердому та газоподібному станах? 2. Що можна сказати про сили притягання між структурними частинками речовини в різних агрегатних станах? 3. Яке співвідношення між кінетичною та потенціальною енергіями молекул для газоподібного, рідкого і твердого станів речовини? 4. Яка середня відстань між молекулами в газах, рідинах і твердих тілах у порівнянні з розмірами самих молекул? ПОЯСніТЬ 1. Чому тверді тіла й рідини не розпадаються на окремі молекули? 2. Що є причиною зміни агрегатного стану речовини?

§3

Температура

Тепловий стан тіла. Для людини важливо вміти правильно оцінювати тепловий стан тіл. Якщо необережно доторкнутися до посудини на розігрі Як і для чого вимітій плиті, можна отримати опіки; якщо залишити рюють температуру залізне відро з водою на морозі — воно може деформуватись; якщо залишити морозиво в теплій кімПригадайте наті — воно розтане. Ми можемо оцінити теплові стани деяких тіл  Чому рух молекул за власними відчуттями: чашка із щойно пригоназивають тепловим тованою кавою є гарячою, сніг — холодним. Але відчуття тепла або холоду є суб’єктивними. Наприклад, зануримо на кілька хвилин одну руку в гарячу воду, а іншу — в холодну. Після цього зануримо обидві руки в посудину з водою кімнатної температури і спробуємо за своїм відчуттям встановити, яка в ній вода — холодна чи гаряча? На диво, ми це не зможемо зробити, оскільки рука, що була в гарячій воді, відчуватиме холод, і навпаки, рука, що була в холодній воді, відчуватиме тепло. Щоб однозначно визначити тепловий стан тіла, треба знати фізичну величину, за якою можна об’єктивно встановити, яке з тіл і на скільки є теплішим чи холоднішим від іншого. Для характеристики теплового стану тіла використовують поняття температури. З цим поняттям ви вже знайомі. Спробуємо пояснити його з точки зору молекулярно-кінетичного вчення про будову речовини. Тепловий стан тіла визначається тепловим рухом його мікрочастинок: чим більшою є швидкість хаотичного руху мікрочастинок тіла, тим більш нагрітим воно буде, і навпаки. Пригадайте, підтвердженням цього є спостереження за явищем дифузії: при збільшенні температури речовини швидше проникають одна в одну. Швидкість руху молекул і температура тіла взаємопов’язані: чим вищою є температура тіла, тим більш інтенсивно рухаються його молекули. Проте, як виявилося, не лише швидкість руху молекул речовини впливає на її температуру. За нормальних умов у частинок із порівняно малими масами (наприклад, атоми або молекули водню, гелію) швидкості теплового руху більші, ніж у частинок з більшою масою (наприклад, моле-

Ви дізнаєтесь

21 кули кисню або води). Тому величина, з якою пов’язана температура — це не швидкість, а кінетична енергія руху молекул: чим вищою є температура тіла, тим більша середня кінетична енергія руху його мікрочастинок, і навпаки. Таким чином, з точки зору молекулярно-кінетичного вчення, температура тіла характеризує середню кінетичну енергію руху часток речовини, з якої воно складається. Температура — це фізична величина, що характеризує тепловий стан речовини і визначається середньою кінетичною енергією хаотичного руху частинок речовини. Теплова рівновага. З досвіду ми знаємо, що чайник з окропом, щойно знятий із плити, ставлять на спеціальну підставку, щоб не зіпсувати поверхню столу внаслідок її нагрівання. Гарячий чайник передає своє тепло поверхні, на якій стоїть. Якщо цей самий чайник поставити на сніг, то він швидко охолоне, а сніг під ним розтане. Досліди показують, що у природі існує важлива закономірність теплових процесів. Якщо тіла мають різну температуру, то обмін теплотою між ними відбувається в чітко визначеному напрямі: від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою. Під час контакту більш нагріті тіла віддають тепло менш нагрітим і при цьому охолоджуються, а менш нагріті тіла приймають тепло й нагріваються. До того ж, під час такого теплового контакту можуть змінюватися й інші властивості тіл: вони можуть стати більшими або меншими за розмірами, почати краще або гірше проводити електричний струм, змінити свій агрегатний стан, випромінювати світло тощо. Проте передача теплоти продовжується не безкінечно. Будь-яке тіло або система тіл, що перебувають в обмеженому просторі, з часом самочинно переходять у стан, у якому всі частини тіла або всі тіла системи мають однакову температуру, тобто у стан теплової рівноваги. З’ясуємо, у чому причина такого явища. Молекули гарячого тіла мають більшу кінетичну енергію, тому рухаються швидше, ніж молекули холодного тіла. Під час контакту тіл (дотику твердих тіл або змішування рідин і газів) більш швидкі молекули гарячого тіла співударяються з повільнішими молекулами холодного тіла й віддають їм частину своєї кінетичної енергії. У результаті швидкі молекули починають рухатися

22 повільніше, а повільні — швидше. Гаряче тіло поступово охолоджується, а холодне — нагрівається. З точки зору молекулярно-кінетичного вчення, у стані теплової рівноваги в усіх тіл, що контактують між собою, середня кінетична енергія хаотичного руху частинок речовини, а отже і температура, є однаковою. Температура всіх тіл у стані теплової рівноваги набуває однакового значення. Вимірювання температури. Термометри. Тіла, що перебувають у стані теплової рівноваги, мають однакову температуру. Це й покладено в основу її вимірювання. Прилад для вимірювання температури називають термометром. Щоб виміряти температуру певного тіла, його приводять у контакт із термометром і чекають, поки теплообмін між тілом і термометром припиниться. Термометр фіксує власну температуру, що дорівнює температурі тіла, з яким він перебуває в тепловій рівновазі. Вимірювання температури має деякі особливості: для температури не існує еталона, з яким би ми могли її порівнювати, як, наприклад, для маси чи довжини. Про зміну температури тіла судять за зміною інших фізичних параметрів тіл: об’єму, тиску, електричного опору тощо. Усі термометри складаються з вимірювального елемента і температурної шкали. В основу дії вимірювального елемента покладено певну його властивість, що залежить від температури. Наприклад, для рідинних термометрів (мал. 17, а) — це залежність об’єму рідини від температури, для електричних термометрів

М��. 17. Термометри різних конструкцій: а — рідинні; б — електричний; в — біметалевий

23 (мал. 17, б) — залежність сили струму від температури, для біметалевих (мал. 17, в) — залежність ступеня деформації металевої пластинки від температури. Найчастіше на практиці використовують залежність об’єму рідини (ртуті або спирту) від зміни температури. Такий спосіб вимірювання температури запропонував у 1742 р. шведський учений Андерс Цельсій. Для того щоб кількісно визначити температуру тіла, необхідно встановити одиницю температури і проградуювати температурну шкалу. Для градуювання рідинного термометра скляний балон, що переходить у капіляр і заповнений зафарбованим спиртом або ртуттю, опускають у лід, який тане за нормальних умов (t = 0 °С, р = 1,01·105 Па = 760 мм рт. ст.). Після того як між термометром і льодом наступає теплова рівновага, рух рідини в капілярі припиняється. Навпроти цього рівня на шкалі роблять позначку 0 °С. Після цього термометр переносять у киплячу дистильовану воду за нормального тиску. Після припинення підняття рідини в капілярі термометра роблять позначку 100 °С, потім відрізок між нанесеними поділками ділять на 100 рівних відрізків. Це так звана температурна шкала Цельсія. Температуру за цією шкалою позначають малою літерою t. Одиницю температури позначають символом °С (градус Цельсія). Абсолютна шкала температур. Поряд зі шкалою Цельсія у фізиці застосовують абсолютну шкалу температур, запропоновану англійським ученим Вільямом Томсоном, лордом Кельвіном (мал. 18, с. 24). Нуль цієї шкали є умовною точкою відліку й відповідає такому тепловому стану тіла, за якого припинився б тепловий рух атомів і молекул. Теоретично доведено, що це було б можливо за температури –273,15 °С. Цю температуру називають абсолютним нулем температури. Одиницею такої шкали є 1 K (кельвін). Міжнародною системою одиниць 1 K визнано основною одиницею температури. Зауважимо, що зміна температури, виміряна за шкалою Цельсія і шкалою Кельвіна, є однаковою. Наприклад, кімнатна температура t = 20 °С. За абсолютною шкалою температур це значення відповідає 293,15 K. Переведення температури з однієї шкали в іншу здійснюється за формулою: T = t + 273,15. Якщо температура в кімнаті підвищилась на 5 °С і становить 25 °С, то за

андерс Цельсій (1701–1743) Видатний шведський фізик та астроном. У 1742 р. сконструював перший рідинний термометр

вільям Томсон, лорд Кельвін (1824–1907) Видатний англійський фізик, відомий фундаментальними працями з термодинаміки

М��. 18. Температурні шкали: а — Цельсія; б — Кельвіна (абсолютна)

абсолютною шкалою температур це значення відповідатиме 298,15 K, тобто збільшилось на 5 K. У побуті ми, як правило, користуємось температурною шкалою Цельсія, оскільки вона зручніша для вимірювання температури в межах значень, що є звичними для життєдіяльності людини (погодні умови, температура людського тіла тощо). У фізичних дослідженнях частіше користуються шкалою Кельвіна. Ви, можливо, чули, що існують й інші температурні шкали, наприклад, шкала Фаренгейта, яку використовують у побуті в англомовних країнах.

25 Підбиваємо підсумки Температура — це фізична характеристика теплового стану речовини, з якої складається тіло, що визначається середньою кінетичною енергією хаотичного руху частинок речовини. У природі теплові процеси підпорядковуються закону теплової рівноваги: тіла з більш високою температурою віддають теплоту менш нагрітим тілам, з якими контактують, допоки їхні температури із часом стануть однаковими. Температура у стані теплової рівноваги набуває для всіх тіл однакового значення. Температуру вимірюють термометрами. У побуті користуються термометрами, проградуйованими за шкалою Цельсія.

1. 2. 3. 4. 5.

Чому безладний рух молекул називають тепловим? Що характеризує температура тіла? Що таке теплова рівновага? Як вимірюють температуру? За яким принципом проградуйована температурна шкала Цельсія? 6. Що є одиницею температурної шкали Цельсія? 7*. Що є одиницею абсолютної шкали температур? Як вона пов’язана з градусом Цельсія? ПОЯСніТЬ 1. Поясніть, що означає теплова рівновага з точки зору молекулярно-кінетичного вчення про будову речовини. 2. Який фізичний зміст вкладають у поняття: «гаряче» тіло, «холодне» тіло? 3. Чому, якщо подихати собі на руку, отримуємо відчуття тепла, а якщо подути — відчуття холоду? 4. Чому в сильні морози небезпечно торкатись металевих поверхонь голими руками? Поясніть це з фізичної точки зору.

а ас к зі и о н Ф к ол в а н

Температурні рекорди у природі й техніці

Найхолодніше місце на Землі знаходиться на Південному полюсі нашої планети. Тут 10 серпня 2010 р. за допомогою обладнання космічного супутника Landsat-8 було зафіксовано температуру –93,2 °С. Для порівняння: одним із найхолодніших місць у Сонячній системі є темний кратер на Місяці (–238 °С). Найхолодніший об’єкт, що відомий ученим, розташований у сузір’ї Кентавра на відстані 5000 світлових років від Землі. Температура там становить усього 1 Кельвін, або –272,15 °С, що на один градус вище абсолютного нуля. За цієї температури замерзає навіть водень — найлегший із усіх відомих газів. За низьких та наднизьких температур речовини мають унікальні властивості, що збільшує перспективи їхнього використання в сучасній науці й техніці. Отримання речовин за наднизьких температур та дослідження їхніх властивостей здійснюють у кріогенних лабораторіях. В Україні дослідження речовин в умовах наднизьких температур розпочалося у створеному в Харкові в 1928 р. Українському фізико-технічному інституті (УФТІ). Завдяки першому директору УФТІ І. В. Обреїмову було засновану одну з найпотужніших у Європі кріогенну лабораторію. У 1930 р. лабораторію очолив Л. В. Шубніков. За часів його керівництва розпочато дослідження проблем надпровідності, магнетизму, термодинамічних властивостей речовин в умовах наднизьких температур. Уже в 1930 р. співробітники лабораторії розробили технологію отримання рідкого азоту, у 1931-му — рідкого водню, у 1932-му — рідкого гелію.

Найвищі температури Найвища температура на Землі — в пустелі на півдні Ірану, де у 2005 р. температура піднялася до 70,7 °С.

На глибині 30–50 км надра Землі нагріті до 1000–1200 °С. Установлено, що поміж зірок найвища температура — на так званих блакитних зорях, температура їх поверхні 10 000 – 30 000 °С. У надрах зорі мають ще вищу температуру. За підрахунками вчених, ця температура становить кілька мільйонів градусів Цельсія.

Як не дивно, але температурний рекорд із найвищих температур у Всесвіті (близько 10 трильйонів °С) було встановлено 7 листопада 2011 р. в Швейцарії під час експерименту на Великому адронному колайдері (найпотужнішому прискорювачеві найдрібніших часток).

а ас к и н із ло Ф ко в а н

Шкала температур

Температура й людський організм Середня температура людського тіла зазвичай коливається в діапазоні між 36,5 і 37,2 °С. Критично високою є температура тіла 42 °С, за неї відбувається порушення обміну речовин у тканинах мозку. Вважається, що організм людини краще пристосований до холоду. Наприклад, зниження температури тіла до 32 °С викликає озноб, але не становить серйозної небезпеки. За температури тіла 27 °С настає кома, відбувається порушення серцевої діяльності та дихання. Температура тіла нижче 25 °С є критичною. Проте відомі випадки, коли деяким людям вдалося вижити, перебуваючи тривалий час у сніговому заметі. Виявлено, що за короткотривалого контакту з дуже низькими температурами організм людини миттєво мобілізує свої захисні сили, прискорює обмінні процеси й запускає механізми самолікування. Таку процедуру здійснюють у кріосаунах, де використовується повітряно-азотна суміш, що має температуру –140 °С. Триває ця процедура близько 2–3 хвилин.

20 °С

40 °С

Дівчатка можуть хизуватися термолаком для нігтів. Він має властивість змінювати свій колір залежно від температури. За його відтінками можна оцінити температуру рук. Якщо відтінок світлий — руки теплі, якщо темний — руки потрібно зігріти.

Температура тіла теплокровних тварин У кажанів у стані сплячки — 13 °С у золотистого хом'яка — 35 °С у слона — 35 °С у коня — 37,6 °С у корови — 38,3 °С у кішки — 38,6 °С у собаки — 38,9 °С у барана — 39 °С у свині — 39,1 °С у кроля — 39,5 °С у кози — 39,9 °С у курки — 41,5 °С

§4

Залежність розмірів тіл від температури

Нагрівання твердих тіл, рідин і газів. Ви знаєте, що внаслідок нагрівання тверді тіла можуть пла Що і як відбувається витися, а рідини — кипіти. Нагрівання приводить до зміни агрегатного стану. Чому і як це відбуваз речовиною внасліється? Що змінюється у структурі речовини? Щоб док її нагрівання відповісти на ці запитання, спочатку розглянемо ті зміни, що відбуваються в речовині перед початПригадайте ком переходу в інший агрегатний стан. Унаслідок певних особливостей у внутрішній  Особливості будові твердих тіл, рідин і газів їхній процес нагрітеплового руху вання має як деякі відмінності, так і спільні ознаречовин у різних ки. Спільною ознакою є те, що під час нагрівання агрегатних станах збільшується швидкість теплового руху молекул, а отже, і їхня середня кінетична енергія, що у свою чергу приводить до збільшення середньої відстані між молекулами. Іншими словами, речовини, нагріваючись, розширюються. Ступінь розширення речовини буде залежати від її внутрішньої будови. Найбільшого розширення під час нагрівання зазнають гази. Продемонструємо розширення повітря на такому досліді (мал. 19). Підігріте повітря, розширюючись, виходить через відвідну трубку, про що свідчить поява бульбашок повітря у скляній посудині з водою. Під час охолодження газ стискається. Вам, можливо, доводилося спостерігати за зміною об’єму гумової кульки, наповненої повітрям, якщо її перенести взимку з теплої кімнати на вулицю. Подібний дослід можна провести самостійно: добре надуту повітряну кульку покласти на деякий час у холодильник. Ви побачите, що розміри кульки зменшаться, при цьому маса повітря, що в ній міститься, — не зміниться. Властивість газів багаторазово збільшувати свій об’єм унаслідок нагрівання широко використовується (наприклад, політ на повітряній кулі, робота двигуМ��. 19. Дослід із розширення газу нів внутрішнього згорання). Утворення під час нагрівання

Ви дізнаєтесь

31 вітру також є наслідком розширення повітря. Оскільки атмосферне повітря прогрівається нерівномірно, то є області, де розширення відбувається інтенсивніше, що й зумовлює горизонтальне переміщення повітряних мас — вітер (мал. 20). Теплове розширення характерне і для рідин. Так, на залежності об’єму спирту від температури ґрунтується дія спиртових термометрів. Рідини М��. 20. Вітер — переміщення повітряних завдяки нагріванню розширюються мас внаслідок нерівномірного прогрівання значно менше, аніж гази, але значно більше, ніж тверді тіла. Можливо, ви спостерігали руйнування скляної банки, коли в неї наливають окріп. Це пояснюється тим, що її стінки досить товсті й прогріваються не одразу по всій товщині. Спочатку прогрівається внутрішня частина стінки і при цьому розширюється, а зовнішня частина, що ще не встигла прогрітися, «протидіє» цьому — скло тріскається. Але на уроках хімії вам, мабуть, уже доводилося спостерігати, як у скляних колбах кип’ятять воду на пальнику. Як ви думаєте, чому не тріскається хімічна колба? Товсті чи тонкі в неї стінки? Відмінність у теплового розширення твердих тіл і рідин необхідно враховувати при конструюванні термометрів, адже під час нагрівання розширюється не тільки рідина (ртуть або спирт), а й скляна трубочка, в якій вона міститься. Якщо ви ще самостійно не дали відповіді на попереднє запитання — то, можливо, при ретельному огляді будови термометра вам це вдасться. Мабуть, ви помітили, що рідина в термометрах міститься в дуже тоненьких трубочках. Демонстрацію теплового розширення рідини можна провести подібно до того, як ми демонстрували розширення повітря (мал. 21, с. 32). Наповнимо колбу гасом по самі вінця. Закриємо її пробкою, у яку вставлено тонку скляну трубку, і доллємо гасу, щоб він зайняв певну частину трубки. Під час нагрівання рівень рідини (гасу) у вузькій трубці збільшується. Ми скористались гасом тому, що він розширюється в п’ять разів більше, ніж вода. Найпоширенішою рідиною є вода, яка має багато особливостей, що виділяють її з-поміж інших рідин. Зокрема, для води характерне непритаманне іншим рідинам розширення під час охолодження. Охолоджуючись, вода спочатку (як і всі рідини) стискується, досягаючи максимальної густини при 4 °С (точніше, при 3,98 °С),

32 а потім починає розширюватись, хоч її температура продовжує знижуватися. Ця властивість зумовлена будовою молекули води (взаємним розташуванням двох атомів Гідрогену й атому Оксигену). Нерівномірне прогрівання (а отже, і розширення) води в морях і океанах приводить до утворення течій, які суттєво впливають на клімат відповідної місцевості. Теплове розширення твердих М��. 21. Дослід із розширення тіл можна спостерігати на такому рідини досліді (мал. 22). Візьмемо металеву кульку й кільце. Кільце має бути таких розмірів, щоб кулька ледве проходила крізь нього. Нагріємо кульку. Після цього кулька вже не проходитькрізькільце.(Якщокульку залишити на кільці на певний час, то згодом, охолонувши, вона знову проходитиме крізь нього). У природі розширення твердих тіл можна побачити на прикладі прогрівання гірських порід. М��. 22. Дослід із розширення Оскільки ступінь розширення залетвердого тіла жить як від температури, так і від виду гірської породи, то розширення й стиснення відбуваються нерівномірно. Це призводить до руйнування гір й утворення тріщин. Теплове розширення твердих тіл необхідно враховувати інженерам, конструкторам й архітекторам, які проектують будівлі, споруди та різноманітні деталі машин і механізмів. Принцип дії біметалевого термометра ґрунтується на розширенні двох пластин, що складаються з різних металів.

Підбиваємо підсумки Під час нагрівання збільшується швидкість теплового руху молекул, а отже — і їхня середня кінетична енергія, що у свою чергу приводить до збільшення середньої відстані між молекулами і, як наслідок, — до збільшення об’єму тіла. Теплове розширення тіл залежить як від зміни температури, так і від того, з якої речовини воно виготовлене.

1. Які приклади, що підтверджують теплове розширення твердих тіл, рідин і газів, ви можете навести? 2. Який дослід може продемонструвати теплове розширення рідин? 3. Що спричинює збільшення об’єму тіл під час нагрівання? 4. Від чого, окрім температури, залежить зміна розмірів тіл під час їхнього нагрівання або охолодження? ПОЯСніТЬ 1. Чому стоматологи не радять їсти дуже гарячу їжу? 2. Як у досліді, що зображений на малюнку 22, унаслідок нагрівання змінилися: об’єм кулі; маса кулі; густина кулі; середня швидкість руху атомів металу? 3. Яка з наведених фізичних величин, що характеризують тіло, не залежить від температури (маса молекул; тиск газу в посудині; об’єм тіла; густина тіла; швидкість руху молекул)?

ДОМАШНІ ДОСЛІДИ ТА СПОСТЕРЕЖЕННЯ 1. Візьміть порожню пластикову пляшку та покладіть її в холодильник (або в морозильник). Вийміть пляшку через 20–30 хв й одразу надягніть на її шийку повітряну кульку (мал. 23, а). Поставте пляшку в миску з теплою водою. Спостерігайте, що буде відбуватись. Поясніть. 2. Візьміть велику банку. Пропарте її (налийте невелику кількість гарячої води і злийте). Робіть усе обережно, щоб не зазнати опіків! Наберіть у повітряну кульку води й покладіть на горловину банки (мал. 23, б). Спостерігайте, що відбудеться згодом. (Можна намалювати на кульці очі, ніс, рот — буде кумедніше).

М��. 22. Ілюстрація дослідів

а ас к зі и о н Ф к ол в а н

ОСОБЛИВОСТІ ТЕПЛОВОГО РОЗШИРЕННЯ ВОДИ

Без води неможливе існування живих організмів. У будь-якому організмі вода є середовищем, де відбуваються хімічні реакції, що забезпечують його життєдіяльність. Не тільки здатність розчинювати різні речовини, без яких не можуть жити організми, а й багато інших властивостей води роблять її найціннішою, найнеобхіднішою для життя речовиною. Процес нагрівання води супроводжується характерною особливістю: при нагріванні від 0 до 4 °C її об’єм зменшується! Відповідно збільшується її густина. Максимальну густину вода має за температури 4 °C. З подальшим підвищенням температури об’єм води починає збільшуватись, а густина зменшуватись. Отже, за t = 0 °C, густина води ρ = 0,9998

г ; см3

за t = 4 °C, густина води максимальна ρ = 1,0000 за t = 20 °C, густина води ρ = 0,9982

г . см3

г ; см3

Така, на перший погляд, незначна різниця в густині води має велике значення для життєдіяльності мешканців водойм. З наближенням зими і зниженням температури повітря вода біля поверхні водойм починає охолоджуватися. Її густина при цьому зростає, і верхні шари води опускаються вниз. Переміщення теплих і холодних шарів відбувається доти, поки температура майже всієї води під льодом стане рівною 4 °C. Зимова циркуляція води у водоймах важлива ще й тим, що опускаючись до дна, холодні верхні шари несуть із собою розчинений у воді кисень і глибинна частина водойми стає придатною для життя. Багато риб, які влітку плавали у верхніх шарах, узимку переміщуються до дна.

35 ВРАХУВАННЯ ТЕПЛОВОГО РОЗШИРЕННЯ В ТЕХНІЦІ

Теплове розширення враховують під час проектування різних споруд. Оскільки температура повітря в наших широтах протягом року може змінюватися від –30 до +30 °C, то такі зміни температури спричинюють значні видовження й стискання. Щоб уникнути руйнування, споруди, мости, трубопроводи будують з окремих секцій, з’єднуючи їх так, щоб вони могли щільно притискатись у спеку й достатньо розходитись у холодну пору року. Розгляньте фотографії й поясніть особливості конструкцій мостів, залізниці, трубопроводу.

Слід враховувати й те, що різні речовини характеризуються різними коефіцієнтами лінійного й об’ємного розширення. Наприклад, бетон і залізо майже однаково розширюються під час нагрівання. Тому їх так широко використовують у будівництві. Якби бетон і залізо розширювалися по-різному, це призвело б до руйнувань будинків. Ще один приклад: емаль, якою покривають посуд, і метал, з якого його виготовляють, повинні мати однакові коефіцієнти лінійного розширення. Інакше емаль буде облущуватися під час нагрівання. Властивість матеріалів по-різному змінювати свої розміри також застосовують у техніці. Наприклад, якщо з’єднати дві пластинки з різних металів (наприклад, залізо та мідь), то при нагріванні вони вигинаються по-різному: та що розширюється більше — завжди міститься з випуклої сторони. Такі пластинки називають біметалевими. Вони мають широке застосування: у біметалевих термометрах, в електричних чайниках тощо.

§5 Ви дізнаєтесь  Що таке внутрішня енергія  Як можна змінювати внутрішню енергію речовини

Пригадайте  Що таке енергія  Які види енергії ви знаєте

Внутрішня енергія Внутрішня енергія. Як ви вже знаєте, атоми та молекули не лише хаотично рухаються, а й взаємодіють між собою. У газах — це короткочасні зіткнення. У рідинах і твердих тілах — це постійна взаємодія. Атоми, молекули або йони у твердих тілах коливаються біля відносно сталих положень, а у випадку рідин — ще можуть і переміщуватись на невеликі відстані. Рух молекул характеризується середньою кінетичною енергією, а їхня взаємодія — середньою потенціальною енергією, що разом складають енергію, яку називають внутрішньою. Внутрішня енергія — це енергія руху і взаємодії частинок, з яких складається речовина.

Одиницею внутрішньої енергії, як і механічної, є джоуль. Внутрішня енергія речовини залежить від її агрегатного стану. Наприклад, у газах молекули вільно переміщуються по всьому об’єму, який вони займають, і між зіткненнями практично не взаємодіють. Тому їхня внутрішня енергія визначається лише середньою кінетичною енергією руху молекул, оскільки вона набагато більша, ніж потенціальна енергія взаємодії молекул. У рідин кінетична енергія теплового руху атомів і молекул та потенціальна енергія взаємодії приблизно однакові, що пояснюється недостатньо сильною взаємодією та рухливістю молекул. У твердому тілі мікрочастинки взаємодіють між собою набагато сильніше. Завдяки цьому тверде тіло як завгодно довго може зберігати свою форму. Атоми, молекули або йони твердого тіла лише коливаються відносно своїх сталих положень і практично не переміщуються в його об’ємі. У твердих тілах потенціальна енергія взаємодії мікрочастинок набагато більша, ніж кінетична енергія їхнього руху. Чи може внутрішня енергія дорівнювати нулю? Тепловий рух молекул не припиняється ніколи, навіть за дуже низьких температур (близьких до абсолютного нуля). Отже, тіло завжди має внутрішню енергію, яку можна збільшувати або зменшувати.

37 Яких значень може набувати внутрішня енергія тіла? Розглянемо такий випадок. За температури 20 °С молекули кисню рухаються із середньою швидкістю 478 м/с. Маса однієї молекули 5,3·10–26 кг. Відповідно кінетична енерm υ2 ≈ 6 ⋅ 10−21 Дж. гія руху молекули Å0 = 0 2 В 1 м3 міститься приблизно 2,7·1025 молекул. Тоді середня кінетична енергія руху цих молекул Å ≈ 160 кДж. Це значення досить велике. Порівняйте (мал. 24): тіло масою 1000 кг, підняте на висоту 10 м, має потенціальну енергію близько 100 кДж. Два способи зміни внутрішньої енергії. Внутрішня енергія — це змінна величина. Оскільки внутрішня енергія речовини визначається кінетичною та потенціальною енергіями частинок цієї речовини, то, змінюючи швидкість руху частинок або відстані між ними, можна змінити й внутрішню енергію речовини. Як це зробити? Проведемо дослід (мал. 25). Закріпимо у штативі металеву пробірку, закриту корком. Будемо нагрівати її на вогні. Нагріваючись, повітря в трубці розширюється, збільшується кінетична енергія руху молекул, а отже — і його внутрішня енергія. Внутрішня енергія зростає настільки, що повітря, розширюючись, виштовхує корок. Відомо, що чайник із водою, який стоїть на вогні, металева ложка, опущена в склянку з гарячою водою, пісок під сонячним промінням нагріваються. В усіх цих випадках спостерігається підвищення температури тіл, а отже — і збільшення їхньої внутрішньої енергії завдяки передаванню теплоти від одних тіл іншим. Цей спосіб зміни внутрішньої енергії тіла називається теплообміном.

М��. 24. Порівняння значень енергій

М��. 25. Збільшення внутрішньої енергії повітря

Теплообмін — це процес обміну внутрішньою енергією між тілами без виконання механічної роботи. Внутрішню енергію тіла можна змінити і в інший спосіб. Проведемо дослід (мал. 26). Закріпимо на підставці тонкостінну латунну трубку.

М��. 26. Дослід зі збільшення внутрішньої енергії за рахунок виконання механічної роботи

М��. 26. Дослід із зменшення внутрішньої енергії повітря, за рахунок виконання ним роботи

Наллємо в неї незначну кількість ефіру й закриємо трубку корком. Почнемо інтенсивно натирати трубку. Через деякий час внутрішня енергія трубки з ефіром збільшиться настільки, що рідина закипить і утворені пари ефіру, розширюючись, виштовхнуть корок. При згинанні та розгинанні дроту нагрівається місце згину. Щоб зігріти руки взимку, треба енергійно потерти долоні, і ми відчуємо тепло. В усіх цих випадках внутрішня енергія тіла збільшувалася завдяки виконанню механічної роботи. Отже, виконана механічна робота витрачається на збільшення внутрішньої енергії тіла. Якщо ж роботу виконує саме тіло, то його внутрішня енергія зменшується. Наприклад, у товстостінний скляний балон, на дні якого є невелика кількість води, будемо повільно за допомогою насоса накачувати повітря доти, поки не вилетить корок (мал. 27). У момент вильоту корка в балоні утворився туман. Це свідчить про те, що температура повітря знизилась. Таким чином, внутрішня енергія повітря зменшилась у результаті того, що воно виконало роботу, виштовхнувши корок. Наведені приклади дають змогу переконатися в універсальності закону збереження енергії: енергія не зникає і не виникає з нічого, вона перетворюється з одного виду в інший. Отже, внутрішню енергію тіла можна змінити двома способами: завдяки виконанню роботи або завдяки теплообміну.

Підбиваємо підсумки Внутрішня енергія — це енергія руху і взаємодії частинок, з яких складається речовина. Одиницею внутрішньої енергії є джоуль. Внутрішню енергію тіла можна змінити двома способами: завдяки виконанню роботи або завдяки теплообміну.

1. Що таке внутрішня енергія тіла? Як внутрішня енергія тіла пов’язана з температурою? 2. Як можна змінити внутрішню енергію? 3. Як впливають зміни температури на внутрішню енергію тіла? 4. Наведіть приклади процесів, що приводять до зміни внутрішньої енергії тіла.

39 ПОЯСніТЬ 1. Чи можна змінити внутрішню енергію тіла, не змінюючи його температуру? 2. Опишіть процеси, зображені на малюнку 28, а, б. У колбі міститься повітря.

М��. 27. Дослід із натирання колби з повітрям Як пов’язані між собою зміна тиску повітря та зміна його внутрішньої енергії?

§6

Теплопровідність

Види теплообміну. У попередньому параграфі Ви дізнаєтесь ми з’ясували, що внутрішню енергію тіла можна змінити завдяки передачі теплоти від одного тіла  Чому метали мають до іншого, тобто завдяки теплообміну. найкращу теплопроТеплообмін може здійснюватися різними спосовідність бами: теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Теплопровідність. Вам, напевне, доводилось обПригадайте пікатись гарячою ложкою, що міститься в чашці з чаєм або тарілці з гарячим борщем. Металева ручка  Способи зміни ложки прогрівається, хоч безпосередньо і не контаквнутрішньої енергії тує з окропом. Як же відбувається передача теплоти? тіла Розглянемо механізм передавання теплоти з погляду атомно-молекулярного вчення. На малюнку 29, с. 40 зображено металеву посудину з водою, що нагрівається полум’ям.

М��. 29. Механізм теплопровідності

Молекули повітря в полум’ї мають значно більшу кінетичну енергію, ніж молекули металевої посудини. Унаслідок зіткнення вони передають частину своєї енергії мікрочастинкам речовини посудини, що містяться найближче до полум’я. Згодом мікрочастинки розжареного дна посудини передають деяку кількість своєї енергії сусіднім частинкам, збільшуючи їхню кінетичну енергію (звісно, і температуру тіла). Така передача енергії в результаті безпосередньої взаємодії частинок здійснюється шар за шаром. Зрозуміло, що ніякого перенесення речовини при цьому не відбувається. Такий процес передачі теплоти називається теплопровідністю. Теплопровідність — вид теплообміну, який полягає у процесі передачі теплоти від більш нагрітої до менш нагрітої частини тіла внаслідок теплового руху його частинок.

М��. 30. Використання теплоізоляційних матеріалів

Теплопровідність різних речовин. Чи всі речовини мають однакову теплопровідність? Вам, мабуть, доводилось помічати, що одні речовини проводять тепло краще, ніж інші. Ручку металевої сковороди або кавоварки виготовляють із дерева. Гаряче деко із духової шафи виймають за допомогою кухонної рукавички. Очевидно, що дерево й тканина проводять тепло гірше, ніж метал. Висока теплопровідність металів пов’язана з особливостями їх будови. З попередніх параграфів вам відомо, що частинки твердих тіл здійснюють хаотичні теплові коливання у вузлах кристалічної ґратки. Якби теплопровідність металів зумовлювалася лише цими коливаннями, то вона б не відрізнялася від теплопровідності інших твердих тіл. Але в металах є багато вільних електронів, які можуть вільно переміщуватися між вузлами кристалічних ґраток, що й забезпечує високу теплопровідність. На ділянці з вищою температурою частина електронів отримує більшу кінетичну енергію. Ці електрони легко долають проміжки між йонами. Стикаючись із йонами холодних ділянок металу, електрони передають їм надлишок своєї енергії, що зумовлює підвищення температури в цій ділянці. Рідини, за винятком розплавлених металів, наприклад ртуті, мають погану теплопровідність. У газів теплопровідність ще менша, оскільки їхні молекули перебувають

41 далеко одна від одної й передавання кінетичної енергії від однієї молекули до іншої — утруднене. Для порівняння: теплопровідність повітря майже в 10 000 разів менша від теплопровідності міді. Теплопровідність води приблизно у 25 разів більша, ніж у повітря, але приблизно у 330 разів менша, ніж у міді. Вовна, пух, хутро й інші пористі тіла мають погану теплопровідність, бо в них між волокнами є повітря. Ось чому вовна, хутро й пух захищають тварин від переохолодження взимку і перегрівання влітку. Для утеплення будівель також застосовують пористі матеріали: пінопласт, хімічну вату. Малу теплопровідність мають пластмаса, деревина, скло. Речовини й матеріали, що погано проводять тепло, називають теплоізоляторами (мал. 30). Від переохолодження тварин захищає ще й жировий шар, який є у водоплавних птахів, китів, моржів, тюленів. Найменшу теплопровідність має вакуум — дуже розріджений газ. Пояснюється це тим, що теплопровідність здійснюють молекули або інші частинки, отже, там, де немає частинок, теплопровідності також не може бути.

Підбиваємо підсумки Теплопровідність — це процес передачі енергії від одних тіл до інших або від одних частин тіла до інших частин того самого тіла, який зумовлений хаотичним рухом частинок речовини й не супроводжується перенесенням цієї речовини. Різні речовини та речовини, що перебувають у різних агрегатних станах, по-різному проводять теплоту. Найкращими провідниками теплоти є метали, найгіршими — гази. Людина широко використовує у своїй життєдіяльності здатність різних речовин по-різному проводити теплоту.

1. Чим відрізняється механізм теплопровідності у твердих тіл, рідин і газів? 2. Чому метали мають найкращу теплопровідність? 3. Чому тварини не замерзають навіть у сильний холод? 4. Які матеріали добре проводять теплоту? Де їх застосовують? 5. Які матеріали називають теплоізоляційними? Наведіть приклади теплоізоляційних матеріалів.

42 ПОЯСніТЬ 1. Чому жителі південних країн під час сильної спеки носять хутряні шапки, ватні халати? 2. Чому пористі будівельні матеріали мають кращі теплоізоляційні властивості, ніж щільні будівельні матеріали. 3. Шуба гріє людину, чи людина — шубу? 4. Чи буде змінюватися теплопровідність повітря, якщо його стискати? Чи можлива теплопровідність у дуже розріджених газах, космічному просторі?

§7 Ви дізнаєтесь  Чому батареї опалення ставлять, як правило, під вікнами  Що таке бриз

Пригадайте  Що таке теплопровідність  У чому відмінність теплопровідності у твердих тілах, рідинах і газах

Конвекція

Конвекція. Ви, можливо, звернули увагу, що нагрівальні елементи в електрочайниках розміщені знизу, а вода прогрівається по всьому об’єму. Обігрівальні батареї в будинках встановлюють під вікнами біля підлоги. Як же прогрівається повітря по всій кімнаті? Річ у тім, що під час передавання теплоти в рідинах і газах поряд із теплопровідністю відбувається ще й конвекція — теплообмінний процес, що супроводжується перенесенням речовини. Конвекція — це вид теплообміну, що відбувається в рідинах і газах і здійснюється внаслідок перенесення речовини. Механізм конвекції. Розглянемо механізм конвекції на прикладі нагрівання води у скляній колбі. Для більшої наочності руху рідини на дно колби вкинемо кілька крупинок мідного купоросу (мал. 31). Ви знаєте, що на будь-яке тіло, що міститься всередині рідини (або газу), діє архімедова сила. У нашому випадку таким тілом є невеликий об’єм самої рідини поблизу дна колби. При підвищенні температури об’єм рідини зростає, а густина — зменшується. Тому нагріті шари води розши-

43 рюються й піднімаються угору під дією архімедової сили, виштовхуючись знизу струменями холодної води. Так поступово прогріватимуться й рухатимуться угору ті шари, що перед цим опустилися. Конвекцією пояснюється теплообмін повітря в кімнаті, що прогрівається батареєю опалення (мал. 32). Унаслідок нагрівання виникає різниця температур між нижніми й верхніми шарами повітря. Струмені теплого повітря будуть виштовхуватися знизу струменями холодного повітря й підніматися М��. 31. Конвекція в рідинах вгору під дією архімедової сили. Так поступово прогріватиметься й рухатиметься вгору холодне повітря, що перед цим опустилося. Після ознайомлення із процесами теплопровідності й конвекції спробуйте пояснити такий дослід (мал. 33). Візьмемо пробірку з водою та льодом (на лід покладемо металеву гайку, щоб він не спливав). Розташуємо пробірку над полум’ям спиртівки так, як показано на малюнку. Що будемо спостерігати? У верхній частині пробірки кипить вода, а на дні пробірки ще лежить лід! М��. 32. Конвекція в газах Як пояснити результати досліду? По-перше, цей дослід доводить, що вода має невелику теплопровідність. Пригадайте, теплопровідність води у 330 разів менша, ніж у міді, й у 25 разів більша, ніж у повітря. По-друге, конвекційні процеси відбуваються спрямовано: теплі потоки піднімаються вгору, холодні — опускаються вниз. Тому прогріта згори вода не опускається на дно пробірки й не розтоплює лід. Конвекція в природі й техніці. Явище конвекції відіграє важливу роль у природі й техніці. Завдяки природній конвекції відбувається постійне перемішування повітряних мас — виникають конвекційні потоки в атмосфері — вітри. Прикладом конвекції в атмосфері Землі є берегові бризи. Механізм їх утворення пояснюється конвекцією повітряних мас. Удень суходіл прогрівається Сонцем швидше, ніж вода. Тому повітря над суходолом прогрівається сильніше, ніж над морем. Густина М��. 33. Дослід із нагрівання повітря над суходолом зменшується, утвопробірки з водою та льодом рюється область низького тиску, а над морем

44 утримується область підвищеного тиску. Більш холодне повітря інтенсивно рухається з моря в бік зниженого тиску — до берега (дме вітер, який називають денним бризом). Уночі суходіл охолоджується швидше, ніж море. Над суходолом створюється область підвищеного тиску, й охолоджене повітря рухається в бік області зі зниженим тиском — до моря. Так званий нічний бриз дме із суходолу на море. Через нерівномірне нагрівання води виникають постійні течії у водах річок, морів, океанів. Океанські течії, як і вітри, відіграють значну роль у формуванні клімату на нашій планеті. Щоб краще пропікалося тісто в духовій шафі, прогрівалися продукти в мікрохвильовій печі або охолоджувалися робочі деталі комп’ютера, двигуна автомобіля, використовують вентилятори, які зумовлюють вимушену конвекцію.

Підбиваємо підсумки Конвекція — це вид теплообміну, що здійснюється завдяки перенесенню теплоти струменями рідини або газу. У твердих тілах такий вид теплообміну неможливий. Розрізняють природну й вимушену конвекцію. Природну конвекцію можна пояснити наявністю архімедової сили та явищем теплового розширення. Теплі шари рідини або газу (які мають меншу густину) піднімаються вгору, а холодні (більш густі) — опускаються.

1. Що таке конвекція? Чим конвекція відрізняється від теплопровідності? 2. Опишіть механізм конвекції на прикладі нагрівання рідини. 3. Назвіть причини виникнення природної конвекції. Наведіть приклади конвекції в природі й техніці. ПОЯСніТЬ 1. Чому рідини та гази нагрівають знизу? 2. Чому конвекція неможлива у твердих тілах?

§8

Теплове випромінювання

Теплове випромінювання. Існує й такий вид теВи дізнаєтесь плообміну, який не потребує наявності речовини. Розгляньте малюнок 34. Тепло від Сонця долає  Як енергія від Сонця передається Землі величезну відстань у космічному безповітряному просторі, поки дістанеться поверхні Землі. І вже нагріта Земля, своєю чергою, прогріває атмосферу. Пригадайте Вольфрамова нитка розжарення електричної лампи міститься в скляному балоні, з якого відкачали по-  Що таке теплопровідність і конвекція вітря. Проте тепло від лампи добре відчутно. Як передається тепло від свічки, коли ми набли-  У чому відмінність механізмів тепложаємо до неї руки? Теплопровідністю? Ні, адже попровідності й конвекції вітря — поганий провідник теплоти. Конвекцією? Ні, адже теплі потоки повітря підіймаються вгору. Отже, існує ще один вид теплообміну, відмінний від теплопровідності та конвекції, який до того ж здійснюється без «посередників». Річ у тім, що частина внутрішньої енергії тіла може випромінюватись і поширюватись у вигляді електромагнітних хвиль. Детальніше механізм утворення й поширення електромагнітних хвиль ви будете вивчати в 9 класі. Такий вид теплообміну називається тепловим випромінюванням (або променевим теплообміном). Теплове випромінювання — вид теплообміну, обумовлений процесом перенесення енергії від одного тіла до іншого внаслідок випромінювання, поширення та поглинання електромагнітних хвиль. Усі тіла, без винятку, випромінюють теплову енергію (інфрачервоні промені). Сонце, багаття, людина, тварини випромінюють інфрачервоні промені. Лід також випромінює. Але нам здається, що від нього «віє холодом». Це відчуття виникає тому, що рука отримує від льоду менше теплової енергії, ніж сама випромінює. Саме тому ми відчуваємо холод. Існують прилади, які «бачать» теплове випромінювання. Такі прилади називають тепловізорами. За їх допомогою можна виявити холодні й гарячі об’єкти, а також визначити їхню температуру.

М��. 34. Теплове випромінювання

М��. 35. Фото, отримані за допомогою приладів, що фіксують теплове випромінювання

Розгляньте уважно малюнок 35. Чому, на вашу думку, стілець видіТеплопровідність ляється з-поміж інших предметів у Конвекція кімнаті? Енергія, яку випромінює тіло, залежить від його температури: що вищою є температура тіла, то більше енергії воно випромінює. Температура деяких тіл може бути настільки великою, що атоми реВипромінювання човини, перебуваючи, як кажуть фізики, у збудженому стані, мають «надлишок енергії». Він і випромінюється у вигляді електромагнітних хвиль (деякі із цих хвиль М��. 36. Усі види теплообміну людина відчуває у вигляді тепла, а деякі — у вигляді світла). Теплове випромінювання, крім температури тіла, залежить також від кольору його поверхні та її стану: шорсткі й темні поверхні випромінюють і поглинають теплоту краще, ніж гладенькі та блискучі. Тому влітку, в спекотні дні, краще не носити темного одягу, який буде інтенсивно поглинати теплоту, що може стати причиною теплового удару. Розглянувши три види теплообміну, бачимо, що всі вони діють одночасно (мал. 36), але не однаковою мірою (одні переважають над іншими).

47 Підбиваємо підсумки Вид теплообміну, за якого енергія передається за допомогою електромагнітних хвиль, називають тепловим випромінюванням. Усі тіла без винятку випромінюють теплову енергію. Інтенсивність випромінювання й поглинання тілом енергії залежить від його температури, кольору та стану його поверхні. Що вищою є температура тіла, то більше енергії воно випромінює. Шорсткі й темні поверхні випромінюють і поглинають теплоту краще, ніж гладенькі та світлі.

1. Що таке теплове випромінювання? 2. Чому енергія від Сонця до Землі не може передаватись ані конвекцією, ані теплопровідністю? 3. Яке значення має теплове випромінювання у природі й техніці? ПОЯСніТЬ 1. Чи існують такі умови, за яких тіло не випромінює або не поглинає енергію? 2. Яке співвідношення між поглинутою та випроміненою тілом енергією, якщо його температура зменшується? 3. Знання яких фізичних явищ використані конструкторами при проектуванні енергозберігаючих вікон (мал. 37)?

М��. 37. Принцип роботи енергозберігаючого склопакета вікна 4. Чому зовнішні поверхні циліндрів на двигунах мопедів і мотоциклів роблять ребристими (мал. 38)? 5. Де швидше розтане сніг: на шкільному подвір’ї, у лісі, у полі? Чому?

М��. 38. Мотоцикл

§9

Ви дізнаєтесь  Як можна виміряти кількість переданої чи отриманої тілом теплоти

Пригадайте  Види теплообміну й механізми передачі теплоти

Кількість теплоти. Розрахунок кількості теплоти під час нагрівання тіла Кількість теплоти. У попередніх параграфах ми з’ясували, що теплота передається від гарячих тіл до холодних поки їхні температури стануть однаковими — настане теплова рівновага. А чи можна виміряти, скільки теплоти передало тіло? Для кількісного опису властивостей теплообміну застосовують спеціальні фізичні величини, однією з яких є кількість теплоти.

Кількість теплоти ( Q , читається «кю») — це та частина внутрішньої енергії, яку дістає чи втрачає тіло під час теплообміну. Одиницею кількості теплоти є 1 Дж (джоуль). Щоб навчитись обчислювати кількість теплоти, з’ясуємо, від яких величин вона залежить. Якщо треба підігріти воду в чайнику так, щоб вона стала лише теплою, то ми нагріваємо її недовго, надаючи тим самим їй невелику кількість теплоти. А щоб вода стала гарячою, потрібно передати їй більшу кількість теплоти. Отже, що до вищої температури потрібно нагріти воду, то більшу кількість теплоти треба їй передати. Звідси можна записати: Q ~ ∆t — кількість теплоти, надана тілу, пропорційна зміні температури цього тіла. Звичайно, й остигаючи, вода віддасть навколишнім тілам більшу кількість теплоти у тому випадку, коли й сама дужче охолоне. Але знати, на скільки градусів підвищилася чи знизилася температура, не досить, щоб мати уявлення про кількість теплоти, яку дістає тіло під час нагрівання чи віддає під час охолодження. Розжарена праска, до якої не можна доторкнутись, кімнати не зігріє, а тепла батарея водяного опалення, температура якої близько 60 °С, передасть таку кількість теплоти, за рахунок якої температура повітря в приміщенні помітно підвищиться.

49 Усім нам доводилося нагрівати воду, і ми знаємо, що для нагрівання повного чайника води потрібна більша кількість теплоти, ніж для того самого чайника, наповненого до половини. Отже, кількість теплоти, передана під час нагрівання тілу (чи віддана тілом при його охолодженні), пропорційна масі цього тіла: Q ~ m . Кількість теплоти, передана тілу під час нагрівання, залежить ще й від того, з якої речовини виготовлене тіло. Наприклад, будемо нагрівати дві посудини: в одну наллємо 500 г води, у другу — 500 г гліцеМ��. 39. Нагрівання води рину. В обох посудинах є по 500 г речовини, тобта гліцерину то маси тіл, які нагріваються, однакові. Однакові й умови їх нагрівання, бо посудини дістають енергію від одного й того самого пальника (мал. 39). Відмінність полягає в тому, що в посудинах містяться різні речовини. Термометри показують, що посудина з гліцерином нагрівається швидше. Щоб температура води зрівнялась із температурою гліцерину, воді треба передати додаткову кількість теплоти. Очевидно, для збільшення температури однакових мас води і гліцерину на ту саму кількість градусів потрібна різна кількість теплоти: для води вона більша, для гліцерину — менша. Питома теплоємність речовини. Властивість речовини отримувати (або віддавати) теплоту називають питомою теплоємністю речовини. Питома теплоємність речовини — фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна для збільшення температури речовини масою 1 кг на 1 °С (або яка кількість теплоти виділяється речовиною масою 1 кг при охолодженні на 1 °С). Питому теплоємність речовини позначають буквою с. Äæ Одиницею питомої теплоємності речовини є 1 . êã ⋅ î Ñ Установлено, що різні речовини мають різну питому теплоємність. У таблиці на форзаці наведено значення питомої теплоємності деяких речовин. Äæ Питома теплоємність золота 130 — це означає, êã ⋅ î Ñ що для нагрівання 1 кг золота на 1 °С потрібна кількість теплоти, що дорівнює 130 Дж (або внаслідок охолодження 1 кг золота на 1 °С виділяється кількість теплоти, що дорівнює 130 Дж).

50 Вода має дуже велику питому теплоємність (поглинає і віддає багато тепла). Саме тому влітку поблизу глибоких водойм не так жарко, як у місцях, віддалених від води. Узимку вода охолоджується і віддає значну кількість теплоти, через це зима поблизу великих водойм не така люта. Зауважимо, що питома теплоємність речовини змінюється внаслідок переходу її з одного стану в інший. Наприклад, питома теплоємність води 4200 Дж/(кг·°С), а питома теплоємність льоду 2100 Дж/(кг·°С). Обчислення кількості теплоти. Щоб обчислити кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла, або кількість теплоти, яку виділяє тіло, охолоджуючись, треба питому теплоємність речовини, з якої виготовлене тіло, помножити на масу цього тіла й різницю між його початковою та кінцевою температурами: Q = cm(t − t0 ), або Q = cm∆t. Оскільки під час отримання теплоти внутрішня енергія тіла збільшується і, відповідно, збільшується його температура, то різниця температур ∆t буде додатною, і кількість теплоти, одержана тілом, також додатна: Q > 0 . ( У процесі охолодження кінцева температура тіла (t) менша за початкову (t ( 0), тому розрахована кількість теплоти матиме від’ємне значення: Q < 0 .

Підбиваємо підсумки Кількість теплоти, що дістає чи втрачає тіло під час теплообміну, визначається за формулою: Q = cm(t − t0 ), або Q = cm∆t. Питома теплоємність речовини (с) — це фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна для збільшення температури речовини масою 1 кг на 1 °С (або яка кількість теплоти виділяється речовиною масою 1 кг при охолодженні на 1 °С).

1. Що таке кількість теплоти? 2. Опишіть дослід, який показує, що кількість теплоти залежить від речовини, з якої виготовлене тіло. 3. Що показує питома теплоємність речовини? 4. Від чого залежить кількість теплоти, передана тілу під час нагрівання? Запишіть у зошиті формулу для обчислення кількості теплоти.

51 ПОЯСніТЬ 1. Що потребує більшої енергії під час нагрівання — каструля з водою чи кавова чашка з водою? 2. Якщо, нагріваючись на 80 °С, стальна кулька поглинає 300 Дж теплоти, то скільки теплоти вона віддасть, охоловши на 80 °С? 3. У двох однакових чайниках, розташованих на конфорках однакової потужності, кип’ятять воду. В одному з них кришка постійно «підстрибує», а в другому — є нерухомою. Поясніть це явище.

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ У залізну каструлю масою 1 кг налито води масою 2 кг. Якої кількості теплоти треба надати каструлі з водою, щоб вода закипіла? Початкова температура води 10 °С.

Задача

Дано: m1 = 1 кг Äæ êã ⋅ î Ñ m2 = 2 кг Äæ c2 = 4200 êã ⋅ î Ñ t0 = 10 o C c1 = 460

t = 100 o C Q−?

Розв’язання: Розв’язуючи задачу, слід враховувати, що обидва тіла — каструля і вода — нагріваються разом. Між ними відбувається теплообмін, їхні температури можна вважати однаковими. Тому температура і каструлі, й води змінилися однаково: ∆t = 100 o C − 10 o C = 90 o C.

Але кількості теплоти, що їх дістали каструля і вода, не будуть однаковими, бо маси й питомі теплоємності цих тіл різні. Кількість теплоти, яку дістала каструля: Q1 = c1m1 ∆t, Дж Q1 = 460 ⋅ 1 кг ⋅ 90 о С = 41 400 Дж. кг ⋅ о С Кількість теплоти, що дістала вода: Q2 = c2m2 ∆t , Дж Q2 = 4200 ⋅ 2 кг ⋅ 90 о С = 756 000 Дж . кг ⋅ о С Для нагрівання каструлі й води затрачено кількість теплоти: Q = Q1 + Q2 , Q = 40 кДж + 760 кДж = 800 кДж . Відповідь: Q = 800 кДж.

52 Вправа 1 У цій і подальших задачах, якщо не вказано значення тиску, вважати температуру кипіння води (окропу) рівною 100 °С.

1. Обчислити кількість теплоти, потрібну для нагрівання: а) алюмінієвої ложки масою 50 г від 20 до 90 °С; б) 1,5 л води від 20 °С до кипіння (воду нагрівають у залізній каструлі масою 1,5 кг). 2. Як зміниться кількість теплоти, потрібна для нагрівання тіла на 20 °С, якщо його маса збільшиться вдвічі? 3. Яка кількість теплоти виділяється при охолодженні 1 кг алюмінію на 10 °С? 4. Для нагрівання металевої деталі масою 10 кг від 20 до 120 °С потрібна така сама кількість теплоти, яка виділяється під час охолодження 1 кг води на 90 °С. Визначте питому теплоємність речовини металевої деталі. 5. На малюнку 40 зображено графік фізичного процесу. Що це за процес? Якщо вважати, що процес відбувається з речовиною масою 100 г, чи можна встановити, що це за речовина? 6. На малюнку 41 зображено графіки залежності кількості теплоти від зміни температури для трьох тіл однакової маси, але виготовлених із різних матеріалів. Порівняйте питомі теплоємності цих тіл. 7. Для нагрівання повітря в кімнаті об’ємом 50 м3 витрачено 645 кДж енергії. Визначте, на скільки градусів підвищилась температура в кімнаті за рахунок цієї енергії. 8. До якої температури охолоне 5 л окропу, віддавши в навколишнє середовище 1680 кДж теплоти? 9. В алюмінієвій каструлі масою 900 г нагрівається вода об’ємом 5 л від 10 °С до кипіння. Порівняйте, яка кількість теплоти витрачається на нагрівання каструлі та на нагрівання води.

М��. 40. До завдання 5

М��. 41. До завдання 6

§ 10

Тепловий баланс

Рівняння теплового балансу. На практиці доВи дізнаєтесь сить часто виникає потреба у визначенні значень фізичних величин, що характеризують теплооб-  Як складати рівняння теплового балансу мінні процеси, після встановлення теплової рівноваги. Наприклад, визначити температуру суміші  Як застосовувати закон збереження внаслідок змішування гарячої й холодної води або енергії до теплових обчислити кількість теплоти, отриманої тілом під процесів час теплообміну, або визначити температуру тіла, яку воно матиме в результаті досліду. В усіх цих випадках треба складати рівняння Пригадайте відносно кількості теплоти, яку втрачають та якої набувають усі тіла, що перебувають у тепло-  Що таке кількість теплоти обмінному процесі.  За якою формулою Під час розрахунку теплообмінних процесів заобчислюють стосовують певні правила, що дають змогу встанокількість теплоти вити умови перебігу теплових явищ та процесів й обчислити шукану величину. Перше правило: усі тіла, між якими тривалий час відбувається теплообмін, досягають стану теплової рівноваги, і їхні температури набувають однакового значення. Друге правило: за законом збереження енергії, який справджується для всіх природних явищ і процесів, теплота не може безслідно зникнути або виникнути з нічого. У зв’язку з цим кажуть про умову теплового балансу: у замкненій системі під час теплообміну одні тіла віддають таку саму кількість теплоти, яку отримують інші тіла. Третє правило: у фізиці прийнято вважати кількість теплоти додатною, якщо тіло отримує теплову енергію, і від’ємною, якщо воно віддає її. На підставі цього правила записують рівняння теплового балансу: загальна кількість теплоти, яку отримали тіла, за модулем дорівнює загальній кількості теплоти, яку віддали інші тіла внаслідок теплообміну: – + Qвіддали = Qотримали – + або Qâіääàëè + Qîòðèìàëè = 0 Ці правила визначають певну послідовність дій під час розв’язування фізичних задач на розрахунок теплообмінних процесів.

1. З’ясувати, які тіла беруть участь у теплообміні. 2. Установити, якої температури досягають тіла в стані теплової рівноваги. Якщо за умовою задачі вона не задана, позначити її літерою t . 3. З’ясувати, які з тіл віддають теплоту, а які — отримують її. Записати формулу кількості теплоти для кожного з тіл, що перебувають у теплообмінному процесі (при цьому слід завжди від більшого значення температури віднімати менше). 4. Скласти рівняння теплового балансу, у лівій частині якого записати суму кількостей теплоти, яку отримали тіла внаслідок теплообміну, у правій частині — суму кількостей теплоти, що віддали тіла під час теплообміну. 5. Розв’язати рівняння відносно шуканої величини та визначити її числове значення. Калориметр. Рівняння теплового балансу, по суті, виражає закон збереження енергії, за умови, що теплообмін відбувається всередині теплоізольованої системи (немає зовнішніх втрат тепла). Для цього, виконуючи лабораторні роботи, ви будете використовувати калориметр (мал. 42). Калориметр складається з двох посудин циліндричної форми, уміщених одна в одну. Між посудинами розташовується шар теплоізолятора (повітря, пінопласту тощо). Посудину більших розмірів прикривають кришкою, до якої можна прикріпити термометр і пристрій для перемішування рідини. Усі ці заходи допомагають зменшити втрати теплоти під час теплообміну. Отже, таку систему з певною точністю можна вважати теплоізольованою.

М��. 42. Калориметр: а — зовнішній вигляд; б — складові калориметра (внутрішня і зовнішня посудини, пінопластова теплоізолююча вставка, яка закривається зверху захисним кільцем, кришка калориметра з отвором, що закривається, дротяне кільце для перемішування рідини; в — схематичне зображення

1. Наведіть приклади теплоізольованої системи. 2. Для розв’язування яких фізичних задач доцільно використовувати рівняння теплового балансу? 3. Запишіть рівняння теплового балансу. У чому полягає його зміст? 4. За яких умов рівняння теплового балансу є справедливим?

55 ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ Змішали воду масою 0,8 кг, що має температуру 25 °С, й окріп масою 0,2 кг. Температуру утвореної суміші виміряли, вона становила 40 °С. Обчислити кількість теплоти, яку віддав, остигаючи, окріп, і кількість теплоти, яку дістала, нагріваючись, холодна вода. Порівняти ці кількості теплоти.

Задача 1

Дано: m1 = 0, 8 кг c1 = c2 = 4200 m2 = 0,2 кг

CI Äæ êã ⋅ î Ñ

t1 = 25 o C t2 = 100 o C

Розв’язання: Вода, яку було влито в окріп, нагрілась від 25 до 40 °С і дістала кількість теплоти Q1 = c1m1 (t − t1 ) ,

t = 40 o C Q1 − ? Q2 − ? Дж ⋅ 0, 8 кг ⋅ (40 о С − 25 о С) = 50 400 Дж. о кг ⋅ С Окріп охолонув від 100 до 40 °С, при цьому він віддав кількість теплоти: Q2 = c2m2 (t2 − t) , Дж Q2 = 4200 ⋅ 0, 2 кг ⋅ (100 о С − 40 о С) = 50 400 Дж. кг ⋅ о С Відповідь: кількість теплоти, яку віддала гаряча вода, і кількість теплоти, яку дістала холодна вода, однакові. Q1 = 4200

Зверніть увагу! Під час проведення дослідів зазвичай енергія, віддана гарячою водою, більша від енергії, отриманої холодною водою. Це пояснюється тим, що певна частина енергії передається повітрю, а інша частина — посудині, у якій змішували воду. Віддана та одержана енергії будуть однаковими лише в тому випадку, якщо в досліді не допускається втрат енергії. Якщо ж обчислити і врахувати ці втрати, то рівність буде точною! Якою стане температура води, якщо змішати 100 г окропу і 100 г води, температура якої дорівнює 20 °С?

Задача 2

56 Дано: m1 = 0,1 кг c1 = c2 = 4200 m2 = 0,1 кг t1 = 20 °С t2 = 100 °С

CI Äæ êã ⋅ î Ñ

t−?

Розв’язання: Вода, яку було влито в окріп, нагрілась від 20 °С до t і дістала кількість теплоти Q1 = c1m1 (t − t1 ) . Окріп охолонув від 100 °С до t , при цьому він віддав кількість теплоти: Q2 = c2m2 (t2 − t) .

За умови теплового балансу: Q îòðèìàëè = Q âіääàëè , або c1m1 (t − t1 ) = c2m2 (t2 − t). За умовою задачі c1 = c2 та m1 = m2 . Тоді: t − 20 o C = 100 o C − t ; 2t = 120 o C ; t = 60 o C . Відповідь: температура суміші t = 60 o C . Якою була б відповідь, якби змішували не по 100 г, а, наприклад, по 500 г холодної та гарячої води? А якщо взяти будь-які рівні об’єми холодної та гарячої води? Зробіть висновок. Алюмінієвий калориметр, маса якого дорівнює 100 г, містить 100 г води кімнатної температури. У калориметр поклали тіло масою 150 г, температура якого становить 80 °С. Через деякий час, після встановлення теплової рівноваги, температура в калориметрі дорівнювала 27 °С. Визначити питому теплоємність тіла, яке поклали в калориметр.

Задача 3

Дано: m1 = 0,1 кг Äæ c1 = 900 êã ⋅ î Ñ m2 = 0,1 кг Äæ c2 = 4200 êã ⋅ î Ñ m3 = 0,15 кг t1 = t2 = 20 o C t3 = 80 o C t = 27 o C c3 − ?

Розв’язання: Унаслідок теплообміну між калориметром, водою і тілом температура в калориметрі підвищилась від 20 до 27 °С, тіло при цьому охололо від 80 до 27 °С. За умови теплового балансу Q îòðèìàëè = Q âіääàëè , кількість теплоти Q3 , яку віддало тіло, дорівнює сумі кількості теплоти, яку отримали вода в калориметрі Q2

57 і сам калориметр Q1 , тобто: Q1 + Q2 = Q3 . Оскільки Q1 = c1m1 (t − t1 ) , Q2 = c2m2 (t − t2 ) і Q3 = c3m3 (t3 − t) , то можна записати: c1m1 (t − t1 ) + c2m2 (t − t2 ) = c3m3 (t3 − t) , c m (t − t1 ) + c2m2 (t − t2 ) звідки c3 = 1 1 . m3 (t3 − t) Дж Дж ⋅ 0,1кг ⋅7 о C + 4200 ⋅ 0,1кг ⋅7 о C 900 о о ⋅ ⋅ кг C кг C = c3 = 0,15 кг ⋅ 53 о C Дж . = 450 кг ⋅ о C Äæ . Відповідь: c3 = 450 êã ⋅ î Ñ

Вправа 2 1. Взяли 100 г води за температури 20 °C і 100 г води за температури 60 °C. Яка температура встановиться, якщо воду змішати? 2. На скільки градусів нагріється мідний паяльник масою 200 г, якщо йому надати таку саму кількість теплоти, що йде на нагрівання олова масою 10 г від 20 до 232 °С? 3. Для приготування ванни, місткість якої 200 л, змішали холодну воду за температури 10 °C з гарячою за температури 60 °C. Які об’єми холодної і гарячої води треба взяти, щоб у ванні встановилася температура 40 °C? 4. У каструлі змішали 0,8 кг води за температури 25 °С і 0,2 кг окропу. Якою стала температура суміші? 5. У калориметр, у якому міститься 200 г води за температури 10 °С, поклали мідний брусок масою 50 г, температура якого становить 100 °С. Визначте температуру, яка встановилась у калориметрі. 6. У калориметр, теплоємність якого дорівнює 63 Дж/ °С (теплоємність калориметра визначається добутком питомої теплоємності речовини і маси калориметра С = с·m), налили 250 г олії за температури 12 °С. Після

58 того, як в олію вкинули мідне тіло, масою 500 г і температурою 100 °C, у калориметрі встановилася температура 33 °C. Визначте за даними досліду питому теплоємність олії. 7. За даними досліду, зображеного на малюнку 43, визначте кількість теплоти, яку віддало тіло, занурене у Дж воду. Теплоємність посудини з термометром 50 о . С 8*. У 200 г води температурою 20 °C поміщають 300 г заліза, температура якого 10 °C, і 400 г міді температурою 25 °C. Визначити температуру теплової рівноваги. 9*. У скляну посудину, масою 120 г і температурою 20 °C, налили гарячу воду, маса якої 200 г і температура 100 °C. Через 5 хв температура посудини з водою стала дорівнювати 40 °C. Яка кількість теплоти втрачається за одну секунду? Процес втрати теплоти вважати сталим.

М��. 43. До завдання 7

вивчення теплового балансу за умов змішування води різної температури М е т а р о б о т и: порівняти кількість теплоти, що віддана теплою водою, з кількістю теплоти, що отримана холодною водою, під час їхнього змішування. П р и л а д и і м а т е р і а л и: термометр, посудина з теплою водою (40 °С), посудина з холодною водою, калориметр, мензурка.

Вказівки щодо виконання роботи

Кількість теплоти, що віддала тепла вода, Q2, Дж

Кількість теплоти, що отримала холодна вода, Q1, Дж

Температура суміші, t, °С

Температура теплої води, t2, °С

Температура холодної води, t1, °С

Маса теплої води, m2, кг

Маса холодної води, m1, кг

1. За допомогою термометра виміряйте температуру холодної води t1 у посудині. Запишіть значення температури в таблицю. 2. Налийте в калориметр 100 г теплої води. Виміряйте й запишіть у таблицю значення її температури t2. 3. Не виймаючи термометра, вилийте в калориметр 100 г холодної води. 4. Обережно помішуючи термометром воду, стежте за його показаннями. Тільки-но температура перестане змінюватись, запишіть показання термометра t в таблицю. 5. Обчисліть зміну температури холодної води ∆t1 = t − t1 та теплої води ∆t2 = t2 − t . 6. Обчисліть кількість теплоти, яку отримала холодна вода: Q1 = cm1 (t − t1 ) . 7. Обчисліть кількість теплоти, яку віддала тепла вода: Q2 = cm2 (t2 − t) . 8. Порівняйте їх і зробіть висновок.

визначення питомої теплоємності речовини М е т а р о б о т и: навчитись визначати питому теплоємність речовини. П р и л а д и і м а т е р і а л и: калориметр, термометр, мензурка, посудина з водою, важільні терези з набором важків, циліндр металевий (на нитці), фільтрувальний папір, посудина з окропом (одна на клас). Вказівки щодо виконання роботи

Питома теплоємність тіла С2, Дж/(кг·°С)

Кількість теплоти, що віддало тіло Q2, Дж

Кількість теплоти, що отримала вода Q1, Дж

Маса тіла m2, кг

Маса води m1, кг

Кінцева температура води t, °С

Початкова температура води t1, °С

1. Налийте в калориметр 150–200 мл води кімнатної температури. Виміряйте та запишіть температуру t1 і масу m1 цієї води. 2. З дозволу вчителя підійдіть з калориметром до посудини з киплячою водою, в якій містяться металеві циліндри. Акуратно перемістіть циліндр у калориметр. 3. На робочому місці опустіть у калориметр термометр. Обережно помішуючи термометром воду, стежте за його показаннями. Після досягнення теплової рівноваги виміряйте температуру води в калориметрі t. 4. Вийміть циліндр із води, промокніть його фільтрувальним папером. За допомогою важільних терезів визначте масу циліндра m2. 5. Обчисліть кількість теплоти, яку отримала вода в калориметрі: Q1 = c1m1 (t − t1 ) . 6. Обчисліть кількість теплоти, яку віддав гарячий циліндр: Q2 = c2m2 (100 o C − t) . 7. Складіть рівняння теплового балансу. Із співвідношення визначте питому теплоємність речовини циліндра c2 . 8. За таблицею питомих теплоємностей визначте речовину, із якої виготовлено циліндр.

9. Порівняйте табличне і експериментальне значення теплоємності. Зробіть висновок.

61 Перевірте себе (§ 1–10) рівень а (початковий) 1. Унаслідок охолодження стовпчика ртуті в термометрі…

А Б В Г

зменшується об’єм атомів ртуті зменшується відстань між атомами ртуті припиняється рух атомів збільшується відстань між атомами

2. Енергію, яку тіло дістає або втрачає внаслідок теплообміну, називають…

А кількістю теплоти Б питомою теплоємністю

В внутрішньою енергією Г кінетичною енергією

3. У якому агрегатному стані речовина має найбільшу теплопровідність?

А Б В Г

твердому рідкому газоподібному усіх агрегатних станах теплопровідність речовини однакова

4. Енергію руху і взаємодії мікрочастинок речовини називають…

А Б В Г

кінетичною енергією внутрішньою енергією кількістю теплоти потенціальною енергією

5. У якому випадку енергія від одного тіла до іншого передається тільки за рахунок теплового випромінювання?

А унаслідок нагрівання води в електрочайнику Б унаслідок нагрівання повітря в кімнаті від радіатора центрального опалення В унаслідок нагрівання шин автомобіля під час гальмування Г унаслідок нагрівання поверхні Землі Сонцем 6. Виберіть властивість, завдяки якій вода є найпридатнішою рідиною для центрального опалення будівель.

А Б В Г

порівняно велика густина води розширення при її нагріванні велика питома теплоємність води мала стисливість води рівень в (середній)

1. Чи охолоджуватиметься нагріте тіло в безповітряному просторі?

А ні, оскільки відсутні інші тіла, з якими воно перебуває в контакті Б так, за рахунок конвекції В так, за рахунок теплового випромінювання Г так, за рахунок теплообміну

62 2. Яка теплоємність тіла, якщо для його нагрівання на 20 °С необхідна кількість теплоти 1800 Дж?

А 90 Дж/кг Б 900 Дж/(кг °С)

В 900 Дж/кг Г 90 Дж/(кг °С)

3. Змішали 10 кг води за температури 20 °С і 10 кг води за температури 80 °С. Яка температура суміші?

А 40 °С Б 45 °С

В 50 °С Г 100 °С

рівень С (достатній) 1. Експериментально досліджувалась зміна температури 0,5 кг рідини внаслідок її нагрівання. За отриманим графіком (мал. 44) визнач те питому теплоємність цієї рідини.

t, °С 30 20 10 0

А 1 кДж/(кг · °С) Б 0,5 кДж/(кг · °С)

М��. 44. До завдання 1C

Q, кДж

В 1,5 кДж/(кг · °С) Г 2 кДж/(кг · °С)

2. Воду масою 1 кг нагріли. При цьому витратили 84 кДж енергії. Якою стала температура води, якщо початкова температура була рівною 10 °С? 3. Яка кількість теплоти необхідна для того, щоб в алюмінієвій каструлі масою 500 г нагріти 2 л води на 20 °С?

рівень D (високий) 1. В алюмінієвий калориметр, у якому міститься холодна вода вливають гарячу воду. Використовуючи графіки зміни температури під час теплообміну (мал. 45) визначте масу калориметра.

М��. 45. До завдання 1D 2. На нагрівання цеглини масою 4 кг на 62 °С затрачено таку саму кількість теплоти, як і на нагрівання 4 кг води на 13 °С. Визначте питому теплоємність цегли.

§ 11

Кристалічні та аморфні тіла

Пригадаймо, що нам відомо про тверде тіло. Повторіть § 2, в якому розглядаються особливості руху та взаємодії молекул речовини у твердому агрегат-  ному стані. Вам уже відомо, що тверде тіло характеризується такими особливостями: сталістю форми  та об’єму, коливальним характером теплового руху молекул, більшою середньою потенціальною енергією взаємного притягання молекул у порівнянні з їхньою кінетичною енергією. Розрізняють кристалічні (від грец. krystallos — лід) й аморфні (від грец. amorphos — той, що без форми) тверді тіла.  Кристалічні тіла. Кристалічними називають такі тверді тіла, атоми або молекули яких здійснюють теплові коливання біля положень рівноваги, що утворюють так звані вузли кристалічної ґратки. Між молекулами кристалів існує значна сила взаємодії, тому кристали зберігають сталими не лише свій об’єм, а й форму. Правильна геометрична форма є істотною зовнішньою ознакою будь-якого кристала. Існують різні види кристалічних ґраток, але головною їхньою особливістю є чітка періодичність розміщення атомів у просторі. Тому кажуть,

Ви дізнаєтесь Про особливості будови твердих тіл За якими ознаками класифікують тверді тіла

Пригадайте Характеристики речовини, що перебуває у твердому агрегатному стані

М��. 46. Типи кристалів

що в кристалічних тілах існує дальній порядок у розташуванні атомів. Залежно від природи частинок, що містяться у вузлах кристалічних ґраток, та відповідно до фізичної природи сил, що діють між ними, розрізняють чотири види кристалів: йонні, атомні, молекулярні, металеві (мал. 46, с. 63). Властивості кристала значною мірою визначаються видом кристалічної ґратки. Пояснимо це на прикладі графіту. Кристалічна ґратка графіту має шарувату структуру (мал. 47, а), тобто в кожному шарі атоми Карбону розташовані у вершинах правильних шестикутників. Усередині шару взаємодія атомів доволі сильна, але самі шари слабо пов’язані один з одним. Саме тому кристал графіту легко розшаровується: коли ми пишемо олівцем, на папері залишаються тонкі шари графіту. На відміну від М��. 47. Кристалічні ґратки: графіту, у кристалі алмазу атоми а) графіту; б) алмазу Карбону розташовані не лише у вершинах, а й на гранях (мал. 47, б). При цьому всі атоми мають міцні зв’язки зі своїми найближчими сусідами. Саме цими жорсткими зв’язками між атомами і зумовлена унікальна твердість алмазу. Кристалічні тіла ще поділяють на монокристали та полікристали. Тіла, що складаються з одного кристала, називають монокристалами (від грец. «моно» — один). Тіла, що складаються з великої кількості зрощених монокристалів, називають полікристалами (від грец. «полі» — багато). Найважливішою властивістю будь-якого кристалічного тіла є наявність певної температури плавлення, за якої воно перетворюється в рідину, не розм’якшуючись перед цим. Аморфні тіла. В аморфних тілах, так само як і у твердих, атоми або молекули коливаються відносно положень рівноваги. Ці положення не мають чіткого розташування у просторі, хоча найближчі «сусіди» й зберігають деякий порядок у розташуванні, який називають близьким. Прикладами аморфних тіл є смола, скло, бурштин. Аморфні тіла мають певні особливості. На відміну від кристалів, аморфні тіла розбиваються на частини

65 довільної форми. Наприклад, розглядаючи під мікроскопом товчене скло, ми не помітимо шматочків, що мають правильну геометричну форму. Ще однією характерною ознакою аморфних тіл є їхня текучість. З підвищенням температури аморфні тіла поступово розм’якшуються, перетворюючись на в’язку рідину. У цьому виявляється їхня істотна відмінність від кристалічних тіл: аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Ще однією особливістю аморфних тіл є їхня пластичність.

Підбиваємо підсумки Кристалічними називають тверді тіла, атоми або молекули яких здійснюють теплові коливання біля положень рівноваги, що утворюють так звані вузли кристалічної ґратки. Для кристалічних тіл характерним є дальній порядок у розташуванні атомів. Кристалічні тіла поділяють на монокристали й полікристали. Найважливішою властивістю будь-якого кристалічного тіла є наявність деякої фіксованої температури плавлення, за якої воно перетворюється в рідину, не розм’якшуючись перед цим. Атоми аморфних тіл зберігають ближній порядок. Основні особливості аморфних тіл: текучість, в’язкість, відсутність фіксованої температури плавлення.

1. Які тіла називають кристалічними? 2. На які дві групи поділяють кристалічні тіла? 3. Які особливості будови монокристалів та полікристалів ви знаєте? 4. Які тіла називають аморфними? 5. Назвіть особливості аморфних тіл. 6. Чим кристалічні тіла відрізняються від аморфних? ПОЯСніТЬ 1. Розгляньте малюнок 48 на с. 66. На цьому малюнку зображено тверді тіла та схеми їхньої будови. За якими ознаками ви б їх класифікували? Спробуйте описати відмінності між аморфними та кристалічними речовинами. За якими ознаками ви би класифікували кристалічні речовини?

66 Чи є серед речовин, зображених на малюнку 48, такі, що не відповідають жодній із класифікацій? Що це за речовини?

Цинк

Графіт

Золото

Алмаз

Кам’яна сіль

Цукор

Скло

Полімери

Холестерилбензоат

Лід

М��. 48. До завдання 1

2. Чи любите ви малювати або розглядати картини? А чи замислювалися, звідки люди отримали перші фарби? Їм слугували природні матеріали. На малюнку 49 зображено мінерали: малахіт, лазурит, каолін, кіновар. Установіть відповідність між кольором фарби, отриманим із порошку мінералу, та його назвою.

Малахіт

Лазурит

Каолін

Кіновар

БІла фарба

Зелена фарба

Червона фарба

Синя фарба

ДОМАШНІ ДОСЛІДИ ТА СПОСТЕРЕЖЕННЯ Виростити кристал у домашніх умовах не так уже й важко. Приготуйте кухонну сіль, склянку або іншу скляну посудину, нитку, скріпку та олівець (мал. 50). Процес вирощування кристала проходить у кілька етапів. Наповніть склянку холодною водою (краще взяти дистильовану воду) і помістіть у ємність із теплою водою (50–60 °С). Додайте побільше харчової солі (за приблизними підрахунками, 195 г кухонної солі (або 150–200 г мідного купоросу) на 0,5 л води). Упродовж 5–7 хв сіль повинна розчинитися. У процесі можна трохи підігрівати воду й додавати ще солі. Усе ретельно перемішуйте. Щоб домогтися насиченого розчину, додавайте сіль доти, доки ви не помітите осад на дні склянки. Це сигнал, що розчин досяг потрібної консистенції. (Краще перелити отриманий розчин в іншу ємність, позбувшись осаду). Робимо «затравку». Для цього виберіть великий кристалик солі та покладіть його на дно склянки. Можна закріпити його на нитці в центрі так, щоб кристалик не торкався стінок і дна. Для цього прив’яжіть нитку до олівця й покладіть його зверху. У ролі «затравки» може слугувати й прив’язана до кінця нитки скріпка (мал. 50). Склянку потрібно зберігати за кімнатної температури. Щоб захистити її від пилу, покладіть зверху серветку. Без потреби склянку краще не переміщувати. Процес зростання кристала почнеться відразу, а через кілька днів уже стане помітним. Подбайте про збереження готового кристала. Можна покрити його прозорим лаком для нігтів. Це захистить кристал від випаровування води і не дозволить йому розсипатися. Можна спробувати виростити кристал не тільки з харчової солі, а й з мідного купоросу, цукру, брому та інших речовин.

М��. 49. До завдання 2

М��. 50. Вирощування кристалів у домашніх умовах

§ 12

Розрахунок кількості теплоти під час плавлення/ тверднення тіл

Ви дізнаєтесь

Плавлення твердих тіл. Як було з’ясовано в попередньому параграфі, тверді тіла поділяються на  Чому не змінюється кристалічні та аморфні. Найважливішою властитемпература вістю будь-якого кристалічного тіла є наявність під час плавлення деякої фіксованої температури плавлення, за якої  Як обчислити воно перетворюється в рідину, не розм’якшуючись теплоту плавлення перед цим. Щоб розплавити кристалічне тверде тіло, треба спочатку нагріти його до певної темпеПригадайте ратури. В аморфних тіл фіксованої температури плавлення немає — вони починають плавитись від Основні відмінності разу після початку їхнього нагрівання. між кристалічними Сили взаємодії між атомами в кристалічних та аморфними тілами ґратках різних твердих тіл не однакові, тому одні кристалічні тіла плавляться за низьких температур, інші — за високих. Лід, наприклад, плавиться за температури 0 °С, свинець — за 327 °С, олово — за 232 °С, а сталь — за 1500 °С. Тому лід плавиться за кімнатної температури, кусок олова або свинцю можна розплавити в сталевій ложці, нагріваючи її над полум’ям плити, а сталь плавлять у спеціальних печах, де досягають потрібної температури. Температурою плавлення речовини називають температуру, за якої речовина переходить із твердого у рідкий агрегатний стан. Дослід показує, що речовини тверднуть за тієї самої температури, за якої плавляться. Наприклад, вода кристалізується (а лід плавиться) за температури 0 °С, а чисте золото плавиться і кристалізується за 1539 °С. Якщо нагрівати будь-яке кристалічне тіло, то можна помітити, що його температура підвищується тільки до моменту початку плавлення тіла. За весь час процесу плавлення температура тіла не змінюється, оскільки вся енергія йде на руйнування зв’язків між атомами та молекулами. За цієї температури частина тіла перебуває в рідкому, а частина — у твердому стані.

69 Питома теплота плавлення. Оскільки в різних речовин атоми й молекули взаємодіють з неоднаковою силою, то для їх плавлення потрібна різна кількість теплоти. Для характеристики енергетичних затрат, пов’язаних із переходом речовини з твердого стану в рідкий, уводять фізичну величину, яка називається питомою теплотою плавлення, позначається λ (читається «лямбда»). Питома теплота плавлення — це фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна для переходу 1 кг речовини із твердого стану в рідкий за температури плавлення. Питома теплота плавлення вимірюється в джоулях на Дж кілограм, . Значення температури плавлення та пикг томої теплоти плавлення окремих речовин наведено на форзацах у таблицях. Обчислення кількості теплоти. Щоб визначити кількість теплоти, необхідну для плавлення твердого тіла будь-якої маси, треба питому теплоту плавлення речовини λ помножити на масу тіла m : Qпл = λm. Зворотний процес — перехід із рідкого стану в твердий — відбувається за умови втрати рідиною енергії. Якщо під час плавлення тверде тіло поглинає енергію, то під час тверднення — навпаки, рідина віддає енергію. Як і у випадку плавлення, для характеристики цього процесу вводять поняття питомої теплоти кристалізації. Її фізичний зміст такий самий, як і питомої теплоти плавлення: це кількість теплоти, необхідна для переходу 1 кг речовини з рідкого стану у твердий за температури кристалізації. Отже, для переходу 1 кг речовини із твердого стану в рідкий або навпаки — з рідкого у твердий їй потрібно отримати або віддати однакову кількість теплоти. Графічне зображення плавлення/ тверднення. Процеси нагрівання і плавлення, а також зворотні процеси: охолодження і тверднення — можна зобразити графічно. Для цього по осі ординат відкладають значення температури речовини, а по осі абсцис — час, протягом якого триває процес. Наприклад, на малюнку 51 на с. 70 графічно зображено процеси нагрівання і плавлення льоду, нагрівання води та зворотні процеси. Зверніть увагу, ділянки графіка, що відповідають процесу нагрівання льоду та нагрівання води, мають різний нахил, який залежить від значення питомої теплоємності речовини: що більшим є її значення, то менший нахил.

М��. 51. Графік залежності температури від часу

Підбиваємо підсумки Кристалічні тіла плавляться і тверднуть за деякої, сталої для кожної речовини, температури, яку називають температурою плавлення. Температура плавлення речовини дорівнює температурі її кристалізації. Під час процесу плавлення (тверднення) речовини її температура не змінюється. Для плавлення кристалічного тіла масою m йому потрібно надати кількість теплоти, пропорційну масі тіла: Q = λm .

1. Який процес називається плавленням? Схарактеризуйте умови плавлення твердих тіл. 2. У чому полягає фізичний зміст питомої теплоти плавлення? 3. Чому під час плавлення кристалічних тіл температура залишається сталою? 4. У чому виявляється закон збереження і перетворення енергії при плавленні та кристалізації речовини? ПОЯСніТЬ 1. Чому ртуть не використовується в термометрах, якими вимірюють температуру полярники? 2. Чи можна залізний цвях розплавити в алюмінієвій ложці?

71 ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ Задача 1

Яка кількість теплоти потрібна, щоб розплавити 0,6 кг алюмінію, взятого за температури 20 °С? CI Розв’язання:

Дано: m = 0,6 êã t = 20 °С Äæ c = 920 êã ⋅ î Ñ Äæ λ = 393 000 êã tпл = 660 °С Q −?

Значення c, λ і tпл дізнаємось із таблиць. Щоб розплавити алюміній, його спершу слід нагріти до температури плавлення 660 °С. Для цього необхідна кількість теплоти: Q1 = cm(tпл − t) .

Äæ ⋅ 0,6 êã ⋅ (660 î Ñ − 20 î Ñ) = 353280 Äæ . êã ⋅ î Ñ На процес плавлення затрачується кількість теплоти Äæ Q2 = λm. Q2 = 393 000 ⋅ 0,6 êã = 235 800 Äæ . êã Таким чином, щоб розплавити 0,6 кг алюмінію, взятого за температури 20 °С, необхідно затратити таку кількість теплоти: Q = Q1 + Q2 = 353280 Äæ + 235800 Äæ = 589080 Äæ ≈ 589 êÄæ. Q1 = 920

Відповідь: Q ≈ 589 êÄæ . Яка кількість енергії виділяється, якщо свинцеве тіло об’ємом 100 см3 кристалізується й охолоджується від температури плавлення до 27 °С?

Задача 2

Дано: V = 100 ñì3 t = 27 o C êã ρ = 11 300 3 ì

Розв’язання: Масу тіла визначимо за його густиною та об’ємом: m = ρV , êã m = 11 300 3 ⋅10−4 ì3 = 1,13 êã . ì Під час кристалізації виділяється Äæ λ = 24 000 кількість теплоти Q1 = λm , êã Äæ Q1 = 24 000 ⋅1,13 êã = 27 120 Äæ. Q −? êã Під час охолодження відповідно — Q2 = cm(tïë − t) , де температура плавлення свинцю tпл = 327 °С, Äæ Q2 = 140 ⋅1,13 êã ⋅ (327 î Ñ − 27 î Ñ) = 47 460 Äæ . êã ⋅ î Ñ CI 10–4 м3

72 Таким чином, загальна кількість енергії, що виділяється під час кристалізації та охолодження свинцевого тіла: Q = Q1 + Q2 = 27 120 Äæ + 47 460 Äæ = 74 580 Äæ . Відповідь: Q = 74 580 Äæ .

Вправа 3 1. Лід і свинець масою 1 кг кожен узято за їхніх температур плавлення. Для плавлення якого з цих тіл потрібна більша кількість теплоти? У скільки разів? 2. У якому стані перебуває свинець за нормального атмосферного тиску, якщо його температура 330 мосферного тиску, якщо його температура 330 °С? 3. У скільки разів більше енергії потрібно для плавлення в льоду за 0 °С, ніж для нагрівання такої самої маси льоду на 1 ду на 1 °С? М��. 52. Графіки 4. Шматок льоду занесли з вулиці, де температура –5 °С, у зміни температури сарай, де температура 0 сарай, де температура 0 °С. Чи почне танути лід у сараї? льоду внаслідок 5. У посудині міститься лід за температури –10 °С. Посунагрівання дину поставили на пальник, який за однакові інтервали часу дає однакову кількість теплоти. Який із графіків (мал. 52) відповідає описаному випадку і в чому помилкові інші графіки? 6. Маса срібла 10 г. Яка кількість теплоти виділяється під час його кристалізації й охолодження до 60 °С, якщо срібло взято за температури плавлення? 7. На малюнку 53 зображено залежність кількості поглинутої під час плавлення теплоти від маси речовини. Визначте питому теплоту плавлення для кожної речовини. Що це за речовини? 8*. До якої температури слід нагріти залізний кубик, щоб він повністю занурився М��. 53. Графіки залежності в лід, температура якого 0 °С (мал. 54)? Ввакількості теплоти від маси жайте, що вся теплота, віддана кубиком, іде на плавлення льоду. 9*. У посудині міститься 2 л води, яка має температуру 30 °С. Визначте температуру, що встановиться в посудині, якщо в неї покласти 200 г льоду, температура якого 0 якого 0 °С. 10*. У сталевій коробці масою 250 г розплавляють 100 г свинцю. Яка кількість теплоти витратилася на теплові процеси, якщо початкова температура тіл становила М��. 54. 27 °С?

До завдання 8

§ 13

Випаровування і конденсація

Пароутворення та конденсація. Як ви вже Ви дізнаєтесь знаєте, пароутворення — це процес перетворення рідини в пару. Конденсація — явище перетворення  Як можна регулюпари в рідину. Розрізняють два види пароутвовати інтенсивність рення: випаровування та кипіння. випаровування У цьому параграфі розглянемо детальніше механізми випаровування та конденсації. Пригадайте Випаровування. Ми знаємо, що молекули рідини, так само як молекули твердого тіла або газу,  Особливості руху безперервно рухаються з різними швидкостями. й взаємодії молекул Окремі молекули рідини рухаються із швидкостяречовини в газоми як більшими, так і меншими від середньої швидподібному і рідкому кості. Якщо якась «швидка» молекула опиниться стані біля поверхні рідини, то вона може подолати притягання сусідніх молекул і вилетіти з рідини (мал. 55). Молекули, що вилетіли з поверхні рідини, утворюють над нею пару — відбувається процес випаровування. Випаровування — перехід речовини з рідкого або твердого агрегатного стану в газоподібний (пару), який відбувається на вільній поверхні рідини. Швидкість випаровування залежить від кількох причин. Якщо аркуш паперу змочити в одному місці ефіром, в іншому водою, а ще в іншому — олією, то помітимо, що ефір випарується значно швидше, ніж інші речовини (мал. 56, c. 74). Отже, швидкість випаровування залежить від різновиду рідини. Швидше випаровується та рідина, молекули якої притягаються одна до одної з меншою силою. Адже в цьому разі подолати притягання й вилетіти з рідини може більша кількість молекул. Через те, що деяка кількість молекул, які рухаються швидко, є в рідині за будь-якої температури, то й випаровування відбувається за будь-якої температури. Це підтверджують спостереження. Наприклад, калюжі випаровуються і влітку, в спеку, і восени, коли вже холодно. Але влітку вони висихають швидше. Це пояснюється

М��. 55. Процес випаровування

Олія Вода Ефір

Олія Вода

М��. 56. Швидкість випаровування залежить від різновиду рідини

б М��. 58. Випаровування: а — у закритій посудині, б — у відкритій посудині

Вода

М��. 57. Швидкість випаровування залежить від температури

тим, що чим вища температура рідини, тим більшою є кількість молекул, які швидко рухаються й можуть подолати сили притягання навколишніх молекул і вилетіти з поверхні рідини. Тому рідина випаровується швидше за вищої температури (мал. 57). Одночасно з переходом молекул із рідини в пару відбувається і зворотний процес. Безладно рухаючись над поверхнею рідини, частина молекул, що її залишили, знову в неї повертаються. Якщо рідина випаровується в закритій посудині (мал. 58, а), то досить швидко кількість молекул, які вилетіли з рідини, дорівнюватиме кількості молекул пари, що повертаються назад в рідину. Тому кількість рідини в закритій посудині не змінюється, а в просторі над рідиною буде міститись максимально можлива кількість пари в заданому об’ємі. У відкритій посудині (мал. 58, б) кількість рідини внаслідок випаровування поступово зменшується, бо більшість молекул пари розсіюється в повітрі, не повертаючись у рідину. Тільки невелика їх частина повертається назад у рідину, сповільнюючи цим процес випаровування. Тому під час вітру, який відносить молекули пари, рідина випаровується швидше. Швидкість випаровування залежить від наявності й швидкості потоків повітря та його вологості1. Якщо у вузьку і широку посудини налити однаковий об’єм води (мал. 59), то можна помітити, що в широкій посудині вода випарується значно швидше. Наприклад, 1 Вологість повітря визначається кількістю водяної пари в ньому. Якщо вологість повітря становить 100 %, то це означає, що кількість водяної пари, яка міститься в ньому, — максимальна.

М��. 59. Швидкість випаровування рідини залежить від площі її вільної поверхні

налита в блюдце вода випарується швидше, ніж налита у склянку. Це пояснюється тим, що рідина випаровується з вільної поверхні речовини, і чим більша площа вільної поверхні рідини, тим більше молекул одночасно вилітає з неї в повітря. Отже, швидкість випаровування рідини залежить від площі її вільної поверхні. Вилітаючи з рідини, молекули долають сили притягання з боку решти молекул, тобто виконують роботу проти цих сил. Не всі молекули рідини можуть виконати таку роботу, а тільки ті з них, які мають достатню для цього кінетичну енергію (достатню швидкість). Але якщо під час випаровування з рідини вилітають найшвидші молекули, то середня швидкість решти молекул рідини стає меншою, отже, і середня кінетична енергія молекул, що залишаються в рідині, зменшується. Це означає, що внутрішня енергія рідини, яка випаровується, зменшується. Тому, якщо немає припливу енергії до рідини ззовні, то, випаровуючись, вона охолоджується. Виходячи з води навіть у спекотний день, ми відчуваємо холод. Вода, випаровуючись із поверхні нашого тіла, забирає від нього певну кількість теплоти. Проте під час випаровування води, налитої у склянку, ми не помічаємо зниження її температури. Чим це можна пояснити? Річ у тім, що випаровування в цьому разі відбувається повільно і температура води залишається сталою за рахунок теплоти, узятої з навколишнього повітря. Ми говорили, що одночасно з випаровуванням відбувається і конденсація (мал. 60). Конденсація пари супроводжується виділенням енергії. Літніми вечорами, коли повітря стає холоднішим, випадає роса. Це водяна пара, що була в повітрі, унаслідок охолодження конденсується, і маленькі крапельки води осідають на траві й листі.

М��. 60. Конденсація водяної пари

76 Конденсацією пари пояснюється утворення хмар. Водяна пара, що піднімається над землею, утворює у верхніх, холодніших, шарах повітря хмари, які складаються з безлічі найдрібніших краплинок води.

Підбиваємо підсумки Випаровування — це перехід речовини з рідкого або твердого агрегатного стану в газоподібний (пару), який відбувається на вільній поверхні рідини. Швидкість випаровування залежить від багатьох факторів: від різновиду рідини, від температури, від площі вільної поверхні, від наявності вітру над поверхнею, від того, закритий чи відкритий простір над нею. Якщо немає припливу енергії до рідини ззовні, то, випаровуючись, вона охолоджується.

1. Що називають пароутворенням; конденсацією; випаровуванням; парою? 2. Як пояснити зниження температури рідини в результаті її випаровування? Чому рідина випаровується за будь-якої температури? 3. Від чого залежить швидкість випаровування рідини? 4. Як називається процес, зворотний до випаровування? Чим ці процеси відрізняються з енергетичної точки зору? ПОЯСніТЬ 1. Чому для виготовлення парфумів використовують спирт, а не воду? 2. Чому ґрунт просихає швидше у вітряну погоду? 3. Чому в закритій посудині рідина холоне повільніше? 4. Подихайте на дерев’яну поверхню, а потім — на дзеркало. Порівняйте процеси та поясніть.

§ 14

Кипіння. Розрахунок кількості теплоти під час пароутворення/ конденсації

Кипіння. За певної температури (температури кипіння) рідини починають інтенсивно випаровуватися не лише з вільної поверхні, а й в усьому об’ємі. Це явище називають кипінням.

Ви дізнаєтесь  Чим кипіння відрізняється від випаровування

Кипіння — перехід рідини в пару, який характеризується інтенсивним випаровуванням рідини не тільки з її вільної поверхні, а й з усього об’єму.

Пригадайте  Особливості руху та взаємодії молекул речовини в газоподібному і рідкому стані

Нагріватимемо воду в посудині (мал. 61, а). Через деякий час дно і стінки посудини вкриються бульбашками. Це бульбашки повітря, яке завжди буває розчиненим у воді. Під час нагрівання рідини вода випаровується вздовж поверхні бульбашки в її середину. З підвищенням температури бульбашка заповнюється не тільки повітрям, розчиненим у воді, а й водяною парою. Зі збільшенням кількості водяної пари всередині бульбашок їх об’єм поступово збільшується, а відповідно збільшується й виштовхувальна архімедова сила, що діє на бульбашку. Бульбашки відриваються від поверхні стінок і дна посудини й підіймаються до поверхні рідини. Якщо вода в посудині ще не прогріта повністю й верхні її шари залишаються холодними (мал. 61, б), бульбашки стискаються, створюючи характерний шум, який ми чуємо перед 70 °С

М��. 61. Кипіння води

100 °С

Таблиця 1 Температура кипіння деяких речовин (за нормального атмосферного тиску) речовина tкип, °С Водень

–253

Кисень

–183

Ефір

Спирт

Вода

100

Молоко

100

Ртуть

357

Свинець

1740

Мідь

2567

Залізо

2750

початком кипіння рідини. Якщо ж вода прогрілася повністю (мал. 61, в), а ми продовжуємо її нагрівати, процес пароутворення в середину бульбашок відбувається інтенсивніше. Кількість пари всередині бульбашок збільшується, відповідно підвищується й тиск пари. Унаслідок цього об’єм бульбашок збільшується, і за певної температури рідини бульбашки починають спливати на поверхню й лопатися, а водяна пара, що містилася в бульбашках, виходить назовні. Іноді при цьому можна спостерігати туман, який утворюється над посудиною: водяна пара змішується з холодним повітрям і конденсується у вигляді маленьких крапельок. Самої пари, звичайно, не видно. При кипінні температура рідини залишається сталою, оскільки вся теплота, що надається рідині, йде на внутрішнє випаровування в усьому об’ємі. Температура кипіння. Температуру, за якої кипить рідина, називають температурою кипіння. У кожної речовини вона має своє значення і залежить від різних факторів, зокрема від зовнішнього тиску. Це пояснюється тим, що бульбашкам із парою для виходу назовні треба подолати його протидію. Тому з підвищенням зовнішнього тиску зростатиме температура кипіння, і навпаки, зі зниженням зовнішнього тиску температура кипіння зменшуватиметься. Наприклад, у високих горах вода кипітиме за значно нижчої температури, ніж за нормального атмосферного тиску. У таблиці подано температури кипіння (у °С) деяких речовин (за нормального атмосферного тиску). З таблиці видно, що речовини, які у звичайних умовах є газами, за достатнього охолодження перетворюються в рідини, що киплять за дуже низьких температур, а речовини, які у звичайних умовах спостерігаємо у твердому стані, перетворюються під час плавлення в рідини, що киплять за дуже високої температури. Питома теплота пароутворення. Щоб рідина у процесі пароутворення не змінювала своєї температури, їй треба надавати енергію. Так, щоб випарувати воду масою 1 кг за температури 35 °С, потрібно 2,4·106 Дж, а за температури кипіння 100 °С — 2,3·106 Дж. Питома теплота пароутворення — це фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна, щоб перетворити рідину масою 1 кг у пару без зміни температури рідини.

М��. 62. Графік залежності температури від часу

Питому теплоту пароутворення позначають літерою L (або літерою r). Одиницею питомої теплоти пароутворенДж ня є джоуль на кілограм, . кг Кожна рідина має свою питому теплоту пароутворення. Найчастіше під час розв’язування задач використовують значення питомої теплоти пароутворення за температури кипіння та нормального атмосферного тиску (див. форзац). Обчислення кількості теплоти. Щоб обчислити кількість теплоти, яка потрібна для перетворення в пару рідини будь-якої маси m, узятої за температури кипіння, треба питому теплоту пароутворення L помножити на масу: Qвип = Lm. Кількість теплоти, яка виділяється під час конденсації пари, визначається також за цією формулою. Процеси нагрівання й кипіння можна зобразити графічно. Для цього по осі ординат відкладають значення температури речовини, а по осі абсцис — час, протягом якого триває процес. Наприклад, на малюнку 62 графічно зображено процеси нагрівання й кипіння води та нагрівання утвореної водяної пари, а також обернені процеси: охолодження пари, конденсації та охолодження води.

80 Підбиваємо підсумки Пароутворення відбувається двома способами — випаровуванням і кипінням. Кипіння — це перехід рідини в пару, який характеризується інтенсивним випаровуванням рідини не тільки з її вільної поверхні, а й з усього об’єму всередину бульбашок пари, які при цьому виникають. Кипіння настає за фіксованої температури кипіння. З підвищенням зовнішнього тиску температура кипіння зростає, і навпаки, зі зниженням зовнішнього тиску температура кипіння зменшується. Щоб обчислити кількість теплоти, що потрібна для перетворення в пару рідини будь-якої маси m, узятої за температури кипіння, треба питому теплоту пароутворення L помножити на масу: Qвип = Lm.

1. 2. 3. 4.

У чому полягає суть явища кипіння? Як впливає зовнішній атмосферний тиск на процес кипіння? Чи змінюється в процесі кипіння температура? Чому? Від чого залежить кількість теплоти, потрібна для випаровування рідини або яка виділяється під час конденсації пари? ПОЯСніТЬ

М��. 63. До завдання 2

1. Чи може вода закипіти за температури 80 °С? 2. У великій каструлі з водою, що стоїть на вогні, плаває менша каструля з водою (мал. 63). Матеріал каструль — дуже добрий провідник теплоти (метал). У якій із каструль вода википить швидше? Чи кипітиме вода в маленькій каструлі, яка плаває у великій каструлі, де кипить вода?

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ Задача

Яка кількість енергії потрібна для перетворення води масою 2 кг, взятої за температури 20 °С, у пару?

81 Дано: m = 2 êã t = 20 o C tкип = 100 о C Дж c = 4200 кг ⋅ о С Дж L = 2,3 ⋅106 кг

Розв’язання: Загальна кількість затраченої енергії: Q = Q1 + Q2 , де Q1 — енергія, затрачена на нагрівання води від 20 до 100 °С: Q1 = cm(têèï − t) , а Q2 — енергія, затрачена на перетворення води в пару без зміни її температури: Q2 = Lm .

Q −? Підставивши числові значення величин, дістанемо: Äæ Q = 4200 ⋅ 2 êã ⋅ (100 î Ñ − 20 î Ñ) + êã ⋅ î Ñ Äæ + 2,3 ⋅106 ⋅ 2 êã ≈ 5,3 ⋅106 Äæ. êã Відповідь: Q ≈ 5,3 ⋅106 Äæ .

Вправа 4 1. Чи кипітиме вода у склянці, що плаває в киплячій воді? 2. Що має більшу внутрішню енергію: 1 кг води за температури 100 °C чи 1 кг водяної пари, узятої за тієї самої температури? 3. Яка кількість теплоти виділяється під час конденсації 2,5 кг водяної пари, якщо її температура 100 2,5 кг водяної пари, якщо її температура 100 °С? 4. Водяну пару масою 1 кг узято за температури 100 °С. Скільки енергії передасть вона навколишньому середо вищу в разі конденсації й подальшого охолодження до 0 ження до 0 °С? 5. Яку кількість теплоти потрібно витратити, щоб 4 кг льоду, взятого за температури –10 °C, перетворити у пару температурою 100 у пару температурою 100 °C? 6. У посудину, в якій міститься 1,5 кг води за температури 15 °С, впустили 200 г водяної пари за температури 100 °С. Яка температура встановиться в посудині після конденсації пари? 7*. Яку кількість теплоти треба надати 50 г води, температура якої 20 °С, щоб довести її до кипіння й перетворити половину цієї води в пару? 8*. Яка кількість теплоти виділяється під час конденсації водяної пари, маса якої 10 кг, а температура 100 °С, та охолодження води, що утворилася, до 20 °С?

§ 15 Ви дізнаєтесь  Які фізичні й хімічні процеси відбуваються під час горіння  Яке паливо є найкращим джерелом енергії

Згорання палива. Розрахунок кількості теплоти внаслідок згорання палива

Горіння. Досить часто людина добуває теплову енергію, спалюючи різні речовини. Це пояснюється тим, що горіння супроводжується виділенням теплоти. Горіння — це фізико-хімічний процес, під час якого відбувається окиснення речовини із виділенням теплоти і світла.

Горіння відбуватиметься, якщо є: горюча речовина, окисник і джерело займання. Перебіг горіння залежить від співвідношення кількості го Чим фізичні явища рючої речовини й окисника, а також енергетичної відрізняються спроможності джерела займання. від хімічних Ми не будемо розглядати всі можливі фізикохімічні процеси горіння й види горючих речовин, зупинимося лише на деяких із них. Зокрема, на процесах горіння, пов’язаних із окисненням вуглецю. + +Q Звичайне паливо1 (вугілля, нафта, бензин тощо) місC O2 CO2 тить вуглець. Під час горіння атоми вуглецю сполуГорюча речовина + окисник = чаються з атомами кисню, який є в повітрі. Кожний = продукти згорання + тепло атом вуглецю сполучається з двома атомами кисню, утворюючи молекулу оксиду вуглецю (ІV) (вуглекислого газу). Реакція супроводжується виділенМ��. 64. Реакція горіння ням енергії (мал. 64). Розрізняють повне та неповне згорання палива. У процесі повного згорання вся хімічна енергія палива переходить у теплову. Щоб розпочався процес горіння, потрібне джерело займання (мал. 65). Так, щоб запалити речовину в повітрі, спочатку потрібно нагріти її до певної температури —

Пригадайте

В українській мові розрізняють такі поняття: паливо — горюча речовина (дрова, вугілля, нафта, газ і т. ін.), яка використовується для одержання теплової енергії, тепла; пальне — паливо для двигунів; речовина, що є джерелом енергії під час її спалювання у двигунах, котельних та інших енергетичних установках.

83 Температура горіння сірника 1500 °С Температура полум’я 750–850 °С Температура займання дров 180–200 °С Температура горіння дров 800–1000 °С

температури займання. Для різних речовин вона різна. Так, наприклад, дерево займається за температури приблизно 200 °С, вугілля — 350 °С. Теплота, що виділяється під час горіння, підтримує температуру речовини вищою за температуру займання, унаслідок чого горіння підтримується самостійно. Важливо знати, що для припинення горіння речовину, що горить, потрібно охолодити до температури, нижчої від температури займання, або припинити доступ кисню. Ці обидва способи використовують під час гасіння пожежі водою. Коли вода потрапляє на джерело вогню, вона випаровується й відбирає від тіл, що горять, теплоту. Їхня температура різко зменшується. Водяна пара, що утворюється, утруднює доступ кисню, і горіння припиняється. Обчислення кількості теплоти, що виділяється внаслідок згорання палива. Питома теплота згорання. Процес горіння супроводжується виникненням полум’я (теплом і світлом) та виділенням диму (продуктів згорання). З фізичної точки зору нас буде цікавити питання: від чого залежить кількість теплоти, що виділяється під час горіння? Природно, що різні речовини під час горіння виділяють різну кількість теплоти, тобто горючі речовини можна порівнювати за певною фізичною величиною. Такою величиною є питома теплота згорання. Питома теплота згорання палива — це фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється в результаті повного згорання палива масою 1 кг. Питому теплоту згорання палива позначають літерою Дж q (читається «кю»), її одиниця — . кг Є різні види палива: тверде (дрова, вугілля, сланці, торф); рідке (бензин, гас, дизельне пальне, спирт та ін.); газоподібне (метан, пропан, бутан, ацетилен та ін.). У таблиці на форзаці наведено значення їх питомої теплоти згорання.

М��. 65. Умови початку горіння

84 Щоб обчислити кількість теплоти, яка виділяється від згорання будь-якої маси палива, треба питому теплоту згорання помножити на масу палива, що згоріло: Qзг = qm . Коефіцієнт корисної дії нагрівника. Для теплообміну часто застосовують нагрівники, за допомогою яких можна використати теплоту згорання палива, — газові пальники, спиртівки, печі. Кількість теплоти, яка утворюється в нагрівнику під час згорання палива, частково йде на нагрівання тіл, а частина її витрачається (розсіюється в навколишнє середовище, поглинається самим нагрівником тощо). Тому кажуть про коефіцієнт корисної дії (ККД) нагрівника показує, яку частину становить кількість теплоти, що йде на нагрівання ( Q ), по відношенню до кількості теплоти, що виділяється від згорання палива ( Qзг ): Q ККД = ⋅100%. Qзг ККД нагрівника характеризує ефективність використання теплоти, отриманої внаслідок згорання палива. Для того щоб підвищити ККД нагрівника, необхідно збільшувати корисну енергію, тобто зменшувати втрати теплоти не за призначенням.

Підбиваємо підсумки Горіння — це фізико-хімічний процес, який супроводжується виділенням теплоти і світла. Питомою теплотою згорання палива (q) називають фізичну величину, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згоранні 1 кг цього виду палива. Загальна кількість теплоти Q, що виділяється внаслідок згорання деякої маси m палива, обчислюється за формулою: Q = qm.

1. Що таке горіння? Опишіть фізичне явище, що лежить в основі використання палива як джерела енергії. 2. Чому для одержання теплової енергії використовують паливо? 3. Що називають питомою теплотою згорання палива? Які види палива мають найбільшу питому теплоту згорання? 4. Що характеризує ККД нагрівника?

85 ПОЯСніТЬ 1. Чому одним сірником можна запалити дерев’яну тріску, але неможливо запалити великий шматок деревини? 2. Чому, гасячи багаття, його розгортають по землі? 3. Як правильно прочитати вираз q=

Qзг : а) «питома m

теплота згорання прямо пропорційна кількості теплоти, що виділяється, й обернено пропорційна масі пального, що згоріло»; б) «питома теплота згорання палива чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється внаслідок повного згорання 1 кг такого палива»?

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ Яка кількість теплоти виділиться під час згорання 40 кг кам’яного вугілля? Скільки води можна нагріти від 10 до 60 °С, витративши всю теплоту на її нагрівання?

Задача 1

Дано: m = 40êã

t0 = 10 o C t = 60 î Ñ Дж кг ⋅ о С Дж q = 25 ⋅106 кг c = 4200

Q −? mводи − ?

Розв’язання: Унаслідок згорання палива виділяється кількість теплоти: Qзг = qm , Äæ Q = 25 ⋅106 ⋅ 40 êã = êã = 1000 ⋅106 Äæ = 109 Äæ . З формули кількості теплоти Q = cm(t − t0 ) визначаємо масу води, враховуючи, що

Q = 109 Äæ , m =

Q = 4800 êã . c(t − t0 )

Відповідь: Q = 109 Äæ , m = 4800 êã . Скільки треба спалити спирту, щоб нагріти 0,5 л води від 20 до 80 °С, якщо для нагрівання води витрачається 60 % теплоти, що виділяється під час згорання спирту?

Задача 2

86 Дано: V = 0,5 ë

t0 = 20 o C t = 80 î Ñ Дж кг ⋅ о С Дж q = 26 ⋅106 кг η = 0,6 c = 4200

m2 − ?

CI 0,5⋅10–3м3

Розв’язання: Масу води визначаємо за її густиною та об’ємом: êã m1 = ρV = 103 3 ⋅ 0,5 ⋅10−3 ì3 = ì = 0,5 êã. Враховуючи, що ККД нагрівника показує, яку частину становить кількість теплоти, що йде на нагрівання, по відношенню до кількості теплоти, що виділяється від згорання палива, можна записати:

Q сm1 (t − t0 ) = , або ηqm2 = cm1 (t − t0 ) . Qзг qm2 cm1 (t − t0 ) Маса спирту, що згорає: m2 = . ηq Äæ 4200 ⋅ 0,5 êã ⋅ 60 î Ñ î ⋅ êã Ñ ≈ 0,008 êã . m2 = Äæ 0,6 ⋅ 26 ⋅106 êã η=

Відповідь: m2 ≈ 0,008 êã .

Вправа 5 1. Яку масу води, узятої за температури 10 °С, можна нагріти до 50 °С, спаливши 30 г спирту, якщо вважати, що вся теплота, що виділяється під час згорання спирту, піде на нагрівання води? 2. На скільки більше теплоти виділяється в результаті повного згорання бензину масою 7 кг порівняно із повним згоранням кам’яного вугілля тієї самої маси? 3. Чи однаково прогріється піч, якщо в ній спалювати сухі дрова масою 14,5 кг або кам’яне вугілля масою 8 кг? Час горіння вважайте однаковим. 4*. Яка кількість теплоти виділяється внаслідок повного згорання пальної суміші, що складається з бензину об’ємом 2 л і спирту об’ємом 1,5 л? Яким має бути відношення маси бензину до маси спирту, щоб питома теплота згорання цієї суміші становила 42 МДж/кг?

М��. 66. До завдання 6

М��. 67. До завдання 7

5. Унаслідок згорання палива масою 5 кг виділилось 210 МДж теплоти. Що це за паливо? 6. На малюнку 66 зображено графіки залежності кількості теплоти, що виділяється внаслідок згорання двох видів палива (І і ІІ), від їхньої маси. Визначте питому теплоту згорання кожного з видів палива. У скільки разів кількість теплоти, що виділяється внаслідок згорання 0,3 кг палива І, менша від кількості теплоти, що виділяється внаслідок згорання 0,3 кг палива ІІ? 7. Використовуючи графіки (мал. 67) залежності питомої теплоти згорання палива для двох видів палива (І і ІІ) від їхньої маси, визначте сумарну кількість теплоти, що виділяється внаслідок повного згорання палива І масою 2 кг і палива ІІ масою 3 кг. Що це за види палива? 8. На скільки градусів можна нагріти воду масою 20 кг, спаливши гас масою 100 г, якщо вважати, що теплота, яка виділяється в результаті згорання, повністю піде на нагрівання води? 9. Скільки енергії виділилось під час горіння спиртівки, якщо вода масою 100 г нагрілась від 30 до 80 °С, а теплота, затрачена на нагрівання води, становить 20 % тієї теплоти, що виділилась? 10*. Сталева пилка масою 3 кг під час роботи протягом 5 хв нагрілася на 100 °С. Вважаючи, що на нагрівання пилки пішло 60 % усієї енергії, визначте виконану роботу та корисну потужність, що розвивається при цьому.

а ас к зі и о н Ф к ол в а н У світі

У всьому світі понад 80 % теплової та електричної енергії одержують, спалюючи природне органічне паливо та перетворюючи його хімічну енергію на електричну й теплову. Найпоширенішими видами пального є нафта, кам’яне вугілля та природний газ. На малюнку показано співвідношення запасів цих видів пального у світі та в Україні.

В Україні

Унаслідок інтенсивного використання невідновлюваних паливноенергетичних ресурсів планети у ХХ ст. їх запаси значно зменшилися. Адже корисні копалини утворюються природою впродовж віків, а витрачаються практично миттєво. Їх запаси не безмежні й вимагають раціонального використання. Для економік багатьох країн світу постає проблема енергетичної кризи, оскільки практично всі галузі промисловості залежать від енергії, що отримується внаслідок згорання палива. Це безпосередньо стосується й енергетики України. Щоб пересвідчитись у цьому, достатньо проаналізувати загальні дані споживання основних видів органічного палива країнами світу й Україною.

Нафту, природний газ і вугілля спалюють у таких кількостях, що продукти їх згорання (шкідливі й токсичні газові викиди та аерозолі) змінюють склад повітря, забруднюють воду та ґрунти. В атмосферу щорічно викидаються десятки мільярдів тонн шкідливих речовин. Серед них: парникові гази (вуглекислий газ (СО2), метан), надмірна концентрація яких, на думку деяких учених, призводить до збільшення середньої температури на поверхні Землі; оксид вуглецю СО, що в побуті називають чадним газом і який є дуже токсичним; сажові частинки, що згубно діють на дихальні органи людини й спричинюють онкологічні захворювання. Протягом мільйонів років існувала природна рівновага вмісту СО2 в атмосфері. Молекули СО2 добре пропускають сонячне випромінювання, що надходить із космосу, але поглинають теплове випромінювання, що йде від поверхні Землі. Це, на думку деяких учених, і є причиною поступового підвищення температури атмосфери. Зниження концентрації СО2 призводить до зниження середньорічної температури планети: якби в атмосфері зовсім не було СО2, уся поверхня Землі вкрилася б кригою, а середньорічна температура не перевищувала б рівня 6–10 °С. Відповідно збільшення вмісту СО2 зумовить підвищення температури. У той же час інші продукти згорання — пил, зола, сажа, токсичні речовини (свинець, ртуть, кадмій) — розсіюють сонячне світло, тому значна його частина не досягає поверхні Землі, що призводить до зниження температури. У результаті відбуваються коливання температури земної атмосфери. Іншими шкідливими продуктами згорання є: діоксид сірки, або сірчистий ангідрид SО2, — один із найтоксичніших газів, який впливає на окиснювання, руйнує матеріали, завдає шкоди здоров’ю людини; оксиди азоту (N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 і N2O5) й озон О3, які шкідливо впливають на здоров’я людини, зумовлюють утворення «парникового ефекту» й руйнацію озонового шару, спричинюють «вимирання» лісів і «кислотні дощі». Величезного екологічного та економічного лиха завдають пожежі.

§ 16

Перетворення енергії в теплових процесах

Перетворення енергії в теплових процесах. Здавна люди займалися конструюванням механізмів, які допомагали виконувати важку роботу.  Що таке теплова Спочатку вони використовували прості механізмашина ми — важелі, похилу площину, блоки тощо. Відтоді як людство пізнало закономірності пеПригадайте ребігу теплових явищ, учені намагались винайти спосіб використання теплової енергії, зокрема пе Приклади ретворення її в механічну. перетворення Пригадаймо, що нам відомо про перетворення механічної енергії енергії. Вивчаючи механічні явища в 7 класі, ви переконалися, що кінетична енергія тіла може перетворюватися в його потенціальну енергію й навпаки. Отже, якщо тіла взаємодіють в ізольованій системі, то їхня повна механічна енергія зберігається: Eк + Eп = const . У природі та техніці можна спостерігати багато фізичних явищ і процесів, у яких відбувається не лише перетворення складових механічної енергії, а й взаємоперетворення інших її видів. На початку вивчення теплових явищ ми з’ясували, що механічна енергія тіла може перетворюватись у його внутрішню енергію. Шайба, що вільно ковзає по льоду, із часом зупиниться під дією сили тертя. Її кінетична енергія не зникне, а перетвориться в теплову: температура шайби та льоду дещо підвищиться. Отже, можливий і зворотний процес: перетворення внутрішньої енергії тіла в механічну. Переконаємось у цьому на досліa б дах. Візьмемо циліндр із поршнем, покладемо на нього вантаж, наприМ��. 68. Виконання механічної роботи клад гирю, і почнемо нагрівати газ у за рахунок зміни внутрішньої енергії: циліндрі під поршнем (мал. 68, а). а — газу; б — водяної пари З підвищенням температури газу

Ви дізнаєтесь

91 поршень почне поступово рухатися вгору, оскільки внаслідок нагрівання газ розширюється. Отже, під час теплообміну газ виконує механічну роботу, піднімаючи вантаж на певну висоту. Якщо нагрівання газу припинити, то завдяки теплообміну з навколишнім середовищем його температура й об’єм зменшуватимуться, а поршень почне рухатися вниз. Як «робоче тіло» може бути використана і звичайна вода (мал. 68, б). Унаслідок нагрівання вода закипає, тиск утвореної водяної пари збільшується і вона виштовхує поршень. Отже, унаслідок нагрівання збільшується внутрішня енергія води, яка згодом перетворюється на пару. Внутрішня енергія пари переходить у механічну енергію поршня, за рахунок якої виконується механічна робота. Принцип дії теплової машини. На принципі перетворення теплової енергії в механічну завдяки виконанню роботи побудована дія всіх теплових машин. До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни тощо. З часу винайдення ці машини постійно вдосконалюються, але їх будова ґрунтується на закономірностях перетворення теплової енергії в механічну. Теплова машина — пристрій для перетворення внутрішньої енергії в механічну. У 1824 р. французький учений Саді Карно встановив, що теплова машина конструктивно має складатися з нагрівника (джерела теплоти), робочого тіла, яке виконує роботу (наприклад, пара в парових двигунах або суміш повітря й пари бензину в двигунах внутрішнього згорання), і охолоджувача (яким часто є навколишнє повітря) (мал. 69).

М��. 69. Принцип дії теплової машини

Саді Карно (1796–1832) Французький учений, який уперше визначив максимальний ККД теплової машини

92 Коефіцієнт корисної дії теплової машини. У 1851 р. англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) сформулював закон, який відіграв вирішальну роль у створенні теплових машин. Цей закон ще називають законом збереження енергії в теплових процесах. У природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерела теплової енергії без нагрівання навколишніх тіл. Це означає, що неможливо створити так званий вічний двигун, тобто теплову машину, яка б діставала енергію у вигляді теплоти від одного тіла і повністю передавала її у формі роботи іншому тілу. Отже, для теплових машин (як і для механічних) існує поняття корисної й затраченої енергії. І кожна теплова машина характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД), який визначає її спроможність перетворювати теплову енергію в механічну роботу. Затраченою енергією є кількість теплоти, яка надається нагрівнику Q1 . Корисною енергією є механічна робота, виконана тепловою машиною А. За законом збереження енергії ця енергія дорівнює різниці кількості теплоти Q1 , яку надає нагрівник робочому тілу, і кількості теплоти Q2 , яку віддає робоче тіло охолоджувачу: A = Q1 − Q2 . За означенням, ККД теплової машини дорівнює відношенню виконаної роботи А до наданої кількості теплоти Q1 : ККД =

Q А Q1 − Q2 = =1− 2 . Q1 Q1 Q1

Оскільки виконана робота А завжди менша від наданої кількості теплоти Q1, то можна зробити висновок, що ККД теплових машин завжди менший від 1. Інколи ККД визначають у відсотках. Тоді необхідно значення ККД помножити на 100 %. Теплові двигуни мають невисокий ККД, як правило, — 20–30 %.

93 Підбиваємо підсумки Дія всіх теплових машин (двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни) ґрунтується на перетворенні теплової енергії в механічну завдяки виконанню роботи. Теплова машина конструктивно має складатися з нагрівника (джерела теплоти), робочого тіла, яке виконує роботу (наприклад, пара в парових двигунах або суміш повітря і пари бензину в двигунах внутрішнього згорання), й охолоджувача (яким часто є навколишнє повітря). У природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерела теплової енергії без нагрівання навколишніх тіл. Кожна теплова машина характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД), який визначає її спроможність перетворювати теплову енергію в механічну роботу: Q А Q1 − Q2 ККД = = =1− 2 . Q1 Q1 Q1

1. Як відбувається перетворення енергії в теплових процесах? 2. Які механізми називають тепловими машинами? 3. З яких конструктивних елементів складається будь-яка теплова машина? 4. Який фундаментальний закон покладено в основу дії теплових машин? Чому не можна створити вічний двигун? 5. Що характеризує ККД теплової машини? ПОЯСніТЬ 1. Чи можна створити таку теплову машину, в якій для виконання механічної роботи, що становить 1 Дж, витрачається внутрішня енергія, яка дорівнює 1 Дж? 2. Чому теплові машини мають порівняно низький ККД? 3. Поясніть, які перетворення енергії відбуваються під час пострілу з гармати.

94 ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ Для забезпечення роботи парової турбіни використовується дизельне паливо масою 0,35 кг на 1 кВт·год роботи. Обчисліть ККД турбіни.

Задача 1

Дано: m = 0,35 кг Nt = 1 кВт·год η—?

Розв’язання: Записуємо вираз для А 3,6·106 Дж ККД двигуна: ККД = , Q CI

де корисну роботу визначаємо через потужність: A = Nt , а затрачену енергію — як кількість теплоти, що виділяється внаслідок згорання палива: Q = mq . А A = . Формула для ККД набуває вигляду: η = Q qm Із таблиць записуємо значення питомої теплоти згорання дизельного палива (42 МДж/кг). Підставляємо значення: 3,6 ⋅106 Äæ η= = 0,24 . 6 Äæ 42 ⋅10 ⋅ 0,35 êã êã Відповідь: η = 0,24. Визначте потужність двигуна автомобіля, якщо витрата бензину становить 10 л на 100 км шляху за умови, що середня швидкість руху автомобіля дорівнює 90 км/год. ККД двигуна — 25 %.

Задача 2

Дано: V = 10 л s = 100 км υ = 90 км/год η = 25 % N—?

CI 10·10–3 м3 1·105 м 25 м/с 0,25

Розв’язання: Записуємо вираз для А ККД двигуна: ККД = , Q де корисну роботу визначаємо через потужність A = Nt , а затрачену

енергію — як кількість теплоти, що виділяється внаслідок згорання палива: Q = mq . Масу палива знайдемо через густину: m = ρV . s Час роботи двигуна визначаємо як час руху: t = . υ Із таблиць записуємо значення питомої теплоти згорання бензину 46 МДж/кг та його густину 760 кг/м3.

95 Формула для ККД набуває вигляду: А Nt Ns ηqρV υ η= = = , звідки N = . Q qρV qρV υ s Підставляємо значення: Äæ êã ì 0,25 ⋅ 46 ⋅106 ⋅760 3 ⋅10 ⋅10 −3 ì3 ⋅ 25 êã ñ = 21 850 Âò . ì N= 1 ⋅105 ì Відповідь: N ≈ 22 кВт.

Вправа 6 1. Визначте ККД теплової машини, яка для виконання корисної роботи 250 МДж витрачає 0,85 ГДж енергії. 2. Двигун теплової машини виконав корисну роботу, що дорівнює 2,6·108 Дж. Визначте енергію, витрачену двигуном, якщо ККД двигуна 27 %. 3. Двигун теплової машини виконав корисну роботу, що дорівнює 3,6·108 Дж, і використав при цьому 40 кг кам’яного вугілля. Обчисліть ККД цього двигуна. 4. Двигун теплової машини потужністю 36 кВт за годину роботи витратив 14 кг гасу. Визначте ККД двигуна. 5. Тепловий двигун отримує від нагрівника щосекунди 14 200 кДж теплоти і віддає холодильнику 12 800 кДж. Який ККД має двигун? 6. Для роботи турбіни, яка розвиває потужність 100 000 кВт, за добу спалюється в топках парових котлів 960 т кам’яного вугілля. Визначте ККД паротурбінної установки. 7. Яку масу бензину витрачає за годину двигун мотоцикла, що розвиває потужність 6 кВт, якщо його ККД дорівнює 15 %? 8. Який ККД тракторного двигуна, якщо витрати дизельного пального становлять 216 г на кіловат за годину? 9*. Визначте потужність двигуна автомобіля, якщо витрати бензину становлять 38 л на 100 км шляху за умови, що середня швидкість руху дорівнює 36 км/год. ККД двигуна — 38 %.

а ас к зі и о н Ф к ол в а н

ІЗ ІСТОРІЇ ВИНАЙДЕННЯ ТЕПЛОВИХ МАШИН

Джеймс ватт (1736–1819) Англійський винахідник, який отримав патент на пристрій, що давав змогу використовувати енергію пари в промисловості

Перша теплова машина — це винахід англійця Джеймса Ватта, котрий у 1784 р. створив паровий двигун, що тривалий час приводив у рух паровози та пароплави й навіть перші автомобілі та літаки. Промислова революція ХVII–ХVIII ст., яку часто називають епохою великих відкриттів, докорінно змінила життя на нашій планеті. Головним наслідком цього стало остаточне падіння феодалізму і зміцнення капіталістичних виробничих відносин. Парова машина Джеймса Ватта, як кажуть, «розкрутила колесо історії» до небувалих обертів. В Англії, а потім і в континентальній Європі та Північній Америці почали використовувати теплову енергію для надання руху заводським механічним агрегатам. З’явилися перші теплові машини-двигуни, швидко розповсюдилися парові машини. Наступним етапом технічної революції стало створення двигунів внутрішнього згорання, парових, газових і парогазових стаціонарних турбін, авіаційних і транспортних газових турбін, реактивних і ракетних двигунів. Але все це буде набагато пізніше. А ХVIII ст. називають «золотим століттям водяної пари і заліза». Поряд із розвитком практичної теплотехніки розвиваються її теоретичні основи — теорія теплових двигунів, або, як тепер її називають, технічна термодинаміка. Уже в ХІХ ст. на основі спостережень за тепловими явищами й роботою теплових машин Джеймс Джоуль, Юліус Роберт фон Майєр, Герман фон Гельмгольц, Саді Карно, Рудольф Клаузіус встановили перший і другий закони термодинаміки, що лягли в основу цієї фундаментальної дисципліни, яка вивчає взаємне перетворення теплової та механічної енергії.

Однак навіть швидке зростання кількості парових машин та їх безупинна модернізація вже наприкінці ХІХ ст. були не в змозі задовольнити потреби економіки в енергетичних потужностях. Очевидними стали відомі недоліки перших парових машин: низький ККД, велика витрата палива, передача механічної енергії від машин до верстатів через складні й ненадійні системи, несприятливі екологічні наслідки. Атмосфера міст із тисячами заводських димарів стала майже непридатною для повсякденного перебування людей. Але з кризових явищ завжди є вихід: у 1831 р. відкрито спосіб перетворення механічної енергії в електричну. Починається нова ера — ера електрики. Про властивості електричної енергії ви дізнаєтесь із наступного розділу нашого підручника.

§ 17

Теплові двигуни

Двигуни внутрішнього згорання. До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні  Про різні види двигуни та інші. Одним із найпоширеніших видів теплових двигунів теплової машини є двигун внутрішнього згорання (ДВЗ), який нині широко використовується в різПригадайте них транспортних засобах, зокрема в автомобілях. Залежно від виду палива, що використовується  Принцип дії теплової машини у двигуні внутрішнього згорання, і способу його запалення, розрізняють бензинові та дизельні (названі на честь їх винахідника, німецького інженера Рудольфа Дізеля) двигуни. Розглянемо принцип дії таких двигунів внутрішнього згорання (мал. 70). Основним елементом двигуна є циліндр із поршнем, де відбувається згорання палива. (Як правило, їх кілька. Тому кажуть про дво-, чотири- чи восьмициліндрові двигуни).

Ви дізнаєтесь

Впуск

Стискання

Робочий хід

М��. 70. Схема роботи чотиритактного ДВЗ

Випуск

99 Циліндр має два отвори з клапанами — впускним і випускним. Робота ДВЗ ґрунтується на чотирьох послідовних процесах — тактах, які весь час повторюються (мал. 70). Перший такт — це впуск пальної суміші, що здійснюється через впускний клапан, коли поршень рухається вниз. Після того як поршень досягне нижньої точки, всмоктування палива припиняється. Обидва клапани закриті. Під час другого такту, коли поршень рухається вгору, відбувається стискання суміші, унаслідок чого її температура підвищується. У верхній точці поршня суміш запалюється іскрою від електричної свічки (у бензинових двигунах) або від високої температури сильно стиснутого газу (в дизельних двигунах). Суміш спалахує. Унаслідок значного нагрівання газ розширюється й тисне на поршень. Сила тиску штовхає поршень донизу, відбувається третій такт — робочий хід, під час якого виконується робота. За допомогою спеціального з’єднання рух поршня передається колінчастому валу, який з’єднано з колесами автомобіля. Виконуючи роботу, суміш розширюється й одночасно охолоджується. Після проходження поршнем нижньої точки відкривається випускний клапан і під час руху поршня вгору відбувається четвертий такт — випуск відпрацьованих газів. Таким чином, робочий цикл чотиритактного двигуна завершується, і знову все починається з першого такту. Різні види двигунів внутрішнього згорання мають широке застосування (мал. 71). У своєму житті ви обов’язково матимете змогу користуватись технікою, що працює за допомогою двигуна внутрішнього згорання.

ніколаус август Отто (1832–1891) Німецький інженер та підприємець, винахідник-самоучка, конструктор двигуна внутрішнього згорання

рудольф Дізель (1858–1913) Німецький інженер, винахідник, створив двигун внутрішнього згорання, названий на його честь — дизельний двигун

М��. 71. Застосування двигунів внутрішнього згорання

100 Вивчити конструктивні особливості, переваги і недоліки таких двигунів ви можете вже сьогодні. Парова та газова турбіни. Для перетворення теплової енергії в механічну на теплових й атомних електростанціях використовують турбіни. Турбіни як основний рушійний елемент застосовують також у газотурбінних двигунах, що широко використовуються в авіації. Залежно від робочого тіла М��. 72. Схема дії парової турбіни (пари або газу) розрізняють парові й газові турбіни. В основу дії турбін покладено обертання дисків із лопатками під тиском водяної пари або газу. Схему дії парової турбіни наведено на малюнку 72. На вал 1 насаджено декілька дисків 3 із лопатками 4. Струмені пари, що надходять через сопло 2, послідовно зіштовхуються із лопатками всіх дисків, тиснуть на них і надають турбіні швидкого обертального руху. Відпрацьована пара виходить з отвору 5.

Підбиваємо підсумки До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни та інші.

1. Які види двигунів внутрішнього згорання ви знаєте? 2. Назвіть процеси, що відбуваються в чотиритактному ДВЗ. 3. Які бувають турбіни? Що покладено в основу дії парової турбіни? Де використовують турбіни?

ПОЯСніТЬ 1. У потужних двигунах внутрішнього згорання використовують водяне охолодження, а не повітряне. Чому?

ХОЛОДИЛЬНІ МАШИНИ

на Ф вк ізи ол к а о на с

Вивчаючи особливості теплообміну між тілами, ви побачили, що у природі теплота переходить від більш нагрітих тіл до менш нагрітих. За звичайних умов теплота самостійно не може переходити від менш нагрітих (холодніших) тіл до більш нагрітих. Проте всі ви користуєтеся холодильниками, які охолоджують тіла. Як же вони працюють? Річ у тім, що всі холодильні машини є різновидом теплових машин. У них енергія передається від одного тіла до іншого за рахунок витрат енергії третього тіла, тобто виконання ним роботи. На відміну від інших теплових машин, які виконують роботу за рахунок внутрішньої енергії палива, у холодильних машинах внутрішня енергія тіла, що охолоджується, зменшується за рахунок виконання роботи іншим тілом.

б Побутові холодильники: а — фреоновий; б — із системою «No frost»

холодильною машиною, або холодильником, називають пристрій, у якому внутрішня енергія забирається в менш нагрітого тіла та передається тілу з більш високою температурою.

101

Можна вважати, що холодильна машина працює за принципом, «оберненим» до принципу дії теплової машини. Робоче тіло холодильної машини забирає теплоту Q2 від охолоджувача й передає теплоту Q1 нагрівнику, яким слугує навколишнє середо вище. При цьому має місце співвідношення: Q1 = Q2 + A, де Q1 — теплота, що передається навколишньому середовищу, Q2 — теплота, забрана від морозильної камери, A — робота, яка виконується над робочим тілом холодильної машини. Дія побутового холодильника заснована на властивості рідин при їх кипінні (випаровуванні) поглинати теплоту й віддавати її при конденсації (перетворенні пари знову в рідину). Подібне явище можна спостерігати, якщо протерти руки одеколоном. Рідина швидко випаровується, і при цьому зменшується її внутрішня енергія — відчувається прохолода. У холодильнику є спеціальна замкнена вигнута трубка-змійовик, усередині якої за допомогою насоса (компресора) циркулює спеціальний зріджений газ (фреон), його називають холодоагентом. Частина цієї трубки-змійовика розташована всередині холодильника, а частина — зовні. Коли рідкий фреон компресором прокачується по трубці-змійовику всередині холодильника (випарника), то він випаровується, перетворюється на газ і забирає теплоту від стінок змійовика, тобто охолоджує їх і весь простір усередині холодильника. Коли той самий фреон тим же компресором подається в зовнішню частину трубки-змійовика (конденсатор), то він знову перетворюється в рідину (конденсується), віддає тепло, а потім знову надходить у випарник. За допомогою циркуляції холодоагенту в холодильнику постійно підтримується низька температура.

Принцип дії холодильної машини

Сьогодні широко використовуються холодильники нового покоління із системою «Без інею» («No frost»), яка запобігає утворенню інею на внутрішніх робочих поверхнях і за якої холодильник не потребує ручного розморожування. У таких холодильниках випарник розміщують у нижній або верхній частині морозильної камери чи за нею. За допомогою турбіни (потужного електромотора з вентилятором) забезпечується циркуляція повітря, яке охолоджується випарником та по спеціальних повітряних каналах подається в морозильну та холодильну камери. У побутових холодильниках підтримується температура від 0 до –6 °С, у морозильних камерах до –20 °С, а у великих промислових холодильниках — до –40 °С. Для отримання низьких температур у лабораторних умовах як охолоджувач використовують рідкий гелій, який за нормального атмосферного тиску кипить за температури –269 °С. Холодильні машини широко застосовуються у промисловості та побуті. Продукти харчування зберігають у побутових холодильниках і холодильних камерах. Для збереження та транспортування м’ясних і рибних продуктів використовують авторефрижератори, залізничні вагони-рефрижератори та кораблі-рефрижератори.

б Холодильні установки: а) промисловий холодильник; б) залізничний та автомобільний рефрижератори

104 Перевірте себе (§ 11–17) рівень а (початковий) 1. Оберіть формулу, за якою визначають кількість теплоти, що необхідна для плавлення твердого тіла (за температури плавлення).

А Б В Г

Q = cm∆t Q = Lm Q = qm Q = λm

2. На великих теплових електростанціях застосовують…

А Б В Г

двигуни внутрішнього згорання реактивні двигуни парові турбіни ядерні реактори

3. Що відбувається з температурою речовини під час її плавлення?

А Б В Г

збільшується зменшується не змінюється для одних речовин — збільшується, для інших — зменшується

4. Процес переходу речовини із рідкого агрегатного стану в твердий називається…

А Б В Г

випаровуванням конденсацією кристалізацією сублімацією

5. Речовини, які не мають сталої температури плавлення, називають…

А Б В Г

кристалічними аморфними монокристалами полікристалами

6. Двигун виконав роботу, яка дорівнює 100 кДж, віддавши при цьому в довкілля 300 кДж теплоти. Який ККД цього двигуна?

А Б В Г

30 % 23 % 33 % 25 % рівень в (середній)

1. За один цикл тепловий двигун виконав роботу, що дорівнює 5 МДж, віддавши при цьому в навколишнє середовище 700 кДж теплоти. Скільки теплоти отримав двигун на початку циклу?

А Б В Г

6,95 МДж 5,7 МДж 705 кДж 570 кДж

105 2. Скільки часу триває плавлення твердої кристалічної речовини, яка має графік залежності температури від часу, що зображений на малюнку 73?

А Б В Г

2 хв 4 хв 6 хв 8 хв

3. Яка кількість теплоти виділяється внаслідок конденсації 2 кг водяної пари, якщо її температура 100 °С?

А Б В Г

4,6 МДж 46 МДж 23 000 кДж 46 кДж

М��. 73. Графік залежності температури від часу

рівень С (достатній) 1. З підвищенням температури швидкість випаровування зростає. Це зумовлено: 1) збільшенням кількості молекул, що мають енергію, потрібну для виходу з рідини; 2) послабленням сил взаємодії між молекулами. Виберіть правильні твердження.

А Б В Г

тільки причиною 1 тільки причиною 2 причинами 1 і 2 жодною із вказаних причин

2. У калориметрі міститься вода масою 1 кг, за температури 30 °С. У калориметр вміщають лід за температури 0 °С. Якою повинна бути маса льоду, щоб він весь розтанув? 3. Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб 2 кг води за температури 30 °С нагріти до кипіння та 200 г випарувати?

рівень D (високий) 1. Унаслідок нагрівання на газовій плиті 10 л води від 20 °С згоріло 125 г природного газу. На скільки змінилась температура води, якщо ККД плити 0,4? 2. Автомобіль проїхав 100 км і витратив 6 л бензину. Якою є сила тяги двигуна автомобіля, якщо його ККД — 26 %?

106 Підсумки до розділу «Теплові явища» Після вивчення розділу «Теплові явища» вам стали більш зрозумілими ті природні та штучні явища і процеси, що пояснюються особливостями руху й взаємодії часток речовини, її внутрішньою будовою. Ваші знання теплових явищ і процесів будуть більш цілісними й операційними, коли ви навчитеся їх систематизувати, застосовувати загальні принципи, теорії, ідеї до аналізу конкретних запитань і практичного втілення знань у конкретних життєвих ситуаціях. Особливо такі вміння стануть у пригоді в ситуаціях, коли вам потрібно буде діяти не за інструкцією, а шукати неординарні способи вирішення проблем.

1. Ви можете описати деякі фізичні характеристики речовини, що пояснюються тепловим рухом. Тепловим рухом називають безперервний, невпорядкований (хаотичний) рух молекул. Фізичні характеристики

агрегатні стани речовини Тверді тіла рідини Кристалічні аморфні

Гази

розташування молекул у речовині

характер теплового руху

Молекули розміщені близько одна до одної — відстані між ними сумір ні із розмірами самих молекул

Молекули розташовані досить щільно одна до одної, на відстанях, сумірних із розмірами самих молекул

Дальній порядок — Ближній порядок — упорядковане розташування тільки між сусідніми упорядковане розташування в молекулами усьому об’ємі Молекули коливаються відносно деяких сталих положень Можуть здійснювати поступальні рухи

Молекули розташовані безладно. Відстань між молекулами набагато більша за їхні розміри

Вільно й хаотично рухаються

107 Продовження таблиці Фізичні характеристики характер взаємодії молекул

Форма й об’єм

агрегатні стани речовини Тверді тіла рідини Кристалічні аморфні Діють міжмолекулярні сили притягання й відштовхування

Мають задану форму й об’єм

Зберігає об’єм, але не тримає форму. Має вільну поверхню

Гази Молекули слабо взаємодіють між собою Не зберігають ані форми, ані об’єму. Легко стискаються (або розширюються)

Рідкі кристали — це речовини, для яких характерне особливе розташування молекул: у двох напрямах для молекул характерним є ближній порядок, а в одному — існує певна впорядкованість. Плазма — різновид газоподібного стану. Складається з йонів та окремих електронів Визначається сумою середніх значень кінетичної і потенціальної енергій руху й взаємодії молекул (атомів)

внутрішня енергія

Визначається середнім значенням потенціальної енергії взаємодії молекул (атомів)

Теплопровідність

Найкращу теплопровідність мають метали, найгіршу — пористі матеріали

Визначається середнім значенням кінетичної енергії руху молекул (атомів) Практично не проводять тепло

При нагріванні (що не перевищує критичних значень температур) розширюються (без зміни агрегатного стану) Залежність властивостей від температури

За температури плавлення переходять у рідкий стан

Починають плавитись від початку нагрівання

За температури кипіння переходять у газоподібний стан

За дуже великих температур переходять у стан плазми

За охолодження (до температури плавлення) тверднуть

За охолодження (до температури кипіння) конденсуються (зріджуються)

Ви можете зауважити, що в таблиці подано не всі фізичні характеристики речовини, адже вам доводилося чути, що метали проводять електричний струм, а діелектрики — ні, що вода та скло прозорі й крізь них може проходити світло, що уран — радіоактивний елемент. Це дійсно так. Розширювати свої знання про фізичні властивості речовини ви будете під час вивчення інших розділів фізики. У цьому розділі ви розглянули властивості, що пояснюються на молекулярному (атомарному) рівні, без урахування внутрішньої будови частинок речовини.

108 2. Ви вмієте описувати теплові характеристики тіл і теплові процеси за допомогою відповідних фізичних величин. назва фізичної величини

Температура

визначення

Фізична характеристика теплового стану речовини, з якої складається тіло; визначається середньою кінетичною енергією хаотичного руху частинок речовини

Символ для позначення

Прилад для вимірювання / одиниця

Формула для визначення

За шкалою Цельсія позначають літерою t

Побутовий термометр / градус Цельсія (°С)

—

За шкалою Кельвіна — літерою Т

Термометри / кельвін (К) (основна одиниця температури в СІ)

Т = t + 273,15

Дж (джоуль)

—

внутрішня енергія

Енергія руху та взаємодії частинок, з яких складається речовина

Кількість теплоти

Частина внутрішньої енергії, яку дістає чи втрачає тіло при теплообміні

Питома теплоємність речовини

Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна для збільшення температури речовини масою 1 кг на 1 °С

Питома теплота плавлення

Фізична величина, що показує яка кількість теплоти необхідна для переходу 1 кг речовини із твердого стану в рідкий за температури плавлення

Дж кг

λ=

Qпл m

Питома теплота пароутворення

Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна, щоб перетворити рідину масою 1 кг у пару без зміни температури

L (або літера r )

Дж кг

Qвип m

Q = cm(t − t0 ) Дж (джоуль)

Qвип = Lm Qпл = λm

Дж кг ⋅ о С

с=

Q m(t − t0 )

109 Продовження таблиці назва фізичної величини

Символ для позначення

визначення

Прилад для вимірювання / одиниця

Формула для визначення

Питома теплота згорання

Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється в результаті повного згорання палива масою 1 кг

Дж кг

Коефіцієнт корисної дії нагрівника

Характеризує ефективність використання теплоти і дорівнює відношенню кількості теплоти, що використовується на нагрівання, до кількості теплоти, отриманої внаслідок згорання палива

η=

Q ⋅100 % Qзг

Коефіцієнт корисної дії теплової машини

Характеризує ефективність перетворення енергії й дорівнює відношенню виконаної роботи А до наданої кількості теплоти Q1

η=

А ⋅100 % Q1

Qзг m

3. Ви знаєте, що внутрішня енергія передається двома способами, і можете пояснити особливості механізмів теплообміну.

Способи зміни внутрішньої енергії виконання роботи

Теплообмін

 Якщо над тілом виконується робота, то його внутрішня енергія збільшується  Якщо тіло виконує роботу, то його внутрішня енергія зменшується

 Енергія завжди передається від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою  Якщо температури тіл є рівними, то теплообмін не відбувається

Теплопровідність

Конвекція

випромінювання

Енергія передається через речовину, але без її перенесення

Енергія передається потоками рідини або газу

Енергія передається електромагнітними хвилями

110 4. Ви можете виміряти кількість переданої або отриманої під час теплообміну енергії й переконатись у тому, що для теплових процесів виконується закон збереження енергії і що енергія може перетворюватися. Рівняння теплового балансу: у замкненій системі під час теплообміну одні тіла віддають таку саму кількість теплоти, яку отримують інші тіла. – + Qвіддали = Qотримали

Якщо між тілами з різними температурами встановлюється тепловий контакт і зовнішні умови не змінюються, то тіла самі по собі переходять у стан теплової рівноваги — стан, за якого температура набуває для всіх тіл однакового значення. У природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерела теплової енергії без нагрівання навколишніх тіл. 5. Ви знаєте, як на практиці використовують теплові властивості речовини, і можете оцінити вплив теплових машин та інших засобів теплотехніки на довкілля, а також необхідність використання енергозбережувальних технологій. Теплова машина — пристрій для перетворення внутрішньої енергії в механічну. Механічна робота А, виконана тепловою машиною, дорівнює різниці кількості теплоти Q1 , яку надає нагрівник робочому тілу, і кількості теплоти Q2 , яку віддає робоче тіло охолоджувачу: A = Q1 − Q2 .

Принцип дії теплових машин Нагрівник

Робоче тіло

Охолоджувач

А ККД теплової машини дорівнює відношенню виконаної роботи А до надаQ А Q1 − Q2 ної кількості теплоти Q1 : ККД = = =1− 2 . Q1 Q1 Q1

111 6. Ви можете оцінити роль видатних учених у розвитку знань про теплоту.

Із історії дослідження теплових явищ

1742 р. 1760 р. 1783 р. 1784 р.

1799 р.

1824 р.

1827 р.

1842 р.

1845 р. 1848 р. 1850 р.

1860 р. 1888 р. 1905– 1906 рр. 1897 р.

Філософи давнини мали дві точки зору щодо природи теплоти: 1. Теорія теплороду, де теплоту пов’язували із природними стихіями (вогнем, водою, повітрям і землею), з яких утворені всі тіла. 2. В інших дослідженнях теплоту пов’язували з атомістичним ученням про будову речовини (згодом ці дослідження стали підґрунтям термодинамічної теорії) Шведський учений Андерс Цельсій запропонував шкалу для вимірювання температури Шотландський фізик і хімік Джозеф Блек увів поняття питомої теплоємності. Покладено початок калориметрії Французькі вчені Антуан Лавуазьє і П’єр Лаплас винайшли калориметр і визначили питомі теплоємності багатьох твердих і рідких тіл Шотландський інженер Джеймс Ватт побудував універсальний паровий двигун Британський фізик і хімік Гемфрі Деві провів досліди з тертям двох кусків льоду, які підтвердили, що нагрівання тіл може бути здійснене за рахунок механічної роботи, і відіграли особливу роль у спростуванні теорії теплороду Французький фізик і математик Саді Карно опублікував працю «Міркування про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу», що згодом стала основою теорії теплових двигунів; заклав основи другого начала термодинаміки; розглянув цикл теплового двигуна (цикл Карно), який має особливе значення для термодинаміки Англійський ботанік Роберт Броун першим спостерігав рух мікрочастинок, який згодом назвали його ім’ям — броунівський рух Німецький учений Роберт Майєр відкрив закон збереження енергії (незалежно від нього до відкриття цього закону також прийшли в 1843 р. англійський фізик Джеймс Джоуль і в 1847 р. німецький фізик Герман Гельмгольц) Англійський фізик Джеймс Джоуль визначив величину механічного еквівалента теплоти Британський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) ввів поняття абсолютної температури й абсолютну шкалу температур (шкалу Кельвіна) Німецький фізик Рудольф Клаузіус увів поняття внутрішньої енергії і сформулював другий закон термодинаміки (у 1851 р. своє формулювання запропонував Вільям Томсон) Французький інженер Етьєн Ленуар створив перший поршневий двигун внутрішнього згорання (удосконалену конструкцію двигуна внутрішнього згорання створив у 1878 р. німецький винахідник Ніколаус Отто) Луї Жорж Гюї довів теплову природу броунівського руху Німецький фізик Альберт Ейнштейн та польський учений Маріан Смолуховський дали найбільш повне пояснення броунівського руху Німецький інженер Рудольф Дізель побудував двигун внутрішнього згорання з попереднім стисненням повітря і самозайманням палива

112

ВИКОНУЄМО НАВЧАЛЬНІ ПРОЕКТИ  Чи замислювались ви над тим, у результаті чого з речовиною відбуваються такі перетворення: із рідини (соляний розчин) утворюється тверде тіло (кристал)?  Чи лише в результаті зміни температури відбуваються зміни агрегатного стану речовини?  Що таке зріджені гази, сухий лід?  Як отримують речовини із заданими властивостями? Ознайомтесь із цими питаннями, виконуючи проект

«ШТУЧНІ ТА ПРИРОДНІ РЕЧОВИНИ».

 А чи знаєте ви, що таке рідкі кристали? Полімери? Наноматеріали?  У яких сучасних пристроях вони використовуються?  Як пов’язані між собою наноматеріали та інформаційні технології? Дослідіть це, виконуючи проекти «РІДКІ КРИСТАЛИ», «ПОЛІМЕРИ»,

«НАНОМАТЕРІАЛИ», та поділіться своїми результатами із друзями.

113

 Вивчаючи теплове розширення тіл, ви дізналися, що вода має аномальні властивості.  А чи існують інші унікальні властивості води? Дізнайтеся про це, виконуючи проект «УНІКАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ».

114  Якби вам доручили спроектувати будівництво екологічного містечка, які теплоенергетичні й енергозберігаючі технології ви застосовували б?  Як зменшити теплові витрати вашого будинку чи квартири? З’ясуйте ці питання, виконуючи проекти

«ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧІ ТЕХНОЛОГІЇ», «ТЕПЛОВІ НАСОСИ», «ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКИ»

ПРОЯВЛЯЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ Уважно розгляньте інтер’єр та обладнання вашої кухні. вивчивши розділ Теплові явища, спробуйте відповісти на такі запитання:

1. Чим відрізняються процеси нагрівання в духовій шафі та мікрохвильовій печі? 2. Чому, якщо дістати з холодильника пляшку мінеральної води, на ній з’являються краплі води? 3. Якщо рибу покласти в морозильник, вона замерзне. Чому ж риба не замерзає у продовольчих магазинах, коли її кладуть у крихти льоду? 4. Улітку, щоб приготувати прохолодний напій, ви дістаєте з морозильної камери шматочок льоду і кладете у склянку із соком. Чому лід не розтає відразу, адже температура у склянці із соком — значно вища від 0 °С? 5. У якій посудині швидше схолоне гарячий чай: у вузькій і високій чи низькій і широкій? Чому? 6. Чому ручки сковорідок виготовляють із пластмаси? 7. У кулінарних книгах часто пишуть, що для приготування тістечок вершкове масло слід розтопити на водяній бані. Поясніть, як це слід робити. 8. Перед закипанням чайник гуде. Як пояснити це явище? 9. У каструлях-скороварках вода кипить за температури 120 °С. Яка конструкція таких каструль? 10. Як готують «льодяники» із цукру?

115

116

ПРОЯВЛЯЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Готуючись до уроків, для пошуку потрібної інформації ви неодноразово користувались науково-популярними журналами й Інтернетом. Припустимо, що вам трапився такий текст про тверді побутові відходи.

ТВЕРДІ ПОБУТОВІ ВІДХОДИ: ПРОБЛЕМА ЧИ ПЕРСПЕКТИВА? Як правило, тверді побутові відходи (ТПВ) утилізують завдяки спалюванню. В Україні працює всього два сміттєспалювальні заводи — у Києві та Дніпрі. Разом вони переробляють на рік аж 6 % (!) утвореного обсягу ТПВ. У результаті згорання сміття в атмосферу потрапляють дуже шкідливі сполуки свинцю, ртуті та інших важких металів. Особливо небезпечні для людини викиди діоксиду, який учені називають «гормоном деградації» або «хімічним СНІДом». Саме з причини утворення діоксиду в багатьох країнах світу сміттєспалювальні заводи заборонені. Проте ТПВ можуть бути й корисними. З них можна отримати теплову та електричну енергію, якщо їх спалювати, застосовуючи передові очисні технології. У Європі щорічно за рахунок переробки твердих побутових відходів вироб ляється понад 28 млрд кВт·год електроенергії і приблизно 69 млрд кВт·год теплової енергії. Лідером у цій галузі серед інших європейських держав є Швеція. Програма переробки побутових відходів в електричну і теплову енергію у Швеції набрала таких обертів, що навіть прийнято рішення імпортувати відходи з інших країн, оскільки сама Швеція виробляє недостатньо сміття для забезпечення власних енергетичних потреб. Україна може продавати тверді побутові відходи в європейські країни або будувати сучасні заводи з їх утилізації. Таким чином, утилізація твердих побутових відходів, з одного боку, є проблемою, а з іншого — створює для нашої країни значні інвестиційні перспективи та економічні заощадження.

ПРОЯВЛЯЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

висловіть власні судження, відповідаючи на такі запитання: 1. Чи відповідає заголовок тексту змісту матеріалу? 2. Який висновок робить автор щодо проблеми твердих побутових відходів? Які аргументи він наводить на підтвердження своєї думки? 3. Що, на вашу думку, перспективніше: продавати ТПВ чи будувати в Україні сучасні підприємства з виробництва енергії з ТПВ? Відповідь обґрунтуйте. 4. Що можете зробити для вирішення проблеми твердих побутових відходів ви особисто? Ваші батьки? Фахівці у цій галузі?

117

Розділ 2

Електричні явища. Електричний струм

Продовжуємо ознайомлюватися з унікальними властивостями нашої планети. Магнітне поле Землі, Земля — гігантський магніт, жива електрика, блискавка, магнітосфера, полярне сяйво, електрон, електричний заряд, електричний струм — ці та багато інших явищ і понять ви вже розглядали на уроках природознавства, біології, хімії, географії. Що ж нового ви дізнаєтесь, вивчаючи електричні явища на уроках фізики? Ви з’ясуєте, як завдяки дослідженню електричних властивостей речовини, явищ і процесів люди створили пристрої, без яких неможливо уявити побут сучасної людини та стрімкий розвиток цивілізації. Електростанції, електролампи, електродвигуни, електронна техніка, комп’ютери, мобільний та супутниковий зв’язок… Цей перелік можна продовжувати й продовжувати. В історії земної цивілізації навіть виокремлюють період, який називають «століттям електрики». Отримані впродовж XVІІ–XIX ст. результати досліджень утворили окремий напрям у фізиці — електродинаміку. А про те, що причиною всіх електричних явищ є унікальна властивість такої частинки речовини, як електрон, стало відомо лише на початку ХХ ст., коли її вперше було відкрито. Вивчаючи розділ «Електричні явища. Електричний струм», ви дізнаєтеся, що таке електричний струм, які умови необхідні для його існування. Дослідите, чому одні речовини здатні проводити струм краще, ніж інші, які дії може чинити електричний струм і яких правил безпеки слід дотримуватися, користуючись електричними приладами. Вивчивши цей розділ, ви здобудете знання, які дозволять вам не лише пояснювати електричні явища, а й застосовувати їх у практичній і майбутній професійній діяльності.

120

§ 18

Взаємодія заряджених тіл

Електричні явища. Електричні явища і процеси були відомі людству ще з давніх часів. Блискавка, полярне сяйво, дивні світіння біля наконечників  Що таке електризація списів та загострених частин щогл кораблів під  Як взаємодіють час негоди, притягування бурштином, потертим заряджені тіла об хутро, дрібних шматочків папірців, пір’їн — усі ці речі здавались дивними й незрозумілими. Щоб Пригадайте зрозуміти й пояснити природу електричних явищ, учені різних країн висловили чимало припущень  Що вам відомо з (багато з них виявилися хибними), провели безліч курсу природознавдослідів, затратили роки досліджень. «Таємниства про електричні ці» цих явищ стали зрозумілими лише на початку явища ХХ ст., коли було достеменно доведено факт існування заряджених електричних частинок та електромагнітних хвиль. Сьогодні важко уявити наше життя без практичного використання електричних явищ. Вони дають нам тепло, світло, допомагають у побуті, дають змогу бачити одне одного та спілкуватися, перебуваючи на великих відстанях. Електричні явища допомагають у лікуванні та урізноманітнюють наше дозвілля. Людина винайшла багато способів одержання електричної енергії. Навчилася зберігати її, передавати на великі відстані та використовувати для різних потреб. Проте, перш ніж навчитися використовувати електричні явища, необхідно їх ретельно вивчити. Серед труднощів у їх вивченні є те, що ми не можемо безпосередньо побачити електричні поля, рух електронів й інших електрично заряджених частинок, електромагнітні хвилі. Щоб дослідити й пояснити більшість електричних явищ, ми будемо моделювати їх, виявляти їх прояв за допомогою спеціальних приладів. Дуже важливо з перших параграфів цього розділу не просто читати й запам’ятовувати текст підручника, а спостерігати й досліджувати явища та процеси, аналізувати, проводити аналогії й порівняння, бути самостійними дослідниками. Розпочнемо вивчення електричних явищ із найпростіших випадків їх прояву. Електризація. Виконаємо такі досліди. Візьмемо паличку з ебоніту (ебоніт — твердий матеріал із каучуку

Ви дізнаєтесь

121

з великими домішками сірки), покладемо її на дрібні клаптики паперу. Піднімаючи паличку, бачимо, що вона не притягує паперових клаптиків (мал. 74, а). Змінимо умови досліду: потремо паличку об клапоть вовняної тканини (мал. 74, б) і знову наблизимо її до папірців. Бачимо, що папірці притягуються до палички й прилипають до неї (мал. 74, в). Якщо піднести до папірців клапоть вовняної тканини (після тертя об паличку), то вона також їх притягатиме (мал. 74, г). Які висновки можна зробити? Ебонітова паличка й клапоть вовняної тканини внаслідок тертя набули нової властивості — діяти на папірці силою, яка у цьому випадку більша за силу всесвітнього тяжіння (адже папірці піднімаються, долаючи земне тяжіння). Цю силу називають електричною. Подібна сила виникає й під час взаємодії інших тіл, наприклад, скляної палички, потертої об шкіру (шовк або гуму), пластмасової — потертої об сухий папір, шматка бурштину, потертого об хутро. До речі, саме властивість бурштину притягувати дрібне пір’я, соломинки, сухе листя зумовила назву цього явища електризація (бурштин старогрецькою звучить як «електрон»), а такі тіла стали називати наелектризованими (або електрично зарядженими). Подібні явища електризації тіл ви мали змогу спостерігати й у своєму житті (мал. 75). Розчісуючи сухе волосся пластмасовим гребінцем, ви помічали, як воно притягується до гребінця. Електризується волосся і в інших випадках, наприклад, коли об нього потерти предмети із пластмаси або інших синтетичних матеріалів. Ви також відмічали, що інтенсивність таких явищ може бути різною: більшою або меншою. Найбільш інтенсивні процеси електризації відбуваються в атмосфері Землі, і результатом цих процесів є блискавка. Наелектризований стан може передаватись іншим тілам, а може нейтралізуватись.

г М��. 74. Дослід із взаємодії заряджених тіл

М��. 75. Прояви електризації

122 Електричний заряд. Щоб порівнювати й досліджувати подібні електричні явища, необхідна фізична величина, яка є їхньою характеристикою. Така величина називається електричний заряд. Електричний заряд — це фізична величина, що кількісно характеризує електромагнітну1 взаємодію.

Ебоніт

Скло

Ебоніт

б М��. 76. Електромагнітна взаємодія: а — відштовхування; б — притягання

Позначають електричний заряд літерою q. Одиницею електричного заряду є кулон (Кл). Про наелектризовані (або електрично заряджені) тіла ще говорять, що вони мають електричний заряд. Інколи, для спрощення, частинку, що має електричний заряд, називають просто — «заряд». Два види електричних зарядів. Оскільки внаслідок електризації тертям обидва тіла, що контактують, набувають електричного заряду, з’ясуємо, чи однаковим буде заряд у цих тіл. Для цього нам будуть потрібні ебонітові й скляні палички, шматочки вовняної та шовкової тканин. Натремо об клапоть вовняної тканини дві ебонітові палички. Одну із них підвісимо на шовковій нитці. Якщо наближатимемо другу паличку, то вони будуть відштовхуватись одна від одної (мал. 76, а). Якщо ж до зарядженої ебонітової палички піднести заряджену тертям об шовк чи сухий папір скляну паличку, то палички будуть притягуватись одна до одної (мал. 76, б). Які висновки робимо з дослідів? Оскільки взаємодія проявляється не лише у притягуванні, а й у відштовхуванні, то електричний заряд на склі, потертому об шовк, відрізнятиметься від електричного заряду на ебоніті, потертому об вовну. Умовилися цим відмінностям електричного заряду дати назви: позитивний і негативний електричні заряди. На малюнках, у математичному за-

Термін електромагнітна вживається в зв’язку з тим, що електричні та магнітні явища тісно взаємопов’язані. Залежно від того, рухаються чи перебувають у спокої електрично заряджені тіла, розрізняють дві складові цієї взаємодії — електричну та магнітну.

123 Скло

Ебоніт

Шовк

Вовна

Позитивний

М��. 77. Знаки зарядів під час електризації: а — позитивний на скляній паличці; б — негативний на ебонітовій

негативний

писі значень електричного заряду, застосовують відповідні знаки: «+» — для позитивного й «–» — для негативного. Виконуючи досліди, ми досить часто будемо використовувати скляну та ебонітову палички, тому запам’ятайте: унаслідок електризації скляної палички об шовкову тканину (шкіру) вона набуває позитивного заряду (мал. 77, а), відповідно ебонітова паличка, натерта об вовну (хутро), — негативного заряду (мал. 77, б). Продовжимо наші досліди. Натремо скляну паличку об шматочок шкіри. І будемо по черзі підносити їх до електрично нейтральної (незарядженої) маленької гільзи із фольги. Що ми бачимо? Унаслідок тертя і паличка, і шматок шкіри отримали різнойменні електричні заряди (мал. 78, а). Підносячи їх по черзі до незарядженої гільзи, спостерігаємо її притягання (мал. 78, б, в). Якщо ж заряджені паличку та шматок шкіри з’єднати одне з одним і піднести їх як одне ціле до гільзи, то взаємодія не відбуватиметься (мал. 78, г). Які висновки робимо з досліду? Унаслідок тертя на тілах, що контактують, утворюються однакові за величиною, але протилежні за знаком електричні заряди.

а б

М��. 78. Взаємодія заряджених і незаряджених тіл

124 Однакові за величиною, але протилежні за знаком електричні заряди компенсують (нейтралізують) один одного.

Підбиваємо підсумки Ознакою взаємодії заряджених тіл є те, що однойменно заряджені тіла відштовхуються з певною силою, а різнойменно заряджені — притягуються. В електризації завжди беруть участь два тіла. При цьому на тілах, що контактують, утворюються однакові за величиною, але протилежні за знаком електричні заряди. Електричний заряд — це фізична величина, що кількісно характеризує електромагнітну взаємодію (притягання, відштовхування) заряджених частинок. Позначають електричний заряд літерою q. Одиницею електричного заряду є кулон (Кл).

1. Наведіть приклади електричних явищ. 2. Опишіть взаємодію однойменно й різнойменно заряджених тіл. 3. Що називають електричним зарядом? 4. Який електричний заряд матиме скляна паличка, потерта об шовкову тканину? А ебонітова паличка, потерта об вовну? ПОЯСніТЬ 1. Як можна показати, що на обох тілах під час їх тертя виникають електричні заряди? 2. Узимку ви одягаєте теплий одяг: вовняний светр, курточку або пальто. Що відбувається з підкладкою верхнього одягу, якщо його знімають? 3. Якщо гладити рукою сухе, чисто вимите волосся чи розчісувати його гребінцем, то воно піднімається за рукою або за гребінцем. Як пояснити це явище?

125

§ 19

Електрон. Електричні властивості речовини

Електрон. У багатьох із вас, можливо, виникли запитання. Чому вступає у взаємодію незаряджена гільза? Чому електризацію ми досліджуємо за допомогою ебоніту, скла, шкіри, а не металевих предметів? Щоб дати відповіді на ці запитання, детальніше розглянемо будову атома. В основному, атом порожнистий: у його центрі міститься дуже маленьке й дуже щільне ядро, навколо якого рухаються електрони. Електрони дуже швидко обертаються, і здається, що вони ніби «розмазані» в просторі на деякій відстані від ядра, у так званих електронних хмарах (мал. 79, а). Вдаючись до фізичного моделювання, структуру атома прийнято схематично зображати так, як показано на малюнку 79, б. У свою чергу, ядро атома також подільне — воно складається із частинок двох типів: протонів і нейтронів. Електрони й протони мають унікальні природні властивості — саме вони є носіями елементарного електричного заряду, тобто найменшої порції електричного заряду. Домовились називати найменшу порцію електричного заряду, яка є на електроні, негативним елементарним електричним зарядом (позначають e–), а таку саму за значенням кількість позитивного електричного заряду, що міститься на протоні, — позитивним елементарним електричним зарядом (позначають p+). Оскільки електричні заряди протона й електрона є їхніми природними властивостями, то вченим вдалося виміряти їхні значення. Встановлено, що значення елементарного електричного заряду е = 1,6·10–19 Кл. Електричний заряд тіла завжди кратний елементарному електричному заряду: q = Ne , де N — ціле число.

Ви дізнаєтесь  Які електричні властивості мають речовини

Пригадайте  Будову атома  Будову речовини Ядро

Електрони

Ядро

Протони

Нейтрони

Електрони

б М��. 79. Внутрішня структура атома: а — фото атома Гідрогену; б — схематичне зображення атома Берилію

126

М��. 80. Внутрішня структура металу

Електрон і протон — це заряджені частинки, нейтрон — не має електричного заряду. В атомів різних речовин свої фіксовані кількості електронів і протонів. Якщо взяти будь-який атом із таблиці хімічних елементів, наприклад Берилій, то цифра 4, яка визначає його порядковий номер у таблиці, вказує на кількість протонів у ядрі, а отже — і кількість електронів в оболонках, оскільки атом електрично нейтральний. Важливо зрозуміти, що протон й електрон ніколи не «втрачають» свого електричного заряду. Наявність у електронів і протонів електричного заряду є їхньою природною властивістю! А в атомі сумарна дія цих зарядів компенсується. Саме тому атом є електрично нейтральним. Ознайомлюємось із провідниками, діелектриками та напівпровідниками. Оскільки електрично заряджені частинки є складовими будь-яких речовин, із яких виготовлені тіла, то природним буде запитання: як різні речовини проявляють свої електричні властивості? Упродовж вивчення розділу ми детальніше будемо досліджувати електричні властивості металів, рідин і газів. У цьому параграфі лише з’ясуємо, які речовини називають провідниками, напівпровідниками та діелектриками. Досліджуючи теплопровідність різних речовин (§ 6), ми вже звертали увагу на особливості внутрішньої будови металів. Пригадуєте? Це наявність вільних електронів, які можуть вільно переміщуватись між вузлами кристалічних ґраток. Оскільки електрони містяться в оболонках атома, то вони взаємодіють як із протонами свого ядра, так і з електронами сусідніх атомів. Саме для металів притаманним є те, що деякі електрони можуть «покинути» межі атома. При цьому утворюються позитивні йони та електрони, які вільно переміщуються в будь-якому напрямі (мал. 80). Як буде з’ясовано нами згодом, існують такі умови, які змушують електрони рухатись упорядковано. Властивість речовини, що проявляється в можливості руху її електрично заряджених частинок, покладено в основу поділу речовин на провідники, діелектрики та напівпровідники. Провідниками (мал. 81) називають речовини, які мають заряджені частинки, що внаслідок електромагнітної дії здатні рухатися впорядковано по всьому об’єму тіла. Провідниками є всі метали, деякі хімічні сполуки, водні розчини солей, кислот, лугів, розплави солей тощо. Провідником є й тіло людини, яке на дві третини складається з рідини. Діелектриками, або ізоляторами, називають речовини, які за певних умов не мають вільних носіїв електричного заряду.

127

М��. 81. Практичне використання металевих провідників

До діелектриків належать усі гази за нормальних умов, рідини (гас, спирти, ацетон, дистильована вода та ін.), тверді тіла (скло, пластмаси, сухе дерево, папір, гума тощо) (мал. 82). Повітря також є діелектриком. Серед твердих діелектриків існує група речовин, які можуть тривалий час зберігати наелектризований стан. До них належить ряд органічних (парафін, бджолиний віск, нейлон, ебоніт тощо) і неорганічних (сірка, борне скло та ін.) речовин. Існує й третя група речовин — напівпровідники, які займають проміжне місце між провідниками та діелектриками. Особливістю напівпровідників є те, що їхні електричні властивості можна змінювати, наприклад, під час нагрівання або освітлення в них можуть виникнути вільні електричні заряди.

М��. 82. Використання діелектриків як ізоляторів

М��. 83. Практичне використання напівпровідників

128 До напівпровідників належить значно більше речовин, ніж до провідників і діелектриків разом узятих. Напівпровідниками є ряд простих речовин (силіцій, германій, селен) та деякі сполуки (оксиди, сульфіди, телуриди). Сьогодні напівпровідники використовують у виготовленні сонячних батарей, комп’ютерів, мобільних телефонів (мал. 83, с. 127).

Підбиваємо підсумки Носіями однакових за значенням, але протилежних за знаками елементарних електричних зарядів є мікрочастинки атома: електрони та протони. Заряд електрона прийнято вважати негативним, а протона — позитивним. Значення елементарного електричного заряду е = 1,6 · 10–19 Кл. Електричний заряд тіла завжди кратний елементарному електричному заряду: q = Ne , де N — ціле число. Властивість речовини, що проявляється в можливості руху її електрично заряджених частинок, покладено в основу поділу речовин на класи: провідники, напівпровідники та діелектрики.

1. Що називається атомом? Яка його будова? З яких частинок складається атомне ядро? 2. Які частинки атома мають негативний заряд, а які — позитивний? Де вони розташовані? Чи всі частинки атома мають електричний заряд? 3. Який фізичний зміст порядкового номера хімічного елемента? 4. Що таке елементарний електричний заряд? Яке його значення? 5. За якою ознакою речовини поділяють на провідники, діелектрики та напівпровідники? Наведіть приклади провідників і діелектриків. ПОЯСніТЬ 1. Як ви доведете вислів: «Електричний заряд — це природна властивість електрона»? 2. Які зміни відбуваються з атомом, якщо він: а) втрачає електрон; б) отримує електрон? 3. Чому в металах легше переміщуються саме негативно заряджені електрони, а не позитивно заряджені йони?

129 Вправа 7 1. Знайдіть у таблиці хімічних елементів атоми Гідрогену, Літію, Натрію, Алюмінію. Яка кількість протонів й електронів міститься в кожному з цих атомів? 2. Накресліть схематичне зображення позитивного йона Літію й атома Літію. 3. Установіть відповідність між схематичним зображенням та назвою частинки речовини (мал. 84):

1 Позитивний йон Гідрогену

2 Атом Гідрогену Б

3 Ядро Гідрогену

в 4 Негативний йон Гідрогену

4. На малюнку 85 зображено електромагнітну взаємодію однієї великої та двох маленьких металевих кульок. Які заряди мають маленькі кульки, якщо велика куля заряджена позитивно?

М��. 85. До завдання 4

М��. 84. До завдання 3

130

§ 20 Ви дізнаєтесь  Що таке електричне поле  Як якісно пояснити електромагнітну взаємодію

Пригадайте  Як взаємодіють однойменно й різнойменно заряджені тіла

Електричне поле

Електричне поле. Розглянемо ще раз процес притягання клаптиків паперу до наелектризованої палички, описаний у § 18. Якщо ви намагались повторити цей дослід самостійно, то бачили, що клаптики паперу притягуються до палички ще до того, як вона їх торкається, — взаємодія відбувається на відстані. А як відомо з курсу 7 класу, взаємодія може відбуватись під час контакту або через поле. У нашому випадку — через електричне поле. Будь-яке електрично заряджене тіло створює навколо себе електричне поле, через яке відбувається електромагнітна взаємодія. Електричне поле — це особлива форма матерії, що існує навколо електрично заряджених тіл або частинок і діє з деякою силою на інші частинки або тіла, що мають електричний заряд.

Особливістю електричного поля (як і гравітаційного) для людини є те, що ми не можемо безпосередньо сприймати його за допомогою органів чуття. Ви знаєте, що для спостереження за матеріальним об’єктом ми використовуємо зір, слух, нюх і дотик. Саме вони надають нам інформацію про об’єкт або явище, що спостерігається, й підтверджують їх наявність. Проте електричне поле не діє безпосередньо на наші органи чуття. Саме з цим пов’язані деякі ускладнення розуміння цього поняття на початку його вивчення, адже важко повірити в реальність того, чого безпосередньо не відчуваєш! Упевнитися в існуванні електричного поля можна на підставі його дій. Основним фактом, який підтверджує наявність електричного поля, є його дія на будь-яке заряджене тіло, що міститься в цьому полі. Проведемо такий дослід. Підвісимо на нитці до штатива кульку з оргскла. Наелектризовуємо скляну паличку, потерши її об шовкову тканину, й доторкнемося нею до кульки. Вона набуде позитивного електричного заряду (мал. 86, а). Рівноважний стан кульки визначатиметься дією двох сил: силою натягу нитки N та силою тяжіння Fт (мал. 86, б).

131 Потремо пластину з ебоніту вовняною тканиною, наелектризувавши її негативно. Будемо наближати негативно заряджену пластину до пози тивно зарядженої кульки. Побачимо, N що кулька також почне відхилятись від положення рівноваги в бік плас тини. Якщо зафіксувати положення Fò пластини, то кулька так і залишиться у відхиленому стані (мал. 86, в). Чому кулька не повертається в попереднє а б положення? Очевидно, що крім діючих сил (натягу нитки N і тяжіння Fт) в електричному полі пластини й кульки виникає ще одна сила — сила електромагнітної взаємодії Fел (мал. 86, г).  Які висновки робимо з досліду? N Електричне поле зарядженого тіла діє з певною силою на будь-яке  Fåë інше заряджене тіло, що перебуває  в цьому полі. Fò Дослід ще показує, що чим ближче розміщена кулька до пластини, тим в г з більшою силою діє на неї електричне поле зарядженої пластини. Тобто М��. 86. Дослід із демонстрації можна зробити висновок, що електдії електричного поля ричне поле, створюване зарядженим тілом, діє на заряджені тіла, що перебувають поблизу від нього, сильніше, ніж на тіла, що містяться на більшій відстані. Між науковцями довгий час тривала дискусія щодо механізму передачі взаємодії між тілами, що перебувають на відстані одне від одного (й особливо в разі відсутності середовища між ними, тобто у вакуумі). І саме дослідження електромагнітних явищ стало поштовхом у цьому напрямі. У 1865 р. англійський учений Джеймс Клерк Максвелл на підставі аналізу знань з електрики та магнетизму пояснив особливості й закономірності електромагнітної взаємодії. Він уперше ввів у фізику поняття поле й довів існування електромагнітного поля, а також зумів об’єднати вчення про електрику, магнетизм й оптику в одну теорію. Графічне зображення електричного поля. У ході досліджень електричного поля вченим вдалося з’ясувати його властивості. Що у свою чергу дозволило змоделювати поле, тобто представити його графічно. Лінії,

Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) Англійський учений, основоположник теорії електромагнітної взаємодії

132 Скло

Ебоніт

а Скло

Скло

б М��. 88. Дослід з електричними султанами: а — притягання паперових смужок різнойменно заряджених султанів; б — відштовхування паперових смужок однойменно заряджених султанів

М��. 87. Графічне зображення електричного поля: а — позитивного заряду; б — негативного заряду; в — двох різнойменних зарядів; г — двох однойменних зарядів

за допомогою яких графічно зображають електричне поле, називають силовими лініями. Так, якщо зобразити заряджені тіла як маленькі кульки, то лінії позитивно зарядженого тіла спрямовані в усі боки від нього (мал. 87, а), а силові лінії негативно зарядженого тіла спрямовані до нього (мал. 87, б). У разі взаємодії двох електрично заряджених тіл їхні поля накладаються. На малюнку 87 в, г зображені електричні поля однойменно та різнойменно заряджених кульок. «Спостерігати» електричне поле можна на досліді, використовуючи електричні султани (мал. 88). Легкі паперові смужки, закріплені на пластмасових підставках, розміщуються вздовж силових ліній електричного поля.

Підбиваємо підсумки Електричне поле — це особлива форма матерії, що існує навколо електрично заряджених тіл або частинок і діє з деякою силою на інші частинки або тіла, що мають електричний заряд. Електричні поля можуть бути створені різними зарядженими тілами й різнитися за впливом на один і той самий електричний заряд: одні діють з більшою силою, інші — з меншою. Лінії, за допомогою яких графічно зображають електричне поле, називають силовими лініями.

1. Що таке електричне поле? 2. Яким чином можна довести реальність існування електричного поля?

133 ПОЯСніТЬ 1. Як змінюється дія електричного поля в разі віддалення від електричного заряду, який його створює? 2. В електричному полі негативно зарядженої пластинки «зависла» заряджена пилинка (мал. 89). Що станеться з пилинкою, якщо вона втратить кілька електронів? 3. Опишіть і поясніть явища, зображені на малюнку 90. 4. Установіть відповідність між зображенням електричного поля та зарядами тіл, що його утворюють (мал. 91).

М��. 89. До завдання 2

1 Негативний заряд

2 Позитивний та негативний заряд Б

М��. 90. До завдання 3

3 Два негативні заряди в 4 Позитивний заряд

5 Два позитивні заряди

5. Незаряджене металеве тіло внесли в електричне поле наелектризованої кулі (мал. 92, а). Після цього його розділили на дві частини (А і В на мал. 92, б). Як заряджені ці частини?

б М��. 92. До завдання 5

М��. 91. До завдання 4

134

§ 21

Механізми електризації тіл. Закон збереження електричного заряду

Електризація дотиком. Електризацію тіл тертям ми вже частково розглянули в § 18. Дослідами доведено, що на тілах, що контактують,  Яким чином можна утворюються однакові за величиною, але протиелектризувати тіло лежні за знаком електричні заряди. Слід зазначити, що електризація тіл відбувається під час Пригадайте дотику. Сам процес тертя не є визначальним для електризації. Однак під час тертя електризація  Що таке електричне є інтенсивнішою унаслідок збільшення площі поле дотику тіл. Під час щільного контакту тіл із різних матеріалів відбувається перехід електронів від одного тіла до іншого, а отже, одне тіло набуває електрони, а інше — втрачає. Якщо після контакту тіла роз’єднати, то вони будуть різнойменно зарядженими: те, що отримало електрони, стане негативно зарядженим, а те, що втратило, — позитивно зарядженим.

Ви дізнаєтесь

Електризація дотиком — це процес набуття тілами, що контактують, електричного заряду внаслідок обміну електронами. Виявляється, що від дотику з різними речовинами одна й та сама речовина може набувати заряду різних знаків. Причиною такого явища є те, що в різних речовинах електрони по-різному притягуються до ядра: в одних сильніше, в інших — слабше. Ті атоми, у яких електрони містяться далі від ядра і слабше ними утримуються, легше їх втрачають і перетворюються на позитивні йони. Атоми речовин, які приймають електрони, перетворюються на негативні йони. Електризація через вплив. Виконуючи досліди, ви могли помітити, що тіла починають взаємодіяти відразу після наближення до них електрично зарядженої палички. При цьому не обов’язково доторкуватись

135 наелектризованою паличкою до цих тіл. Чому так відбувається? Як можуть електрони в цьому випадку переміститися з одного тіла на інше? Розглянемо ще раз дослід взаємодії незарядженої гільзи з фольги зі скляною електризованою паличкою. Під дією електричного поля позитивно зарядженої палички вільні електрони на металевій гільзі перерозподіляються по її поверхні. Оскільки електрони мають негативний заряд, вони притягуються до позитивно зарядженої палички. Відповідно, з іншого боку гільзи нестача електронів приводить до того, що там переважають позитивно заряджені частинки (мал. 93). Отже, під час електризації через вплив електричного поля відбувається не втрата електронів тілом, а їх перерозподіл. Такий вид електризації називають електризацією через вплив.

М��. 93. Електризація через вплив

Електризація через вплив — це перерозподіл електричного заряду в тілі, зумовлений дією на нього електричного поля зарядженого тіла. З’ясувавши механізм електризації через вплив, ми можемо пояснити, чому металева гільза завжди притягується до тіла, що має електричний заряд незалежно від його знака. Спробуйте описати дослід, якби ви його виконували з позитивно зарядженою паличкою. Електризацією через вплив пояснюється і притягання папірців до наелектризованої палички (мал. 94, а). Як

М��. 94. Пояснення електризації діелектрика: а — притягання клаптиків унаслідок дії позитивно зарядженої палички; б — зв’язані електрони в атомі; в — зміщення електронів

136 відомо, папір є діелектриком і, на відміну від металу, не містить електронів, які б могли вільно переміщуватись. У діелектриків електрони зв’язані з ядром атома (мал. 94, б, с. 135). Проте під дією електричного поля зарядженої палички електрони можуть зміщуватись в електронній хмарі атома, деформуючи її (мал. 94, в, с. 135). У результаті на ближній до палички частині клаптика паперу утворюється заряд, який за знаком протилежний заряду палички, і тому папір притягується до палички. У цьому разі також відбувається перерозподіл електричного заряду, але вже всередині атома. Існують й інші способи електризації тіл. Наприклад, метал можна зробити позитивно зарядженим, якщо освітити його відповідним світловим потоком. У результаті взаємодії світла з металом відбувається вивільнення електронів із поверхні металу. Втрачаючи електрони, метал стає позитивно зарядженим. Проте, якщо ви будете тримати в руці металевий стержень, вам не вдасться електризувати його тертям. Оскільки і метал, і людський організм є добрими провідниками, то електрони, не зупиняючись, рухаються крізь людське тіло до Землі, яка теж є провідником. (Подумайте, у який спосіб усе-таки можна наелектризувати металевий стержень тертям). Закон збереження електричного заряду. Ознайомившись із різними механізмами електризації тіл, можна зробити важливий висновок: за будь-якого способу електризації тіл електричні заряди не виникають і не зникають, а лише перерозподіляються між усіма тілами, які беруть участь у тому чи іншому процесі. Цю властивість описує закон збереження електричного заряду. Повний заряд системи тіл або частинок, що утворюють замкнену систему, під час будь-яких взаємодій у цій системі залишається сталим: q1 + q2 + ... + qn = const. Математично закон збереження електричного заряду може бути сформульовано так: алгебраїчна сума електричних зарядів, що утворюють замкнену систему, під час будь-яких взаємодій у цій системі дорівнює нулю. Термін «алгебраїчна сума» вживається тому, що електричні заряди є двох видів: позитивні та негативні. Математично позитивним зарядам приписується знак «+», негативним — знак «–». Зверніть увагу! Як у випадку закону збереження енергії, у випадку закону збереження електричного

137 заряду тіла, що взаємодіють, мають утворювати замкнену систему. Тобто вони мають взаємодіяти тільки одне з одним і не взаємодіяти з тілами, що не входять до цієї замкненої системи. Як можна перевірити виконання закону збереження електричного заряду на досліді? У вже знайомий для вас спосіб натремо ебонітову паличку об вовняну тканину. Роз’єднаємо їх. Кожне з тіл набуло електричного заряду. З’єднаємо їх знову разом. Що, на вашу думку, відбуватиметься? Так, позитивні й негативні заряди компенсують один одного, і тіла «розряджаються». Пригадайте, як у математиці: –5 + 5 = 0.

Підбиваємо підсумки Існує декілька способів електризації тіл. Під час електризації через дотик відбувається набуття тілами, що перебувають у контакті, електричного заряду внаслідок обміну електронами. Під час електризації через вплив відбувається перерозподіл електричного заряду в незарядженому тілі, зумовлений дією на нього електричного поля зарядженого тіла. За будь-якого способу електризації тіл електричні заряди не виникають і не зникають, а лише перерозподіляються між усіма тілами, які беруть участь у процесі. Повний заряд системи тіл або частинок, що утворюють замкнену систему, під час будь-яких взаємодій у цій системі залишається сталим: q1 + q2 +…+ qn = const.

1. Що відбувається під час щільного контакту двох тіл, виготовлених із різних матеріалів? 2. Чим можна пояснити електризацію тіл під час тертя? 3. У чому суть електризації через вплив? 4. Назвіть відмінності в способах електризації дотиком та через вплив. 5. Сформулюйте закон збереження електричного заряду. Наведіть приклади явищ, у яких спостерігається збереження заряду. ПОЯСніТЬ 1. Якими способами можна наелектризувати шматок металу? 2. Чому будь-яке легеньке незаряджене тіло притягується до тіла, що має електричний заряд?

138 3. Чи електризуються скляні палички в разі натирання їх одна об одну? 4. Чому відхилятиметься слабкий струмінь води з водопровідного крана, якщо до нього піднести наелектризоване тіло? Перевірте на досліді (мал. 95). 5. На шовковій нитці підвішена незаряджена гільза з алюмінієвої фольги. Якщо до неї наблизити наелектризовану скляну паличку, то гільза притягнеться до неї. Чому гільза одразу після дотикання до палички відштовхується від неї? 6. Чому метали внаслідок натирання їх вовною або шовком електризуються тільки позитивно?

М��. 95. До завдання 5

Вправа 8 1. Під час електризації тертям ебонітова паличка набула 4·1012 електронів. Визначте електричний заряд на паличці. Як і на скільки змінилася маса палички? Маса електрона 9,1·10–31 кг. 2. Як можна визначити знак заряду металевої кульки, якщо у вашому розпорядженні є ебонітова паличка та вовняна хустинка? 3. Дві однакові заряджені легкі металеві кульки підвішені на шовкових нитках в одній точці (мал. 96). Як зміниться кут між нитками, якщо доторкнутись до однієї з кульок рукою? 4. Як пояснити, що електризацію тертям помітили на речовинах, які належать до діелектриків?

М��. 96. До завдання 3

5. Якими за знаком і значенням є заряди маленьких кульок на малюнку 97? 6. Порівняйте випадки електромагнітної взаємодії на малюнку 98 а і б. Які зміни відбулись із зарядом кульки 2 у випадку б? На підставі чого ви робите такі висновки?

7. Запропонуйте досліди, які б дали змогу відрізнити провідник від діелектрика.

М��. 97. До завдання 5

М��. 98. До завдання 6

ЩО ТРЕБА ЗНАТИ ПРО ЕЛЕКТРИЗАЦІЮ

на Ф вк ізи ол к а о на с

Електризація через вплив зустрічається досить часто. Наприклад, наслідком електризації через вплив є блискавка. Унаслідок сильних висхідних потоків повітря в хмарі утворюються відокремлені області, заряджені різнойменними зарядами: нижня частина хмар виявляється зарядженою негативно, верхня — позитивно. Під хмарою внаслідок електризації через вплив відбувається накопичення електричного заряду протилежного знака. Якщо накопичення зарядів стає дуже великим, відбувається електричний розряд — блискавка.

У кабінетах фізики можна побачити електрофорну машину, в якій використовується й електризація через тертя, й електризація через вплив. Це дозволяє накопичувати на кульках великі електричні заряди, які також викликають електричний розряд — мініатюрну блискавку.

139

140

§ 22

Подільність електричного заряду

Електроскоп. Електрометр. Досліджувати та спостерігати електризацію тіл і прояви електромагнітної взаємодії можна за допомогою електро За допомогою яких скопа й електрометра. приладів можна Електроскоп (мал. 99) — прилад для демонстраспостерігати подільції наявності електричного заряду. Він складається ність електричного з металевого стержня — електрода та підвішених до заряду нього двох листочків фольги. Перед початком роботи стержень електроскопа не наелектризований, Пригадайте і заряджені мікрочастинки рівномірно розподілені по ньому (мал. 99, б). У результаті наближення по Що таке електричзитивно зарядженої палички до металевого стержня ний заряд електроскопа відбувається перерозподіл електрично  Що таке електризація заряджених частинок усередині самого стержня та листочків фольги (мал. 99, в). Листочки виявляються однойменно зарядженими і тому відхиляються один від одного (мал. 99, в, г). Для того щоб листочки фольги не коливалися від руху повітря, їх зазвичай поміщають у скляну посудину. Електроскоп як фізичний прилад зіграв важливу роль на ранніх етапах вивчення електрики. Для вимірювань величини електричного заряду використовують електрометри (мал. 100). На верхній частині стержня електрометра закріплюють порожнисту металеву сферу. Електричний заряд, наданий металевій сфері, передається металевому стержню й стрілці. У результаті взаєм-

Ви дізнаєтесь

М��. 99. Електроскоп: а — зовнішній вигляд; б, в — механізм електризації; г — принцип дії

141 ного відштовхування стрілка відхиляється від стержня. За кутом відхилення, що фіксується шкалою приладу, можна вимірювати величину наданого заряду (мал. 100, б). Дискретність (подільність) електричного заряду. За допомогою електроскопа або електрометра можна дослідити подільність (дискретність) електричного заряду. Розглянемо дослід. Візьмемо два однакові електрометри. Зарядимо один б а із них. При цьому його стрілка, як видно з малюнка (мал. 101, а), відхилилася на М��. 100. Електрометр: чотири поділки. З’єднаємо ці електромеа — зовнішній вигляд; б — принцип дії три металевим провідником із ручкою, що виготовлена з діелектрика. У результаті з’єднання частина заряду із зарядженого електрометра переходить на незаряджений. Зверніть увагу! З малюнка 101, б видно, що стрілка кожного електрометра відхилилася на дві поділки. Тобто початковий заряд зарядженого електрометра поділився на дві рівні частини. Якщо роз’єднати ці електрометри й один із них розрядити, доторкнувшись до його кульки рукою, а потім, як і в першому а випадку, з’єднати ці електрометри, то заряд зарядженого електрометра знову поділиться на дві рівні частини. Можна зробити висновок: якщо заряджене тіло привести в контакт із точно таким самим тілом, але незарядженим, то заряд розподілиться між ними порівну. Поміркуйте, що було б, якби під час проведення досліду металевий провідник поклали на кулі електрометрів голою б рукою (без ручки із діелектрика). М��. 101. Досліди з подільності Якщо заряджене та незаряджене тіла буелектричного заряду: дуть різних розмірів, то виявиться, що елека — передача заряду одному тричний заряд поділиться таким чином, що з електрометрів; провідник із більшою площею поверхні наб — поділ електричного заряду буде більшого електричного заряду! Ця особливість використовується для захисту електричних приладів від накопичення статичної електрики

142 на їхніх корпусах. Оскільки розміри Землі більші за розміри будинків і електричних приладів, то майже весь заряд із тіл переходить на Землю. Для такого захисту застосовують металеві провідники, з’єднані з добре провідними шарами ґрунту. Такий вид захисту називають заземленням. Вимірювання елементарного електричного заряду. До кінця ХIХ ст. накопичений матеріал досліджень свідчив про існування носія елементарного (мінімального) негативного електричного заряду, який дістав назву «електрон». Проте це твердження було гіпотезою, оскільки не було підтверджено експериментально. На початку ХХ ст., незалежно один від одного, американський вчений Роберт Міллікен і російський фізик Абрам Йоффе провели експерименти з вивчення дискретності (подільності) електричного заряду та визначення заряду електрона. У своїх дослідах вони застосовували дещо відмінні установки, які проте були схожими принципово. У результаті цих дослідів зроблено висновок про існування маленької частинки, що несе на собі неподільний електричний заряд. Цією частинкою є електрон, і його заряд дорівнює –1,6·10–19 Кл. Електричний заряд тіла завжди буде кратним елементарному електричному заряду. (При нагоді підрахуйте, скільки потрібно електронів, щоб утворився заряд в 1 Кл).

Підбиваємо підсумки Досліджувати та спостерігати електризацію тіл і прояви електромагнітної взаємодії можна за допомогою електроскопа й електрометра. Електроскоп фіксує наявність електричного заряду. Електрометром можна визначати й порівнювати величину електричного заряду. Якщо двома однаковими тілами, одне з яких заряджене, а друге — незаряджене, доторкнутися одне до одного, то електричний заряд розділиться між ними порівну. Якщо заряджене й незаряджене тіла будуть різних розмірів, то після контакту заряд ділитиметься нерівномірно: провідник з більшою площею поверхні набуде більшого електричного заряду.

143

1. Для чого застосовують електроскоп? Який принцип його дії? 2. Опишіть досліди, що підтверджують подільність електричного заряду. 3. Хто із вчених проводив досліди з вимірювання елементарного електричного заряду? ПОЯСніТЬ 1. Дотикаються дві однойменно заряджені металеві кулі однакового діаметра. Одна із куль порожниста. Як розподіляться заряди на кулях після дотику? 2. На одній з двох однакових кульок є надлишок одинадцяти електронів. Кульки сполучили між собою провідником. Як розподіляться електрони? Умови електричної системи виключають їх коливання. 3. Чому відхилення листочків фольги електроскопа не залежить від знака заряду? 4. Чи може тіло мати електричний заряд 1·10–19 Кл, 3,2·10–19 Кл? 5. Модуль заряду однієї з двох однакових металевих кульок у 3 рази більший, ніж модуль заряду іншої. Кульки привели в дотик, після чого повернули до початкових положень. Укажіть, як зміниться модуль заряду кожної з кульок після дотику. Розгляньте випадки, коли кульки заряджені: а) однойменно; б) різнойменно.

ДОМАШНІ ДОСЛІДИ ТА СПОСТЕРЕЖЕННЯ Виготовлення електроскопа Зі скляної банки з капроновою кришкою виготовте електроскоп (мал. 102). Перевірте його в дії. До кондуктора зарядженого електроскопа піднесіть (не торкаючись його) заряджений металевий стержень. Поясніть як зміниться відхилення пелюсток паперу? Увага! Будьте обережні зі склом!

М��. 102. Саморобний електроскоп

144

§ 23

Закон Кулона

Досліди Кулона. Настав час з’ясувати, у який спосіб можна кількісно виміряти силу, що виникає між електрично зарядженими тілами та дізна Як кількісно описутися, від чого вона залежить. ється електромагАле перед цим зробимо ще деякі уточнення. Ми нітна взаємодія вживали терміни електричний заряд, елементарний електричний заряд, заряджене тіло, точкове Пригадайте заряджене тіло. Інколи для спрощення вживали тільки термін заряд. Чи є принципова відмінність  Як взаємодіють у цих термінах? однойменно Дійсно, терміном заряд інколи називають як й різнойменно електрично заряджене тіло, так і фізичну величизаряджені тіла ну — значення електричного заряду на ньому. Надалі ми будемо вживати й термін точковий електричний заряд. Пригадайте: вивчаючи механічні явища, ми використовували термін матеріальна точка, маючи на увазі будь-яке тіло, розміри якого малі порівняно з відстанню. Аналогічно точковими електричними зарядами називають заряджені тіла, розміри яких малі порівняно з відстанню між ними. Виконуючи досліди, ми бачили, що сила взаємодії між зарядженими тілами залежить від ступеня електризації тіл (їхнього електричного заряду) і відстані між ними. шарль Огюстен де Кулон Оскільки електризувати можна тіла довільної форми й (1736–1806) розмірів, то отримати єдину формулу, яка описувала б електричну взаємодію будь-яких заряджених тіл за доФранцузький військовий інженер, вільних умов, неможливо. Однак це можливо, якщо вдаучений-фізик тися до деякого спрощення й моделювання. Наприклад, дослідити взаємодію точкових зарядів. Взаємодію таких точкових електричних зарядів досліджував французький фізик Шарль Кулон. У своїх дослідах Кулон використав маленькі заряджені кульки (які можна вважати точковими електричними зарядами) і крутильні терези. Перед тим як дослідити силу взаємодії між зарядженими кульками, з’ясуємо, що таке крутильні терези (мал. 103). До верхньої кришки скляного циліндра прикріплена трубка, усередині якої розташований пружний дріт 1, прикріплений до рукоятки 2, яку можна обертати. До

Ви дізнаєтесь

145 пружного дроту підвішене легке коромисло 3, з одного боку якого міститься металева кулька 4, а з іншого — противага 5. Через отвір у кришці на спеціальному тримачі можна вносити у крутильні терези наелектризовану кульку 6, однакову за розміром із кулькою 4. Обертаючи верхню кришку циліндра, наелектризованою кулькою 6 торкаються кульки 4. Електричний заряд розподіляється між кульками порівну. Внаслідок електромагнітної взаємодії коромисло з кулькою 4 повертається й закручує дріт доти, доки сила пружності, що виникла в ньому, не врівноважує силу електричної взаємодії. Кути закручування визначаються за допомогою двох шкал із М��. 103. Крутильні терези градусними поділками: перша — на верхній кришці, що обертається, 7, друга — на бічній поверхні скляного циліндра 8. Спочатку Кулон з’ясовував, як залежить сила взаємодії від відстані між кульками. Виявилося, що в разі зменшення відстані у два, три, чотири рази сила взаємодії збільшувалася відповідно в чотири, дев’ять і шістнадцять разів. Це дало змогу зробити висновок: сила взаємодії двох точкових зарядів обернено пропорційна квадрату відстані між ними:

Fел 

1 . R2

Складність експерименту полягала в тому, що вчений не володів точним методом вимірювання заряду на кульках, тому йому довелося застосувати такий прийом. Спочатку він вимірював силу взаємодії кульок, що мали однакові заряди. Потім до однієї з кульок (наприклад, до кульки 4) він торкався незарядженою кулькою такого самого розміру, яку потім віддаляв на значну відстань. Оскільки при цьому заряд розподілявся порівну між обома кульками, заряд кульки 4 зменшувався вдвічі. І Кулон уже вимірював силу взаємодії між кульками, що мали різні заряди. Виконуючи дослід кілька разів, Кулон дійшов висновку: сила електричної взаємодії зарядів пропорційна добутку модулів цих зарядів: Fел  q1 ⋅ q2 .

146 Закон Кулона. У результаті досліджень Кулон встановив закон, що згодом отримав його ім’я, а силу взаємодії між електрично зарядженими тілами називають електричною, або кулонівською, силою. Закон Кулона Сила взаємодії двох нерухомих точкових зарядів прямо пропорційна добутку модулів цих зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані між ними та напрямлена вздовж прямої лінії, що з’єднує ці заряди (мал. 104): F=k

q1 ⋅ q2

, R2 де k — коефіцієнт пропорційності. У СІ коефіцієнт пропорційності Н ⋅ м2 k = 9 ⋅109 . Кл2 Фізичний зміст коефіцієнта про→ F порційності: цей коефіцієнт показує, що два точкові заряди по 1 Кл, що містяться у вакуумі на відстані 1 м q2 один від одного, взаємодіють із сиq1 лою 9 ⋅109 Í . Як видно, це досить ве→ F лика сила! R За інших значень електричних зарядів і відстаней між ними значення «кулонівської» сили буде іншим. М��. 104. Напрям «кулонівської» сили На величину сили взаємодії електричних зарядів впливає також і середовище, в якому вони перебувають. У вакуумі сила взаємодії буде найбільшою. Зверніть увагу й на те, що у формулюванні закону йдеться про модулі електричних зарядів. Зрозуміло, що на числове значення сили взаємодії знак електричного заряду не впливає, проте напрям сили взаємодії визначається саме знаками зарядів (мал. 105).

М��. 105. Напрями сил взаємодії точкових зарядів: а — однойменних; б — різнойменних

→ F12

R q1

q1 q2

→ F21

→ F12 → F21 б

147 Підбиваємо підсумки Якщо заряджену кульку привести в контакт з такою самою, але незарядженою, то заряд першої розподілиться між ними порівну. Сила взаємодії двох нерухомих точкових зарядів прямо пропорційна добутку модулів цих зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані між ними та спрямована вздовж прямої лінії, що з’єднує ці заряди: F=k

q1 ⋅ q2

, де k — коефіцієнт пропорційності, який R2 Н ⋅ м2 дорівнює k = 9 ⋅109 . Кл2

1. Сформулюйте закон Кулона. 2. Чому Ш. Кулон, виконуючи дослід, був упевнений, що електричний заряд змінюється саме вдвічі? 3. Для чого у крутильних терезах, що використовував Ш. Кулон у своїх дослідах, призначений пружний дріт? 4. Чому у формулюванні закону Кулона слід обов’язково користуватися терміном «точковий заряд»? 5. Як зміниться сила взаємодії двох точкових зарядів, якщо відстань між ними збільшити у три рази? Якщо заряд кожного з них збільшити у два рази? ПОЯСніТЬ 1. Ви отримали завдання розділити навпіл електричний заряд металевої кульки. Що необхідно мати, щоб виконати це завдання? Які ваші дії? 2. Два позитивні заряди перебувають на певній відстані один від одного. Як зміниться сила, що діє на кожний із зарядів, якщо між ними розмістити маленьку негативно заряджену кульку (мал. 106, а)? А якщо позитивно заря д жену кульку (мал. 106, б)?

М��. 106. До завдання 2

148 ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ Заряди двох однакових маленьких кульок дорівнюють –2 нКл і 10 нКл. Кульки привели в контакт одна з одною, після чого їх розвели на початкову відстань. У скільки разів змінилась сила взаємодії між кульками?

Задача

Дано: q1 = –2 нКл q2 = 10 нКл

F −? F0 q1′ = q2′ = q =

−2 íÊë+10 íÊë = 4 íÊë і сила взаємодії до2

рівнюватиме: F = k Отже:

Розв’язання: Початкова сила взаємодії між q ⋅q кульками F0 = k 1 2 2 . R Після дотику заряд між кульками розподілиться порівну:

q2 . R2

F q2 = , F0 q1 ⋅ q2

F 16 íÊë = = 0,8 . F0 20 íÊë Відповідь: зменшиться у 0,8 раза.

Вправа 9 1. На малюнку 107 схематично зображено два точкові заряди, розміщені у вакуумі. Як зміниться напрям і модуль сили взаємодії між зарядами, якщо один з них перенести в напрямі, показаному стрілкою?

М��. 107. До завдання 1

149 2. На малюнку 108 зображено розташування на площині трьох тіл, що мають однаковий за модулем заряд. Укажіть схематично напрямок сил взаємодії між тілами.

М��. 108. До завдання 2

3. Дві маленькі кульки мають заряди q та –q і перебувають на деякій відстані. Як зміниться сила їх взаємодії, якщо кожній кульці додати заряд 2 q? Розташування кульок не змінюється. 4. Два позитивні заряди 1 і 2 нКл перебувають на відстані 2 см один від одного. З якою силою вони відштовхуються? 5. Обчисліть відстань між двома точковими зарядами 10 нКл і 3 нКл, якщо сила їх взаємодії становить 24·10–5 Н. 6. Два однакові точкові позитивні заряди перебувають на відстані 10 мм один від одного. Заряди взаємодіють із силою 9·10–3 Н. Визначте величини цих зарядів. 7. Дві однакові маленькі заряджені кульки перебувають на відстані 4 см одна від одної. Заряд однієї з них 8 нКл, а заряд другої — 2 нКл. Кульки привели в дотик і знову розсунули на початкову відстань. Визначте силу взаємодії кульок до та після дотику. 8*. Точкові заряди 20 нКл і 40 нКл закріплені на відстані 10 см один від одного у вакуумі. Посередині між ними розміщують точковий заряд –5 нКл. Обчисліть модуль і напрям результуючої сили, яка діє на цей заряд.

150

§ 24

Електричний струм. Джерела електричного струму

Електричний струм. Оскільки людина не може безпосередньо бачити процес проходження електричного струму, то, щоб зафіксувати його, вико Про умови, що ристовують спеціальні прилади або індикатори, необхідні для існузокрема гальванометри (мал. 109). вання електричного Проведемо дослід. Наелектризуємо кулю на струму електрометрі (мал. 110, а). Доторкнемося до неї  Якими бувають індикатором (металевим провідником із неоноджерела струму вою лампочкою). Побачимо короткочасний спалах лампочки (мал. 110, б). Якщо ж неонову лампочку Пригадайте закріпити на стержні з діелектрика й торкнутися зарядженої кулі електрометра, то лампочка не за Які речовини світиться. є провідниками Який висновок зробимо? Електричний струм спостерігається у провідниках і відсутній у діелектриках. Тобто електричний струм можливий за наявності в речовині електрично заряджених частинок, які можуть переміщуватися (такі частинки ще називають носіями струму).

Ви дізнаєтесь

М��. 109. Гальванометри: а — демонстраційний; б — лабораторний; в — цифровий

151 Електричний струм — це процес напрямленого руху заряджених частинок. Залежно від середовища розрізняють особливості проходження електричного струму, зокрема в металах, рідинах і газах, де носіями струму можуть бути вільні електрони, позитивні й негативні йони. Ці особливості детальніше розглянемо згодом. У § 24–35 дослідження електричного струму будемо здійснювати за допомогою металевих провідників, у яких носіями струму є вільні електрони. Які ще висновки ми можемо зробити з досліду? Дослід демонструє наявність короткочасного електричного струму в певному напрямі. А що потрібно, щоб струм тривав певний час? Для цього нам необхідно з’ясувати умови, за яких виникає електричний струм. Що змушує заряджені частинки рухатись у певному напрямі? Як відомо, рух і взаємодія електрично заряджених частинок можливі завдяки дії електричного поля. Справді, під дією електричного поля рух заряджених частинок, які можуть вільно переміщуватися в середовищі, набуде впорядкованого (напрямленого) характеру, що й означатиме появу в цьому середовищі електричного струму. Отже, для виникнення й існування електричного струму необхідна наявність носіїв струму та електричного поля, дія якого створює й підтримує їхній напрямлений рух. Джерела електричного струму. У прикладі, який ми розглядали на початку параграфа, кулю зарядженого електрометра з’єднали провідником із Землею (оскільки металевий провідник з неоновою лампочкою тримали рукою, а, як відомо, тіло людини також є провідником). У провіднику електричне поле, а разом з ним і електричний струм, припиняється, як тільки весь заряд кулі, що утворює електричне поле, перейде в Землю. Щоб електричний струм у провіднику протікав як завгодно довго, потрібно в ньому весь час підтримувати електричне поле, тобто забезпечувати на одному кінці провідника надлишок заряду певного знака, а на другому — його нестачу. Такий сталий розподіл зарядів на кінцях провідника створюється та підтримується джерелом електричного струму.

б М��. 110. Отримання короткочасного електричного струму: а — електризація електрометра; б — фіксування струму індикатором

152 Джерело електричного струму — це пристрій, у якому відбувається перетворення певного виду енергії (механічної, хімічної, теплової, світлової) в електричну. У кожному джерелі струму виконується робота з розділення позитивно та негативно заряджених частинок, які накопичуються на полюсах джерела. Відповідно до цього полюси умовно позначають e– e– знаками «+» і «–». Історично склалося так, що за напрям електричного струму приймають напрям руху позитивно заряджених частинок, e– тобто напрям від позитивно заряe– дженого полюса джерела струму до негативно зарядженого. (Незважаючи на те, що найчастіше вільe– e– ними носіями струму є електрони і їх напрям руху протилежний М��. 111. Напрям електричного струму (мал. 111)). Узагальнимо умови, необхідні для утворення та існування електричного струму: 1. Наявність у певному середовищі електричних зарядів, які можуть у ньому рухатися. 2. Наявність у певному середовищі електричного поля, енергія якого витрачається на переміщення зарядів. 3. Щоб струм існував постійно, потрібно утворити замкнене електричне коло, що буде складатись із джерела струму, споживачів електричної енергії, вимикачів та інших елементів, з’єднаних провідниками. Хімічні джерела струму. Найпоширенішими джерелами струму є хімічні. Перше найпростіше хімічне джерело струму, яке не втратило свого практичного значення й дотепер, створив у 1799 р. італійський фізик Алессандро Вольта й назвав його гальванічним елементом на честь одного із засновників вчення про електрику Луїджі Гальвані. Найпростіший гальванічний елемент можна виготовити, якщо взяти дві пластини — цинкову та мідну й опустити їх у розчин сірчаної кислоти. Між пластинами й сірчаною кислотою будуть відбуватися хімічні реакції, у результаті яких одна з пластин набуде позитивного заряду,

153 інша — негативного. Ці пластини називаються електродами (полюсами) джерела струму, до того ж кожний з електродів має свою назву: позитивно заряджений електрод називається анодом, негативно заряджений — катодом. Якщо полюси з’єднати провідником, то по ньому проходитиме електричний струм (мал. 112, а). Із часом гальванічний елемент виходить із ладу, оскільки закінчується запас речовин, необхідних для хімічних реакцій. Гальванічні елементи (мал. 112, б) можуть відрізнятися формою й наповненням, але конструктивно будь-який гальванічний елемент складається із двох електродів та електроліту. Електролітом слугує, як правило, рідка або желеподібна суміш хімічних речовин, які вступають у хімічні реакції з речовинами електродів. Електродами є різні метали. Найчастіше електроди занурені в окремі електроліти, відокремлені один від одного мембранами (сепараторами). Унаслідок хімічних реакцій на електродах накопичуються заряди відповідного знака. На малюнку 105, с. 154 зображено внутрішню будову цинковомарганцевого елемента.

Луїджі Гальвані (1737–1798) Італійський медик і фізик, засновник електрофізіології

Гальванічні елементи — хімічні джерела струму, у яких відбуваються хімічні реакції, завдяки яким виконується робота з розподілу зарядів, тобто хімічна енергія перетворюється в електричну.

алессандро Джузеппе вольта (1745–1827)

Різновидом гальванічних джерел струму є електричні акумулятори (від латин. «акумуляторе» — нагромаджувати). Найпростіший акумулятор складається з двох свинцевих пластин (електродів), уміщених у розчин сірчаної кислоти. Щоб акумулятор став джерелом струму, його

Італійський фізик і фізіолог, сконструював першу електричну батарею та перше хімічне джерело постійного електричного струму

М��. 112. Гальванічні елементи: а — принцип дії; б — різні види гальванічних елементів

154 потрібно зарядити. У процесі зарядки внаслідок хімічних реакцій один електрод акумулятора стає позитивe– но, а другий — негативно зарядженим. Після заряджання акумулятор можна використовувати як самостійне джерело струму. Акумулятор працює до того часу, поки свинцеві пластини не відновляться до початкового (чистого) стану. Потім акумулятор можна знову зарядити. e– Як акумулятори, так і гальваe– нічні елементи можна об’єднувати в батареї (мал. 114): акумуляторe– ну або батарею гальванічних елементів. М��. 113. Внутрішня будова Інші види джерел струму. Пригальванічного елемента кладом джерела електричного струму, в якому механічна енергія перетворюється в електричну, є електрофорна машина (мал. 115, а). Під час обертання її дисків відбувається розділення електричних зарядів. Перетворення теплової енергії в електричну відбувається в термоелементах (мал. 115, б). Найпростішим термоелементом є два спаяні дроти з різних металів. Якщо нагріти місце спаювання, то в провіднику виникне електричний струм. Особливо а ефективним у термоелементах є поєднання металевих провідників і напівпровідників. Джерелами струму, в яких в електричну енергію перетворюється енергія світла, є напівпровідникові пристрої, що називаються фотоелементами (мал. 115, в). Вибір джерел струму визначається сферою їх застосування. Так, в автомобілях використовують досить важкі, проте дешевші кислотні акумуляторні батареї. У мобільних телефонах — легкі й безпечні, проте дорожчі б літій-іонні акумулятори. Джерела електричного струму з фотоелементами використовуМ��. 114. Батареї: ються для освітлення й обігріву будинків, а — акумуляторна; живлення автомобілів, побутових пристроїв. б — гальванічних елементів e–

155

в М��. 115. Інші види джерел струму: а — електрофорна машина, б — термоелемент, в — фотоелемент

Підбиваємо підсумки Електричним струмом називають упорядкований (спрямований) рух заряджених частинок. Основними умовами існування електричного струму є: 1. Існування вільних носіїв заряду. 2. Наявність джерела струму (джерела зовнішнього електричного поля). 3. Замкненість провідників, по яких протікає струм. Джерела електричного струму — це пристрої, в яких відбувається перетворення різних видів енергії в електричну. Джерела електричного струму за особливостями перетворення енергії, що відбуваються в них, розподіляють на два основні види: хімічні та фізичні. У хімічних джерелах електричну енергію отримують завдяки окислювально-відновлювальним хімічним реакціям. Фізичні джерела забезпечують перетворення інших видів енергії (механічної, теплової, світлової) в електричну. За напрям електричного струму приймають напрям руху позитивно заряджених частинок.

156

1. За яких умов виникає та існує електричний струм? Дайте визначення електричного струму. 2. Як визначають напрям електричного струму? 3. Що називають джерелом електричного струму? 4. Назвіть види джерел електричного струму. 5. Які перетворення енергії відбуваються в джерелах електричного струму? ПОЯСніТЬ 1. Що необхідно зробити, щоб на двох електрометрах, з’єднаних металевим провідником, підтримувати рівні за значенням і протилежні за знаком електричні заряди? 2. Чи можливо отримати електричний струм без джерела струму? Поясніть за допомогою прикладів. 3. Що спільного в гальванічному елементі й акумуляторі та чим вони відрізняються? 4. Найчастіше вільними носіями струму є електрони. Чому за напрям струму прийнято напрям руху позитивних зарядів?

ДОМАШНІ ДОСЛІДИ ТА СПОСТЕРЕЖЕННЯ Найпростіший гальванічний елемент ви можете виготовити в домашніх умовах. Для цього вам будуть потрібні лимон, мідний дріт і залізний цвях. Виготовте джерело струму та переконайтеся, що воно працює, з’єднавши його провідниками із гальванометром (мал. 116). Які ще, на вашу думку, овочі та фрукти можна використовувати для цього? Чи можна в такий спосіб отримати джерело, від якого можна було б зарядити мобільний телефон?

М��. 116. Саморобне джерело струму

157

§ 25

Дії електричного струму

Як було сказано в попередньому параграфі, рух Ви дізнаєтесь електрично заряджених частинок у провідниках людське око не здатне спостерігати. Для цього  Як проявляє себе застосовують спеціальні прилади. До того ж електричний струм і як це можна електричний струм спричиняє цілу низку явищ, використати за якими можна визначити його наявність. Теплова дія струму. Як відомо, температура тіла пов’язана з хаотичним рухом частинок речовиПригадайте ни. Електричний струм також зумовлений рухом  Що таке електриччастинок речовини (у цьому разі — електрично ний струм заряджених). Отже, електричний струм і темпера Як можна «спостетура — взаємопов’язані? Перевіримо на досліді. рігати» за електричПриєднаємо до полюсів джерела струму нікеліним струмом новий або ніхромовий дріт (мал. 117). У результаті досліду бачимо, як дріт нагрівається, розжарюється до червоного світіння і провисає. Спостерігаємо теплову дію струму. Теплова дія струму пояснюється тим, що сила електричного поля розганяє заряджені частинки, збільшуючи їх кінетичну енергію, а отже призводить до нагрівання. Для деяких речовин таке нагріМ��. 117. Теплова дія струму вання може викликати й світлову дію. Наприклад, в електричних лампах розжарювання, де вольфрамова нитка нагрівається до яскравого світіння. Теплову дію струму можна спостерігати на прикладі нагрівання спіралей електричної лампи розжарювання, електропраски, електроплити, електричного обігрівача М��. 118. Застосування теплової дії струму в (мал. 118). побутових приладах

158

М��. 119. Використання теплової дії струму під час контактного зварювання металів. Міст імені Є. О. Патона в Києві — перший у світі суцільнозварний міст завдовжки 1543 м

Теплова дія струму широко використовується під час контактного зварювання металів (мал. 119). Крізь деталі, що зварюють, пропускають струм великої сили. У результаті в місцях контактів деталі дуже нагріваються й зварюються. Теплова дія електричного струму спостерігається не лише в металевих провідниках, а й у рідких і газоподібних. Хімічна дія струму. Вивчаючи хімічні джерела струму, ми з’ясували, що внаслідок хімічних реакцій здійснюється вивільнення електрично заряджених частинок, які накопичуються на відповідних полюсах джерела. Якщо ж електричний струм пропускати через водні розчини кислот, лугів і солей, то на металевих електродах, занурених у такий розчин, спостерігаються хімічні реакції. Одночасно з хімічною дією спостерігається й теплова — розчин, по якому проходить струм, нагрівається.

H2O

М��. 120. Розкладання води на водень і кисень унаслідок проходження електричного струму

М��. 121. Магнітна дія струму

159 У результаті пропускання електричного струму крізь воду відбувається хімічна реакція з утворенням водню та кисню (мал. 120). Детальніше процеси проходження електричного струму крізь розчини електролітів та їх практичне застосування ви будете вивчати в § 36. Магнітна дія струму. На залізний цвях або стержень намотаємо кілька десятків витків ізольованого мідного провідника. Звільнивши кінці провідника від ізоляції, приєднаємо їх до джерела струму. Бачимо, що така котушка притягуватиме дрібні металеві предмети як магніт (мал. 121). Роз’єднаємо електричне коло. Струм по котушці не проходить, і вона втрачає магнітні властивості. Явище існування навколо провідника зі струмом магнітного поля дослідив данський учений Ганс Ерстед (мал. 122). Він демонстрував студентам досліди з нагрівання провідників електричним струмом. Під час дослідів один із студентів помітив, що в разі проходження електричного струму по провіднику магнітна стрілка, розташована поблизу провідника, відхиляється. Так, завдяки уважності студента та дослідницьким навичкам ученого-викладача було відкрито магнітну дію струму. Що в подальшому дало поштовх до об’єднання досліджень електричних і магнітних явищ. На відміну від хімічної, магнітна дія електричного струму спостерігається завжди, незалежно від того, яким є провідник: твердим, рідким чи газоподібним. Магнітна дія струму спостерігається навіть у вакуумі, де неможливі теплова та хімічна дії. Якщо рамку із дроту вмістити в магнітне поле і пропускати через неї струм, то вона почне обертатись у пев-

Ганс Крістіан ерстед (1777–1851) Данський ученийфізик і хімік, дослідник електромагнетизму

М��. 122. Дослід Ерстеда

160

б М��. 123. Електричні двигуни: а — схема дії; б — різні конструкції електродвигунів

ному напрямі (мал. 123, а). На цьому явищі ґрунтується функціонування різноманітних електричних двигунів (мал. 123, б), електровимірювальних приладів тощо.

Підбиваємо підсумки Електричний струм проявляється за такими діями: тепловою, хімічною та магнітною. Ці дії досить часто проявляються одночасно. Теплова й магнітна дія струму спостерігається в усіх середовищах (твердих, рідких і газоподібних). Магнітна дія спостерігається навіть у вакуумі.

1. Де на практиці можна спостерігати дію електричного струму? 2. Де використовують теплову дію електричного струму? 3. У чому полягає хімічна дія електричного струму? 4. У чому особливості магнітної дії струму? ПОЯСніТЬ 1. Яка дія струму використовується в кожному з перелічених випадків: а) приготування їжі на електроплиті; б) освітлення кімнати лампою розжарення; в) позолочення деталей; г) нагрівання води електричним чайником; д) піднімання деталей за допомогою електромагніту? 2. Які дії струму можна спостерігати в разі його пропускання через розчин кам’яної солі; у разі спалаху блискавки?

161

§ 26

Електричне коло

Електричне коло. Ми з’ясували, що таке джереВи дізнаєтесь ло струму, які умови потрібні для того, щоб виник й існував електричний струм. Для практичних ці-  Як циркулює струм лей нам потрібно ще знати, як електричний струм в електричному колі може циркулювати від джерела до споживачів.  Як схематично Розглянемо електричне коло (мал. 124). Для цьозображають елементи го нам будуть потрібні джерело струму, електрична електричного кола лампа, вимикач і з’єднувальні провідники. Як бачимо, у джерела струму, електричної лампи, вимикача є по дві клеми. З’єднувальними Пригадайте провідниками всі елементи підключають один до одного. Починається електричне коло від одного з  Умови існування електричного струму полюсів джерела струму, до якого з’єднувальним провідником підключено електричну лампу, після неї — вимикач, і закінчується коло на другому полюсі джерела. Кожний елемент кола виконує свої функції: джерело струму, безперервно розділяючи електричні заряди між полюсами, створює й підтримує електричне поле; у з’єднувальних провідниках під дією електричного поля переміщуються носії заряду; у споживачах електричної енергії (побутових та промислових приладах і пристроях) використовується електрична енергія (перетворюється на теплову, хімічну, М��. 124. Електричне коло магнітну), вимикачами замикається й розмикається електричне коло. Крім названих елементів, ми ще будемо розглядати електровимірювальні прилади, за допомогою яких досліджують електричний струм. Джерело струму, споживачі, пристрої для замикання (розмикання), електровимірювальні прилади, з’єднані між собою провідниками, утворюють найпростіше електричне коло. Циркуляцію електричного струму в електричному колі можна пояснити за допомогою моделі, що демонструє циркуляцію води (мал. 125, а, с. 162).

162 а

М��. 125. Моделі циркуляції: а — потоку води; б — електричного струму

Вода перебуває на різних рівнях. Падаючи з вищого рівня під дією сили земного тяжіння, потік води може обертати турбіну. Для того щоб воду підняти на початковий рівень, використовується насос. Як бачимо, потік води в такому колі залишається незмінним, змінюються його рівні. Аналогічні процеси відбуваються й у колі електричного струму (мал. 125, б). Порівняймо. Потік електронів рухається від негативного полюса джерела струму під дією сил електричного поля. Проходячи через електричну лампу, частина електричної енергії витрачається на її роботу (світіння) (у той же час потік електронів залишається незмінним). Щоб процес був неперервним, роль 1.

– +

–

3. 4.

9. 10. 11.

5. 6.

12. 13.

14.

М��. 126. Умовне зображення елементів електричних кіл: 1 — гальванічний елемент або акумулятор; 2 — батарея гальванічних елементів або акумуляторів; 3 — з’єднання провідників; 4 — перетин провідників (без з’єднання); 5 — затискачі для під’єднання споживача електричного струму (клеми); 6 — вимикач (електричний ключ); 7 — розетка; 8 — електрична лампа; 9 — електричний дзвоник; 10 — провідник, що має деякий опір (резистор); 11 — реостат; 12 — плавкий запобіжник; 13 — електровимірювальний прилад (амперметр); 14 — електровимірювальний прилад (вольтметр)

163 насоса відіграє джерело електричного струму, де внаслідок хімічних реакцій відбувається розділення електричних зарядів між полюсами. Потік води можна перекрити заслінкою, електричний струм — вимикачем. Електричні схеми. Способи з’єднання електричних приладів у коло зображують на кресленнях, які називаються електричними схемами. Прилади на схемах позначають умовними знаками (мал. 126). Розглянутий нами приклад електричного кола (див. мал. 124, с. 161) на схемі зображується так, як показано на малюнку 127. Використання електричних схем дає змогу компактно зображати навіть досить громіздкі електричні кола, що значно полегшує роботу інженерів, конструкторів та фахівців з обслуговування та ремонту електричних приладів. Розгалужені електричні кола. Розглянемо електричне коло, в якому одна за одною підключені дві електролампи. Таке з’єднання споживачів називають послідовним. Важливою особливістю цього електричного кола (мал. 128) є те, що в усіх його елементах протікає однаковий струм. Якщо лампи з’єднати так, як показано на малюнку 129, а, то отримаємо з’єднання споживачів, яке називають паралельним. У цьому разі коло називають розгалуженим, його схему зображено на малюнку 129, б. У розгалужених колах є так звані вузлові точки (точки, в яких з’єднуються три і більше провідників). Вузлові точки розділяють електричне коло на окремі гілки. Особливістю розгалужених електричних кіл є те, що в кожній гілці тече свій струм. Електричний струм у

–

М��. 127. Схема електричного кола

–

М��. 128. Схема електричного кола з послідовним з’єднанням споживачів

–

б М��. 129. Електричне коло з паралельним з’єднанням споживачів: а — ілюстрація; б — електрична схема

164 розгалужених електричних колах визначається за правилами, з якими ви ознайомитеся в наступних параграфах.

Підбиваємо підсумки До електричного кола входять джерело струму, споживачі електричної енергії, пристрої для вмикання та вимикання електричного струму, електровимірювальні пристрої, з’єднані між собою за допомогою провідників. Споживачами електричного струму є електродвигуни, електричні лампи, нагрівальні прилади, телевізори, мікрохвильові печі, ноутбуки тощо. Способи з’єднання електричних приладів у коло зображують на кресленнях, які називають електричними схемами. На електричних схемах прилади зображують за допомогою умовних позначень.

1. Що називають електричним колом? 2. Що потрібно для існування електричного струму в електричному колі? 3. Наведіть приклади споживачів електричного струму. 4. З яких елементів складається електричне коло? 5. Накресліть можливі схеми електричних кіл, що складаються з батареї гальванічних елементів, електричної лампи, електричного дзвінка та вимикача. 6. Назвіть основні елементи електричного кола, що зображене на малюнку 130.

+ – М��. 130. До завдання 6 ПОЯСніТЬ 1. Використовуючи механічну аналогію (мал. 125, а, с. 162), поясніть призначення кожного елемента електричного кола (мал. 125, б, с. 162). 2. Електричне коло складається із джерела струму, двох вимикачів, електричного дзвінка та лампи. Який вигляд матиме схема, якщо одним вимикачем вмикається тільки лампа, другим — тільки дзвінок?

165

§ 27

Сила струму

Сила струму. Розглянемо ще раз механічну моВи дізнаєтесь дель електричного кола (мал. 117, с. 162). Проаналізуємо зміни, що відбудуться, якщо ми звузимо  Що називають жолоби, по яких тече вода. Очевидно, що на присилою струму чину потоку і його напрям це не вплине (вода тече  Як вимірюють внаслідок зміни рівнів води). На загальній кількоселектричний струм ті води це також не позначиться. Проте зміниться швидкість потоку (кількість води, що протікає за Пригадайте одиницю часу), що вплине на інтенсивність обертання лопатей турбіни. Аналогічні процеси відбуваються і в колі електричного струму. Величиною,  Умови існування електричного струму аналогічною швидкості потоку, є фізична величина, що називається сила струму, й характеризує швидкість проходження електричних зарядів через поперечний переріз провідника. Цей термін виник задовго до того, як було встановлено природу електричного струму, і він є дещо невдалим, оскільки «сили» ніяк не стосується. Сила струму — це фізична величина, що характеризує електричний струм у колі й дорівнює відношенню електричного заряду q, що пройшов через поперечний переріз провідника, до часу його проходження t. Позначають силу струму символом І та визначають за формулою: q I= . t Одиницею сили струму є ампер, (А). Ампер є основною одиницею Міжнародної системи. Названа ця одиниця на честь відомого французького фізика Андре Ампера. Щоб уявити струм силою в 1 А, наведемо такі дані. Безпечною для людини є сила струму 1 мА (1·10–3 А), а сила струму 100 мА (0,1 А) вже призводить до серйозних уражень. Як видно із таблиці на с. 170, для роботи побутових приладів потрібні такі значення сили струму, що значно перевищують безпечні для людини норми.

166

Діапазон (межі) значень сили струму, з яким доводиться стикатися у фізиці, невеликий порівняно з іншими величинами і становить від 10–6 (0,000001) до 105 (100 000) А. Через одиницю сили струму 1 А визначають одиницю електричного заряду. Оскільки q = I·t, то, припустивши, що I = 1 A, а t = 1 с, отримаємо одиницю електричного заряду — один кулон (1 Кл). 1 кулон = 1 ампер · 1 секунду, або 1Кл = 1А · 1с = 1 А · с. З визначення сили струму випливає, що за сили струму 1 А через поперечний переріз провідника щосекунди 1Кл проходить електричний заряд 1 Кл, тобто 1 A = . 1c Знаючи заряд електрона, неважко визначити, що за сили струму 1 А через поперечний переріз провідника проходять 6,25 · 1018 електронів за секунду. Амперметр. Силу струму в колі вимірюють за допомогою спеціального приладу — амперметра (мал. 131). Оскільки за законом збереження електричного заряду кількість зарядів, що надходять у коло з одного з полюсів джерела струму, дорівнює кількості зарядів, що повертаються на другий полюс джерела, то сила струму однакова в різних ділянках кола із послідовно з’єднаних приладів. Тому, щоб виміряти силу струму в такому колі, амперметр можна вмикати у будь-якому місці. Для цього треба «розірвати» коло і в проміжок, що утвориться, увімкнути амперметр за допомогою двох клем або затискачів, розташованих на його корпусі. Таке вмикання в коло, як ви вже знаєте, називають послідовним. Умикаючи амперметр у довільних місцях кола, переконуємося, що його показання будуть однаковими. У техніці використовують різні амперметри. За їхніми шкалами або іншими позначеннями видно, на яку найбільшу силу струму вони розраховані. Перевищувати цю силу струму не бажано, бо прилад може зіпсуватися. Виконуючи вимірювання амперметром, слід дотримуватися ще й таких правил: б  вмикати амперметр у коло послідовно; М��. 131. Амперметр:  дотримуватись полярності піда — демонстраційний; ключення, тобто клему приладу, б — лабораторний

167 позначену знаком «+», з’єднувати із провідником, що виходить від позитивного полюса джерела струму;  не можна вмикати амперметр у коло, у якому відсутній споживач струму. На практиці також використовують амперметри з цифровими індикаторами, а також кіло-, мілі- й мікроамперметри.

Підбиваємо підсумки Сила струму І — це фізична величина, що характеризує електричний струм у колі й дорівнює відношенню електричного заряду (q), що пройшов через поперечний переріз провідника, до часу його проходження (t): q I= . t Силу струму вимірюють амперметром, умикаючи його в електричне коло послідовно.

1. Що характеризує сила електричного струму? 2. Як сила струму залежить від електричного заряду, що проходить через провідник, та часу? 3. Чому термін «сила струму» в принципі не можна вважати вдалим? 4. Як називають одиницю вимірювання сили струму? 5. Яким приладом вимірюють силу струму? Які правила вмикання цього приладу в електричне коло? ПОЯСніТЬ

Чи однакові за фізичною сутністю такі твердження: а) у провіднику пройшов великий електричний заряд; б) у провіднику пройшов струм великої сили?

Вправа 10 1. Визначте силу струму в провіднику, якщо за 20 с через поперечний переріз провідника проходить електричний заряд 68 Кл.

168 2. Визначте час проходження електричного струму по провіднику, якщо за сили струму 0,5 А через поперечний переріз провідника пройшов електричний заряд 7,7 Кл. 3. Обчисліть силу струму в провіднику, крізь поперечний переріз якого за кожну хвилину проходить заряд 36 Кл. 4. Визначте кількість електронів, що проходять за 1 с через переріз металевого провідника за сили струму в ньому 0,8 мкА. 5. За графіком залежності величини перенесеного заряду від часу (мал. 132) визначте силу струму в провіднику.

М��. 132. До завдання 5

6. За графіком залежності сили струму від часу (мал. 133) визначте заряд, що проходить через поперечний переріз провідника за 3 секунди. Яку фізичну величину можна визначити, обчисливши площу прямокутника ОDВС?

М��. 133. До завдання 6

169

§ 28

Електрична напруга

Ви дізнаєтесь Електрична напруга. Розглянемо ще раз механічну модель електричного кола (мал. 125, с. 162).  Що таке електрична Причиною потоку води в поданому вище принапруга кладі є різниця рівнів (висот). Якщо рівні води будуть однаковими, то вода стоятиме в жолобах,  Як вимірюють електричну напругу бо причини для її переміщення немає. Які зміни відбудуться в разі зміни рівнів води? Очевидно, якщо збільшити висоту, з якої буде падати вода, Пригадайте збільшиться «працездатність» потоку. Що більша різниця висот, то більшу роботу виконує сила тя-  Умови існування електричного струму жіння під час падіння води, і то більшою є енергія водяного потоку. В електричному колі величину, аналогічну різниці висот, назвали напругою. З’ясуємо детальніше, що таке напруга. Причиною електричного струму в колі є наявність електричного поля, під дією якого відбувається переміщення електричного заряду. Електричне поле створюється джерелом струму. Щоб подавати воду на більшу висоту, очевидно, потрібен потужніший насос. У випадку електричного кола — джерело струму. Під дією електричного поля, що створюється джерелом струму, заряджені частинки рухаються по провіднику. При цьому виконується робота з переміщення зарядів. Це свідчить про те, що причиною потоку заряджених частинок (електронів) у провідниках є електричне поле, створюване джерелом струму. Для характеристики електричного поля і вводять фізичну величину — напругу. Можливо, ви чули вираз «Обережно, висока напруга!». У цьому разі слово «висока» вказує на те, що чим більшою є напруга на кінцях ділянки кола, тим більшу роботу виконає сила, яка діє з боку електричного поля, для переміщення заряду 1 Кл. По аналогії з потоком води: що більшою є різниця рівнів води, то більшу роботу виконає сила тяжіння під час падіння води масою 1 кг. Напруга — це фізична величина, що характеризує електричне поле й визначається відношенням роботи електричного поля на певній ділянці кола до електричного заряду, що пройшов по цій ділянці.

170 Напруга позначається великою латинською літерою U. Формула для визначення напруги така: A U= . q Одиницею напруги є вольт (В). Названа ця одиниця на честь відомого італійського фізика Алессандро Вольта. 1 вольт дорівнює такій електричній напрузі на кінцях провідника, за якої робота з переміщення електричного заряду в 1 Кл по цій ділянці провідника дорівнює 1 джо1 Кл уль: 1 B = . 1 Дж Різні джерела струму характеризуються робочою напругою. Таблиця 2 Сила струму й електрична напруга в різних технічних пристроях і приладах Пристрій

Сила струму, а

напруга, в

Електронний мікроскоп

0,00001

130 000

Кінескоп телевізора

0,00012

16 000

Рентгенівський медичний апарат

0,02–0,1

70 000–200 000

Електробритва

0,08

220

Електричний ліхтарик

0,3

4,5

Мобільний телефон у режимі роботи

0,53

3,6–5

Електрична лампа

0,3–0,4

220

Пилосос

1,9–4,2

220

Електроплита

3–4

220

Пральна машина-автомат

3-7

220

Генератор автомобіля

Двигун тролейбуса

160–220

550

Двигун електровоза

350

1 500

10 000

1–10

Апарат для контактного зварювання

171

М��. 134. З’єднання джерел струму: а — послідовне; б — паралельне

У гальванічному елементі й акумуляторі (хімічних джерелах струму) значення напруги невелике. Якщо в гальванічному елементі наявні мідний і залізний електроди, то напруга становитиме 0,78 В, мідний і цинковий — 1,1 В, срібний і цинковий — 1,56 В. Середня напруга свинцевого кислотного акумулятора становить 2 В, а залізонікелевого лужного — 1,25 В. а б Щоб отримати більші напруги, гальванічні елементи, акумулятоМ��. 135. Вольтметр: ри, термо- і фотоелементи з’єднують а — демонстраційний; б — лабораторний у батареї. Якщо треба одержати більшу напругу, то використовують послідовне з’єднання елементів (мал. 134, а): окремі елементи приєднують один до одного різнойменними полюсами. Якщо хочуть одержати джерело, що дає більший струм, використовують паралельне з’єднання елементів (мал. 134, б): окремі елементи з’єднують у батарею однойменними полюсами. Для вимірювання напруги використовують спеціальні прилади — вольтметри (мал. 135). Оскільки електрична напруга характеризує працездатність електричного поля між двома точками, то вольтметр, на відміну від амперметра, включається в електричне коло без його розриву. Вольтметр приєднують паралельно до тієї ділянки, на кінцях якої вимірюють напругу.

172 Як і у випадку з амперметром, підключаючи вольтметр, потрібно слідкувати за полярністю. Для вимірювання напруги на полюсах джерела струму вольтметр приєднують безпосередньо до клем джерела.

Підбиваємо підсумки Напруга U — це фізична величина, що характеризує електричне поле й визначається відношенням роботи електричного поля (А) на певній ділянці кола до елекA тричного заряду (q), що пройшов по цій ділянці: U = . q Напругу вимірюють вольтметром, вмикаючи його паралельно до ділянки кола, на якій вимірюють напругу.

1. Що таке електрична напруга? 2. Як можна визначити напругу, знаючи роботу струму та електричний заряд? 3. Що прийнято за одиницю напруги? 4. Яким приладом вимірюють напругу? Які правила вмикання цьго приладу в електричне коло?

ПОЯСніТЬ 1. Чи однакову напругу покажуть вольтметри (мал. 136)?

–

+ V V

М��. 136. До завдання 1

2. Чи можна стверджувати, що до та після вмикання амперметра в електричне коло сила струму залишається в ньому незмінною? 3. Як за допомогою вольтметра визначити полюси джерела постійного струму?

173 Вправа 11 1. Визначте напругу на ділянці електричного кола, якщо під час перенесення заряду 50 Кл електричне поле виконує роботу 1,2 кДж. 2. Яка напруга на кінцях провідника, якщо під час проходження по ньому заряду 5 Кл виконується робота 1,1кДж? 3. Напруга між хмарами під час грози 10 000 кВ. Скільки електронів проходить між хмарами, якщо при цьому виконується робота 0,16 Дж? 4. Під час світіння лампи розжарювання виконується робота 3,96 кДж. Визначте електричний заряд, який пройшов через лампу, якщо вона ввімкнута в мережу 220 В. 5. На малюнку 137 зображено шкали амперметрів і вольтметрів. Визначте для кожного приладу межі вимірювання та ціну поділки шкали. Яку силу струму показує кожний амперметр? Яку напругу показує кожний вольтметр?

в М��. 137. До завдання 5

174

а ас к и н із ло Ф ко в а н

РОСЛИННО-МІКРОБНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ Учені винайшли так звані рослинномікробні елементи, дія яких ґрунтується на отриманні електричної енергії з біологічної енергії життєдіяльності рослин.

Унаслідок фотосинтезу утворюються органічні продукти, що виводяться з рослин через корені. Бактерії ґрунту, що містяться навколо коренів, розщеплюють ці органічні речовини, вивільняючи електрони. Розмістивши вуглецеві електроди навколо коренів, можна створити джерело електричного струму.

175 СПОСОБИ ПІДЗАРЯДКИ ТЕЛЕФОНУ В ПРИРОДНИХ УМОВАХ Можливо, вам доводилось бути в ситуації, коли ваш мобільний телефон розрядився і немає доступу до електричної мережі. У цьому разі вам допоможуть такі джерела струму: Сонячні батареї

велосипед-динамо

електрочоботи

вітряний генератор

Динамо-машина

електрофутболка

електрокаструля

електробуржуйка

Зарядка від гальванічних елементів

176

§ 29

Електричний опір. Закон Ома для ділянки кола

Залежність сили струму в провіднику від напруги. Ви вже знаєте, що електричний струм у колі — це впорядкований рух заряджених частинок в елек Як пов’язані тричному полі. Водночас дія електричного поля між собою сила струму й електрична характеризується напругою: що більшою є напруга, то сильніша дія електричного поля на зарядженапруга ні частинки, які в ньому рухаються. Отже, постає питання: як залежить сила струму в провіднику Пригадайте від напруги на його кінцях? Проведемо дослід. Складемо електричне коло,  Що таке сила споживачем у якому буде металевий дріт (провідструму й електрична ник-спіраль), а джерелом струму — пристрій, на напруга виході якого можна змінювати напругу. Для вимірювання сили струму та напруги на ділянці кола, що містить провідник-спіраль, приєднаємо амперметр і вольтметр (мал. 138, а). Коло постійного струму можна розбити на окремі ділянки. Ті ділянки, що не містять джерел струму, називаються однорідними. Ділянки, що включають джерела струму, називаються відповідно неоднорідними.

Ви дізнаєтесь

б М��. 138. Дослід зі встановлення залежності між силою струму й напругою: а — схема досліду; б — графічне представлення результатів досліду

177 Замкнемо вимикачем електричне коло. Прилади фіксують деякі значення напруги U1 = 2 В й сили струму І1 = 0,4 А. Збільшимо напругу, що подається на провідник-спіраль, у 2 рази. Амперметр зафіксує відповідне збільшення сили струму в колі вдвічі. Збільшення напруги у 3 рази приведе до збільшення сили струму втричі. Який висновок можна зробити? У скільки разів збільшується (зменшується) напруга на споживачі, у стільки ж разів збільшується (зменМ��. 139. Дослід, що демонструє залежність сили струму шується) сила струму в ньому. від властивостей провідника Графічно це можна зобразити так: на горизонтальній осі у вибраному масштабі відкладемо значення напруги, а на вертикальній — відповідні їм значення сили струму. Нанесемо точки на площину й отримаємо графік лінійної залежності: що більша напруга прикладена до ділянки кола, то більший струм у колі (мал. 138, б). Сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі на кінцях провідника. Електричний опір. Змінимо умови досліду — замінимо провідник-спіраль на спіраль лампи розжарювання. За тієї самої напруги 6 В сила струму буде такою малою, що для її вимірювання доведеться замість амперметра ввімкнути міліамперметр, який покаже 12 мА (мал. 139). Таким чином, сила струму в спіралі лампи буде в 100 разів меншою, ніж у провіднику-спіралі. Чому в другому випадку сила струму значно менша, ніж у першому? Можна припустити, що сила струму в колі залежить від властивостей провідника, увімкненого в коло. Спіраль електричної лампи чинить більший спротив напрямленому руху заряджених частинок, ніж провідник-спіраль. Кажуть, що вона має більший електричний опір. Електричний опір — це фізична величина, що характеризує властивість провідника протидіяти проходженню електричного струму. Електричний опір позначають літерою R. Одиницею електричного опору є ом (Ом).

178

М��. 140. Графік залежності сили струму від опору

Увівши таку величину, можна стверджувати, що залежність сили струму від властивостей провідника пояснюється тим, що різні провідники мають різний електричний опір. Умикатимемо в електричне коло по черзі провідники, що мають опори 1 Ом, 2 Ом, 3 Ом. Зафіксувавши напругу, наприклад 2 В, вимірюватимемо щоразу силу струму в колі. Амперметр, відповідно, буде показувати 2 А, 1 А, 0,7 А. Побудуємо графік залежності сили струму в провіднику від опору провідника за сталої напруги на його кінцях (мал. 140). Отримали графік оберненої залежності: що більшим є опір провідника, то менша сила струму в ньому.

Сила струму в провіднику обернено пропорційна опору провідника. Закон Ома. З дослідів встановлено, що сила струму в однорідній ділянці електричного кола прямо пропорційна напрузі на цій ділянці й обернено пропорційна опору цієї ділянки. Цю залежність уперше експериментально встановив у 1826 р. німецький учений Георг Ом, і вона отримала назву «закон Ома». Закон Ома для ділянки кола формулюється таким чином: сила струму в однорідній ділянці кола прямо пропорційна напрузі на кінцях цієї ділянки та обернено пропорційна її електричному опору: U I= . R За законом Ома можна розрахувати силу струму на діU лянці кола I = , напругу на її кінцях U = I ⋅ R та опір R U ділянки кола R = . I Зверніть увагу! Електричний опір характеризує протидію електричному струму в певному середовищі. У з’єднувальних провідниках така протидія незначна, тому під час розв’язування задач опором з’єднувальних провідників ми будемо нехтувати. Електричним опором

179 характеризуються й вимірювальні прилади. Будь-який вимірювальний прилад під час вмикання в коло не повинен впливати на значення вимірюваної величини. Тому амперметр конструюють так, щоб його електричний опір був якомога меншим, натомість опір вольтметра — якомога більшим. І найголовніше. Якщо замкнути електричне коло, що не міститиме споживача, може настати коротке замикання.. Це випадок, за якого електричний опір у колі дуже малий, і сила струму в такому разі набуває великих значень. Як наслідок, вийдуть із ладу амперметр і джерело струму, а з’єднувальні провідники сильно нагріються й можуть загорітися та стати причиною пожежі.

Підбиваємо підсумки Електричний опір — це фізична величина, що характеризує властивість провідника протидіяти проходженню електричного струму. Залежність сили струму від напруги на кінцях ділянки кола та опору цієї ділянки називається законом Ома для ділянки кола: сила струму в однорідній ділянці кола прямо пропорційна напрузі на кінцях цієї ділянки та U обернено пропорційна її опору: I = . R

1. Як залежить сила струму в провіднику від напруги на кінцях провідника? 2. Опишіть досліди, які показують, що сила струму в електричному колі залежить від властивостей провідника. 3. Що називають електричним опором? 4. Що є причиною електричного опору провідника? Яку властивість провідника характеризує його електричний опір? 5. Сформулюйте закон Ома для ділянки кола. ПОЯСніТЬ U . Чи можна вважати, що I опір ділянки електричного кола залежить від сили струму в ній та напруги на її кінцях? Поясніть. 2. Чи можна від батареї акумуляторів напругою 12 В отримати у провіднику силу струму 140 мА, якщо опір провідника дорівнює 100 Ом?

1. Проаналізуйте формулу R =

180 Вправа 12 1. Електрична плитка розрахована на напругу 220 В. Опір її спіралі дорівнює 73,3 Ом. Визначте силу струму в ній. 2. Визначте силу струму в електричній лампі, якщо опір нитки розжарювання дорівнює 15 Ом і приєднана вона до батареї гальванічних елементів напругою 4,5 В. 3. На малюнку зображено графіки залежності сили струму в провіднику від напруги (мал. 141). Поясніть причину розбіжностей значень сили струму на графіках І, ІІ, ІІІ за напруги 2 В. Визначте електричний опір кожного з провідників.

М��. 141. До завдання 3

4. У провіднику за 30 хв проходить електричний заряд 1800 Кл. Визначте опір провідника, якщо напруга на ньому 12 В. 5. В електричній лампі, розрахованій на напругу 220 В, сила струму дорівнює 0,5 А. Визначте опір нитки лампи в робочому стані.

181

вимірювання опору провідника за допомогою амперметра й вольтметра М е т а р о б о т и: навчитися вимірювати опір провідника за допомогою амперметра й вольтметра. Переконатися на дослідах, що опір провідника не залежить від сили струму в ньому і напруги на його кінцях. Прилади і матеріали: джерело струму , досліджуваний провідник (ніхромова спіраль), амперметр, вольтметр, реостат, вимикач, з’єднувальні провідники.

У цій роботі для регулювання сили струму в колі використовують спеціальний прилад — реостат. На малюнку 142, а зображено зовнішній вигляд повзункового реостата. Для виготовлення такого приладу на керамічний каркас щільно намотують металевий дріт, наприклад константан. Для ізолювання витків дроту між собою їх покривають тонким шаром окалини. Над обмоткою кріпиться металевий стержень, по якому вільно може рухатися повзунок із контактами, які щільно прилягають до обмотки, та ізольованою ручкою. Під час переміщення повзунка його контакти стирають шар окалини в місцях дотику, й електричний струм проходить від дроту до повзунка та металевого стержня. На верхній частині ручки вказані максимальні значення опору й сили струму, за якої можна використовувати реостат. Реостат вмикається в електричне коло за допомогою двох затискачів, один з яких розташований на корпусі й з’єднаний із дротом (А), а другий — на протилежному кінці металевого стержня, по якому рухається повзунок (В). На малюнку 142, б зображено умовне позначення реостата на електричних схемах.

6 Ом; 2 А

В А б

– +

RЛ

В А в

М��. 142. Реостат: а — зовнішній вигляд; б — умовне зображення; в — принцип роботи

182 На малюнку 142, в, с. 181 зображено принцип роботи реостата. За такого вмикання задіяна половина дроту реостата (незаштрихована частина дроту в коло не ввімкнена). Змінюючи положення повзунка, змінюють довжину дроту, по якому проходить струм до повзунка, і, відповідно, опір активної частини реостата. Так, якщо пересунути повзунок у крайнє ліве положення (т. А) то опір у колі зменшиться. Якщо окрім реостата в колі немає споживачів, то сила струму в такому разі згідно із законом Ома стрімко зросте (коротке замикання!). Тому, включаючи реостат в електричне коло, його повзунок встановлюють у середнє положення, щоб не вийшли з ладу інші елементи кола. Вказівки щодо виконання роботи 1. Складіть електричне коло, з’єднавши послідовно джерело струму, амперметр, досліджуваний провідник (спіраль), реостат, вимикач. До кінців спіралі приєднайте вольт метр (враховуйте знаки «+» і «–»). 2. Накресліть схему складеного електричного кола. 3. Виміряйте силу струму в колі й напругу на досліджуваному провіднику. 4. За допомогою реостата змініть кілька разів опір кола й знову виміряйте силу струму в колі та напругу на досліджу ваному провіднику. 5. Результати вимірювань запишіть у таблицю. 6. Користуючись законом Ома, обчисліть опір провідника за даними кожного окремого вимірювання. 7. Результати обчислень запишіть у таблицю. Порівняйте одержані результати. номер досліду

Сила струму І, а

напруга U, в

Опір R, Ом

1 2 3

8. Зробіть висновки. 9*. За отриманими в роботі значеннями фізичних величин накресліть графік залежності сили струму в провіднику від напруги на його кінцях. Проаналізуйте графік. За графіком визначте опір провідника за будь-якого проміжного значення сили струму.

183

§ 30

Електричний опір металевих провідників. Питомий опір

Електричний опір металевих провідників. Опір Ви дізнаєтесь металів зумовлений взаємодією електронів, що рухаються в провіднику, з йонами кристалічної ґрат-  Що таке питомий ки. У процесі взаємодії електрони втрачають частиопір ну енергії, яку вони отримують в електричному полі. Ця енергія перетворюється у внутрішню енергію. Пригадайте Відповідно, в результаті проходження електричного струму металевий провідник нагрівається. Досліди-  Закон Ома мо, як залежить електричний опір металевих провід-  Що таке ників від їхньої довжини, площі поперечного переелектричний опір різу, а також від речовини, з якої вони виготовлені. Для встановлення цієї залежності проведемо низку дослідів. Складемо електричне коло, в якому послідовно з’єднані джерело струму, амперметр і демонстраційна панель, на якій закріплені провідники (мал. 143). Два з них виготовлені з ніхрому й мають однакову довжину, але різну площу поперечного перерізу. Третій виготовлений зі сталі й має таку саму довжину, як інші провідники, та площу поперечного перерізу, як у другого провідника з ніхрому. Прилад сконструйовано таким чином, що можна включати в електричне коло як увесь провідник (контакти з лівого боку панелі), так і його половину (один контакт із лівого боку панелі, а інший — із правого). Будемо спочатку включати в електричне коло весь провідник і спостерігати за показаннями амперметра, а потім його половину. ПоміМ��. 143. Дослід для визначення тимо, що незалежно від речовини, залежності опору металевого провідника від з якої виготовлено провідник, та його довжини, площі поперечного перерізу площі поперечного перерізу сила та від речовини, з якої він виготовлений

184 струму при включенні всього провідника вдвічі менша, ніж при включенні половини провідника. Тобто опір усього провідника вдвічі більший, ніж його половини. Це пояснюється тим, що чим більшою є довжина провідника (l), тим більше йонів металу, з якими стикаються електрони, що впорядковано рухаються, а отже, більшим буде електричний опір. Опір провідника прямо пропорційний його довжині: R ~ l. Повторимо дослід, звертаючи увагу на покази амперметра в разі включення провідників з ніхрому однакової довжини, але різної площі поперечного перерізу. Помітимо, що якщо включено провідник із більшою площею поперечного перерізу, амперметр показує більшу силу струму. Оскільки напруга є однаковою, а сила струму в провіднику з більшою площею поперечного перерізу більша, то опір такого провідника буде меншим. Пояснюється це тим, що чим більшим є поперечний переріз провідника (S), тим більше проміжків між йонами, через які безперешкодно можуть рухатись впорядковані електрони, а отже, меншим буде електричний опір. Опір провідника обернено пропорційний площі його 1 поперечного перерізу: R ∼ . S Проведемо дослід, звертаючи увагу на показання амперметра в разі включення в електричне коло за тієї самої напруги провідників з ніхрому та сталі, які мають однакову довжину й площу поперечного перерізу. Помітимо, що величина сили струму відрізнятиметься. Це пояснюється тим, що провідники з різних металів мають різні кристалічні ґратки, отже, гальмівна дія, що викликана зіткненнями йонів і вільних електронів, виявляється різною. Опір провідника залежить від речовини, з якої його виготовлено. Питомий опір речовини провідника. Залежність опору провідника від речовини, з якої його виготовлено, характеризують спеціальним параметром: питомим опором речовини.

185 Питомий опір речовини провідника — це фізична величина, що показує, який опір має виготовлений із цієї речовини провідник довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 м2. Позначається літерою ρ (читається «ро»). Одиницею питомого опору в CI є ом · м. 1 Ом · м — це питомий опір провідника довжиною 1 м та площею поперечного перерізу 1 м2, що має опір 1 Ом: Îì ⋅ ì2 1 = 1 Îì ⋅ ì . ì Оскільки площа поперечного перерізу провідника невелика (наприклад, поперечний переріз провідників електричної мережі в квартирі становить 2,5 мм2), то її найчастіше виражають у мм2 і користуються такою одиОм ⋅ мм2 . ницею питомого опору: 1 м Різні речовини мають різні питомі опори. У таблиці (на форзаці) наведено питомі опори деяких речовин і сплавів за температури 20 °С (оскільки опір провідників залежить від температури). Під час проходження електричного струму по металевому провіднику він нагрівається. З підвищенням температури розмах коливань йонів зростає і частішими стають їхні співудари з електронами. Тому опір металів збільшується з підвищенням температури. Як видно з таблиці, метали (срібло, мідь, свинець, алюміній) мають порівняно невеликий питомий опір. Для провідників в електричних колах використовують дроти з міді, алюмінію. В електричних лампах розжарювання, електронагрівальних приладах найчастіше використовують сплави з великим питомим опором (нікелін, ніхром, фехраль). Формула для визначення опору металевого провідника. Залежність опору провідника від його розмірів і речовини, з якої виготовлено провідник, уперше за результатами дослідів установив Георг Ом. Він дійшов висновку, що опір провідника прямо пропорційний його довжині, обернено пропорційний площі його поперечного перерізу і залежить від речовини, з якої виготовлено провідник.

186 Формулу для розрахунку опору провідника записують у вигляді: l R = ρ⋅ , S де R — опір провідника; l — довжина провідника; S — площа поперечного перерізу провідника; ρ — питомий опір речовини провідника.

Підбиваємо підсумки Опір металевого провідника прямо пропорційний його довжині, обернено пропорційний площі його поперечного перерізу й залежить від речовини, з якої вигоl товлено провідник: R = ρ ⋅ , де R — опір провідника; S l — довжина провідника; S — площа поперечного перерізу провідника; ρ — питомий опір речовини провідника. Питомий опір речовини провідника — це фізична величина, що показує, який опір має виготовлений із цієї речовини провідник довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 м2.

1. Від чого залежить опір металевого провідника? 2. За якою формулою визначають опір провідника? 3. Що показує питомий опір? ПОЯСніТЬ Один із двох провідників з однаковою площею поперечного перерізу, виготовлених з одного й того самого матеріалу, вдвічі коротший за другий. Який із провідників має більший електричний опір й у скільки разів?

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ Обмотку реостата виготовлено з нікелінового дроту довжиною 50 м і площею поперечного перерізу 0,5 мм2. Напруга на затискачах реостата становить 40 В. Чому дорівнює сила струму, що проходить крізь реостат?

Задача

187 Розв’язання: Силу струму визначиU мо за законом Ома: I = . R Опір нікелінового дроту визначимо за формуl лою: R = ρ ⋅ . I—? S Тоді сила струму визначатиметься за формулою: US I= . ρl Підставивши значення, отримаємо: 40 Â ⋅ 0,5ìì2 = 1 À. I= Îì ⋅ ìì2 ⋅ 50 ì 0,4 ì Відповідь: сила струму в реостаті дорівнює 1 А. Дано: l = 50 м S = 0,5 мм2 U = 40 В Ом ⋅ мм2 ρ = 0,4 м

Вправа 13 1. Обчисліть опір залізного дроту завдовжки 1 м, якщо його поперечний переріз 10 мм2. 2. Опір мідного дроту довжиною 90 м дорівнює 2 Ом. Визначте площу поперечного перерізу дроту. 3. Електричне коло містить дві ділянки з мідного дроту, що мають однакову довжину, але різну площу перерізу: 1,6 мм2 і 0,8 мм2. Яка ділянка має менший опір і в скільки разів? 4. Визначте, скільки метрів нікелінового дроту перерізом 0,1 мм2 потрібно для виготовлення реостата опором 180 Ом. 5. Визначте масу мідного дроту, довжина якого 2 км й опір 8,5 Ом. Густина міді 8,9 г/см3. 6. До будинку прокладено кабель із мідними жилами загальним перерізом 100 мм2. Довжина кабелю дорівнює 80 м. Який його опір? 7. Визначте опір кожного кілометра мідного трамвайного проводу, поперечний переріз якого дорівнює 51 мм2. 8. Крізь нікеліновий провідник довжиною 5 м і поперечним перерізом 0,12 мм2 протікає струм силою 1,5 А за напруги 24 В. Визначте питомий опір нікеліну. 9. Скільки треба взяти метрів мідного дроту перерізом 3 мм2, щоб його опір був таким самим, як опір алюмінієвого дроту перерізом 4 мм2 і довжиною 15 м?

188 Перевірте себе (§ 18–30) рівень а (початковий) 1. Що відбуватиметься з підвішеною на шовковій нитці незарядженою легкою кулькою, якщо до неї піднести заряджене тіло?

А кулька притягнеться до зарядженого тіла Б кулька відштовхнеться від зарядженого тіла В кулька спочатку притягнеться до зарядженого тіла, а після контакту з ним — відштовхнеться Г оскільки кулька незаряджена, то вона не взаємодіятиме із зарядженим тілом 2. Для чого легкі гільзи або кульки, з якими демонструють досліди із взаємодії зарядів, підвішують на шовкових нитках?

А Б В Г

шовкові нитки легкі й гнучкі шовкові нитки тонкі й міцні шовкові нитки не проводять електричних зарядів шовкові нитки добре електризуються

3. Сила струму в колі електричної лампи дорівнює 0,3 А. Скільки електронів проходить крізь поперечний переріз спіралі за 5 хв?

А 56 · 1020 електронів Б 5,6 · 1020 електронів

В 5600 електронів Г 56 електронів

4. Сила струму в залізному провіднику завдовжки 2 м і площею поперечного перерізу 0,2 мм2 дорівнює 200 мА. Яка напруга на кінцях провідника?

А 2В

Б 20 В

В 0,2 В

Г 200 В

5. Які частинки є вільними носіями заряду в металевих провідниках?

А Б В Г

негативно заряджені йони позитивно заряджені йони йони обох знаків електрони

6. Оберіть схему електричного кола (мал. 144), у якому при замиканні вимикача 2 дзвінок не працює, а лампа світиться. 1

+ –

М��. 144. До завдання 6А

+ – 2

А 1і2

+ – 3

Б 3

В 2

Г 1, 2 і 4

189 рівень B (середній) 1. Маємо три однакові металеві кульки, підвішені на шовкових нитках. Заряд однієї дорівнює 2 нКл, другої — (–12 нКл), а третьої — 4 нКл. Кульки зіткнули та розвели. Який заряд матимуть кульки після цього?

А 8 нКл

Б 2 нКл

В –8 нКл

Г –2 нКл

2. Укажіть напругу на реостаті, якщо під час проходження по ньому електричного заряду 12 Кл електричне поле виконало роботу 720 Дж.

А 20 В

Б 60 В

В 0,2 В

Г 8,64 кВ

3. Опір мідного дроту завдовжки 1 км, якщо його поперечний переріз 10 мм2, дорівнює…

А 17 Ом Б 1,7 Ом

В 170 Ом Г 0,017 Ом рівень C (достатній)

1. Оберіть графік залежності сили струму в металевому провіднику від напруги, який відповідає провіднику з найменшим опором (мал. 145).

А 1 Б 2

В 3 Г 4

2. У спіралі електронагрівача, виготовленій з нікелінового дроту площею поперечного перерізу 0,1 мм2, за напруги 220 В сила струму 4 А. Визначте довжину дроту. 3. Два негативні заряди перебувають на відстані 20 мм один від одного. Заряди взаємодіють із силою 8,1 · 10–4 Н. Визначте величину кожного з двох зарядів. М��. 145. До завдання 1С

рівень D (високий) 1. Поясніть процеси, зображені на малюнку 146.

М��. 146. До завдання 1D

2. Скільки електронів проходить через залізний дріт упродовж 10 с за напруги на ньому 16 В? Довжина дроту 1 м, площа поперечного перерізу 10 мм2.

190

§ 31

Послідовне з’єднання провідників

Резистори. У сучасній радіоелектроніці широко використовують резистори — прилади, призначені для зміни опору електричного кола.  Як визначається Резистор (від латин. resisto — опираюсь) включазагальний опір ють в електричне коло, щоб змінити його опір і, відпослідовно з’єднаних повідно до закону Ома, — силу струму в колі. елементів електричНайпростіший резистор складається з каркаса, ного кола, як розподівиготовленого з непровідного та жаротривкого маляється сила струму теріалу 1, дроту з великим питомим опором, що най напруга в такому мотаний на каркас 2, захисного шару 3 та виводів з’єднанні 4, за допомогою яких резистор включається в електричне коло (мал. 147, а). Пригадайте На електричних схемах резистори зображають у вигляді умовних позначень (мал. 147, б). Залежно  Яке з’єднання від призначення резистори виготовляють різних елементів електричрозмірів та конструкції (мал. 147, в). ного кола називають Розв’язуючи задачі з фізики або виконуючи допослідовним сліди, ми будемо розглядати електричні кола, що містять лампи, дзвоники або інші споживачі струму. Якщо для розв’язання задачі неважливо, яким саме є споживач струму, то на електричній схемі можна зображати резистор, вважаючи, що його опір є таким самим, як і опір споживача.

Ви дізнаєтесь

а За стандартами США За європейськими стандартами б М��. 147. Резистор: а — внутрішня будова; б — умовні позначення на електричних схемах; в — зовнішній вигляд

191

М��. 148. Вимірювання сили струму в електричному колі з послідовним з’єднанням електроламп: а — між вимикачем і джерелом струму; б — між електролампами; в — між джерелом й електролампами

Послідовне з’єднання елементів електричного кола. Пригадайте, ми з вами вже розглядали послідовне з’єднання елементів електричного кола — з’єднання, за якого елементи вмикаються в електричне коло один за одним. Послідовно з’єднують резистори, елементи акумуляторної батареї. Послідовно вмикають в електричне коло амперметр. Будь-які споживачі струму (електричні лампи, резистори тощо) проводять електричний струм, тому для спрощення такі елементи кола можна називати узагальнено — провідники. Сила струму на ділянці кола з послідовним з’єднанням провідників. Розглянемо електричне коло з послідовно з’єднаних джерела струму, двох електроламп, амперметра та вимикача (мал. 148, а). Замкнемо електричне коло та виміряємо силу струму I1 у ньому. Вимкнемо електричне коло, увімкнемо амперметр між електролампами (мал. 148, б) та виміряємо силу струму I2. Виконаємо вимірювання сили струму I3 між джерелом струму та електролампами (мал. 148, в). Порівняємо виміряні значення, побачимо, що сила струму в будь-яких частинах електричного кола є однаковою. За послідовного з’єднання провідників сила струму в усіх частинах електричного кола однакова: I = I1 = I2 = … = In. Напруга на ділянці кола з послідовним з’єднанням провідників. Розглянемо ще раз електричне коло з

192

М��. 149. Вимірювання напруги в електричному колі з послідовним з’єднанням провідників: а — на джерелі; б — на першій лампі; в — на другій лампі

послідовно з’єднаних джерела струму, двох електроламп, амперметра та вимикача. Замкнемо електричне коло. Амперметр покаже силу струму в ньому. По черзі виміряємо вольтметром, приєднуючи його паралельно до затискачів, напругу на полюсах джерела струму U та на кожній з електроламп U1, U2 (мал. 149). Порівняємо виміряні значення напруги. Бачимо, що напруга на полюсах джерела струму дорівнює сумі напруг на електролампах: U = U1 + U2. Таким чином, повна напруга в електричному колі з послідовним з’єднанням провідників (або напруга на полюсах джерела струму) дорівнює сумі напруг на окремих ділянках кола: U = U1 + U2 + … + Un. Опір на ділянці кола з послідовним з’єднанням провідників. Розглянемо електричне коло з n послідовно з’єднаних елементів. Застосуємо закон Ома для всього кола та окремих його ділянок. Отримаємо: U = I ⋅ R, U1 = I ⋅ R1, U2 = I ⋅ R2, Un = I ⋅ Rn, де I — сила струму в колі; R, R1, R2, Rn — загальний опір кола та опори його ділянок. Оскільки загальна напруга на кінцях послідовного з’єднання дорівнює сумі напруг на окремих ділянках кола, тобто U = U1 + U2 + … + Un, то I ⋅ R = I ⋅ R1 + I ⋅ R2 + … + I ⋅ Rn. Звідси: R = R1 + R2 + … + Rn.

193 Загальний опір послідовно з’єднаних провідників дорівнює сумі опорів окремих провідників або ділянок електричного кола: R = R1 + R2 + … + Rn. Цю властивість послідовного з’єднання елементів електричного кола враховують, виготовляючи амперметри. Оскільки амперметр включається в коло послідовно, то його опір має бути дуже малим (десяті або соті частки ома), щоб він суттєво не впливав на загальний опір і, відповідно, силу струму в колі.

Підбиваємо підсумки З’єднання елементів електричного кола, у якому провідники з’єднуються один за одним, називається послідовним. За послідовного з’єднання провідників сила струму в усіх частинах електричного кола однакова: I = I1 = I2 =… = In. Повна напруга в електричному колі з послідовним з’єднанням провідників (або напруга на полюсах джерела струму) дорівнює сумі напруг на окремих ділянках кола: U = U1 + U2 +… + Un. Загальний опір послідовно з’єднаних провідників дорівнює сумі опорів окремих провідників або ділянок електричного кола: R = R1 + R2 +… + Rn.

1. Яке з’єднання елементів електричного кола називають послідовним? 2. Як можна виміряти силу струму в електричному колі за послідовного з’єднання його елементів? Чи залежить виміряне значення від точки включення амперметра в електричне коло? 3. Як визначити повну напругу в електричному колі, якщо є виміряні значення напруг кожної з його ділянок, що з’єднані послідовно? 4. Як визначити опір ділянки кола, що складається з кількох послідовно з’єднаних резисторів із відомими опорами? 5. Чому внутрішній опір амперметра має бути дуже малим?

194 ПОЯСніТЬ 1. Чому сила струму за послідовного з’єднання провідників на всіх ділянках є однаковою? 2. Чому за послідовного з’єднання двох споживачів справджується формула R = R1 + R2? 3. Чому напруги на провідниках та їх опори за послідовного з’єднання для будь-якої пари провідників пов’язані співU U відношенням: 1 = 2 ? R1 R2

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ Три резистори з опорами 2 Ом, 3 Ом, 5 Ом з’єднані послідовно. Амперметр, увімкнений у коло, показує силу струму 1 А. Визначте опір кола, напругу на кожному резисторі та повну напругу на кінцях ділянки кола.

Задача

Дано: R1 = 2 Ом R2 = 3 Ом R3 = 5 Ом I=1А

Розв’язання: Схема ділянки кола, яка розглядається в задачі, має вигляд (мал. 150):

R —? А U —? U1 —? М��. 150. Ділянка електричного кола U2 —? з послідовним з’єднанням елементів U3 —? Резистори з’єднані послідовно, тому загальний опір кола: R = R1 + R2 + R3; R = 2 Ом + 3 Ом + 5 Ом = 10 Ом. Сила струму за послідовного з’єднання є однаковою в усіх резисторах: I1 = I2 = I3 = I = 1 А. Напругу на кожному з резисторів визначаємо за законом Ома для ділянки кола: U1 = I ⋅ R1, U1 = 1 А ⋅ 2 Ом = 2 В; U2 = I ⋅ R2, U2 = 1 А ⋅ 3 Ом = 3 В; U3 = I ⋅ R3, U3 = 1 А ⋅ 5 Ом = 5 В. Повна напруга в колі за послідовного з’єднання: U = U1 + U2 + U3, або U = I ⋅ R, U = 2 В + 3 В + 5 В = 10 В, або U = 1 А ⋅ 10 Ом = 10 В. Відповідь: R = 10 Ом, U1 = 2 В, U2 = 3 В, U3 = 5 В, U = 10 В.

195 Вправа 14 1. Користуючись даними з малюнку 151, визначте напругу джерела струму та напругу на кожному резисторі.

М��. 151. До завдання 1

2. В освітлювальну мережу 220 В увімкнули послідовно дві електричні лампи з однаковим опором. Якою буде напруга на кожній із ламп? 3. Опір електричного кола, що складається з двох послідовно з’єднаних однакових ламп і реостата, дорівнює 1000 Ом. Визначте опір кожної лампи, якщо опір реостата дорівнює 120 Ом. 4. На малюнку 152 зображено електричне коло. Опори резисторів, увімкнутих у коло, відповідно R1 = 6 Ом, R2 = 12 Ом. Показання вольтметра — 6 В. Визначте напругу на резисторі опором R1 та напругу U на всій ділянці кола. 5. Ділянка електричного кола містить три резистори, з’єднані послідовно (мал. 153). Опори резисторів R1 = 5 Ом, R2 = 6 Ом, R3 = 12 Ом. Яку силу струму показує амперметр і яка напруга в колі, якщо показання вольт метра 12 В?

R1 R1

R3 А

6 В

А М��. 152. До завдання 4

V М��. 153. До завдання 5

196 6 Ом

4 Ом

V V1

М��. 154. До завдання 6

М��. 155. До завдання 7

6. Як зміняться показання електричних приладів, зображених на малюнку 154, якщо повзунок реостата перемістити вниз; угору? 7. Визначте показання амперметра та другого вольтметра (мал. 155), якщо показання першого вольтметра 18 В. 8. До полюсів джерела струму приєднано послідовно два провідники однакових розмірів. Перший провідник виготовлено з алюмінію, другий — із міді. На кінцях якого провідника вольтметр покаже більшу напругу? У скільки разів відрізнятимуться показання вольтметра на першому і другому провідниках? 9. Використовуючи показання вольтметрів, зображених на малюнку 156, дайте відповідь на запитання: яким є опір резистора R1, якщо опір резистора R2 дорівнює 10 Ом?

М��. 156. До завдання 9

197

Дослідження електричного кола з послідовним з’єднанням провідників М е т а р о б о т и: дослідити електричні кола з послідовним з’єднанням провідників, перевірити закони послідовного з’єднання провідників. П р и л а д и і м а т е р і а л и: батарея акумуляторів, дві електролампи, амперметр постійного струму на 2 А, вольтметр постійного струму на 4 В, вимикач, з’єднувальні провідники. Вказівки щодо виконання роботи 1. Накресліть схему електричного кола, що складається із джерела струму, двох електричних ламп, з’єднаних послідовно, амперметра та вимикача. 2. Складіть коло за накресленою схемою для вивчення послідовного з’єднання елементів. 3. Визначте силу струму І1 на лампі Л1 за показаннями амперметра. Включіть амперметр після другої лампи і виміряйте силу струму І2. Увімкніть амперметр в інше місце кола і виміряйте силу струму І. Переконайтеся, що сила струму є однаковою. Результати вимірювань запишіть до таблиці. номер досліду

Сила струму, а І1

І2

напруга, в U1

Опір, Ом U

1 2

4. Вольтметр підключіть паралельно: а) до лампи Л1, виміряйте напругу U1; б) до лампи Л2, виміряйте напругу U2; в) до ділянки кола з обома лампами, виміряйте напругу U. Результати вимірювань запишіть до таблиці. 5. Обчисліть опори ламп R1, R2 та загальний опір послідовно з’єднаних елементів R. Результати вимірювань запишіть до таблиці. 6. Зробіть висновки.

198

§ 32

Паралельне з’єднання провідників

Паралельне з’єднання елементів електричного кола. Паралельним називають таке з’єднання елементів електричного кола, за якого перші кінці  Як визначається всіх провідників приєднують до однієї точки елекзагальний опір паралельно з’єднаних тричного кола, а другі кінці — до іншої. У розгалужених колах є так звані вузлові точки елементів електрич(точки, в яких з’єднуються три і більше провідниного кола, як розподіків). Вузлові точки розділяють електричне коло на ляється сила струму окремі гілки. Особливістю розгалужених електричй напруга в такому них кіл є те, що сила струму в кожній гілці може відз’єднанні різнятися за значенням. Паралельно полюсам джерела струму або затискачам споживача електричної Пригадайте енергії вмикається в електричне коло вольтметр. Напруга на ділянці кола з паралельним  Яке з’єднання з’єднанням провідників. Розглянемо електричне елементів електричколо, що складається з двох паралельно з’єднаних ного кола називають низьковольтних електроламп, джерела струму, паралельним вольтметра та вимикача. Вмикаючи вольтметр так, як показано на малюнку 157, а–в, переконуємось, що напруга на кінцях кожного паралельно з’єднаного провідника та напруга на джерелі струму є однаковими.

Ви дізнаєтесь

Напруга на кожному паралельно приєднаному провідникові є однаковою і дорівнює напрузі на всій ділянці кола: U = U1 = U2 = … = Un.

М��. 157. Вимірювання напруги в колі з паралельним з’єднанням провідників: а — на джерелі; б — на першій лампі; в — на другій лампі

199

М��. 158. Вимірювання сили струму в колі з паралельним з’єднанням провідників: а — у загальній частині кола; б — у першій лампі; в — у другій лампі

Завдяки цій властивості паралельного з’єднання його широко використовують у техніці та побуті. Усі побутові споживачі електричного струму (електричні освітлювальні лампи в квартирі, телевізор, холодильник, мікрохвильова піч) розраховані на однакову робочу напругу 220 В, тому в електромережу квартири їх вмикають паралельно. Сила струму на ділянці кола з паралельним з’єднанням провідників. Розглянемо те саме електричне коло й будемо вимірювати амперметром силу струму на різних ділянках кола (мал. 158). Замкнемо електричне коло та виміряємо силу струму I до розгалуження (повну силу струму в колі), силу струму I1 у першій електролампі, силу струму I2 у другій електролампі. Порівняємо виміряні значення сили струму. Зробимо висновок, що сила струму до розгалуження дорівнює сумі сил струму в електролампах: I = I1 + I2. Сила струму в нерозгалуженій частині кола дорівнює сумі сил струму в окремих паралельно з’єднаних елементах електричного кола: I = I1 + I2 + … + In. Опір на ділянці кола з паралельним провідників. Продовжуємо досліджувати коло з паралельно з’єднаних елементів. Сила струму в такому колі I = I1 + I2, U1 = U2 = U. U U За законом Ома I = , відповідно: I1 = R R1

з’єднанням електричне напруга — , I2 =

U . R2

200 Тоді

U U U = + . Спростивши вираз, отримаємо: R R 1 R2 1 1 1 = + . R R1 R2

За паралельного з’єднання елементів електричного кола величина, обернена до повного опору з’єднання, дорівнює сумі величин, обернених до опорів розгалужень: 1 1 1 1 = + + ... + . R R1 R2 Rn

Підбиваємо підсумки Паралельним називають таке з’єднання елементів електричного кола, за якого одні кінці всіх провідників приєднують до однієї точки електричного кола, а інші кінці — до другої. Напруга на кожному паралельно приєднаному провідникові є однаковою і дорівнює напрузі на всій ділянці кола: U = U1 = U2 = … = Un. Сила струму в нерозгалуженій частині кола дорівнює сумі сил струму в окремих паралельно з’єднаних елементах електричного кола: I = I1 + I2 + … + In. За паралельного з’єднання елементів електричного кола величина, обернена до повного опору з’єднання, дорівнює сумі величин, обернених до опорів розгалу1 1 1 1 = + + ... + . жень: R R1 R2 Rn

1. Яке з’єднання елементів електричного кола називають паралельним? 2. Яким чином вимірюють напругу на різних ділянках електричного кола, що з’єднані паралельно? 3. Як співвідноситься сила струму в нерозгалуженій частині електричного кола із силами струму в його елементах, з’єднаних паралельно? 4. Як розраховують загальний опір розгалуження електричного кола? 5. Чому в житлових приміщеннях споживачі електричної енергії з’єднуються паралельно?

201 ПОЯСніТЬ 1. Чому за паралельного з’єднання сила струму в кожному з будь-якої пари провідників та їх опори пов’язані співвідI R ношенням 1 = 2 ? I2 R1 2. Два дроти однакової довжини і однакового перерізу (залізний та мідний), увімкнуті в електричне коло паралельно. У якому з дротів сила струму буде більшою?

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ Доведіть, що якщо коло складається з n паралельно з’єднаних однакових провідників з опором R0 кожний, то загальний опір кола R буде R в n разів меншим від опору одного провідника: R = 0 . n

Задача 1

Дано: R0 n

Довести: R R= 0 n

Розв’язання: Розглянемо випадок паралельного з’єднання двох однакових провідників (мал. 159, а).

М��. 159. Паралельне з’єднання провідників: а — двох; б — трьох; в — n провідників

Загальний опір двох паралельно з’єднаних провідників: 1 1 1 = + . R R1 R2 1 1 1 2 Оскільки опори однакові, то = + = , звідси R R0 R 0 R0 R R= 0 . 2

202 У випадку трьох паралельно з’єднаних однакових 1 1 1 1 3 = + + = , провідників (мал. 159, б, с. 201): R R0 R 0 R0 R0 R звідки R = 0 . 3 Відповідно для n паралельно з’єднаних однакових проR відників (мал. 159, в, с. 201) з опором R0 кожний R = 0 . n Ділянка електричного кола містить три Задача 2 паралельно з’єднані провідники, опори яких відповідно: R1 = 3 Ом, R2 = 5 Ом, R3 = 15 Ом. Визначте загальний опір ділянки кола. Дано: R1 = 3 Ом R2 = 5 Ом R3 = 15 Ом

Розв’язання: Загальний опір трьох паралельно з’єднаних провідників визначається 1 1 1 1 = + + . за формулою: R R1 R 2 R3

R—? Зведемо до спільного знаменника 1 R2 R3 + R1 R3 + R1 R2 = . R R1 R2 R3 R1 R2 R3 . Звідки R = R2 R3 + R1 R3 + R1 R2

Підставляємо числові значення: 3 Îì ⋅ 5 Îì ⋅15 Îì R= ≈ 1,6 Îì . 5 Îì ⋅15 Îì + 3 Îì ⋅15Îì + 3 Îì ⋅ 5 Îì Відповідь: ≈ 1,6 Îì . Зверніть увагу! Значення загального опору ділянки з паралельним з’єднанням є меншим від значення будьякого з опорів, що складають це паралельне з’єднання. Два резистори паралельно приєднано до джерела струму, і їх загальний опір дорівнює 7,5 Ом. Сила струму в першому резисторі 400 мА, у другому — 1,2 А. Визначте опір кожного резистора, загальну напругу в колі.

Задача 3

Дано: І1 = 400 мА І2 = 1,2 А R = 7,5 Ом R1 — ? R2 —? U —?

CI 0,4 А

Розв’язання: Оскільки резистори з’єднано паралельно, то загальна сила струму в колі визначається так: I = I1 + I2, I = 0,4 А +1,2 А = 1,6 А. Згідно із законом Ома: U = I ⋅ R, U = 1,6 А ⋅ 7,5 Ом = 12 В.

203 За умови паралельного з’єднання провідників загальна напруга і напруга на кожному з резисторів однакові: U = U1 = U2. Відповідно опір резисторів визначається за формулами: U U R1 = , R2 = , I1 I2 12 Â 12 Â = 10 Îì. R1 = = 30 Îì , R2 = 0,4 À 1,2 À Відповідь: 30 Ом; 10 Ом; 12 В.

Вправа 15 1. Неізольований дріт має електричний опір 1 Ом. Визнач те опір цього самого дроту, після того як його розрізали посередині та скрутили отримані половини разом по всій довжині.

2. Ізольований дріт опором 1 Ом розрізали посередині та скрутили отримані половини разом по всій довжині. Визначте опір такого провідника. 3. Ізольований провід розрізали на три частини і сплели в один. У скільки разів змінився опір проводу? 4. Два провідники паралельно приєднано до джерела струму. Опір одного 150 Ом, другого — 30 Ом. Визначте, у якому провіднику сила струму більша й у скільки разів. 5. Амперметр, включений в електричне коло (мал. 160), показує силу струму 1,6 А за напруги 120 В. Опір резистора R1 = 100 Ом. Визначте опір другого резистора R2 й силу струму в кожній ділянці кола. 6*. Ділянка електричного кола містить дві однакові паралельно приєднані лампи, три амперметри та два вимикачі (мал. 161). Якщо замкнені вимикачі 1 і 2, амперметр А показує силу струму 1,2 А. Що покажуть амперметри А1 і А2, якщо замкнути: лише вимикач 1; лише вимикач 2? 7. До джерела струму приєднано два однакові резистори (мал. 162). За даними малюнка визначте силу струму в колі.

R2 М��. 160. До завдання 5

А A2

М��. 161. До завдання 6

М��. 162. До завдання 7

204

Дослідження електричного кола з паралельним з’єднанням провідників М е т а р о б о т и: дослідити електричні кола з паралельним з’єднанням провідників, перевірити закони паралельного з’єднання провідників. П р и л а д и і м а т е р і а л и: батарея акумуляторів, дві електролампи, амперметр постійного струму на 2 А, вольтметр постійного струму на 4 В, вимикач, з’єднувальні провідники. Вказівки щодо виконання роботи 1. Накресліть схему електричного кола, що складається із джерела струму, двох електричних ламп, з’єднаних паралельно, вольтметра та вимикача. 2. Складіть коло за накресленою схемою для вивчення паралельного з’єднання елементів. номер досліду

Сила струму, а І1

І2

напруга, в U1

Опір, Ом U

1 2

3. Визначте напругу U за показаннями вольтметра, що підключений до клем джерела струму. Підключіть вольт метр до клем лампи Л1, виміряйте напругу U1, а потім до клем лампи Л2, виміряйте напругу U2. Результати вимірювань запишіть до таблиці. 4. Амперметр підключіть послідовно: а) з лампою Л1 і виміряйте силу струму I1; б) з лампою Л2 і виміряйте силу струму I2; в) у загальну ділянку кола й виміряйте силу струму I. Результати вимірювань запишіть до таблиці. 5. Обчисліть опори ламп R1, R2 та загальний опір паралельно з’єднаних елементів R. 6. Зробіть висновок про виконання чи невиконання законів паралельного з’єднання елементів.

205 ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ розв’язування задач на змішане з’єднання провідників Електричні кола, з якими доводиться мати справу на практиці, складаються з кількох різних споживачів, які можуть бути з’єднані між собою послідовно, паралельно або послідовно й паралельно (змішане з’єднання). Такі електричні кола розраховують за допомогою еквівалентних схем. Для побудови еквівалентної схеми виділяють ділянку кола на якій резистори з'єднані тільки послідовно, або тільки паралельно, тобто опір цієї ділянки можна розрахувати. Далі таку ділянку кола замінюють одним резистором, опір якого дорівнює розрахованому. Вибудовуючи таким чином кілька еквівалентних схем, визначають загальний опір кола. Якщо задана напруга джерела струму, можна визначити загальну силу струму. Далі вже можна розрахувати напруги і сили струму на окремих резисторах. Покажемо, як використовувати методику еквівалентної схеми, на окремих прикладах. У коло, що зображено на мал. 163, подано напругу 55 В. Опори всіх резисторів однакові й дорівнюють 2 Ом. Визначте загальний опір кола, а також силу струму й напругу на кожному резисторі. З малюнка видно, що на схемі лише три резистори з’єднані певним чином — це резистори R4, R5, R6, і з’єднані вони між собою послідовно. Визначимо їхній загальний опір: R456 = R4 + R5 + R6 = 6 Ом. Тепер можна накреслити еквівалентну схему, замінивши ці резистори еквівалентним R456 (мал. 164). Тепер добре видно, що резистори R3 і R456 з’єднані між собою паралельно, отже, опір цієї ланки: R ⋅R 2Ом ⋅ 6 Ом = 1,5 Ом. R3456 = 3 456 = R3 + R456 2 Ом + 6 Ом Після цього можна накреслити еквівалентну схему (мал. 165, с. 206), замінивши паралельно з’єднані резистори еквівалентним R3456.

Задача 1

R4 R3

R6 R5

М��. 163

R1 R3

U R2

М��. 164

R456

206

Чітко видно, що тепер усі резистори з’єднані послідовно, отже, загальний опір кола (мал. 166): R1 R = R1–6 = R1 + R2 + R3456 = 2 Ом + 2 Ом + 1,5 Ом = 5,5 Ом. R3456 Тоді загальний струм: R2 U 55 B I= = = 10 A . R 5,5 Oм А тепер будемо розглядати еквівалентні схеми у М��. 165 зворотному напрямі: від простіших до складніших, тобто в напрямі до початкової схеми. Спочатку розглянемо малюнок 165. Загальна сила струму, що прохоR123456 = R1–6= R дить через резистори R1, R2, R3456 (I = I1 = I2 = I3456 = 10 А). Отже, можна обрахувати напруги U1, U2, U3456 : U1 = I1R1 = IR1 = 10 А ⋅ 2 Ом = 20 В; Зрозуміло, що U2 = 20 В, дійсно: М��. 166 U2 = I2R2 = IR2= 10 А ⋅ 2 Ом = 20 В. U3456 = I3456 ⋅ R3456 = I ⋅ R3456 = 10 А ⋅ 1,5 Ом = 15 В. Перевіримо тепер рівність: U = U1 + U2 + U3456 (закон напруг для послідовного з’єднання): U = 20 В + 20 В + 15 В = 55 В. Така перевірка показує, правильно чи ні ми розв’язуємо задачу. Якби цей закон не підтвердився, то потрібно було б повернутися до початку розв’язку і шукати помилку. Обчислимо тепер силу струму в R3 і R456 (мал. 164, с. 205). Напруга на паралельній ланці U3456 = U3 = U456 (закон напруг для паралельного з’єднання). Отже, U3 = U456 = 15 В; U 15 B =7,5 A ; I3 = 3 = R3 2 Oм U 15 B =2,5 A . I456 = 456 = 6 Oм R456 Контролюємо себе, перевіряючи, чи I = I3 + I456 : I = 7,5 А + 2,5 А = 10 А. Отже, ми робимо все правильно! Струм через R456 протікає насправді через резистори R4, R5, R6 (мал. 163, с. 205). Отже, I456 = I4 = I5 = I6 = 2,5 А. Тоді зрозуміло, що оскільки R4 = R5 = R6 , то U4 = U5 = = U6 = 2,5 А ⋅ 2 Ом = 5 В. Дійсно, в сумі U456 = U4 + U5 + U6 = 15 В. Відповідь: R = 5,5 Ом; I1 = I2 = 10 А; I3 = 7,5 А; I4 = I5 = I6 = 2,5 А; U1 = U2 = 20 В; U3 = 15 В; U4 = U5 = U6 = 5 В.

207 Визначте загальний опір ділянки кола та силу струму в кожному резисторі (мал. 167), якщо напруга між точками А і D дорівнює 26 В; R1 = 2 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 6 Ом, R4 = 1 Ом, R5 = 2 Ом, R6 = 2 Ом, R7 = 4 Ом, R8 = 12 Ом.

Задача 2

R7 R8

Дано: CI Розв’язання: U = 26 В На ділянках АВ і СD резистори R1 = R5 = з’єднані паралельно. Опір кожної ділян= R6 = 2 Ом ки відповідно: R2 = 3 Ом 1 1 1 1 = + + ; R3 = 6 Ом R АВ R1 R2 R3 R4 = 1 Ом R1 R2 R3 R7 = 4 Ом = R AB = R2 R3 + R1 R3 + R1 R2 R8 = 12 Ом 2 Îì ⋅ 3 Îì ⋅ 6 Îì І, І1, І2, І3, = = 3 Îì ⋅ 6 Îì + 2 Îì ⋅ 6 Îì + 2 Îì ⋅ 3 Îì І4, І5, І6, І7, І8 —? 36 Îì = = 1 Îì. 18 Îì + 12 Îì + 6 Îì 1 1 1 1 R6 R7 R8 = + R+6 R7 R8; RCD = = = RCD = RCD R R67 R8R+7 R6RR88 + R6 R7 R7 R8 + R6 R8 + R6 R7 2 Îì ⋅ 4 Îì ⋅ 12 Îì 2 Îì ⋅ 4 Îì = ⋅ 12 Îì = = = 4 Îì Îì ⋅ 12 Îì + 2 Îì ⋅ 4 Îì ⋅ 42Îì 4 Îì ⋅ 12 Îì + 2 Îì ⋅ 12 Îì ⋅+12 2 Îì + 96 Îì 96 Îì = = 1,2 Oм. = 1,2 O = 48 Îì + 24 Îì + 8 Îì48 Îì + 24 Îì + 8 Îì Тоді загальний опір кола буде складатись із послідовно з’єднаних ділянок АВ, ВС і СD: R = R AB + RBC + RCD , де RBC = R4 + R5 . RBC = 1 Ом + 2 Ом = 3 Ом; RАВ = 1 Ом; RСD = 1,2 Ом. R = 1 Ом + 3 Ом + 1,2 Ом = 5,2 Ом.

М��. 167

208 За законом Ома для ділянки кола визначаємо: U 26 B = 5 A . Струм такої сили проходить І= ; I= R 5,2 Oм через резистори R4 і R5, тобто І4 = І5 = І = 5 А. Напруга на ділянці АВ: UAB = IR AB = 5 А ⋅ 1 Ом = 5 В. Така сама напруга й на кожному з резисторів R1, R2, R3, оскільки вони з’єднані паралельно. U 5B Тоді І1 = AB = = 2,5 А. 2 Oм R1 U 5B Аналогічно: І2 = AB = == 1,7 А, 3 Oм R2 U 5B = 0,8 А. І3 = AB = 6 Oм R3 Так само визначаємо силу струму в кожному резисторі на ділянці СD. Напруга на ділянці СD: UCD = IRCD = 5 А ⋅ 1,2 Ом = 6 В, U 6B U 6B тоді І6 = CD = == 1,5 А, == 3 А, І7 = CD = 4 Oм R7 2 Oм R6 U 6B І8 = CD = == 0,5 А. 12 Oм R8 Відповідь: R = 5,2 Ом, І1 = 2,5 А, І2 = 1,7 А, І3 = 0,8 А, І4 = І5 = І = 5 А, І6 = 3 А, І7 = 1,5 А, І8 = 0,5 А.

Вправа 16 1. Чотири провідники з опором по 1,5 Ом кожний необхідно з’єднати так, щоб отримати загальний опір 2 Ом. Як це здійснити? 2. Який опір можна одержати за допомогою трьох резисторів опором по 2 Ом кожен? 3. Визначте показання амперметра А, якщо амперметр А1 показує 2 А (мал. 168).

А1

R А

М��. 168. До завдання 3

209 B

А1

10 Ом 10 Ом

А3

А2

10 Ом 10 Ом

А М��. 169. До завдання 4

D М��. 170. До завдання 5

4. Як зміняться показання приладів, якщо повзунок реостата посунути вліво (мал. 169)? 5*. Чотири однакові провідники з опорами по 10 Ом кожний з’єднані, як показано на малюнку 170. Яким буде загальний опір, якщо струм підвести до точок А і С? До точок А і D? 6*. Чотири провідники з’єднані, як показано на малюнку 171. Напруга між точками A і В дорівнює 18 В. Визначте загальний опір і силу струму в окремих провідниках. 4 Ом

1,6 Ом

6 Ом

12 Ом

М��. 171. До завдання 6

7*. Два провідники за послідовного з’єднання мають опір 5 Ом, за паралельного з’єднання — 0,8 Ом. Визначте опір цих провідників.

210

§ 33

Робота і потужність електричного струму

Робота електричного струму. Під час вивчення механічних і теплових явищ, а також на початку вивчення електричних явищ ми неодноразово ко Як визначати ристувалися терміном робота. І, як ми знаємо, роенергетичні бота у фізиці — це не характеристика самого тіла, а характеристики властивість сил діяти, внаслідок чого самим тілом електричного струму або над тілом може виконуватись робота. У цьому параграфі дослідимо роботу електричного струму. Пригадайте Ви вже знаєте, що електрична напруга на кінцях провідника дорівнює роботі, яка здійснюється  Що характеризують електричним полем під час переміщення електричтакі фізичні ного заряду в 1 Кл по цьому провіднику, тобто величини, як робота A й потужність U = . Відповідно робота електричного поля q А може бути визначена як добуток перенесеного через поперечний переріз провідника електричного заряду q та напруги U на кінцях провідника: A = q ⋅ U. Скориставшись співвідношенням між силою струму І, електричним зарядом, який пройшов через поперечний переріз провідника, q та часом його проходження t (нагадаємо, q = It ), можна записати такий вираз для обчислення роботи електричного поля: A = IUt. Таким чином, ми бачимо, що правильніше було б говорити «робота сил електричного поля з переміщення електричного заряду в провіднику» (пригадайте, ми говоримо «робота сили тяжіння з переміщення тіла»). Оскільки переміщення електричних зарядів у провіднику під дією електричного поля називають електричним струмом, то прийнято скорочено говорити «робота електричного струму», «робота струму». Як і у випадку механічної роботи, роботу струму можна оцінити за перетвореннями енергії (пригадайте, механічна робота визначається через зміну кінетичної або потенціальної енергії тіла). Таким чином, загальне визначення роботи електричного струму таке:

Ви дізнаєтесь

211 Робота електричного струму — це фізична величина, що характеризує перетворення електричної енергії і показує, яку роботу виконує електричне поле, переміщуючи електричні заряди по провіднику. Кількісно робота струму на ділянці електричного кола визначається добутком сили струму, напруги на цій ділянці та часу, впродовж якого виконувалася ця робота: A = IUt . Одиницею роботи струму є джоуль, (Дж): Дж = 1 В · 1 А · 1 с. U Скориставшись законом Ома для ділянки кола I = , R замінимо силу струму у виразі для обчислення роботи, тоді вираз для обчислення роботи матиме вигляд: A=

U2 t. R

Якщо ж із закону Ома виразимо напругу через силу струму ( U = IR ), одержимо ще один вираз для обчислення роботи: A = I 2 Rt . Зауважимо, що формула A = IUt є універсальною, в той U2 t та A = I 2 Rt є справедливими тільки в тих час як A = R випадках, коли робота струму витрачається лише на зміну внутрішньої енергії провідника, тобто його нагрівання. U2 t зручно використовувати у виКрім того, формулу A = R падку паралельного з’єднання провідників, оскільки напруга на провідниках є однаковою, а формулу A = I 2 Rt — у випадку послідовного з’єднання провідників, оскільки в цьому разі однаковою є сила струму. Потужність електричного струму. Важливою характеристикою кожного електричного приладу є енергія, яка споживається ним за одиницю часу. Цю характеристику називають потужністю струму. Потужність електричного струму — це фізична величина, що дорівнює роботі електричного поля по напрямленому переміщенню електричних зарядів у провіднику за одиницю часу.

212 Щоб кількісно визначити середню потужність електричного струму, необхідно роботу електричного струму А поділити на час її виконання t: A P= . t Дж . Одиницею потужності є ват (Вт): 1 Вт = 1 с З формули A = Pt і виходячи з того, що під час споживання електроенергії електричний струм виконує роботу впродовж значного часу, який може становити декілька годин і навіть діб, вимірювання роботи електричного струму в джоулях є доволі незручним. На практиці для вимірювання роботи струму широко використовується позасистемна одиниця — кіловат-година (кВт ⋅ год): 1 кВт ⋅ год = 3,6 ⋅ 106 Дж. Саме тому визначати роботу електричного струму можна не лише за формулами, а й вимірювальним приладом, призначеним для обліку спожитої електричної енергії, — електричним лічильником. Оскільки робота електричного струму A = IUt , то отримуємо й таку формулу: IUt = IU. P= t Як бачимо, потужність електричного струму дорівнює добутку напруги на кінцях провідника та сили струму в ньому: P = IU . Це універсальна формула для обчислення потужності електричного струму. З урахуванням формул, одержаних нами для обчислення роботи електричного струму, потужність струму можна також обчислити за однією з двох формул: P = I2 R , U2 P= . R Ці залежності є справедливими тільки в тому випадку, коли робота струму повністю витрачається на нагрівання провідника. Визначити потужність електричного струму можна, перемноживши покази амперметра та вольтметра, увімкнутих в електричне коло. Проте для вимірювання потужності використовують прилади, що дають змогу вимірювати потужність електричного струму безпосередньо. Їх називають ватметри.

213 Фактична й номінальна потужність. Будь-який електричний прилад (лампа, електричний чайник, електричний двигун) розрахований на споживання певної потужності. Хочемо звернути вашу увагу на те, що, вимірюючи потужність струму в споживачі, ми визначаємо його фактичну потужність. Потужність, що вказана в паспорті електричного приладу або безпосередньо на приладі, називають номінальною потужністю. Крім номінальної потужності на приладах можуть вказувати номінальні значення напруги, на яку розрахований цей прилад. Проте напруга в мережі може відрізнятися від номінального значення, тоді відповідно зміниться й сила струму та фактична потужність електричного приладу. Отже, значення фактичної та номінальної потужностей споживача можуть відрізнятися. Якщо коло складається з кількох споживачів, то, розраховуючи їхню фактичну потужність, слід пам’ятати, що за будь-якого з’єднання споживачів загальна потужність струму в усьому колі дорівнюватиме сумі потужностей окремих споживачів.

Підбиваємо підсумки Робота електричного струму — це фізична величина, що характеризує перетворення електричної енергії та показує, яку роботу виконує електричне поле, переміщуючи електричні заряди по провіднику. Кількісно робота струму на ділянці електричного кола визначається добутком сили струму, напруги на цій ділянці та часу, впродовж якого виконувалася ця робота: A = IUt . Одиницею роботи струму є джоуль (1 Дж). Широко використовується й позасистемна одиниця роботи струму — кіловат-година (кВт ⋅ год): 1 кВт ⋅ год = = 3,6 ⋅ 106 Дж. Потужність електричного струму — це фізична величина, що дорівнює роботі електричного поля по напрямленому переміщенню електричних зарядів у провіднику за одиницю часу. Щоб кількісно визначити середню потужність електричного струму, необхідно роботу електричного струму А поділити на час її виконання t: A P= . t Дж . Одиницею потужності є ват (Вт): 1 Вт = 1 с

214

1. Що називають роботою електричного струму? 2. За якою формулою обчислюється робота електричного струму? 3. Що називають потужністю струму? 4. Як можна обчислити потужність? 5. Запишіть формули для обчислення потужності та вкажіть, коли якою формулою зручніше користуватися. 6. У яких одиницях вимірюють потужність електричного струму? 7. Які одиниці для вимірювання роботи електричного струму використовують на практиці? ПОЯСніТЬ 1. Як зміниться потужність, споживана лампами 1 і 2, якщо лампа 3 згорить (мал. 172)? 1

М��. 172. До завдання 1 2*. У колі (мал. 173) усі лампи однакові. Яка з них світиться найяскравіше? 1

2 3

М��. 173. До завдання 2

215 ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ До джерела напругою 200 В підключено ділянку кола, що складається з чотирьох резисторів (мал. 174). Визначте загальну потужність струму в усій ділянці кола та потужність струму на резисторах R2 і R4. Опори резисторів дорівнюють: R1 = = 20 Ом, R2 = R3 = 25 Ом, R4 = 75 Ом.

Задача

R4 М��. 174

Дано: U = 200 В R1 = 20 Ом R2 = R3= 25 Ом R4 = 75 Ом

Розв’язання: Резистори R2 і R3 з’єднані послідовно. Опір цієї ділянки R2,3 = R2+R3. Ці резистори з’єднані паралельно з резистором R4.

Р—? Р2—? Р4—? Опір такої ділянки: 1 1 1 R4 + R2,3 R4 + R2 + R3 = + = = R2,3,4 R2,3 R4 R2,3 ⋅ R4 ( R2 + R3 ) ⋅ R4 , звідки R2,3,4 =

(R2 + R3 ) ⋅ R4 .

R4 + R2 + R3 (R2 + R3 ) ⋅ R4 . Загальний опір ділянки R = R1 + R4 + R2 + R3 25 Îì + 25 Îì) ⋅75 Îì ( R = 20 Îì + = 50 Îì. 75 Îì + 25 Îì + 25 Îì Потужність струму на всій ділянці кола:

(200 B) = 800 U2 ; Ð= Вт. R 50 O м 2

Ð=

Визначаємо загальну силу струму на ділянці із формули: P = I 2 R , Р 800 Âò І= , I= =4 A . R 50 Îì Сила струму І1, що проходить через резистор R1, також дорівнює 4 А. У розгалуженій частині ділянки кола сили струму обернено пропорційні до опорів цих

216 I4 R2,3 R2 + R3 = = , а також сила струму І1= І2,3 + І4. I2,3 R4 R4 I4 50 = і 4 = І2,3 + І4 Розв’язуючи систему рівнянь, I2,3 75

ділянок:

отримуємо: І2,3 = 2,4 А; І4 = 1,6 А. Потужність струму в резисторах R2 і R4 відповідно: 2 P2 = I2,32 R2 , P2 = (2,4À ) ⋅ 25 Îì = 144Âò , 2 P4 = I42 R4 , P4 = (1,6À ) ⋅75 Îì = 192Âò . Відповідь: Р = 800 Вт, Р2 = 144 Вт, Р4 = 192 Вт.

Вправа 17 1. До джерела постійної напруги 9 В підключили три однакові резистори по 1 Ом (мал. 175). Визначте потужність електричного струму в кожному із трьох запропонованих варіантів.

М��. 175. До завдання 1

–

М��. 176. До завдання 2

2. Як буде змінюватися споживана лампою потужність (мал. 176), якщо повзунок реостата перемістити вгору? Униз? 3. Визначте роботу, яку щосекунди виконує двигун електродриля, якщо за напруги 220 В сила струму в ньому становить 4 А. 4. Резистори опором 600 Ом і 800 Ом приєднали паралельно до джерела струму. Порівняйте потужності на кожному резисторі.

5. У мережу напругою 220 В включено нагрівальний прилад. Визначте питомий опір матеріалу, з якого виготовлена спіраль нагрівального приладу, якщо він споживає потужність 2200 Вт. Довжина спіралі 11 м, поперечний переріз — 0,21 мм2. 6. Визначте роботу, яку виконує двигун електричного міксера за 1,5 хв, якщо за напруги 220 В сила струму в обмотці двигуна становить 0,5 А. ККД двигуна — 75 %.

217

§ 34

Закон Джоуля—Ленца. Електронагрівальні прилади

Закон Джоуля—Ленца. Електричний струм Ви дізнаєтесь нагріває провідник. Це явище вам добре відоме. Пояснюється воно тим, що заряджені частинки,  Як можна виміряти переміщуючись під впливом електричного поля, взатеплову дію струму ємодіють з атомами речовини провідника та передають їм свою енергію. Унаслідок роботи електричного Пригадайте струму внутрішня енергія провідника збільшується.  Дії електричного Теплову дію електричного струму експериментально струму досліджували англійський учений Джеймс Джоуль та російський фізик Емілій Ленц і незалежно один від одного у 1842 р. дійшли однакового висновку, який згодом отримав назву закон Джоуля—Ленца. Закон Джоуля—Ленца: кількість теплоти Q, що виділяється в провіднику, який має опір R, у результаті проходження по ньому струму силою І протягом часу t визначається добутком квадрата сили струму, опору провідника й часу проходження струму: Q = I2Rt. Цей закон був встановлений експериментально. Ми, знаючи формулу роботи електричного струму А = UIt, виведемо формулу закону Джоуля—Ленца математично. Якщо на ділянці кола, якою проходить струм, не виконується механічна робота і не відбуваються хімічні реакції, то результатом роботи електричного струму буде тільки нагрівання провідників. Нагрітий провідник внаслідок теплообміну віддає отриману енергію в навколишнє середовище. Згідно із законом збереження енергії, кількість виділеної теплоти дорівнює роботі струму: Q = А. Оскільки А = UIt, а U = IR, то маємо: Q = UIt = IRIt = I2Rt. U Зверніть увагу! Скориставшись законом Ома I = , R математично можна отримати й такі формули закону

218 U2t і Q = UIt. Проте у випадку, якщо R в колі виконується механічна робота або відбуваються хімічні реакції, ці формули використовувати не можна. Електронагрівальні прилади. Теплова дія струму використовується в різних електронагрівальних приладах. Електронагрівальні прилади — це технічні засоби, що призначені для перетворення електричної енергії в теплову. Наразі в побуті широко використовують електричні праски, плити, чайники, електричні каміни, рефлектори тощо (мал. 177). У промисловості теплова дія струму використовується для плавлення спеціальних видів сталі та інших металів. У сільському господарстві за допомогою електричного струму обігрівають теплиці, інкубатори, сушать зерно тощо. Основною частиною нагрівального електричного приладу є нагрівальний елемент. Нагрівальний елемент — це провідник із великим питомим опором, що здатний не руйнуватись при нагріванні до високої температури (1000–1200 °С). Найчастіше для виготовлення нагрівальних елементів застосовують сплав нікелю, заліза, хрому і марганцю, відомий під назвою «ніхром». Великий опір, що його має ніхром, дає змогу виготовляти з нього дуже зручні, малі за розмірами нагрівальні елементи. У нагрівальному елементі провідник у вигляді дроту, стрічки чи спіралі намотують на каркас або прикріплюють до арматури із жаростійкого матеріалу: слюди або кераміки. Цілком зрозуміло, що кожний, хто користується цими приладами, повинен знати їх будову, правила користування та поточного ремонту. Електронагрівальний прилад може нормально працювати лише за певної робочої (номінальної) напруги й розрахований на певну величину струму, тобто має певну потужність. Усі ці величини — робоча напруга, струм і потужність — є основними паспортними даними будь-якого електронагрівального приладу. Вони зазначені в паспорті, який додається до приладу, та відображені на табличці, закріпленій на приладі. Мікрохвильова піч також є знайомим для багатьох нагрівальним побутовим приладом, проте на відміну від електричних плит і духових шаф нагрівального елемента в ній немає. Не вдаючись до детального пояснення фізичних процесів, які відбуваються, принцип дії мікрохвильової печі можна пояснити так. Нагрівання їжі відбувається завдяки дії електромагнітних хвиль на Джоуля—Ленца: Q =

М��. 177. Електронагрівальні побутові прилади

219 молекули води, що містяться в продуктах. Молекули води починають обертатись, виникає «міжмолекулярне тертя», в результаті чого виділяється теплота. Освітлювальні лампи. Ще одним пристроєм, де використовується ефект нагрівання провідника під час проходження в ньому електричного струму, є лампа розжарювання. Основною частиною лампи розжарювання є тона кий вольфрамовий провідник. Вольфрам є тугоплавким металом із температурою плавлення 3387 °C. У лампі розжарювання вольфрамова нитка нагрівається до 3000 °C і починає яскраво світитися. Нитку розжарювання вміщують у скляну колбу, з якої за допомогою насоса відкачують повітря. Це роблять з метою запобігання перегоранню нитки розжарювання внаслідок окиснення вольфраму. У звичайному повітрі за таких температур вольфрам миттєво перетворився б на оксид. б Проте відкачування повітря призводить до випаровування вольфраму з поверхні нитки розжарювання, унаслідок чого вона з часом стає тоншою й перегорає. З метою запобігання швидкому випаровуванню вольфраму, лампи наповнюють газами, які не взаємодіють з вольфрамом, наприклад, азотом або інертними газами — такими як криптон чи аргон. Таким чином, молекули газу перешкоджають швидкому руйнуванню нитки розжарювання. Газонаповнену лампу зображено на мал. 178, а. в Перевагою лампи розжарювання є випромінювання постійного (не мерехтливого) світіння. Проте М��. 178. Лампи: лампи розжарювання мають ряд суттєвих недоліків. а — розжарювання; Серед них — велике енергоспоживання, відносно б — газорозрядні невеликий термін роботи та мала ефективність. енергозберігаючі; Так, усього 5 % спожитої електричної енергії перев — світлодіодні творюється у світло, а решта 95 % — у теплоту. У 1976 р. американець Ед Харріс продемонстрував принципово нову лампу, яка згодом отримала назву енергозберігаючої газорозрядної лампи (мал. 178, б). У ній електричний струм проходить не по металевому провіднику, а через суміш газів, які внаслідок цього випромінюють світло. Газорозрядна лампа отримала назву енергозберігаючої тому, що, споживаючи потужність 20 Вт, вона дає такий самий світловий потік, як лампа розжарювання, що споживає 100 Вт. Термін роботи

220 сучасних енергозберігаючих ламп становить близько 10 000 год, і 70 % спожитої ними електричної енергії перетворюється у світло. Проте і на зміну газорозрядним лампам приходять нові — LED лампи (мал. 178, в, с. 219). LED лампа (від англ. light-emitting diode — діод, що випромінює світло) — це напівпровідниковий пристрій, що випромінює світло, коли через нього проходить електричний струм, їх ще називають а світлодіодними лампами. Перевагами таких ламп є те, що близько 90 % спожитої електричної енергії перетворюється у світлову; можна розробляти лампи, що випромінюють світло певного кольору. Колір світла, яке випромінює світлодіод, залежить від хімічного складу напівпровідника, що використаний у ньому. Світлодіоди застосовують в індикаторах, у інформаційних табло, світлофорах, ліхтариках, гірляндах тощо. б Запобіжники. Як відомо, побутові прилади, що споживають електричну енергію, у квартирах з’єднані паралельно. Тому, якщо ввімкнути відразу кілька потужних побутових приладів, загальний опір кола суттєво зменшиться, відповідно сила струму в колі значно зросте. Значне збільшення сили струму відбувається і в разі короткого замикання — з’єднання кінців ділянки кола провідником, що має малий опір порівняно з опором цієї ділянки. Коротке замив кання може виникнути й через порушення ізоляції проводів. Щоб уникнути пожежі через коротке замикання М��. 179. Запобіжники: або перевантаження електричного кола, а також а — одноразові; щоб не вийшли з ладу споживачі електричної енерб, в — автоматичні (багаторазові) гії під час небезпечного збільшення сили струму, використовують запобіжники — пристрої, що розмикають коло в разі понаднормового збільшення сили струму. Розрізняють одноразові запобіжники та автоматичні (багаторазові) вимикачі. Одноразовими є плавкі запобіжники (мал. 179, а). Корпус запобіжника виготовляють з електроізоляційного матеріалу (скла, кераміки). Головною деталлю запобіжника є плавка вставка (дріт, смужка металу), яку обирають з таким розрахунком, щоб вона розплавилася раніше, ніж сила струму досягне

221 неприпустимих значень. Виводи плавкої вставки сполучені з клемами, за допомогою яких запобіжник вмикається в електричне коло послідовно зі споживачем або ділянкою кола, яка захищається. Для цього використовують спеціальні клемні утримувачі. Робочим елементом багатьох автоматичних вимикачів є біметалева пластина, що складається з двох різних металів, скріплених між собою (мал. 179, б, в). Один кінець стрічки, як правило, нерухомо закріплений у корпусі пристрою, а другий — переміщається залежно від температури пластини. За нагрівання пластини кожний із двох металів деформується по-різному, пластина вигинається, розмикаючи тим самим електричне коло. На відміну від плавкого запобіжника, після охолодження біметалевої пластини автоматичний вимикач можна ввімкнути знову.

Підбиваємо підсумки Кількість теплоти, що виділяється в провіднику під час проходження електричного струму, чисельно дорівнює роботі струму: Q = А. Кількість теплоти, яка виділяється провідником зі струмом, визначається добутком квадрата сили струму, опору провідника та часу проходження струму: Q = I2Rt. Цей закон отримав назву закону Джоуля—Ленца. Основна частина будь-якого електронагрівального приладу — це нагрівальний елемент. Нагрівальний елемент являє собою провідник з великим питомим опором, який може витримувати великі температури. Змінюючи силу струму в нагрівальному елементі, можна регулювати температуру нагрівника.

1. Поясніть, чим зумовлена теплова дія електричного струму. 2. Сформулюйте закон Джоуля—Ленца. 3. Назвіть межі застосування виразу Q = I 2 Rt . 4. Які ви знаєте електронагрівальні прилади? 5. Що таке нагрівальний елемент? 6. Які електричні лампи використовують люди в побуті?

222 ПОЯСніТЬ 1. У скільки разів збільшиться кількість теплоти, що виділяється провідником, якщо сила струму в ному збільшується у 3 рази? 2. Як зміниться кількість теплоти, що виділяється провідником під час проходження по ньому електричного струму, якщо довжину провідника зменшити у два рази? 3. Два вольфрамові провідники однакової довжини мають різний діаметр. Поясніть, у якому з них виділяється більша кількість теплоти.

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ За 10 хв в електричному чайнику нагріли 0,5 л води від 20 °С до кипіння. Сила струму в мережі 1,2 А, а опір спіралі електрочайника — Äæ . Визна260 Ом. Питома теплоємність води 42001 êã ⋅ î Ñ чте ККД електрочайника. CI Дано: Розв’язання: 600 с t = 10 хв ККД нагрівально0,0005 м3 V = 0,5 л го приладу чисельно t1 = 20 °С дорівнює відношенню коt2 = 100 °С рисної енергії до затраченої: I = 1,2 А E R = 260 Ом η= к . Eз Äæ c = 42001 î Корисною енергією є êã ⋅ Ñ енергія нагрівання води: η−? Eк = Q = cm (t2 − t1 ) ,

Задача

а затраченою — енергія, що виділилася в нагрівальному елементі під час проходження по ньому електричного струму:

Eз = Q = I 2 Rt . Масу води визначаємо через густину: êã m = ρV , m = 1000 3 ⋅ 5 ⋅10−4 ì3 = 0,5 êã . ì Узагальнена формула: сm (t2 − t1 ) η= . I 2 Rt Äæ 4200 ⋅ 0,5 êã ⋅ (100 − 20) ° Ñ ° ⋅ êã Ñ η= = 0,75 . (1,2À )2 ⋅ 60 Îì ⋅ 600ñ Відповідь: η = 0,75.

223 Вправа 18 1. Визначте кількість теплоти, що виділиться у провіднику опором 15 Ом за 10 хв, якщо сила струму в провіднику становить 2 А. 2. Сила струму в провіднику 5 А. Визначте опір провідника, якщо впродовж 10 хв виділяється кількість теплоти 5 кДж. 3. Поясніть, як зміниться кількість теплоти, що виділяється лампою розжарення (мал. 180), якщо повзунок реостата перемістити донизу; вгору. 4. Два провідники, опір яких 10 Ом і 23 Ом, увімкнули в мережу, напруга якої 100 В. Визначте кількість теплоти, яка виділяється щосекунди в кожному провіднику, якщо їх з’єднати: 1) послідовно; 2) паралельно.

М��. 180. До завдання 3

5. Обчисліть кількість теплоти, яка щохвилини виділяється в електричному інкубаторі, що працює за напруги 220 В і сили струму 20 А, якщо 10 % споживаної потужності витрачається не на обігрів, а на вентиляцію. 6. Пральна машина має потужність нагрівальних тенів 1500 Вт і ККД 80 %. За який час тени нагріють воду об’ємом 5 л від 20 до 90 °С? 7. На електроплитці, увімкненій у мережу напругою 220 В, стоїть каструля, в якій міститься 0,5 л води з початковою температурою 20 °С. За 2 хв вода закипає. Визначте ККД електроплитки, якщо сила струму становить 7 А. 8*. Тролейбус масою 11 т рухається рівномірно зі швидкістю 36 км/год. Визначте силу струму в обмотці двигуна, якщо напруга дорівнює 550 В, а ККД — 80 %. Коефіцієнт опору рухові становить 0,02. 9*. Електродвигун підйомного крана працює під напругою 380 В і споживає силу струму 20 А. Який ККД має кран, якщо вантаж масою 1 т він піднімає на висоту 20 м за 50 с? 10*. Із нікелінового дроту завдовжки 6 м виготовлено нагрівник, який за сили струму 5 А за 14 хв нагріває 1,5 л води на 84 °С. Визначте діаметр дроту. Втратами енергії знехтувати.

224

§ 35

Електричний струм у металах

Природа електричного струму в металах. Як ми вже неодноразово зазначали, деякі електрони в металах легко залишають свій атом і стають  Як рухаються вільні електрони в металевих вільними. Тепер потрібно з’ясувати: як рухаються вільні електрони в металевих провідниках? провідниках під дією За відсутності у провіднику електричного поля електричного поля електрони рухаються хаотично, подібно до того, як рухаються молекули газів (мал. 181, а). Саме тому Пригадайте сукупність вільних електронів у металах ще називають «електронним газом». У будь-який момент  Внутрішню будову часу швидкості руху різних електронів відрізнятвердих тіл ються значенням і напрямом. Траєкторією руху електрона є довільна ламана (мал. 181, б). За наявності у провіднику електричного поля електрони, зберігаючи свій хаотичний рух, починають зміщуватись у напрямі позитивного полюса джерела (мал. 182, а). Разом із безладним рухом електронів виникає і їх упорядкований рух. На малюнку 182, б схематично показано траєкторію руху одного електрона під дією електричного поля.

Ви дізнаєтесь

Електричний струм у металах (металевих провідниках) — це впорядкований рух електронів під дією електричного поля, яке створює джерело електричного струму.

М��. 181. Рух вільних електронів за відсутності електричного поля: а — у кристалічній ґратці; б — траєкторія руху електрона

М��. 182. Рух вільних електронів за наявності електричного поля: а — у кристалічній ґратці; б — траєкторія руху електрона

225 Електронна теорія провідності металів. Дослідженнями, що стосуються електронної провідності металів, займались учені різних країн. Експериментально довели, що електричний струм у металах утворюється саме рухом електронів, російські вчені Л. І. Мандельштам і М. Д. Папалексі (1913 р.) і незалежно від них — американські фізики Р. Толмен і Т. Стюарт (1916 р.). Український учений А. Е. Малиновський представив свою інтерпретацію взаємодії вільних електронів і позитивних йонів у металах, зробив уточнення до теорії дослідів, які виконали Р. Толмен і Т. Стюарт. На підставі цих та багатьох інших дослідів утворилася класична теорія провідності металів, яку узагальнив німецький фізик П. Друде та розвинув нідерландський фізик Г. Лоренц (лауреат Нобелівської премії з фізики (1902 р., спільно з П. Зеєманом). В основу класичної теорії провідності металів покладено такі положення: 1. Усі метали мають кристалічну будову. У вузлах кристалічної ґратки містяться йони металу, які здійснюють тепловий рух біля положень рівноваги. 2. У просторі між йонами хаотично рухаються електрони, сукупність яких називають електронним газом. Електронний газ утворюється електронами, що порівняно слабко зв’язані з атомними ядрами. У середньому кожен атом металу втрачає один електрон, тобто кількість електронів провідності в одиниці об’єму металу дорівнює кількості атомів в одиниці об’єму ( ne = na ). 3. Унаслідок хаотичного руху електронів у разі відсутності електричного поля в металі немає переважного напряму переміщення зарядів. 4. Під дією електричного поля електрони починають напрямлено рухатися між йонами, що містяться у вузлах кристалічної ґратки, утворюючи електричний струм. У результаті досліджень вдалось оцінити швидкість упорядкованого руху електронів у металевому провіднику. Це значення має порядок 10-4 м/с. Як видно, це дуже мале значення. З практики відомо, що всі електроприлади, увімкнені в коло, починають працювати відразу після замикання кола, хоч би на якій відстані від перемикача вони розміщувалися. Звідси випливає, що швидкість поширення електричного струму в

226 провіднику і швидкість упорядкованого руху електронів у ньому — це не одне й те саме! Згідно з електронною теорією цей факт пояснюється таким чином. Як відомо, тепловий рух електронів не припиняється ніколи, тому електрони з величезними швидкостями рухаються в усіх напрямках. У разі створення на кінцях провідника електричного поля, на електрони починає діяти електрична сила. Ця сила на тлі хаотичного руху електронів спричинює їх повільне зміщення в напрямку електричного поля. А швидкість поширення самого електричного поля в провіднику (як і швидкість поширення будь-якого електромагнітного випромінювання) становить близько 300 000 км/с.

Підбиваємо підсумки Електричний струм у металах (металевих провідниках) — це впорядкований рух електронів під дією електричного поля, яке створює джерело електричного струму. Швидкість поширення електричного струму в провіднику і швидкість упорядкованого руху електронів у ньому — це не одне й те саме: швидкість упорядкованого руху електронів за наявності електричного поля — 10–4 м/с; а швидкість поширення самого електричного поля в провіднику — близько 300 000 км/с.

1. Як рухаються електрони у провіднику в разі відсутності в ньому електричного поля та за його наявності? 2. Поясніть природу електричного струму в металах. 3*. Сформулюйте основні положення класичної теорії провідності металів. ПОЯСніТЬ Як довести, що електричний струм у металах виникає внаслідок руху електронів, а не руху йонів?

227

§ 36

Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів. Закон Фарадея

Природа електричного струму в розчинах і Ви дізнаєтесь розплавах електролітів. Ще на початку вивчення електричного струму було зазначено, що залежно  Особливості елеквід агрегатного стану речовини розрізняють осотричного струму бливості існування електричного струму, зокрев рідких середовищах ма в металах, рідинах і газах, де носіями струму можуть бути вільні електрони, позитивні й негаПригадайте тивні йони. До цього часу ми вивчали закономірності існування електричного струму в металевих провідниках і знаємо, яке велике практичне зна-  Умови існування електричного струму чення має це явище. Настав час дослідити особливості утворення й існування струму в інших  Що таке анод і катод середовищах. Багато речовин у твердому стані мають йонну структуру. Але у твердому стані йони міцно зв’язані один з одним, оскільки мають протилежні електричні заряди, тому їхня рухливість ускладнена. Досліди показують, що під час нагрівання (у розплавленому стані) деякі солі та оксиди металів можуть розпадатися на окремі йони. У розплаві такої речовини рухливість йонів збільшується. А найбільшою вона буде, якщо таку речовину розчинити у воді. У розчині речовина розпадається на позитивно та негативно заряджені йони під впливом молекул води. Розщеплення речовини на йони у водному розчині або в розплаві називають електролітичною дисоціацією, а такі речовини — електролітами. Електроліти — це речовини, водні розчини або розплави яких проводять електричний струм. Типовими електролітами є солі, кислоти й луги, багато органічних сполук. Проведемо дослід. З’єднаємо послідовно джерело струму, електричну лампу та два електроди (анод — електрод, приєднаний до позитивного полюса джерела

228

в М��. 183. Дослідження провідності: а — солі; б — дистильованої води; в — розчину солі

струму, та катод — електрод, приєднаний до негативного полюса джерела струму). Звичайно ж, лампочка світитися не буде, оскільки електричне коло розімкнуте. Додамо у склянку кухонну сіль NaCl та опустимо в неї електроди (мал. 183, а). Лампочка знову не світиться, оскільки кухонна сіль є діелектриком. Зануримо тепер електроди в ємність із дистильованою водою (мал. 183, б). Лампа знову не світиться, оскільки дистильована вода також є діелектриком. Додамо трохи солі в посудину з водою. Ми побачимо, що лампа почне світитися, а отже, у колі з’явився електричний струм (мал. 183, в). Результати досліду підтверджують той факт, що в розчині солі з’являються носії струму. За відсутності зовнішнього електричного поля йони разом із молекулами, які не розпалися на йони, перебувають у безперервному хаотичному русі. Що ж відбувається, якщо в розчин електроліту поміщають два електроди? Оскільки електроди різнойменно заряджені, то між ними виникає електричне поле. Очевидно, що позитивні йони (їх ще називають катіони) почнуть рухатися до негативно зарядженого електрода — катода, а негативні йони (аніони) — до позитивно зарядженого електрода, тобто до анода. У колі виникає електричний струм, зумовлений напрямленим рухом електричних зарядів обох знаків. Електричний струм у розчинах електролітів — це впорядкований рух йонів. Давайте поміркуємо над тим, а як же залежить провідність розчинів і розплавів електролітів від температури. Пригадайте такий факт: цукор чи сіль значно легше розчиняється в гарячій воді, ніж у холодній. Отже, з підвищенням температури зростає кількість молекул, які розпадаються на йони, тобто кількість вільних носіїв електричного заряду збільшується. Що більшою буде кількість вільних носіїв заряду, то краще речовина проводить електричний струм. Отже, очевидним є висновок: зі збільшенням температури розчинів і розплавів електролітів їх провідність збільшується, а опір відповідно зменшується. Електроліз. Досліджуючи дії струму (§ 25), ми вже згадували про хімічну дію струму. Дослідимо її детальніше. У розчині під дією електричного поля до катода рухаються позитивно заряджені йони (катіони), які при кон-

229 такті з катодом нейтралізуються, приєднавши відповідну кількість електронів. Нейтральні атоми, що утворилися, осідають на електроді у вигляді твердого шару або виділяються у вигляді газу. Водночас аніони (негативно заряджені йони), досягши поверхні анода, навпаки, «віддають» йому надлишкові електрони і також нейтралізуються. Розглянемо приклад. Хлорид міді CuCl2 дисоціює у водному розчині на йони міді та хлору: CuCl2 ↔ Cu++ + 2Cl–. М��. 184. Процес електролізу У разі підключення електродів до джерела струму йони під дією електричного поля починають упорядкований рух: позитивно заряджені йони міді рухаються до катода, а негативно заряджені йони хлору — до анода (мал. 184). Досягнувши катода, йони міді нейтралізуються його надлишковими електронами та перетворюються в нейтральні атоми, які виділяються (осідають) на катоді. Відбувається хімічна реакція відновлення: Cu2+ + 2e → Cu. Йони хлору, досягнувши анода, віддають по одному електрону. Відбувається хімічна реакція окислення: 2Cl— → Cl2 + 2e. (Окислювач — речовина, до складу якої входять атоми, що приєднують електрони під час хімічної реакції). Після цього нейтральні атоми хлору з’єднуються попарно й утворюють молекули хлору Cl2. Хлор виділяється на аноді у вигляді бульбашок газу. Бачимо, що, на відміну від металів, під час проходження електричного струму крізь електроліт на електродах виділяється речовина (у нашому прикладі — мідь і хлор). Такий процес називають електролізом. Електроліз — це процес виділення речовини на електродах під час проходження електричного струму крізь розчини або розплави електролітів. Закон Фарадея для електролізу. У 1833–1834 рр. видатний англійський учений Майкл Фарадей експериментально встановив кількісні співвідношення, що описують явище електролізу. Закон Фарадея для електролізу дає змогу обчислити масу речовини, яка виділяється на електроді.

230 Закон Фарадея Маса речовини m, що виділилася на електроді в результаті електролізу, прямо пропорційна силі струму І й часу проходження струму через електроліт t: m = kIt, де k — коефіцієнт пропорційності (електрохімічний еквівалент). Електрохімічний еквівалент речовини дорівнює масі цієї речовини, що виділяється на електроді за 1 с під час проходження через електроліт струму силою 1 А. Значення електрохімічного еквівалента найбільш поширених речовин подано в таблиці на форзаці підручника. Використання електролізу. Явище електролізу застосовується в сучасній техніці. Розглянемо деякі приклади. Деталі технічних пристроїв, деякі частини предметів побуту інколи покривають тонкою плівкою благородного металу (платина, золото, срібло) з декоративно-естетичною метою або з метою запобігання корозії. Такий процес називається гальваностегія (від гальвано і грец. stego — покриваю). У техніці, аби уникнути корозії, окремі деталі різних пристроїв покривають нікелем, хромом, кадмієм. Деталь заздалегідь ретельно очищають і поміщають в електролітичну ванну, наповнену водним розчином солі відповідного металу, та а сполучають із негативним полюсом джерела струму. Анодом слугує пластинка з того самого металу. У результаті електролізу на поверхні деталі осідає шар металу, сіль якого міститься в розчині електроліту (мал. 185, а). Використовуючи явище електролізу, можна отримати абсолютно точні рельєфні копії предметів (наприклад, монет, медалей, ювелірних прикрас тощо). Для цього з предмета спочатку роблять зліпок з якого-небудь пластичного матеріалу (наприклад, із воску). Потім поверхню цього зліпка роблять електропровідною, поб криваючи її тонким шаром електропровідної речовини. Підготовлений у такий спосіб зліпок М��. 185. Застосування поміщають в електролітичну ванну як катод електролізу: а — гальваностегія; (мал. 185, б). У процесі проходження через ванб — гальванопластика ну електричного струму зліпок покривається

231

М��. 186. Рафінування міді: а — промислові установки; б — схема дії а

товстим шаром металу. За допомогою гальванопластики виготовляють, наприклад, точні копії дорогоцінних прикрас, знайдених археологами. Процес рафінування (очищення) металів також ґрунтується на явищі електролізу. На малюнку 186 показано, як очищують (рафінують) мідь. Із цією метою пластини із забрудненого металу занурюють в електроліт, який містить солі цього металу та інші необхідні компоненти, і підключають до позитивного полюса джерела струму. До негативного підключають електрод із чистого металу. Унаслідок проходження електричного струму відбуваються хімічні реакції: на катоді осідає чиста мідь, домішки випадають в осад. Осад містить домішки золота та срібла і є джерелом їх добування.

Підбиваємо підсумки Розщеплення речовини на йони у водному розчині або в розплаві називається електролітичною дисоціацією. Речовини, водні розчини або розплави яких проводять електричний струм, називаються електролітами. Електричний струм у розчинах електролітів — це впорядкований рух йонів. На відміну від металів, під час проходження електричного струму крізь електроліт на електродах виділяється речовина. Такий процес називається електролізом. Для електролізу встановлено закон Фарадея: маса речовини m, що виділилася на електроді в результаті електролізу, прямо пропорційна силі струму І й часу проходження струму через електроліт t: m = kIt, де k — коефіцієнт пропорційності (електрохімічний еквівалент). Явище електролізу застосовується в сучасній техніці.

232

1. Які речовини називають електролітами? Чому кристали з йонним зв’язком є електролітами? 2. Поясніть механізм виникнення струму в електролітах. 3. Що називають електролізом? 4. Сформулюйте закон Фарадея. 5. У чому полягає фізичний зміст електрохімічного еквівалента речовини? ПОЯСніТЬ 1. Чому електроліт у розчині чи розплаві є електрично нейтральним, хоча він містить величезну кількість йонів обох знаків? 2. За яких умов у посудині з електролітом, де є носії струму обох знаків, струму немає? 3. Чому під час проходження струму крізь електроліт на електродах виділяється чиста речовина, що входить до складу електро літу? 4. У чому полягає відмінність між негативним йоном в електроліті й електроном?

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ Під час електролізу сталеву деталь площею поверхні 800 см2 було вкрито шаром нікелю товщиною 54 мкм. За якої сили струму відбувався електроліз, якщо він тривав 4 год?

Задача

Дано: S = 800 см2 d = 54 мкм t = 4 год k = 0,3·10–6 кг/Кл ρ = 8,9·103 кг/м3

CI 8·10–2 м2 5,4·10–5 м 1,44·104 с

Розв’язання: Під час електролізу маса речовини, що виділяється з розчину електроліту, визначається за формулою: m = kIt .

І—? Масу речовини можна визначити за значенням її густини: m = ρV = ρSd . Прирівнюючи формули, визначаємо силу струму: ρdS I= . kt

233 êã ⋅ 5, 4 ⋅ 10−5 м 2⋅ 8 ⋅ 10−2 м 2 3 ì I= = 8, 9A . êã ⋅ 1, 44 ⋅ 104 c 0, 3 ⋅ 10−6 Êë Відповідь: 8,9 А. 8, 9 ⋅ 103

Вправа 19 1. У розчині електроліту внаслідок проходження заряду 1 Кл на катоді виділяється 1,118 мг срібла. Визначте масу срібла, що виділиться внаслідок проходження електричного заряду 500 Кл. 2. Під час електролізу розчину цинк сульфату виділилося 2,45 г цинку. Визначте електрохімічний еквівалент цього металу, якщо крізь електроліт протягом 60 хв проходив електричний струм силою 2 А. 3. Якою була сила струму під час електролізу розчину мідного купоросу, якщо за 50 хв на катоді виділилося 1,98 г міді? 4. Під час посріблення виробу на катоді за 30 хв осіло 4,55 г срібла. Визначте силу струму під час електролізу. 5. Під час електролізу необхідно затратити 2 кВт·год енергії. Визначте масу цинку, яка в цьому разі виділиться, якщо напруга на клемах становить 4 B. 6. Скільки часу тривало нікелювання, якщо на виробі осів шар нікелю масою 1,8 г? Сила струму становила 2 А. 7. У разі пропускання через електроліт струму силою 1,5 А за 5 хв на катоді виділяється 137 мг деякої речовини. Що це за речовина?

234

§ 37

Електричний струм у газах

Газовий розряд. За звичайних умов гази майже повністю складаються з нейтральних атомів чи молекул, тому є діелектриками.  Особливості елекПереконатися в тому, що повітря є діелектритричного струму ком, можна за допомогою такого досліду. Візьмемо в газоподібних дві металеві пластини. Одну з пластин приєднаємо середовищах до корпусу електрометра. Потім доторкнемося негативно зарядженою паличкою до пластини, приПригадайте єднаної до електрометра. Обидві пластини набудуть електричного заряду, одна негативного (внаслідок  Умови існування дотику), друга (та, що заземлена) — позитивного електричного струму (внаслідок впливу) (мал. 187, а). За умови достатньо сухого повітря заряд на пластинах триматиметься доволі довго, а отже, електричний струм через повітряний простір між пластинами не проходить. Це свідчить про те, що в повітрі між зарядженими пластинами майже відсутні вільні носії електричного заряду. Однак за деяких умов можна одержати електричний струм і в газах. Внесемо у простір між пластинами запалену спиртівку. Спостерігаємо швидкий розряд електрометра (мал. 187, б). Отже, повітря внаслідок значного підвищення температури набуло провідності й замкнуло

Ви дізнаєтесь

б М��. 187. Дослід з електропровідності повітря: а — за нормальних умов повітря не проводить електричний струм; б — нагріте повітря проводить електричний струм

235 коло, тобто в нагрітому газі протікає електричний струм. Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом. Газовий розряд — це процес проходження електричного струму через газ. Механізм електропровідності газів. Давайте спробуємо проаналізувати розглянутий дослід. Звідки ж узялися заряджені частинки? Що являють собою вільні носії електричного заряду в газах? Ви вже знаєте, що в газах молекули (атоми) не перебувають у певних положеннях, а вільно рухаються по всьому об’єму та стикаються між собою. Під час нагрівання молекули (атоми) значно збільшують свою швидкість і відповідно збільшується кінетична енергія теплового руху молекул (атомів) газу. Тепер у разі їхнього зіткнення молекули можуть «розбитися», тобто електрон може відірватися від молекули (атома) та стати вільним. Утративши електрон, молекула (атом) стає позитивним йоном. Під час теплового руху електрон, зіткнувшись із нейтральною молекулою (атомом), може «прилипнути» до неї — таким чином утвориться негативний йон. Такий процес називають йонізацією газу. Йонізація — це процес утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів з молекул (атомів). Газ, що має йони та вільні електрони, називають йонізованим. Зовнішню умову, що приводить до йонізації газу, називають йонізатором. Отже, в йонізованому газі вільними носіями електричного заряду є: електрони, позитивні та негативні йони. Йонізувати газ можна в такий спосіб: нагріти його або опромінити електромагнітним випромінюванням, наприклад, рентгенівським або ультрафіолетовим. У газах одночасно з процесом йонізації відбувається й зворотний процес — рекомбінація. Він полягає в тому, що позитивні та негативні йони (або позитивні йони й електрони) під час зіткнень з’єднуються між собою: утворюються нейтральні атоми або молекули. Із часом кількість йонів у газі зменшуватиметься, і зрештою практично всі йони нейтралізуються, а газ знову стане діелектриком.

236 Отже, механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. У разі відсутності зовнішнього електричного поля заряджені частинки й нейтральні молекули рухаються хаотично. Якщо йони та вільні електрони потрапляють у зовнішнє електричне поле, то вони починають рухатися спрямовано і створюють електричний струм у газах — газовий розряд. У випадку газового розряду позитивні йони рухаються до катода, а негативні йони та електрони — до анода. На електродах відбувається нейтралізація заряджених частинок, так само, як при проходженні електричного струму через розчини та розплави електролітів. Однак, на відміну від розчинів електролітів, у газах відсутнє виділення речовин на електродах. Йони газу, наблизившись до електродів, віддають їм свої заряди, перетворюються на нейтральні молекули та потрапляють знову в газ. Давайте поміркуємо над тим, як же залежить провідність газів від температури. З підвищенням температури зростає швидкість руху молекул, а отже, дедалі більше молекул, стикаючись, «розбиваються» на йони та електрони, тобто кількість вільних носіїв електричного заряду збільшується. Що більшою буде кількість вільних носіїв заряду, то краще речовина проводитиме електричний струм. Отже, очевидним є висновок: зі збільшенням температури газів їхня провідність збільшується, а опір відповідно зменшується. Несамостійний і самостійний газові розряди. Ми з’ясували, що газовий розряд може існувати за двох умов: існування електричного поля та наявності зовнішнього йонізатора. Дослід показує, що якщо усунути причину, яка б викликала йонізацію газу (прибрати пальник, вимкнути джерело рентгенівського випромінювання тощо), то газовий розряд припиняється. Причиною припинення газового розряду є зменшення кількості вільних носіїв електричного заряду внаслідок рекомбінації молекул газу та відновлення молекул після стикання йонів з електродами. У цьому разі говорять про несамостійний газовий розряд. Несамостійний газовий розряд — це процес проходження електричного струму, що відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора. За певних умов газ може проводити електричний струм і після припинення дії йонізатора — настає самостійний газовий розряд.

237 Самостійний газовий розряд — це електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього йонізатора. З’ясуємо, за яких умов можливий самостійний газовий розряд. Розглянемо пару заряджених частинок (позитивний йон і електрон), що утворилася завдяки дії зовнішнього йонізатора і рухається в сильному електричному полі. Вільний електрон починає рухатися до позитивного електрода — анода, а позитивний йон — до катода. На своєму шляху електрон зустрічає йони та нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується за рахунок роботи сил електричного поля. Маючи малу масу, електрон майже повністю віддає свою енергію під час зіткнень. Так, зустрічаючись із нейтральним атомом, він «вибиває» з нього електрон. У результаті далі вже рухаються два електрони, які прискорюються електричним полем та йонізують зустрічні атоми, і т. д. Унаслідок цього кількість заряджених частинок швидко зростає, виникає електронна лавина (мал. 188). Що стосується йонів, то вони, рухаючись в електричному полі, також збільшують свою енергію. Але повністю віддати її нейтральному атому (молекулі), тим самим йонізуючи його, йон не може, оскільки має масу, сумірну з масою атома. Під час зіткнення відбувається лише передавання частини кінетичної енергії (як між більярдними кулями). Проте електронна лавина — це не єдина причина виникнення вільних носіїв електричного заряду в газах. Виявляється, що під час газового розряду відбувається емісія (виліт) електронів з поверхні катода. Прискорені

М��. 188. Модель електронної лавини

238 електричним полем позитивні йони, які утворилися внаслідок йонізації ударом, стикаються з поверхнею катода та вибивають з нього електрони. Крім того, під час самостійного газового розряду речовина електродів сильно нагрівається. Унаслідок цього швидкість руху електронів збільшується настільки, що вони починають самостійно вилітати з поверхні негативного електрода й рухатися через газ. Отже, самостійний газовий розряд можливий за умови сильного електричного поля. У випадку розрідженого газу самостійний розряд можливий і за слабкого електричного поля, оскільки час між зіткненнями буде більшим, і електрон встигне набути достатньої енергії для удару. Залежно від властивостей і стану газу, матеріалу й розміщення електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду.

Тліючий спостерігається за низьких тисків (десяті й соті частки міліметра ртутного стовпа) і напруги між електродами в кілька сотень вольтів. Використовується в оформленні рекламних вивісок

Коронний Спостерігається за атмосферного тиску в дуже неоднорідних електричних полях, наприклад, поблизу проводів ліній високої напруги

іскровий виникає за високої напруги між електродами в повітрі й має вигляд пучка яскравих зигзагоподібних смужок, що відгалужуються від тонкого каналу. Використовується для оброблення деталей з тугоплавких металів. Прикладом велетенського іскрового розряду є блискавка

Дуговий Якщо одержати іскровий розряд, а потім поступово зменшувати електричний опір кола, зменшуючи відстань між електродами, розряд перейде з переривчастого в безперервний дуговий. Використовується у прожекторах, проекційних апаратах і кіноапаратах, а також для зварювання металів

239 Підбиваємо підсумки Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом. Процес утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів з молекул (атомів) називають йонізацією. Рекомбінація — процес утворення молекул (атомів) у результаті зіткнення позитивних і негативних частинок. Електричний струм у газі являє собою спрямований рух позитивних йонів до катода, а негативних йонів і електронів — до анода. Зі збільшенням температури газів їх провідність збільшується, а опір відповідно зменшується. Газовий розряд, який відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора, називають несамостійним газовим розрядом. Самостійний газовий розряд — розряд, який може існувати без зовнішнього йонізатора. Самостійний розряд у газах підтримується за рахунок ударної йонізації та емісії (вильоту) електронів. Розрізняють такі види самостійного газового розряду: тліючий, іскровий, коронний та дуговий.

1. Чому за звичайних умов гази є діелектриками? Чому під час нагрівання чи опромінення газу рентгенівськими або ультрафіолетовими променями газ стає провідником? 2. Що називають газовим розрядом? 3. Який механізм проходження електричного струму в газах? Які заряджені частинки є носіями струму в газах? 4. Який газовий розряд називається несамостійним; самостійним? ПОЯСніТЬ 1. До зарядженого електроскопа піднесли запалений сірник. Що відбуватиметься зі стрілкою електроскопа? 2. Чим відрізняється йонізація газів від дисоціації електролітів?

240

а ас к зі и о н Ф к ол в а н

БЕЗПЕКА ЛЮДИНИ ПІД ЧАС РОБОТИ З ЕЛЕКТРИЧНИМИ ПРИЛАДАМИ ТА ПРИСТРОЯМИ

Щодня ми користуємось електричними приладами, але потрібно знати, що вони є джерелом небезпеки. Дія електричного струму на людину може призводити до електричних травм і пошкоджень, таких як скорочення м’язів, що супроводжується сильним болем, втратою свідомості, порушенням роботи серця чи дихання (або обох цих порушень разом).

іноді трапляються нещасні випадки від дії електричного струму, які призводять до смерті людини.

241 Щоб уникнути багатьох неприємностей, достатньо завжди пам’ятати правила поводження з електричними приладами та дотримуватися їх: 1. Електронагрівальні прилади, такі як електрочайник, електросамовар, електропраска, електрокамін та інші, потрібно включати в електромережу тільки повністю справними. 2. Переважна кількість побутових електроприладів є переносними, і при цьому часто виникає пошкодження їх ізоляції. Також буває, що електричний кабель обірвався чи оголився. У таких випадках у жодному разі не торкайтеся оголених місць, бо це може призвести до травми. 3. Не залишайте без нагляду електроприлади, увімкнені в розетку. 4. Забороняється тягнути за електричний кабель руками, тому що він може обірватись і вразити електричним струмом. 5. Не можна заповнювати водою ввімкнені в електромережу чайники, кавоварки, каструлі. 6. Не торкайтеся мокрими руками електричних кабелів, штепсельних розеток, вимикачів, інших електроприладів, увімкнених в електромережу, та не витирайте їх вологою ганчіркою. 7. Не можна підвішувати речі на кабелі, що ввімкнені в мережу. 8. Не можна бавитись із штепсельними розетками — це загрожує вашому життю. 9. Коли йдете з дому — всі електроприлади мають бути вимкнені. 10. Не можна сильно навантажувати подовжувачі, вмикаючи одночасно багато потужних електроприладів. 11. Не залишайте без догляду своїх молодших братиків і сестричок.

Якщо не забувати цих простих правил, то можна уникнути багатьох неприємностей. Пам’ятайте, несправності в електромережі й електричних приладах може усунути лише фахівець-електрик! Використання електричних приладів не за призначенням або невміле користування ними можуть призвести до пожежі! Якщо вже так сталося, що електричне обладнання загорілося, то перш за все потрібно:  вимкнути електрорубильник (Між іншим, обов’язково поцікавтеся, де розташований електрорубильник вашого помешкання, та навчіться ним користуватися!). Якщо знеструмити електромережу неможливо, то слід пам’ятати: не можна застосовувати для гасіння воду та пінні вогнегасники, можна лише порошкові;  терміново зателефонувати за номером 101 і викликати пожежну охорону.

242 Перевірте себе (§ 31–37) рівень а (початковий) 1. Два резистори з’єднані послідовно. Опір першого резистора 5 Ом, а опір другого — 15 Ом. Виберіть правильне твердження.

А Б В Г

загальний опір резисторів 10 Ом сила струму в першому резисторі більша напруга на обох резисторах однакова сила струму в обох резисторах однакова

2. Як зміниться кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом за певний інтервал часу, якщо за незмінного опору напругу на ньому зменшити у 2 рази?

А Б В Г

збільшиться в 4 рази зменшиться в 4 рази збільшиться у 2 рази зменшиться у 2 рази

3. Електродвигун, увімкнутий до мережі, споживає потужність 6,2 кВт. Яку роботу виконує струм у колі двигуна за 1,5 год?

А 4,13 кДж Б 33,48 МДж

В 9,3 кДж Г 93 кВт·год

4. Прикладом самостійного газового розряду є…

А Б В Г

веселка грім блискавка світіння електричної лампочки

5. Що змінилося на ділянці електричного кола, якщо ввімкнений послідовно з резистором амперметр показує збільшення сили струму?

А Б В Г М��. 189. До завдання 6А

збільшився опір резистора зменшилась напруга збільшилась напруга або зменшився опір збільшився опір або зменшилась напруга

6. У якому випадку опір ділянки кола максимальний (мал. 189)? (Усі резистори однакові).

243 рівень B (середній) 1. У яких випадках лампи з’єднано паралельно (мал. 190)? 1

+ – + – А 1

+ – Б 2

+ – В 3і4

М��. 190. До завдання 1B

Г 1і4

2. Які носії заряду утворюються під час йонізації газу?

А Б В Г

електрони електрони та позитивні йони електрони та йони обох знаків позитивні та негативні йони

3. Сила струму в електролітичній ванні становить 0,5 А. Визначте масу срібла, яка виділиться під час електролізу за 10 хв. Електрохімічний еквівалент срібла — 1,12 мг/Кл.

А 0,056 г Б 0,336 г

В 560 мг Г 33,6 мг рівень C (достатній)

1. Поясніть фізичну природу виникнення електричного опору металевих провідників на підставі їх атомно-молекулярної будови. 2. Яку роботу виконує електродвигун пральної машини за 10 хв, якщо напруга в мережі 380 В, а опір обмотки 200 Ом? ККД електродвигуна — 70 %. 3. На малюнку 191 зображено залежність опору провідника площею поперечного перерізу 1 мм2 від його довжини. Визначте питомий опір матеріалу провідника.

А Б В Г

20 Ом·мм2/м 5 Ом·мм2/м 0,5 Ом·мм2/м 0,2 Ом·мм2/м рівень D (високий)

1. Скільки часу повинен працювати електричний чайник, щоб нагріти 0,5 л води від 20 оС до кипіння, якщо сила струму в мережі 1,2 А, а опір спіралі електрочайника — 260 Ом? Втратами енергії знехтувати. 2. В електролітичній ванні за 10 хв виділилося 0,33 г міді. Опір розчину мідного купоросу становить 3,6 Ом. Визначте потужність струму, який проходить через розчин. Електрохімічний еквівалент міді дорівнює 0,33 мг/Кл.

М��. 191. До завдання 3C

244 Підсумки до розділу «Електричні явища. Електричний струм» Після вивчення розділу «Електричні явища» вам стали більш зрозумілими ті природні й штучні явища та процеси, що пояснюються особливостями руху й взаємодії електрично заряджених частинок речовини. Ваші знання електричних явищ і процесів будуть більш цілісними й операційними, коли ви навчитесь їх систематизувати, застосовувати загальні принципи, теорії, ідеї до аналізу часткових питань, практичного втілення знань у конкретних життєвих ситуаціях. Особливо такі вміння стануть у пригоді в ситуації, коли ви змушені будете діяти не за інструкцією, у пошуку неординарних вирішень проблем.

1. Ви детальніше вивчили будову атома. Електрони і протони мають унікальні природні властивості — саме вони є носіями елементарного електричного заряду, тобто найменшої порції електричного заряду. 2. Ви детальніше ознайомились із фундаментальною взаємодією, якою зумовлена найбільша кількість явищ і процесів у природі, — це електромагнітна взаємодія, що відбувається між електрично зарядженими тілами. Електричний заряд — це фізична величина, що кількісно характеризує електромагнітну взаємодію. 3. Ви можете описати деякі фізичні характеристики речовини й поля, що пояснюються рухом і взаємодією електрично заряджених частинок. Електризація — процес утворення на тілах, що взаємодіють, однакових за величиною, але протилежних за знаком електричних зарядів. Електризація через дотик — набуття тілами, що контактують електричного заряду внаслідок обміну електронами.

Електризація через вплив — перерозподіл електричного заряду в незарядженому тілі, зумовлений дією на нього зарядженого тіла.

Електричне поле — це особлива форма матерії, що існує навколо електрично заряджених тіл або частинок і діє з деякою силою на інші частинки або тіла, що мають електричний заряд.

245 Лінії, за допомогою яких графічно зображають електричне поле, називають силовими лініями.

Закон Кулона: Сила взаємодії двох нерухомих точкових зарядів прямо пропорційна добутку модулів цих зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані між ними та напрямлена вздовж прямої лінії, що з’єднує ці заряди.

Однойменно заряджені тіла відштовхуються, різнойменно заряджені — притягуються. Електричний струм — це процес напрямленого руху заряджених частинок. Для виникнення й існування електричного струму необхідна наявність носіїв струму та електричного поля, дія якого створює й підтримує їхній напрямлений рух. Провідниками називають речовини, що мають заряджені частинки, які здатні рухатися впорядковано по всьому об’єму тіла внаслідок дії електричного поля. Діелектриками, або ізоляторами, називають речовини, які за певних умов не мають вільних носіїв електричного заряду.

246 Розрізняють особливості проходження електричного струму в різних середовищах:

назва середовища

Метали

електроліти — речовини, водні розчини або розплави яких проводять електричний струм

Гази

Процес утворення носіїв струму

Мають вільні електрони

Електролітична дисоціація — розщеплення речовини на йони у водному розчині або в розплаві

Йонізація — утворення позитивних і негативних йонів та вільних електронів з молекул (атомів) газу

носії струму

Вільні електрони

Позитивні й негативні йони

Позитивні й негативні йони та електрони

Закони

Закон Ома Закон Джоуля— Ленца

Закон Фарадея

Джерела електричного струму — це пристрої, в яких відбувається перетворення різних видів енергії (механічної, хімічної, теплової, світлової) в електричну. Хімічні джерела струму (гальванічні елементи, акумулятори)

Фотоелементи

Електрофорна машина

Термоелемент

247 Джерело струму, споживачі, пристрої для замикання (розмикання), електровимірювальні прилади, з’єднані між собою провідниками, утворюють найпростіше електричне коло. Проходження електричного струму в колі характеризується силою струму (І), напругою (U) та електричним опором (R). Закон Ома для ділянки кола: сила струму в однорідній ділянці кола прямо пропорційна напрузі на кінцях цієї ділянки та обернено пропорційна її U електричному опору: I = . R Послідовне з’єднання

Паралельне з’єднання

1 1 1 = + R R1 R2

R = R1 + R2

R1 ⋅ R2 R1 + R2

Сила струму в усіх частинах електричного кола однакова: I = I1 = I2 = … = In.

Сила струму в нерозгалуженій частині кола дорівнює сумі сил струму в окремих паралельно з’єднаних елементах електричного кола: I = I1 + I2 + … + In.

Повна напруга в електричному колі (або напруга на полюсах джерела струму) дорівнює сумі напруг на окремих ділянках кола: U = U1 + U2 + … + Un.

Електричний струм проявляється за такими діями: тепловою, хімічною та магнітною. Теплова дія струму у випадку, коли на ділянці кола не здійснюється механічна робота і струм не здійснює хімічної дії, описується законом Джоуля— Ленца: кількість теплоти Q, що виділяється в провіднику, який має опір R, за час t під час проходження по ньому струму силою І, визначається добутком квадрата сили струму, опору провідника та часу проходження струму: Q = I2Rt. Хімічна дія струму (електроліз) — процес виділення речовини на електродах під час проходження електричного струму крізь розчини або розплави електролітів, який описується законом Фарадея: маса речовини m, що виділилася на електроді в результаті електролізу, прямо пропорційна силі струму І і часу проходження струму через електроліт t: m = kIt, де k — коефіцієнт пропорційності (електрохімічний еквівалент).

248 4. Ви вмієте описувати електричні характеристики тіл й електричні процеси за допомогою відповідних фізичних величин: визначення

Символ для позначення

Прилад для вимірювання / одиниця

Формула для визначення

Електричний заряд

фізична величина, що кількісно характеризує електромагнітну взаємодію

Електрометр / кулон (Кл)

q = eN

Сила взаємодії двох нерухомих точкових зарядів (електрична сила, сила Кулона)

прямо пропорційна добутку модулів цих зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані між ними та напрямлена вздовж прямої лінії, що з’єднує ці заряди

ньютон (Н)

назва фізичної величини

фізична величина, що характеризує електричний струм у колі й дорівнює відношенню Сила електричного заряду q, що струму пройшов через поперечний переріз провідника, до часу його проходження t фізична величина, що характеризує електричне поле й визначається відношенням Напруга роботи електричного поля на певній ділянці кола до електричного заряду, що пройшов по цій ділянці фізична величина, що харакЕлектричний теризує властивість провідопір ника протидіяти проходженню електричного струму фізична величина, що покаПитомий опір зує, який опір має виготовлеречовини ний із цієї речовини провідпровідника ник довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 м2

F=k

q1 ⋅ q2 R2

Амперметр / ампер (А)

q t

Вольтметр / вольт (В)

A q

Омметр / ом (Ом)

R = ρ⋅

ом·м

табличне значення

Робота електричного струму

фізична величина, що характеризує електричну енергію струму й можливість її перетворення на інші види

джоуль (Дж)

Потужність електричного струму

фізична величина, що дорівнює роботі електричного поля за одиницю часу по напрямленому переміщенню електричних зарядів у провіднику

ват (Вт)

l S

A = IUt U2 A= t R A = I 2 Rt A P= t P = IU P = I2 R U2 P= R

249 5. Ви можете оцінити роль видатних учених у розвитку знань про електрику. (бл. 624–547 р. Учені Стародавньої Греції спостерігали притягання легких предметів до н. е.) до бурштину, натертого шерстю 1600 р.

Уперше термін «електрика» став вживати англійський лікар і природодослідник Вільям Гільберт, який систематизував відому на той час інформацію про електрику та магнетизм

1670 р.

Німецький дослідник Отто Геріке винайшов спосіб отримання електрики. (Пригадайте, які ще досліди проводив цей винахідник. Ви їх вивчали в 7 класі в розділі «Тиск твердих тіл, рідин та газів»)

1729 р.

Англійський фізик Стефан Грей виявив, що всі речовини можна поділити на провідники та непровідники електрики

1745 р.

Пітер Ван Мушенбрек з м. Лейдена, Голландія, встановив, що електрику можна накопичувати та зберігати

1749 р.

Бенджамін Франклін, американський політичний діяч, дипломат, учений, письменник, журналіст, видавець. В історію фізики ввійшов як учений, який довів, що блискавка являє собою електричний розряд в атмосфері

1748–1751 рр.

Російський фізик Георг-Вільгельм Ріхман відкрив явище електростатичної індукції (електризації через вплив). Винайшов електрометр

1789–1792 рр.

Італійські вчені Луїджі Гальвані та Алессандро Вольта відкрили контактні електричні явища й винайшли джерела постійного струму — гальванічні елементи, «вольтів стовп»

1801 р.

Англійські вчені Ентоні Карлейль і Вільям Нікольсон, використовуючи «вольтів стовп», виявили, що постійний струм, проходячи крізь воду, розкладає її на кисень та водень

1808 р.

Англійський учений Гемфрі Деві уперше здійснив електроліз солей. Установив залежність електропровідності провідників від їхньої довжини, площі поперечного перерізу, залежність електропровідності від температури

1820 р.

Датський фізик Ганс-Крістіан Ерстед на дослідах встановив, що магнітна стрілка, розміщена поблизу провідника, відхиляється від свого попереднього положення, коли в провіднику проходить струм

1820 р.

Домінік-Франсуа Араго встановив, що дротяна спіраль, по якій проходить струм, діє на металеві ошурки так само, як і магніт

1820 р.

Французький учений Андре-Марі Ампер, досліджуючи силу взаємодії двох провідників зі струмом, відкрив закон, який названо його ім’ям

1826 р.

Німецький фізик Георг Симон Ом відкрив закон, який пов’язує опір кола, електрорушійну силу та силу струму

1834 р.

Англійський фізик Майк Фарадей сформулював закони електролізу

1842–1843 рр.

Емілій Ленц та Джеймс Джоуль незалежно один від одного відкрили закон, що встановлює зв’язок між тепловими та електричними явищами

1897 р.

Англійський фізик Джозеф-Джон Томсон експериментально відкрив електрон

250

ВИКОНУЄМО НАВЧАЛЬНІ ПРОЕКТИ

Мабуть, основне, без чого не може прожити людина, — це електрика. Від електропостачання залежить геть усе: починаючи від води й закінчуючи теплом і світлом. Крім того, у наше життя стрімко вриваються планшети, електронні книжки та інші ґаджети й комунікатори. Готівку поступово замінюють банківські картки. Транспортні засоби із двигунами внутрішнього згорання — електромобілі. Блага цивілізації, з одного боку, необхідні, а з другого — можуть бути шкідливими. ви можете оцінити роль і значення електрики в житті людини, виконуючи навчальні проекти

«ЕЛЕКТРИКА В ЖИТТІ ЛЮДИНИ», «ВПЛИВ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ НА ЛЮДСЬКИЙ ОРГАНІЗМ».

251

Учені вважають, що масштабне використання джерел поновлюваної енергії — сонячної, вітрової, океанічної — є виходом з енергетичної кризи, що насувається на нашу планету.  А що ви знаєте про альтернативні джерела енергії?  Чи доводилося вам обраховувати плату за спожиту електричну енергію?  У скільки разів можна зекономити на використанні енергозберігаючих ламп?  Чому економічно вигідно переходити на зимовий і літній час? Спробуйте дати відповіді на ці запитання, виконуючи навчальні проекти:

«СУЧАСНІ ПОБУТОВІ ТА ПРОМИСЛОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ПРИЛАДИ», «СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКИ».

252

Відповіді до вправ вправа 1 1. а) 3220 Дж; б) 559 200 Дж 2. Збільшиться в 2 рази 3. 9200 Дж 4. 378 Дж/(кг·оС) 5. Нагрівання; вода 6. сІІІ> сІІ> сІ 7. На 10 °C 8. 20 °C 9. На нагрівання води у 25 разів більше вправа 2 1. 40 °C 2. 6,4 °C 3. 120 л гарячої, 80 л холодної 4. 40 °C 5. 12 °C 6. 2172 Дж/(кг·оС) 7. 10550 Дж 8. 19,5 °C 9. 0,1 °C/хв Перевірте себе (§ 1-10) Рівень А (початковий) 1. Б 2. А 3. А 4. Б 5. Г 6. А Рівень В (середній) 1. В 2. А 3. В Рівень С (достатній) 1. Г 2. 30 оС 3. 117,2 кДж Рівень D (високий) 1. 109 г 2. 880 Дж/(кг·оС) вправа 3 1. Для льоду. У 13,8 разів 2. У рідкому 3. У 158 разів 4. Ні. Лід спочатку нагрівається до температури

плавлення, а вже потім тане, і процес плавлення потребує надходження теплоти. 5. Правильно на мал. б. На мал. а помилка в швидкості нагрівання. На мал. в — помилка в температурі плавлення 6. 3125 Дж 7. І — лід, ІІ — сталь 8. 83,3 оС 9. 8 оС 10. 44,1 кДж вправа 4 1. Ні. Для кипіння необхідна додаткова енергія, а взяти її можна тільки від більш нагрітого тіла. 2. Водяна пара. 3. 57,5·105 Дж 4. 2,72 МДж 5. 12,3 МДж. 6. 89,4 оС 7. 74,3 кДж 8. 26,36 МДж вправа 5 1. 4,82 кг 2. 133 МДж 3. Ні, спалювання кам’яного вугілля прогріє піч більше 4. 105 МДж; 15 частин бензину на 4 частини спирту 5. Дизельне паливо 6. 15 МДж/кг; 30 МДж/кг; у 2 рази 7. 216 МДж; дизельне паливо і природний газ 8. 55 оС 9. 105 кДж 10. 100 кДж; 333 Вт вправа 6 1. 29,4 % 2. 0,96 ГДж 3. 33,3 % 4. 20 % 5. 9,9 %

6. 33,3 % 7. 3,1 кг 8. 40 % 9. 140 кВт Перевірте себе (§ 11-17) Рівень А (початковий) 1. Г 2. В 3. В 4. В 5. Б 6. Г Рівень В (середній) 1. Б 2. Б 3. А Рівень С (достатній) 1. В 2. 0,38 кг 3. 1048 кДж Рівень D (високий) 1. 52 Дж/(кг·оС) 2. 545 Н вправа 7 1. (1;1), (3;3), (11; 11), (13;13) 2. — 3. 1–А; 2–Б; 3–Г 4. а — позитивний; б — негативний вправа 8 1. 6,4 ·10-7 Кл; 3,64·10-18 кг 2. — 3. Зменшиться 4. Діелектрики можуть «утримувати» електричний заряд, на відміну від провідників 5. Обидві кульки мають позитивний заряд. Заряд кульки «б» більший 6. Змінився на позитивний 7. — вправа 9 1. Модуль сили взаємодії не зміниться, а напрям — зміниться на проти лежний

253 2. 1–2 притягання; 2–3 відштовхування; 1–3 притягання 3. Збільшиться в 3 рази 4. 45 мН 5. 3,35 см 6. 10 нКл 7. 9·10-5 Н; 5·10-5 Н 8. 36·10-5 Н, в напрямку заряду 40 нКл вправа 10 1. 3,4 А 2. 15,4 с 3. 0,6 А 4. 5·1012 5. 1,6·10-6 А 6. 1,5 Кл; заряд, що проходить через поперечний переріз провідника за 4 с вправа 11 1. 24 В 2. 220 В 3. 1·1011 4. 18 Кл 5. а) 0–2 А; 0,1 А/под; 1,3 А; б) від –5 до 5 мА; 1 мА/под; 3 мА; в) 0–160 В; 1 В/под; 103 В; г) 0–10 В; 0,5 В/под; 4 В; д) 0–2 А; 0,1 А/под; 1,8 А вправа 12 1. 3 А 2. 0,3 А 3. RІ = 2 Ом; RІІ = 4 Ом; RІІІ = 1 Ом 4. 12 Ом 5. 440 Ом вправа 13 1. 0,01 Ом 2. 0,765 мм2 3. R2 > R1 у 2 рази 4. 45 м 5. 6,8 кг 6. ≈ 14 мОм 7. 0,33 Ом 8. 0,384 Ом·мм2/м 9. 18,5 м Перевірте себе (§18-30) Рівень А (початковий) 1. В

2. В 3. Б 4. В 5. Г 6. Б Рівень В (середній) 1. Г 2. Б 3. Б Рівень С (достатній) 1. Г 2. 13,75 м 3. 6 нКл Рівень D (високий) 2. 1023 вправа 14 1. 3,2 В; 2 В; 1,2 В 2. 110 В 3. 440 Ом 4. 3 В; 9 В 5. 2 А; 46 В 6. Вниз: покази амперметра і вольтметра зменшаться 7. 3 А; 30 В 8. На алюмінієвому в 1,65 разів більша 9. 40 Ом вправа 15 1. 0,25 Ом 2. 0,25 Ом 3. У 9 разів 4. У другому в 5 разів 5. 300 Ом; 1,2 А; 0,4 А 6. — 7. 1,12 А вправа 16 1. Три опори з’єднати паралельно й послідовно до них приєднати четвертий 2. 2/3 Ом; 1,33 Ом; 6 Ом; 3 Ом 3. 6 А 4. У першого і третього амперметра збільшаться, у другого — зменшаться 5. 10 Ом; 7,5 Ом 6. 3,6 Ом; 5 А; 2,5 А; 1,67 А; 0,83 А 7. 4 Ом; 1 Ом

вправа 17 1. 27 Вт; 121,5 Вт; 54 Вт 2. Зросте потужність 3. 880 Дж 4. Потужність другого 3/4 від потужності першого 5. 0,42 Ом·мм2/м 6. 7425 Дж вправа 18 1. 36 кДж 2. 0,33 Ом 3. Донизу: зменшується опір кола, зростає сила струму й відповідно зростає кількість теплоти, що виділяється 4. а) 303 Дж; б) 1435 Дж 5. 237,6 кДж 6. 20 хв 25 с 7. 91 % 8. 49 А 9. 51,6 % 10. 0,174 мм вправа 19 1. 559 мг 2. 0,34 г/Кл 3. 2 А 4. 2,26 А 5. 612 г 6. 3000 с 7. 0,3 ·10-6 кг/Кл; нікель Перевірте себе (§ 31-37) Рівень А (початковий) 1. Г 2. Б 3. Б 4. В 5. В 6. Г Рівень В (середній) 1. В 2. В 3. Б Рівень С (достатній) 1. — 2. 303 кДж 3. Г Рівень D (високий) 1. 7 хв 28 с 2. 10 Вт

254

Предметний покажчик А

Акумулятор 154 Аморфне тіло 64 Ампер 165 Амперметр 166 Анод 153 Атом 125

Електризація 124, Електризація дотиком 134 Електризація через вплив 135 Електрична схема 162 Електричне коло 161 Електричне поле 130 Електричний заряд 122 Електричний лічильник 212 Електричний опір 177 Електричний струм 151 Електроліз 228 Електроліт 227 Електрометр 140 Електрон 125 Електронагрівальний елемент 218 Електроскоп 140 Електрофорна машина 154

Б Ближній порядок 15 Броунівський рух 10

В Ват 212 Ватметр 212 Випаровування 73 Внутрішня енергія 36 Вологість повітря 74 Вольт 170 Вольтметр 171

Г Газова турбіна 100 Газовий розряд 235 Газоподібний стан 13 Гальванічний елемент 153 Гальванометр 150 Гальванопластика 230 Гальваностегія 230 Горіння 82

Д Дальній порядок 17 Двигун внутрішнього згорання 98 Джерело електричного струму 152 Дифузія 9 Діелектрики 126 Дуговий розряд 238

З Заземлення 142 Закон Джоуля-Ленца 217 Закон збереження електричного заряду 136 Закон Кулона 146 Закон Ома 178 Закон Фарадея 230 Запобіжники 220

Й Йонізація 236

І Іскровий розряд 238

К Калориметр 54 Катод 153 Кипіння 77 Кількість теплоти 48

255 Коефіцієнт корисної дії нагрівника 84 Коефіцієнт корисної дії теплової машини 92 Конвекція 42 Конденсація 73 Коронний розряд 238 Коротке замикання 179, 220 Кристал 63 Кристалічна гратка 17

Н Напівпровідники 127 Напруга 169 Нейтрон 125 Несамостійний газовий розряд 237 Номінальна потужність 212 Нормальні умови 11 Носії струму 150

П Парова турбіна 100 Питома теплоємність речовини 49 Питома теплота згорання 83 Питома теплота пароутворення 78 Питома теплота плавлення 69 Питомий опір 185 Плазма 18 Потужність електричного струму 211 Провідники 126 Протон 125

Р Резистор 190 Реостат 181 Рідина 14 Рідкі кристали 16 Робота електричного струму 211

С Самостійний газовий розряд 236 Світлодіод 220 Сила струму 165 Силова лінія 132

Т Тверде тіло 16 Температура 21 Температура плавлення речовини 68 Температурна шкала 23 Теплоізолятори 41 Теплова машина 91 Теплова рівновага 21 Теплове випромінювання 45 Тепловий баланс 53 Тепловий рух 11 Тепловий стан 20 Тепловізор 45 Теплообмін 37 Теплопровідність 40 Термоелемент 154 Термометр 22 Тліючий розряд 238

Ф Фактична потужність 212 Фотоелемент 154

Х Хаотично 8 Холодильна машина 101

Відомості про стан підручника №

Прізвище та ім’я учня

Навчальний рік

Стан підручника на початку року

в кінці року

Оцінка

1 2 3 4 5

Навчальне видання ЗАСЄКІНА Тетяна Миколаївна ЗАСЄКІН Дмитро Олександрович

ФІЗИКА Підручник для 8 класу загальноосвітніх навчальних закладів Рекомендовано Міністерством освіти і науки України видано за рахунок державних коштів. Продаж заборонено

Редактор О. С. Ісак Головний художник І. П. Медведовська Технічний редактор Е. А. Авраменко Коректор С. В. Войтенко При оформленні підручника використано малюнки художника Наталії Андрійченко та фотоілюстрації з мережі Інтернет: Diverroy, Nikolz, Frank-Peters, Injenerker, KrulUA, Saicle, Jrp_studio, Galdzer, Sakkmesterke, Leonard Zhukovsky, Nikolay Alexandrov, Frank Peters, Evgeny Illarionov, Roy Pedersen, Oleksandr Omelchenko, Veronika Alexovicova, Jasmina Putnik, Sergey Galushko, Andrei Nekrassov, Daniel Jedzura, Dmitri Maruta, Iakov Filimonov, Iosif Szasz-Fabian, Iurii Konoval, Ivan Arhipov, Jordi De Rueda Roige, Katarzyna Biatasiewicz, Kirill Smyslov, Lance Beller, Lenets Tatsiana, Lyudmil Genov, Marina Anokhina, Markus Gan, Nikifor Todorov, Nikita Sobolkov, Olekcii Mach, Oleksandr Marynchenko, Oleksii Olkin, Przemyslaw Koch, Sasin Tipchai, Sergey Sidorov, Siim Sepp, Svetlana Pavlova, Vadym Holubiev, Viacheslav Klimov, Vitaly Valua, Vladimir Agafonkin, Yuriy Stakhov, Вадим Садовский, Татьяна Гладских

Формат 70x100 1/16. Ум. друк. арк. 20,736 + 0,324 форзац. Обл.вид. арк. 20,00 + 0,55 форзац. Тираж 6784 пр. Зам. №

ТОВ «Український освітянський видавничий центр “Оріон”» Свідоцтво про внесення суб’єкта видавничої справи до Державного реєстру видавців , виготовлювачів і розповсюджувачів видавничої продукції Серія ДК № 4918 від 17.06.2015 р. Адреса видавництва: 03061, м. Київ, вул. Миколи Шепелєва, 2 www.orioncentr.com.ua Віддруковано ТОВ «НВП Поліграфсервіс», вул. Юрія Коцюбинського, 4, к. 25, м. Київ, 04053 Свідоцтво суб’єкта видавничої справи серія ДК № 3751 від 01.04.2010