Источники тока. Электрическая цепь - ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Цели урока:

Выяснить из каких частей состоит электрическая цепь. Объяснить учащимся назначение каждой части электрической цепи. Выяснить роль источника тока в электрической цепи.

Ход урока

I. Повторение. Проверка домашнего задания

- Что такое электрический ток?

- Какие условия необходимы для существования тока?

- Какие частицы являются носителями тока в металлах?

- Какие частицы являются носителями тока в электролитах?

- Перечислите действия, оказываемые током.

Эксперимент-фокус

В два сосуда, наполненные водой, опускаем угольные стержни, и включаем в электрическую цепь. В одном случае ток есть (лампочка горит), в другом - нет. В чем причина?

(Ответ: Дистиллированная вода является изолятором, в ней нет свободных заряженных частиц. Добавим в воду ложку соли, и лампа загорится, т. к. появились ионы Na+ и SО4-.)

II. Новый материал

Источники тока бывают различные, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделенные частицы накапливаются на полюсах. У любого источника тока два полюса - положительный (+) и отрицательный (-).

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, внутренней или какой-нибудь другой энергии в электрическую.

Эксперимент 1

Демонстрация работы электрофорной машины (механическая энергия переходит в электрическую).

Эксперимент 2

Демонстрация работы термопары (внутренняя энергия переходит в электрическую).

Эксперимент 3

Демонстрация солнечной батареи.

Эксперимент 4

К клеммам гальванометра присоединим медные провода. К концу одного из них прикрепите железный провод или гвоздь. Воткните медный провод и гвоздь в картофелину - стрелка гальванометра отклонится (химическая энергия переходит в электрическую).

Именно благодаря химическим реакциям, внутренняя энергия, выделяющаяся при этих реакциях, превращается в электрическую.

Из источников тока, использующих энергию химических реакций, наиболее распространены гальванический элемент и аккумуляторы.

Соединенные друг с другом источник тока, провода и потребители энергии (лампы, электроплитки и т. д.) образуют электрическую цепь.

При замыкании цепи электрическое поле от источника распространяется вдоль проводников со скоростью 300000 км/с.

Эксперимент 5

Два электрометра с металлическими шарами поставьте рядом на один край стола. Возьмите два провода, один короткий (около метра), а второй как можно длиннее (его можно размотать по всей аудитории: чем длиннее, тем лучше). Один из концов каждого провода соедините со стержнями электрометров. Другие концы оставьте на свободном от приборов крае стола. К этим концам приближайте заряженный пенопласт, наблюдая за стрелками электрометров. Видно, что электрометры одновременно реагируют на приход электрического поля. Это свидетельствует о том, что скорость распространения электрического поля очень велика.

III. Закрепление изученного

- Что такое электрический ток?

- Что нужно создать в проводнике, чтобы в нем возник и существовал ток?

- Какие превращения энергии происходят внутри источника тока?

- Что является положительным и отрицательным полюсами батареи?

- Каково назначение источника тока в электрической цепи?

- Из каких частей состоит электрическая цепь?

- Какую электрическую цепь называют замкнутой? Разомкнутой?

- Как можно наблюдать на опыте тепловое действие тока?

- Как можно наблюдать на опыте химическое действие тока?

- Где используют тепловое и химическое действия тока?

- На каком опыте можно показать магнитное действие тока?

- Направление движения каких частиц в проводнике принято за направление тока?

- От какого полюса источника тока и к какому принято считать направление тока?

Домашнее задание

1. § 9;

2. Задачи 26, 25;

3. Экспериментальное задание: разберите старую батарейку из сухих элементов. Найдите части, из которых она состоит. Из дополнительной литературы найдите, как устроена и работает батарейка (гальванический элемент) и аккумулятор.

Приложение к уроку

История изобретения гальванического элемента

Важнейшим шагом вперед в развитии учения об электрических и магнитных явлениях было изобретение первого источника постоянного тока - гальванического элемента. История этого изобретения начинается с работ итальянского врача Луиджи Гальвани (1737-1798), относящихся к концу XVIII в.

Гальвани интересовался физиологическим действием электрического разряда. Начиная с 80-х гг. XVIII столетия, он предпринял ряд опытов для выяснения действия электрического разряда на мускулы препарированной лягушки. Однажды он обнаружил, что при проскакивании искры в электрической машине или при разряде лейденской банки мускулы лягушки сокращались, если к ним в это время прикасались металлическим скальпелем.

Заинтересовавшись наблюдаемым эффектом, Гальвани решил проверить, не будет ли оказывать такое же действие на лапки лягушки атмосферное электричество. Действительно, соединив один конец нерва лапки лягушки с проводником изолированным шестом, выставленным на крыше, а другой конец нерва с землей, он заметил, что, во время грозы время от времени происходило сокращение мускулов лягушки. Затем Гальвани подвесил препарированных лягушек за мерные крюки, зацепленные за их спинной мозг, около железной решетки сада. Он обнаружил, что иногда, когда мышцы лягушки касались железной ограды, происходило сокращение мускулов. Причем эти явления наблюдались и в ясную погоду. Следовательно, решил Гальвани, в данном случае уже не гроза является причиной наблюдаемого явления. Для подтверждения этого вывода Гальвани проделал подобный опыт в комнате. Он взял лягушку, у которой спинной нерв был соединен с медным крюком, и положил ее на железную дощечку. Оказалось, что когда медный крючок касался железа, то происходило сокращение мускулов лягушки.

Гальвани решил, что открыл «животное электричество», т. е. электричество, которое вырабатывается в организме лягушки. При замыкании нерва лягушки посредством медного крюка и железной дощечки образуется замкнутая цепь, по которой пробегает электрический заряд (электрическая жидкость или материя), что и вызывает сокращение мускулов.

Открытием Гальвани заинтересовались и физики и врачи. Среди физиков был соотечественник Гальвани Адессандро Вольта. (1745-1827). Вольта повторил опыты Гальвани, а затем решил проверить, как будут себя вести мускулы лягушки, если через них пропустить не «животное электричество», а электричество, полученное каким-либо из известных способов. При этом он обнаружил, что мускулы лягушки так же сокращались, как и в опыте Гальвани. Проделав такого рода исследования, Вольта пришел к выводу, что лягушка является только «прибором», регистрирующим протекание электричества, что никакого особого «животного электричества» не существует.

Почему же все-таки в опыте Гальвани мускулы лягушки регистрируют протекание электрического разряда? Что является в данном случае источником электричества? Вольта предположил, что причиной электричества является контакт двух различных металлов.

Нужно отметить, что уже Гальвани заметил зависимость силы судорожного сжатия мускулов лягушки, от рода металлов, образующих цепь, по которой протекает электричество. Однако Гальвани не обратил на это серьезного внимания. Вольта же наоборот, усмотрел в нем возможность построения новой теории. Не согласившись с теорией «животного электричества», Вольта выдвинул теорию «металлического электричества». По этой теории причиной гальванического электричества является соприкосновение различных металлов.

В каждом металле, считал Вольта, содержится электрическая жидкость (флюид), которая, когда металл не наряжен, находится в покое и себя не проявляет. Но если соединить два различных металла, то равновесие электричества внутри них нарушится: электрическая жидкость придет в движение. При этом электрический флюид в некотором количестве перейдет из одного металла в другой, после чего равновесие вновь восстановится. Но в результате этого металлы наэлектризуются: один - положительно, другой - отрицательно.

Эти соображения Вольта подтвердил на опыте. Ему удалось показать, что действительно при простом соприкосновении двух металлов один из них приобретает положительный заряд, а другой отрицательный. Таким образом, Вольта открыл так называемую контактную разность потенциалов. Вольта проделывал следующий опыт. На медный диск, прикрепленный к обыкновенному электроскопу, вместо шарика, он помещал такой же диск, изготовленный из другого металла и имеющий рукоятку. Диски при наложении в ряде мест приходили в соприкосновение. В результате этого между дисками появлялась контактная разность потенциалов (по терминологии Вольта, между дисками возникала «разность напряжений»).

Для того чтобы обнаружить «разность напряжений», появляющуюся при соприкосновении различных металлов, которая, вообще говоря, мала (порядка 1 В), Вольта поднимал верхний диск, и тогда листочки электроскопа заметно расходились. Это вызывалось тем, что емкость конденсатора, образованного дисками, уменьшалась, а разность потенциалов между ними во столько же раз увеличивалась.

Но открытие контактной разности потенциалов между различными металлами еще не могло объяснить опытов Гальвани с лягушками. Нужны были дополнительные предположения.

Составим обычную замкнутую цепь проводников из разных металлов. Несмотря на то, что между этими металлами возникает разность потенциалов, постоянного течения электричества по цепи не получается. Это сразу понятно для простейшего случая двух металлов. Возьмем, например, два куска медной и цинковой проволоки и соединим их концы. Тогда одна из них (цинковая) зарядится отрицательным электричеством, а медная - положительным. Если теперь соединить и другие концы этих проволок, то и в этом случае второй конец цинковой проволоки будет электризоваться отрицательно, а соответствующий конец медной проволоки положительно. И постоянного течения электричества в цепи не получится.

Но в опыте Гальвани соединялись не только металлы. В цепь включались и мышцы лягушки, содержащие и себе жидкость. Вот в этом и заключается все дело - решил Вольта. Он предположил, что все проводники следует разбить на два класса: проводники первого рода - металлы и некоторые другие твердые тела и проводники второго рода - жидкости. При этом Вольта решил, что разность потенциалов возникает только при соприкосновении проводников первого рода. Такое предположение объясняло опыт Гальвани. В результате соприкосновения двух различных металлов нарушается равновесие в них электричества. Это равновесие восстанавливается в результате того, что металлы соединяются через тело лягушки. Таким образом, электрическое равновесие все время нарушается и все время восстанавливается, значит, электричество все время движется.

Такое объяснение опыта Гальвани неверно, но оно натолкнуло Вольта на мысль о создании источника постоянного тока гальванической батареи. И вот в 1800 г. Вольта построил первую гальваническую батарею - Вольтов столб. Вольтов столб состоял из нескольких десятков круглых серебряных и цинковых пластин, положенных друг на друга. Между парами пластин были проложены картонные кружки, пропитанные соленой водой. Такой прибор служил источником непрерывного электрического тока.

Интересно, что в качестве довода о существовании непрерывного электрического тока, Вольта опять-таки привлекал непосредственные ощущения человека. Он писал, что если крайние пластины замкнуты через тело человека, то сначала, как и в случае с лейденской банкой, человек испытывает удар и покалывание. Затем возникает ощущение непрерывного жжения, «которое не только не утихает, - говорит Вольта, - но делается все сильнее и сильнее, становясь скоро невыносимым, до тех пор пока цепь не разомкнется».

Изобретение Вольтова столба - первого источника постоянного тока - имело огромное значение для развития учения об электричестве и магнетизме. Что же касается объяснения действия этого прибора Вольта, то оно, как мы видели, было ошибочным. Это вскоре заметили некоторые ученые.

Действительно, по теории Вольта получалось, что с гальваническим элементом во время его действия не происходит никаких изменений. Электрический ток течет по проволоке, нагревает ее, может зарядить лейденскую банку и т. д., но сам гальванический элемент при этом остается неизменным. Но такой прибор является не чем иным, как вечным двигателем, который, не изменяясь, производит изменение в окружающих телах, в том числе и механическую работу.

К концу XVIII в., среди ученых уже широко распространилось мнение о невозможности существования вечного двигателя. Поэтому многие из них отвергли теорию действия гальванического элемента, придуманную Вольта.

В противовес теории Вольта была предложена химическая теория гальванического элемента. Вскоре, после его изобретения было замечено, что в гальваническом элементе происходят химические реакций, в которые вступают металлы и жидкости. Правильная химическая теория действия гальванического элемента вытеснила теорию Вольта.

После открытия Вольтова столба ученые разных стран начали исследовать действия электрического тока. При этом совершенствовался и сам гальванический элемент. Уже Вольта наряду со «столбом» стал употреблять более удобную чашечную батарею гальванических элементов. Для исследования действий электрического тока стали строить батареи со все большим и большим числом элементов.

Наиболее крупную батарею в самом начале XIX в. построил русский физик Василий Владимирович Петров (1761-1834) в Петербурге. Его батарея состояла из 4200 цинковых и медных кружков. Кружки укладывались в ящик горизонтально и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырем. Батарея Петрова была описана им в его книге («Известия о Гальвани-Вольтовых опытах»), вышедшей в России в 1803 г.

Первые шаги в изучении электрического тока относились к его, химическим действиям. Уже в том же году, в котором Вольта изобрел гальваническую батарею, было открыто свойство электрического тока разлагать воду. Вслед за этим было произведено разложение электрическим током растворов некоторых солей. В 1807 г. английский химик Дэви путем электролиза расплавов едких щелочей открыл новые элементы: калий и натрий.

Исследование химического действия тока и выяснение химических процессов, происходящих в гальванических элементах, привело ученых к разработке теории прохождения электрического тока через электролиты.