Fizika 10 klas - Goncharenko S.U

інтервалі температур сильно вираженої самовільної (спонтанної) поляризації. Навіть за відсутності зовнішнього поля окремі ділянки сегнетоелектрика виявляються поляризованими, але в різних напрямах. Тому в цілому весь кристал сегнетоелектрика поводить себе так, ніби він зовсім не поляризований. Під дією електричного поля відбувається зміна напряму поляризації (зміна орієнтації) окремих, вже до цього повністю поляризованих ділянок сегнетоелектрика.

Сегнетоелектричні властивості значною мірою залежать від температури. За певної температури, різній для різних речовин, сегнетоелектричні властивості зникають і сегнетоелектрик перетворюється у звичайний діелектрик.

Сегнетоелектрики знаходять велике практичне застосування. Зокрема, вони використовуються для виготовлення конденсаторів великої електроємності, генераторів і приймачів ультразвукових хвиль та інших радіотехнічних пристроїв.

Серед твердих діелектриків існує група речовин, які можуть тривалий час зберігати наелектризований стан (бути поляризованими) і за відсутності зовнішнього електричного поля. Ці речовини дістали назву електретів. Подібні властивості мають ряд органічних (парафін, бджолиний віск, нейлон, ебоніт тощо) і неорганічних (сірка, борне скло тощо) речовин.

Електрети знайшли застосування в техніці як джерела постійного електричного поля, зокрема в електрографії.

§ 58. Електризація на виробництві і в побуті

Електризація тіл — надзвичайно поширене явище, і ми зустрічаємося з ним не тільки у фізичних лабораторіях, а й щоденно в побуті і на виробництві. В сухий зимовий день, коли в повітрі мало водяної пари, ви знімаєте нейлонову сорочку, а вона буквально прилипає до тіла, до рук, навколишніх предметів, оскільки внаслідок зіткнення з тілом електризується.

Ви пройшлися по сухому шерстяному килиму, а потім піднесли руку до металевої дверної ручки або іншого металевого предмета і відчули легкий удар. Це стався електричний розряд між вашим тілом, яке зарядилося під час зіткнення з килимом, і металевим предметом.

Але якщо в побуті електризація тіл чинить в основному дрібні неприємності, то у виробничих умовах численні прояви електризації тіл ускладнюють багато технологічних процесів, є причинами браку, аварій, часто загрожують здоров'ю і життю людей. Так, у текстильній промисловості електризація ниток призводить до їх взаємного відштовхування, розщеп-

180

лення, притягування (прилипання) до поверхні роликів і веретен. Крім того, заряджена тканина або пряжа притягує до себе легенькі дрібні предмети і тим самим забруднюється. У сухому повітрі дуже сильно електризуються аркуші паперу на поліграфічних підприємствах, аркуші злипаються і рвуться у процесі розділення, притягують до себе дрібні нитки, ворсинки, шматочки паперу, що також веде до браку. До того ж між зарядженою тканиною чи аркушем паперу та іншими предметами може відбутися електричний розряд, що може стати причиною виникнення пожежі.

Багато клопоту завдає електризація тіл в авіації. Під час польоту поблизу грозових і заряджених хмар або внаслідок тертя об повітря відбувається електризація обшивки літака, що спричиняє порушення радіозв'язку і спотворення показань електровимірювальних приладів. Після посадки літака не можна зразу ж приставляти до нього металевий трап, оскільки може статися електричний розряд і виникнути пожежа. Спочатку літак «розряджають»: опускають на землю металевий трос, з'єднаний з обшивкою літака, і розряд відбувається між землею і кінцем троса. Найбільші неприємності в авіації завдає електризація палива. Під час заправки літака чи ракети виникає електризація пального внаслідок його руху у трубопроводах, що може призвести до іскрового розряду і загоряння палива. Так само під час заповнення нафтоналивних суден (танкерів) електризація палива також може спричинити пожежу.

Чи є способи і засоби боротьби з електризацією тіл на виробництві і в побуті? Безумовно, є. Технологи добре їх знають. Це насамперед ретельне заземлення верстатів, машин, застосування струмопровідних пластиків для підлог, зволоження повітря, використання різного роду нейтралізаторів або антистатів (залежно від умов виробництва — індукційних, радіоізотопних, електроаерозольних тощо).

Досить дотепний і простий спосіб боротьби з електризацією тіл від дотику застосовують у текстильній промисловості. Він полягає у підведенні до тіла, яке електризується, зарядів протилежного знака. Якщо нитка заряджається, наприклад, негативним зарядом, нею відразу ж треба доторкнутися до тіла, від дотику з яким на нитці утворюються заряди протилежного знака. Саме з цих міркувань водії волокон на ткацьких верстатах виготовляють звичайно зі скла або сталі.

Досить просто розв'язується завдання нейтралізації електричних зарядів, які виникають внаслідок руху бензовозів. Ви, напевне, не один раз бачили, що за бензовозами завжди тягнеться невеликий шматок металевого ланцюга. Це не халатність водія, а прагнення запобігти небезпечному нагро-

181

мадженню електричних зарядів. Від руху по асфальтованому шосе гумові покришки коліс електризуються і за значного нагромадження зарядів може статися розряд між землею й корпусом бензовоза, спричиняючи вибух бензину. Металевий ланцюг сприяє стіканню зарядів у землю. На легкових автомобілях із цією метою прикріплюють смужку провідної гуми.

У домашніх умовах можна усунути електризацію, підвищивши відносну вологість повітря в квартирі до 60—70 % (за допомогою, наприклад, електричних зволожувачів), натираючи підлогу спеціальною антистатичною мастикою.

Явище електризації тіл під час їх дотику завдає людям багато шкоди. Але часто це явище використовується в техніці. Так, явище притягання легеньких дрібних предметів наелектризованими тілами використовується в будові електричних фільтрів для очищення диму від дрібних частинок попелу, які забруднюють територію навколо теплових електростанцій і великих заводів. Для цього у димоході встановлюють сітку, якій надають певного електричного заряду. Від проходження крізь сітку частинки попелу електризуються і притягуються до великих металевих пластин, оскільки на них подається заряд протилежного знака або їх заземлюють. Осілий на пластини попіл потім зчищають.

Електрофільтри обов'язково встановлюють у цехах, де розмелюють цемент і фосфорити, на хімічних заводах. Одночасно з очищенням повітря такі пристрої не допускають даремних втрат цінних речовин.

Добре зарекомендував себе метод фарбування деталей в електричному полі. Між розпилювачем фарби і деталлю, яку фарбують, створюють електричне поле. Для цього до розпилювача приєднують один полюс високовольтного електричного генератора, а до деталі — другий полюс. Під час розпилювання дрібні краплинки фарби набувають електричного заряду, рухаються під дією електричного поля до деталі і рівномірно покривають її поверхню тонким шаром фарби. За допомогою електричного поля, наприклад, фарбують кузови автомобілів.

На цьому самому принципі ґрунтується виготовлення за допомогою електричного поля килимів, штучного хутра, замші, декоративних матеріалів для оббивки меблів (способом нанесення текстильного настригу або ворсу певної довжини на виріб). Тільки електричні заряди надають не крапелькам фарби, а ворсинкам. Заряд протилежного знака подається на покриту клеєм основу виробу. Під дією електричного поля заряджені ворсинки рухаються до основи і втикаються в шар клею. Готовий матеріал залишається тільки висушити.

Рух заряджених частинок фарби в електричному полі використовують у електрографії, яка дає змогу швидко розмножувати креслення, графіки, друкований текст, фотографу-

182

вати з екранів телевізійних трубок, реєструвати вихідні дані швидкодіючих обчислювальних машин. Як один з методів електрографії особливо широко застосовується ксерографія.

Її суть полягає у тому, що спочатку поверхню спеціальної селенової пластинки заряджають додатним зарядом. Під час експонування промені світла роблять селен провідним. У точках, на які падає багато світла, поверхневий заряд зникає, а у погано освітлених точках,— залишається. На селеновій пластинці утворюється заряджене, але ще невидиме зображення предмета. Сухе проявлення цього зображення полягає в тому, що пластинку посипають порошком фарби, який налипає лише на заряджені місця і робить приховане зображення видимим. Потім на селенову пластинку обережно кладуть аркуш звичайного білого паперу і поміщають її в електростатичне поле. Під дією поля частина фарби переноситься на папір. Аркуш паперу знімають, а щоб фарба не розмазалася, її закріплюють парами ацетону. Копія готова. З однієї експонованої селенової пластинки можна одержати багато копій.

Висновки

Сила взаємодії двох точкових електричних зарядів прямо пропорційна добутку зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними (закон Кулона):

4пе&0Е2 В електрично ізольованій системі за будь-яких взаємодій

тіл алгебраїчна сума електричних зарядів усіх тіл залишається сталою (закон збереження заряду).

У просторі навколо електричного заряду завжди існує незалежно від того, чи знаходяться в ньому пробні заряди чи ні, нерозривно зв'язане з цим зарядом електричне поле. Виявити існування електричного поля можна лише за силою, з якою воно діє на вміщені в нього електричні заряди.

Силовою характеристикою поля є напруженість поля Е — величина, яка вимірюється силою Е, що діє на одиничний позитивний заряд, уміщений в дану точку поля: Е =

Напруженість результуючого поля двох чи кількох точкових зарядів визначається векторною сумою напруженостей, створюваних у тій чи іншій точці кожним зарядом окремо (принцип суперпозиції).

У будь-якому зарядженому провіднику заряди розміщуються на зовнішній поверхні.

Робота з переміщення заряду в однорідному електричному полі не залежить від форми траєкторії, якою рухається

183

ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

§ 59. Умови існування електричного струму

У попередньому розділі розглядалися електричні явища, в яких електричні заряди перебували в спокої. Однак найбільший практичний інтерес становлять явища, пов'язані з упорядкованим рухом електричних зарядів. Упорядкований рух електричних зарядів називається електричним струмом. У цьому розділі йтиметься про постійний електричний струм.

напрям струму умовно обрано напрям руху позитивних зарядів. Для тривалого існування у речовині електричного струму необхідні дві умови — наявність вільних заряджених частинок і сил, які діють на ці частинки у певному напрямі. Електричне поле всередині провідника є причиною спрямованого руху заряджених частинок і підтримує його. Якщо всередині провідника існує електричне поле, то між кінцями провідника є різниця потенціалів.

Електричне поле діє на заряджені частинки з силою Е - дЕ.

Щоб струм через провідник був тривалим, цей провідник має бути замкнутим. У протилежному випадку заряди нагромаджуватимуться на кінцях провідника, відштовхуватимуть наступні однойменно заряджені частинки і струм припиниться.

Якби рухомі заряджені частинки у провіднику не взаємодіяли з іншими зарядженими частинками, після приведення їх у рух вони продовжували б його як завгодно довго. Такий струм можна спостерігати в деяких металах за дуже низьких температур, близьких до абсолютного нуля. Опір таких металів — їх називають надпровідниками — дорівнює нулю.

Нехай є два різнойменно заряджені тіла А і В. З'єднаємо ці тіла провідником (мал. 123). Тоді позитивний заряд під дією

185

переміщення зарядів. Після цього струм у провіднику припиниться.

Щоб струм не припинявся, треба щоб позитивні заряди, які переміщалися на тіло В з тіла А, знову повернулися на тіло А, наприклад по шляху БА, вказаному пунктиром, тобто, щоб заряди рухалися проти діючих електростатичних (кулонівських) сил. Для цього на заряди мають діяти зовнішні (сторонні) сили, спрямовані протилежно до електростатичних сил. Пристрій з двох заряджених тіл (електродів), між якими підтримується постійна напруга, а внаслідок цього у провіднику, що сполучає ці тіла, діє постійне електричне поле, називають джерелом струму. Такими джерелами струму є електрогенератори електростанцій, гальванічні елементи, акумулятори тощо.

? 1. За яких умов може тривалий час існувати електричний струм у речовині? 2. Обидва кінці провідника мають однаковий потенціал. Чи проходить струм по цьому провіднику? 3. Між кінцями провідника підтримується постійна різниця потенціалів. Який струм проходить у провіднику? 4. Яке призначення джерел струму?

§ 60. Закон Ома для ділянки кола

зпослідовним і паралельним з'єднанням провідників

Зкурсу фізики 8-го класу ви знаєте, що сила струму на

ділянці кола прямо пропорційна прикладеній напрузі і обернено пропорційна опорові цієї ділянки: І = и. Вперше цю за-

н

лежність сили струму від напруги й опору встановив у 1827 р.

показано графіки залежності сили струму від напруги для трьох різних металевих провідників. Звичайно такі графіки називають вольтамперпими характеристиками провідника.

186

ГЕОРГ СІМОН О М

( 1 7 8 7 — 1 8 5 4 )

Видатний німецький фізик. Відкрив закон залежності сили струму від напруги для ділянки кола, а також закон, що визначає силу струму в замкнутому колі. Крім того, він знайшов залежність опору від довжини провідника і площі його поперечного перерізу.

Іноді формулу закону Ома записують так:

V = ІЕУ

добуток ІВ називають спадом напруги на даній ділянці кола. Якщо вона не містить джерела струму, то поняття напруги і спаду напруги збігаються.

Електрична енергія від джерела струму передається по проводах споживачам: електродвигунам, лампам, нагрівальним приладам, телевізорам, радіоприймачам тощо. За допомогою з'єднувальних провідників і вимикачів в електричне коло часто вмикають також вимірювальні прилади: амперметри, вольтметри, омметри, лічильники електричної енергії тощо. Найпростішими типами з'єднань споживачів є відомі вам з курсу фізики 8-го класу послідовне і паралельне з'єднання.

Пригадаємо, як застосовується закон Ома для обчислення опору послідовно і паралельно з'єднаних провідників, сили струму в окремих провідниках і напруги на них.

Послідовне з'єднання провідників. Послідовне з'єднання

187

Мал. 125

кожному з них пропорційна його опорові. Цей висновок справедливий для довільної кількості з'єднаних послідовно провідників.

Напруга на кінцях ділянки кола, яка складається з двох послідовно з'єднаних провідників з опорами Ег і В2, дорівнює сумі напруг на першому і другому провідниках:

V = + с/2 = ІКХ + ІВ2 = І(Е1 + В2).

Позначимо загальний опір ділянки кола, яка складається з двох послідовно з'єднаних провідників, через В. За законом Ома,

V = ІВ.

Прирівнявши праві частини останніх двох рівностей, дістанемо:

В = В\ + В2.

Звідси можна зробити висновок, що у разі послідовного

для довільної кількості з'єднаних послідовно провідників. Для вимірювання сили струму амперметр вмикають у коло

послідовно з тим споживачем, силу струму в якому треба виміряти, і через нього проходить весь вимірюваний струм. Але амперметр має певний опір Ва і його вмикання веде до зменшення сили струму в колі. Щоб ці зміни сили струму були незначними, амперметр повинен мати дуже малий опір порівняно з опором споживача.

188

Задача 1. Три провідники, опори яких Ех = 10 Ом, Н2 = 20 Ом і В3 = ЗО Ом, з'єднані послідовно і ввімкнені у мережу зі сталою напругою II = 120 В. Визначити загальний опір і спад напруги на кожному з опорів.

Паралельне з'єднання провідників. У разі послідовного з'єднання споживачів вихід з ладу одного з них веде до розмикання кола. На практиці значно частіше споживачів з'єднують паралельно. Паралельно підключають до мережі електродвигуни верстатів у цехах заводів і фабрик, електродвигуни трамваїв, усі побутові прилади. Ознакою паралельного з'єднання провідників є розгалуження електричного струму. Електричний струм І у з'єднанні групи провідників з опорами Ві, В2 і В3 (мал. 126) розгалужується на три частини І2 і /3 . У точці С, де сходяться три провідники (таку точку називають вузлом), електричний заряд нагромаджуватися не може, отже, із закону збереження заряду випливає, що сила струму І дорівнює сумі сил струмів ІІ 9 І2 і І3 :

І = Іх + І2 + / 3 .

Напруга II на всіх провідниках однакова, тому можна

Мал. 112

189