Электрический ток. Источники тока. Закон Ома.

9. На рисунке 4 изображены различные виды движения электрических зарядов: а) молния между облаком и землей; б) тепловое (беспорядочное) движение электронов в металле; в) поток электронов, вызывающих изображение на экране телевизора; г) движение положительных и отрицательных частиц (ионов) в водном растворе соли. В каком случае движение зарядов представляет собой электрический ток?

10. В лампах дневного света, а также в рекламных газосветных трубках газ светится под действием движущихся зарядов - электронов и положительно заряженных частиц. Можно ли движение этих частиц в трубке назвать электрическим током? Почему?

11. Какие источники тока изображены на рисунке 5? Какой вид энергии преобразуется в электрическую этими источниками?

12. Какие преобразования энергии имеют место при зарядке и разрядке аккумулятора?

13. На спутниках и космических кораблях имеются «солнечные» батареи, которые питают бортовую радиоаппаратуру и подзаряжают аккумуляторы (рис.6). Как называются элементы солнечной батареи? На чём основано их действие? Почему батарея занимает довольно большую площадь?

14. Атомные источники тока являются «вечными» (рис.7). Такой источник состоит из металлического корпуса, внутри которого имеется радиоактивное вещество, испускающее электроны. Объясните, как действует источник. Укажите полюса на его клеммах.

15. Чистую медь, широко применяемую в технике, получают, используя химическое действие тока через раствор медного купороса (CuS0₄). Зарядом какого знака обладают ионы меди? В каком направлении перемещаются ионы меди под действием

16. Установка для получения алюминия (рис.9) состоит из железного ящика (ванны), выложенного изнутри слоем графита, служащим одним из электродов. Роль другого электрода выполняют угольные пластины. Как заряжаются ионы алюминия (положительно или отрицательно)? К каким полюсам источника тока должны подключаться электроды, если алюминий должен выделяться на дне ванны?

17. С какой целью металлические изделия покрывают тонким слоем другого металла (никель, хром, медь, серебро и др.)? Раствор соли какого металла должен служить электролитом для никелирования? К какому полюсу источника тока нужно присоединить никелируемое изделие?

18. Используя химическое действие тока, можно покрыть металлическим слоем изделие не только из проводящих материалов, но и из диэлектриков - воска, пластилина, гипса, дерева и др. Как это сделать?

19. Какое действие тока проявляется в следующих случаях: 1) при включении вентилятора в электросеть он начинает вращаться; 2) при повышении температуры электрического утюга; 3) при получении чистой меди электрическим током?

20. Двигатель автомобиля заводят стартёром. Стартёр при включении потребляет ток силой 300А, поэтому во избежание порчи аккумулятора его включают лишь на короткое время (не более 15с). Какое количество электронов пройдет через стартёр, если при силе тока 1А в 1с через сечение проводника проходит 6,25∙10¹⁸ электронов?

21. На рисунке 10 изображены шкалы амперметров, пределы измерения которых соответственно равны 2А; 5мА; 2; 10 и 1А. Определите цену деления каждой шкалы. Прочтите показания приборов.

22. Для контроля за зарядкой и разрядкой аккумулятора автомобиля используют амперметр, схема включения которого показана на рисунке 11. Здесь П - потребитель, Г - генератор тока. Покажите направление тока, когда переключатель находится в положении 1, а также 2. Одинаково ли направление отклонения стрелки амперметра в том и другом случае?

23. Вследствие трения о шкив ремень заряжается, причем каждый квадратный метр ремня содержит 0,02Кл заряда. Ширина ремня 0,3м, скорость его движения 20м/с. Представляет ли перемещение зарядов вместе с ремнём электрический ток? Какой заряд проходит ежесекундно через любую неподвижную плоскость, перпендикулярную ремню? Как называют величину, измеряемую таким зарядом? Чему она равна? Считайте, что ремень заряжен положительно.

24. Электрическая цепь состоит из проводников, имеющих поперечное сечение различной площади. Известно, что сила тока во всех участках цепи, если нет разветвлений, одна и та же. Одинакова ли скорость перемещения электронов в различных участках цепи, которую они приобретают под действием электрического поля источника тока? Почему?

25. Цепь состоит из источника тока, потребителя электроэнергии (лампы), соединительных проводов и выключателя. На каком участке цепи для перемещения электронов совершается больше работы? Какие силы совершают эту работу? За счёт, какой энергии совершается эта работа? Как называют величину, измеряемую работой в 1с, т.е. мощностью при силе тока в спирали электролампы 1А?

26. На каком полюсе батареи карманного фонаря образуется недостаток электронов? На каком - избыток? За счёт какой энергии существует напряжение между полюсами батареи? Зависит ли это напряжение от количества зарядов, накопленных на полюсах? Как?

27. Какая расходуется энергия, когда создаётся напряжение между клеммами карманного фонаря «жучок»? Генератора ГЭС?

28. Циркуляция газа под действием вентилятора и силы упругости подобна движению зарядов по электрической цепи (рис.12). Установите аналогию между контуром газа и электрической цепью: чему соответствует вентилятор? Вентиль?

30. Вольтметром, изображенным на рисунке 14, можно измерять напряжение как от 0 до 150В, так и от 0 до 300В. Определите цену деления шкалы при этих пределах измерения. Прочтите показание прибора, если предел измерения составляет 300В. Как изменяется точность прибора (отношение цены деления к пределу измерения) при переходе от одного предела к другому?

32. Развитие алюминиевой промышленности в нашей стране позволило отказаться от использования медных проводов для воздушных электрических линий. Чем это вызвано?

33. Жидкостный реостат состоит из сосуда и ножей В, прикреплённых к рычагу с рукояткой (рис.16). Из какого материала должны быть изготовлены детали прибора? Должны ли иметь контакт ножи и сосуд? Каким электрическим свойством должна обладать жидкость? Какие жидкости могут быть использованы в реостате? Как изменяется сопротивление реостата при погружении ножей в жидкость? Почему?

34. Клеи обычно являются изоляторами. Чтобы клей проводил электрический ток, в него добавляют порошок серебра. Как вы представляете себе, почему клей при этом становится проводником? Каким образом можно изменять электропроводность такого клея? Будет ли клей проводить ток при любой концентрации частичек серебра?

35. На рисунке 17 изображено приспособление, позволяющее судить о влажности бумаги. Бумага протягивается между двумя металлическими валиками, включаемыми в цепь, которая питается от источника тока. В цепи имеется гальванометр. На каких законах основано действие влагомера?

36. На рисунке 18 изображена схема обнаружения трещин, неоднородностей, пустот и других дефектов в деталях, имеющих одинаковое сечение по длине (рельсы, балки, валы). Объясните, как этим способом определить место дефекта.

37. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается (рис.19). С помощью какой схемы и как можно измерять температуру на расстоянии (дистанционно), используя это свойство металлов?

38. На графике показана зависимость сопротивления терморезистора от температуры (рис.20). Начертите схему цепи, с помощью которой можно было бы измерять температуру на расстоянии. Если источник тока создает напряжение 3В, то какая сила тока соответствует температуре 20⁰, 40⁰, 60⁰, 80⁰, 100° С?

39. Органы государственного пожарного надзора не рекомендуют хранить и перевозить бензин и другие легковоспламеняющиеся жидкости в полиэтиленовых канистрах. Для этого лучше пользоваться металлическими сосудами. Чем это вызвано?

40. На рисунке 21 показана схема уровнемера, применяемого для измерения уровня жидкости в баке 1. Уровнемер состоит из поплавка 2, реостата 3 и прибора 4, показывающего объём жидкости в баке. Объясните, как действует устройство. Какова роль резистора R? В чём преимущество такой схемы по сравнению с механическими датчиками?

41. Общее сопротивление участка цепи при параллельном соединении проводников меньше сопротивления отдельных проводников. Чем это можно объяснить?

42. При последовательном соединении проводников их общее сопротивление больше, чем сопротивление каждого из них. Чем это можно объяснить?

43. Какие сопротивления можно получить при помощи магазина сопротивлений, имея три штекера (рис.22)?

44. Напряжение на клеммах аккумулятора 12В. Амперметр показывает ток 5,1А. В цепи три параллельно соединённые лампы с равными сопротивлениями. Определите сопротивление каждой лампы. Начертите схему.

45. Радиолюбителю нужен резистор сопротивлением 70кОм. Но у него оказалось три резистора сопротивлениями 100, 50 и 25кОм. Может ли он составить из них требуемое сопротивление? Если может, то как?

46. Почему нельзя амперметр подключить параллельно потребителю энергии?

47. Предел измерения амперметра 0,5А (см. рис.10, д). Можно ли изменить предел измерения амперметра до 1А? Как это сделать? Внутреннее сопротивление амперметра 4Ом.

48. Как изменится показание вольтметра, если к нему последовательно подключить добавочное сопротивление, равное внутреннему сопротивлению самого вольтметра? Объясните.

49. Сопротивление школьного вольтметра 40 Ом, предел измерения 4В. Можно ли переделать вольтметр так, чтобы им можно было измерять напряжения до 200В? Если можно, то как? Объясните.

50. Для определения места, где один из проводов кабеля вследствие повреждения замкнулся с землей, использовали схему, приведённую на рисунке 23. На каком расстоянии l произошло замыкание кабеля, если при силе тока 0,5А вольтметр показывал напряжение 12В? Провод из алюминия, площадь поперечного сечения которого 5мм². Сопротивление земли принять равным 10 Ом.

51. Почему нельзя допускать короткого замыкания аккумулятора с малым внутренним сопротивлением, например свинцового?

Работа и мощность тока

52. Напряжение между контактным проводом и землей (рельсами) в электрифицированной железной дороге 25кВ. Какую работу совершают электрические силы в 1с при токе в цепи электродвигателей поезда 1А?

53. Электродвигатель троллейбуса питается током силой 200А под напряжением 600В. Определите мощность двигателя. Какую работу совершает двигатель за 5ч? Ответ дайте в джоулях и киловатт-часах.

54. При помощи, каких приборов и как можно проверить исправность счётчика электроэнергии? Объясните.

55. Мощность автомобильного стартёра 5,9кВт. Какой ток проходит через стартёр во время запуска двигателя, если напряжение на его клеммах 12В?

56. Краны, применяемые на строительстве Саяно-Шушенской ГЭС, способны поднимать бадью массой 25т со скоростью 2,6м/с. Определите КПД крана, если электролебёдка при подъёме такого груза развивает мощность 670кВт.

57. При движении со скоростью 6,44км/ч электродвигатель аккумуляторного рудничного электровоза развивает мощность 12кВт. Определите силу тяги электровоза. В каком отношении эксплуатация такого локомотива в рудниках выгоднее, чем других видов транспорта?

58. Запас хода, одного из первых электромобилей 80км, наибольшая скорость движения 60км/ч, при которой электродвигатель машины развивает мощность 23кВт. Какое преимущество перед другими видами городского транспорта с двигателями внутреннего сгорания имеют электромобили?

59. Скоростной лифт массой 1600кг поднимается со скоростью 1,0м/с. Какова мощность электродвигателя, приводящего в движение лифт, если напряжение на его клеммах 380В, а КПД двигателя 90%? Какова сила тока, потребляемая электродвигателем?

60. На рисунке 24 приведена схема точечной сварки. Соединяемые листы (они изображены в разрезе) прижимаются друг к другу двумя медными электродами, по которым пропускают ток. В течение короткого времени листы оказываются сваренными. На чём основан такой способ сварки? Почему при прохождении тока плавятся только соединяемые листы в точке их соприкосновения, а не электроды?

61. На электроды сварочного станка напряжение подают в зависимости от давления на них. Если давление электродов на деталь меньше, то напряжение между ними должно быть больше и наоборот. Чем можно это объяснить?.

62. В двухлитровом электрическом чайнике мощностью 1000Вт вода закипает за 20мин, тогда как в чайнике мощностью 3кВт это заняло бы 5мин. Почему невыгодны маломощные приборы? Почему при пользовании такими приборами неизбежен перерасход электроэнергии?

63. Изменится ли мощность электроплитки, если её нагревательный элемент, сделанный из нихрома, заменить фехралевым таких же размеров, что и у первого проводника? Если изменится, то, как и во сколько раз?

64. Для автоматического отключения потребителя тока, например электродвигателя, в случае, когда сила тока превышает допустимое значение, используют тепловое реле, основной частью кото рого является биметаллическая пластинка 1, состоящая из двух сваренных пластинок (рис.25). При изменении температуры нижняя пластинка изменяет свою длину значительнее, чем верхняя. Кроме того, реле имеет нихромовую спираль 2, включенную последовательно с потребителем, контакты 3 и 4, а также рычаг 5 с пружиной 6. Изучите схему реле и объясните его действие.

65. Плавкий предохранитель рассчитан на силу тока 6А. Можно ли при наличии такого предохранителя включить в сеть напряжением 220В потребитель энергии мощностью 2,4кВт?

66. Когда телевизор подключают в сеть напряжением 220В, то вставляют предохранитель, рассчитанный на силу тока 3А, а если напряжение сети 110-127В, то предохранитель вставляют на 5А. Чем это объясняется?

69. На что указывает сильное нагревание выключателей, штепсельных розеток, вилок, клемм и другой электрической арматуры? Какие последствия может иметь это явление?

70. Почему по правилам пожарной безопасности нельзя включать одновременно в сеть электроприборы с суммарной мощностью, превышающей расчётную для данной цепи? К чему это может привести?

71. Лампы накаливания изготавливают газонаполненными: колба лампы после откачки воздуха заполняется инертным (не поддерживающим горение) газом. Какое это имеет значение для удлинения срока эксплуатации лампы по сравнению с теми, в колбах которых создаётся только вакуум?

Задачи

Электростатика

1. Во сколько раз сила гравитационного притяжения между двумя протонами меньше силы их электростатического отталкивания? Заряд протона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку е=1,6 10^-19 Кл.

2. Найти напряжённость электрического поля в точке, лежащей на середине между двумя точечными зарядами 8нКл и –6нКл. Расстояние между зарядами 10см.

3. Два точечных заряда 7,5нКл и –14,7нКл расположены на расстоянии 5см. Найти напряжённость электрического поля в точке, находящейся на расстояниях 3см от положительного заряда и 4см от отрицательного заряда.

4. Два шарика одинаковых радиуса и массы подвешены на нитях одинаковой длины так, что их поверхности соприкасаются. После сообщения шарикам заряда 0,4мкКл они оттолкнулись друг от друга и разошлись на угол 60⁰. Найти массу каждого шарика, если расстояние от центра шарика до точки подвеса 20см.

5. Два шарика одинаковых радиуса и массы подвешены на нитях одинаковой длины так, что их поверхности соприкасаются. Какой заряд нужно сообщить шарикам, чтобы сила натяжения нитей стала равной 98мН? Расстояние от центра шарика до точки подвеса 10см, масса каждого шарика 5г.

6. На рисунке АА – заряженная бесконечная плоскость с поверхностной плотностью заряда 40мкКл/м² и В – одноимённо заряженный шарик с массой 1г и зарядом 1нКл. Какой угол с плоскостью образует нить, на которой висит шарик?

7. Найти силу, действующую на заряд 2нКЛ, если заряд помещён: а)на расстоянии 2см от заряженной нити с линейной плотностью заряда 0,2мкКл/м; б) в поле заряженной плоскости с поверхностной плотностью заряда 20мкКл/м²; в) на расстоянии 2см от поверхности шара радиусом 2см, с поверхностной плотностью заряда 20мкКл/м².

8. Диэлектрическая проницаемость среды равна 6. Найти напряжённость электрического поля на расстоянии 0,2нм от одновалентного иона. Заряд иона считать точечным.

9. Два шарика с зарядами 6,66нКл и 13,33нКл находятся на расстоянии 40см. Какую работу надо совершить, чтобы сблизить их до расстояния 25см.

10. Найти потенциал точки поля, находящейся на расстоянии 10см от центра заряженного шара радиусом 1см. Задачу решить, если: а)задана поверхностная плотность заряда на шаре равная 0,1мкКл/м²; б) задан потенциал шара равный 300В.

11. Шарик массой 1г и зарядом 10нКл перемещается из точки 1 с потенциалом 600В в точку 2, потенциал которой равен нулю. Найти его скорость в точке 1, если в точке 2 она стала равной 20см/с.

12. При радиоактивном распаде из ядра атома полония вылетает a-частица со скоростью 1,6 10⁷ м/c. Найти кинетическую энергию a-частицы и разность потенциалов поля, в котором можно разогнать покоящуюся a-частицу до такой же скорости.

13. Около заряженной бесконечно протяжённой плоскости находится точечный заряд 0,66нКл. Заряд перемещается по линии напряжённости поля на расстояние 2см и при этом совершается работа 50 эрг. Найти поверхностную плотность заряда на плоскости.

14. Около заряженной бесконечно протяжённой плоскости с поверхностной плотностью заряда 20мкКл/м² движется точечный заряд по линии напряжённости на расстояние 10см и при этом совершается работа 20Дж. Найти заряд шарика.

15. Разность потенциалов между пластинами плоского воздушного конденсатора 90В. Площадь каждой пластины 60см², её заряд 1нКл. На каком расстоянии друг от друга находятся пластины?

16. Расстояние между пластинами плоского воздушного конденсатора 1см. От одной из пластин одновременно начинают двигаться протон и a-частица. Какое расстояние пройдёт a-частица за то время, в течение которого протон пройдёт весь путь от одной пластины до другой?

17. Электрон в однородном электрическом поле получает ускорение 10¹² м/с². Найти напряжённость электрического поля, скорость, которую получит электрон за 1мкс своего движения, работу сил электрического поля за это время и разность потенциалов, пройденную при этом электроном. Начальная скорость электрона равна нулю.

18. Два точечных заряда 9q и –q расположены на расстоянии l=50см друг от друга. Третий заряд q₁ может перемещаться только вдоль прямой, проходящей через заряды. Определить положение заряда q₁, при котором он будет находится в равновесии. При каком знаке заряда q₁ равновесие будет устойчивым?

19. Три точечных заряда q₁=q₂=q₃=1нКл расположены в вершинах равностороннего треугольника. Какой заряд q₄ нужно поместить в центре треугольника, чтобы указанная система зарядов находилась в равновесии?

20. На тонком стержне длиной l=20см находится равномерно распределённый электрический заряд. На продолжении оси стержня на расстоянии а=10см от ближайшего конца находится точечный заряд q₁=40нКл, который взаимодействует со стержнем с силой F=6мкН. Определить линейную плотность t заряда на стержне.

21. Тонкий длинный стержень l=20см равномерно заряжен с линейной плотностью t=1,5нКл/см. На продолжении оси стержня на расстоянии d=12см от его конца находится точечный заряд q=0,2мкКл. Определить силу взаимодействия заряженного стержня и точечного заряда.

22. Два шарика одинакового радиуса и массы подвешены на нитях так, что их поверхности соприкасаются. После сообщения шарикам заряда q₀=0,4мкКл, они оттолкнулись друг от друга и разошлись на угол b=60⁰. Найти массу каждого шарика, если расстояние от центра шарика, до точки подвеса 20см.

23. Два точечных заряда, находясь в воздухе, на расстоянии 20см друг от друга, взаимодействуют с некоторой силой. На каком расстоянии нужно поместить эти заряды в масле, чтобы получить ту же силу взаимодействия?

24. Расстояние между зарядами q₁=100нКл и q₂=-50нКл равно d=10см. Определить силу F, действующую на заряд q₃=1мкКл, отстоящий на r₁=12см от заряда q₁ и на r₂=10см от заряда q₂.

25. В центре квадрата, в вершинах которого находится по заряду 7нКл, помещён отрицательный заряд. Найти величину этого заряда, если результирующая сила, действующая на каждый заряд, равна нулю.

26. Два шарика массой m=1г каждый подвешены на нитях, верхние концы которых соединены вместе. Длина каждой нити l=10см. Какие одинаковые заряды надо сообщить шарикам, чтобы нити разошлись на угол b=60⁰.

27. Длинная прямая тонкая проволока несёт равномерно распределённый заряд. Вычислить линейную плотность t заряда, если напряжённость поля на расстоянии r=0,5м от проволоки против её середины Е=2В/см.

28. Дана заряженная бесконечная плоскость с поверхностной плотностью заряда 40мкКл/м² и одноимённо заряженный шарик с массой 1г и зарядом 1нКл. Шарик подвешен на нити, закреплённой к заряженной плоскости. Какой угол с плоскостью составляет нить, на которой висит шарик?

29. С какой силой на единицу длины отталкивает поле заряженной плоскости с поверхностной плотностью s=10мкКл/м² бесконечную нить с линейной плотностью заряда t=5 Кл/м.

30. Два точечных электрических заряда q₁=1нКл и q₂=-2нКл находятся в воздухе на расстоянии d=10см друг от друга. Определить напряжённость Е и потенциал j поля, создаваемого этими зарядами в точке А, удалённой от заряда q₁ на расстояние r₁=9см, от заряда q₂ на r₂=7см.

31. Точечный заряд q=25нКл находится в поле, созданным прямым бесконечным цилиндром радиусом R=10^-2 м, равномерно заряженным с поверхностной плотностью s=0,2 нКл/см². Определить силу F, действующую на заряд, если его расстояние от оси цилиндра r=10^-1 м.

32. По тонкой нити, изогнутой по дуге окружности, равномерно распределён заряд с линейной плотностью t=10нКл/м. Определить напряжённость Е и потенциал j электрического поля, создаваемого таким распределённым зарядом в точке, совпадающей с центром кривизны дуги. Длина l нити составляет одну треть длины окружности и равна 15см.