86. Электризация тел

    1. Скорее всего, эксперименты с электризацией тел трением кажутся вам не слишком серьезным занятием. Но именно с электризации тел трением 2000 лет назад начались исследования электричества.

       1. Приведите примеры тех открытий, к которым привело развитие «несерьезных» экспериментов по электризации.

       2. Приведите примеры тех устройств, которые исчезли бы из нашей жизни без электричества.

       3. Сколько лет назад люди начали применять электричекую энергию в повседневной жизни? Каким было тогда население Земли? Во сколько раз оно увеличилось с тех пор?

       4. Представьте и опишите нашу жизнь с современным населением, но без электрических приборов и вообще без всех устройств, в которых используется электричество.

    2. Какой вид энергии используется для разделения зарядов при электризации трением?

    3. Встречались ли вы с устройствами, использующими для разделения зарядов другие виды энергии: тепловую, химическую, световую? Приведите примеры таких устройств.

    4. Какую энергию использует для разделения зарядов ветроэлектростанция? Солнечная батарея? Геотермальная электростанция? Тепловая электростанция?

87. Два вида электрических зарядов

    1. На уроках химии вы уже познакомились со строением атома и тем, как из атомов образуются ионы. В природе ионы образуются не только в химических реакциях, но и в воздухе под воздействием космического излучения.

       1. Какие ионы чаще других должны образовываться в воздухе, если он на 98% состоит из азота N₂ и кислорода О₂?

       2. Если излучение, разбивающее на ионы молекулы воздуха, приходит к нам из космоса, то где количество ионов должно быть больше – у поверхности Земли или высоко над ней?

       3. Почему в воздухе, прошедшем через фильтр или кондиционер, практически нет ионов?

       4. Почему в сильно запыленном воздухе или в наглухо закрытом помещении количество аэроионов уменьшается во много раз?

    2. Для того, чтобы в помещениях присутствовали аэроионы, используются специальные приборы – ионизаторы воздуха.

       1. Почему на стене около ионизатора воздуха со временем образуется пятно из осевшей пыли?

       2. Почему рядом с ионизатором воздуха чувствуется слабый запах озона?

       3. Почему для озона, состоящего только из атомов кислорода, есть ПДК (предельно допустимая концентрация) в воздухе, как для вредных примесей?

       4. Почему озонаторы большой мощности убивают плесневый грибок, устойчивый даже к ядам?

    3. Количество легких ионов в 1 см³ воздуха над лесами составляет 2000-3000, в городском парке – 800, в промышленном районе – 200-400, а в закрытом многолюдном помещении – 25-100.

       1. С чем могут быть связаны такие различия – со способностью растений производить ионы или с их способностью улавливать пыль?

       2. Как могут влиять на количество ионов в воздухе посторонние примеси?

       3. Какие еще факторы могут уменьшать количество аэроионов в воздухе? А какие могут увеличивать?

88. Взаимодействие зарядов

    1. Молния – это разряд между поверхностью Земли и отрицательно заряженной нижней частью облака.

       1. Куда движется поток электронов в молнии – вверх или вниз?

       2. Какую роль играли молнии и вызванные ими пожары в жизни лесов?

       3. В заповедниках растительный и животный мир стараются максимально сохранить в естественных условиях. Как вы считаете, нужно ли в заповедниках тушить пожары, вызванные молниями?

    2. В реакторах атомных электростанций ядра атомов в результате ядерных реакций разваливаются на два осколка.

       1. Какой заряд (положительный или отрицательный) имеют эти осколки?

       2. Как они взаимодействуют между собой? К чему приводит это взаимодействие?

       3. Почему материалы, из которых сделаны атомные реакторы, со временем меняют свои физические и химические свойства и становятся менее прочными?

       4. Почему такие процессы идут даже в самых химически стойких веществах, если они находятся в реакторе?

89. Закон сохранения электрического заряда

    1. Если бы нашелся человек, который усомнился бы в точном равенстве величин положительных и отрицательных зарядов, какие аргументы вы привели бы для доказательства этого равенства?

    2. А можно ли путем измерений доказать, что положительные и отрицательные заряды действительно точно равны другу, а не просто очень близки по величине?

    3. Когда космическое излучение разбивает молекулу газа на два иона, могут ли они оба быть положительными? Отрицательными? Почему?

    4. Почему два разноименно заряженных иона, образовавшиеся из одной молекулы, тут же не слипаются вместе?

    5. При радиоактивном распаде ядра урана один из осколков оказался ядром атома йода. Ядром какого атома будет второй осколок?

90. Электрическое поле

    1. Планета Земля имеет отрицательный заряд.

       1. Что означают эти слова?

       2. Как Земля действует на положительные ионы? На отрицательные ионы?

       3. В космосе мимо Земли постоянно пролетают как положительные, так и отрицательные частицы. Как действует на них заряженная Земля? Как должен со временем меняться заряд Земли?

    2. Какой вред может принести человеку попадание в сильное электрическое поле?

    3. Можем ли мы увидеть электрическое поле? По каким признакам мы можем догадаться о его существовании?

    4. Солнечная батарея представляет собой тонкую пленку из специально материала, в которой под действием света происходит разделение зарядов.

       1. Возникает ли электрическое поле внутри пленки?

       2. Как взаимодействуют между собой разделившиеся заряды?

91. Действие электрического поля на электрические заряды

    1. Уже несколько фирм разработали и выпускают «многоразовую» или даже «вечную» бумагу. Разработка Gyricon фирмы Xerox (рис. 6 на обложке) представляет собой слой шариков, белых с одной стороны и черных с другой, которые поворачиваются электрическим полем.

       1. Почему электрическое поле действует на шарики?

       2. Как можно добиться того, чтобы шарики поворачивались только в нужных местах, образуя текст или рисунок?

       3. Как добиться того, чтобы «вечная» бумага вновь стала белой?

       4. Какую информацию имеет смысл печатать на такой бумаге?

    2. Под воздействием космических лучей и естественной радиоактивности в атмосфере постоянно происходит разрушение молекул с образованием положительных и отрицательных ионов.

       1. Как будут взаимодействовать ионы между собой сразу после образования?

       2. Если паре образовавшихся ионов удалось разлететься на некоторое расстояние друг от друга, как на них будет действовать электрическое поле Земли?

       3. В какую сторону будут двигаться положительные ионы? Отрицательные ионы?

       4. Каких ионов больше в приземном слое воздуха: положительных или отрицательных?

       5. В воздухе, прошедшем через любой фильтр, ионов нет совсем. Как вы думаете, почему?

       6. Что можно предпринять для того, чтобы очищенный или охлажденный воздух стал содержать в себе ионы?

92. *Проводники, диэлектрики и полупроводники

    1. До середины ХХ века в электротехнике применялись только проводники и диэлектрики, хотя полупроводники были давно известны.

       1. Назовите как можно больше современных приборов, в которых используются полупроводники и которые помогают нам экономить энергию.

       2. Развитие полупроводниковой техники дало возможность создавать очень маленькие и очень мощные компьютеры. Попросите своих родителей вспомнить, какими были первые компьютеры и во сколько раз улучшились их характеристики.

    2. Найдите информацию о применении современных светодиодов для освещения домов.

       1. Найдите аргументы за и против применения светодиодных ламп (СДЛ) по сравнению с широко распространенными сегодня энергосберегающими люминесцентными лампами (ЭСЛ).

       2. Организуйте короткое «совещание инвестиционного комитета» на тему «Инвестировать в производство ЭСЛ иди СДЛ?»

       3. Почему сегодня в разных странах строят заводы и по производству ЭСЛ, и по производству СДЛ?

    3. Подготовьте сообщение о принципах работы полупроводниковых солнечных батарей и об их «эволюции».

       1. Как менялся со временем КПД таких батарей? Их стоимость? Стоимость вырабатываемой ими электроэнергии?

       2. Какое будущее ожидает обычные электростанции, если совершенствование солнечных батарей будет продолжаться такими темпами?

93. Конденсатор

    1. Найдите примеры конденсаторов в природе. Разряд какого природного конденсатора видел и слышал каждый из нас?

    2. Какие преимущества имеют конденсаторы перед аккумуляторами? Какие недостатки?

    3. Оболочка (мембрана) живых клеток – тоже конденсатор, причем заряженный. Как и почему может повлиять на мембрану внешнее электрическое поле?

94. Энергия электрического поля конденсатора

    1. Первые конденсаторы – так называемые «лейденские банки» известны людям уже более 200 лет. Почему же никто не пытался сделать электромобиль, движущийся на энергии, запасенной в «лейденских банках»?

    2. На первые модели электромобилей, кроме аккумуляторов, устанавливали еще и конденсаторы большой емкости. Объясните, для чего.

    3. Сегодня конденсаторы большой емкости применяются в источниках бесперебойного питания (ИБП).

       1. Какая энергия содержится в ИБП, способном питать компьютер мощностью 150 Вт в течение 30 минут?

       2. Иногда ИБП используют для аварийного освещения, которое нужно, если прекратится подача электрического тока в помещение. Какую мощность могут иметь лампочки аварийного освещения, чтобы они горели 10 минут после выключения электричества.

       3. Можно использовать ИБП в квартире для аварийного освещения. Сколько времени после отключения электричества будут гореть пять светодиодных ламп мощностью по 3 Вт? Хватит ли этого времени, чтобы выучить уроки?

    4. Для того чтобы двигаться по горизонтальной дороге, к легкому мотоциклу массой 100 кг нужно прикладывать силу 25 Н.

       1. Сколько километров сможет проехать такой мотоцикл на энергии, запасенной в ИБП?

       2. Имеет ли смысл создавать такой мотоцикл, например, для поездок на работу или учебу?

       3. Подумайте, как можно улучшить такое транспортное средство, чтобы идея могла стать основой для вашего будущего бизнеса.

95. Постоянный электрический ток

    1. В каких случаях физическое явление сопровождается электрическим током?

       1. Ветер переносит заряженное облако;

       2. Капли дождя в результате движения через заряженный воздух приобрели различный по величине и знаку заряд;

       3. Положительно заряженные комары вьются над неподвижно стоящим человеком;

       4. Облако заряженных комаров продолжает виться над медленно идущим человеком;

       5. Наша планета несет отрицательный заряд. Поэтому образующиеся в воздухе отрицательные ионы поднимаются вверх, а положительные опускаются вниз;

       6. Текущая вода состоит из молекул, в атомах которых есть положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны.

96. *Источники постоянного тока

    1. Для электромобилей емкость аккумуляторной батареи – один из основных параметров, и емкость батареи стремятся сделать как можно большей. В «Тойоте Приус» аккумуляторная батарея небольшая, запас энергии в ней примерно такой же, как в обычном автомобильном аккумуляторе.

       1. Почему конструкторы «Тойоты» сочли такой аккумулятор вполне достаточным?

       2. Какие преимущества бензобака и аккумулятора использует такой автомобиль?

       3. Подготовьте сообщение о других гибридных автомобилях, выпускаемых серийно.

    2. У гибридного автомобиля «Тойота Приус» датчик заряда аккумулятора постоянно показывает значения около половины от максимального заряда, что на первый взгляд кажется неисправностью.

       1. Почему конструкторы машины так настроили систему зарядки аккумулятора?

       2. Откуда, кроме бензинового двигателя, может получать энергию аккумулятор?

    3. Как можно узнать, сколько «пальчиковых» батареек сможет заменить один аккумулятор такого же размера? Выполните необходимые исследования в рамках школьного проекта.

    4. Трудно представить наш сегодняшний мир без аккумуляторов.

       1. Перечислите несколько используемых вами устройств, в которых они есть.

       2. В каком постоянно используемом вами устройстве применяется самый лучший аккумулятор?

       3. Реально ли построить электромотоцикл или даже электромобиль, способный проезжать хотя бы 100 км, получая энергию от нескольких таких аккумуляторов?

       4. Найдите информацию о серийно выпускаемом спортивном автомобиле на таких аккумуляторах.

97. Сила тока

    1. Сколько кулонов электричества может отдать в электрическую цепь аккумулятор, на котором написано 1100 мА*ч? 2800 мА*ч?

    2. Ученик собрал мини-фонарик из аккумулятора размером ААА (емкостью 1300 мА*ч) и светодиода. Сила тока в светодиоде 7 мА.

       1. Сколько времени будет работать такой фонарик до разрядки аккумулятора?

       2. Если сделать такой фонарик на маленькой лампе накаливания, сила тока в ней будет равна 0,3 А. Сколько времени проработает фонарик с такой лампой?

       3. Почему при одинаковой силе света светодиод забирает гораздо меньше энергии из аккумулятора?

    3. Какой заряд проходит между Землей и облаком при разряде молнии, если сила тока в ней составляет около 12000 А, а длится разряд около 2 мс?

    4. На «пальчиковом» аккумуляторе написано 2800 мА*ч.

       1. Сколько кулонов электрического заряда может отдать в цепь такой аккумулятор?

       2. Какую выгоду дает применение таких аккумуляторов их владельцу и окружающей среде?

    5. Предложите способ измерить, сколько кулонов электричества может отдать в цепь пальчиковая батарейка. Сравните стоимость аккумулятора и всех батареек, которые он заменяет.

98. Напряжение

    1. В экономичном гибридном автомобиле «Тойота Приус» аккумуляторная батарея состоит из 168 маленьких аккумуляторов, каждый из которых создает напряжение 1,2 В. Общее напряжение батареи составляет 201,6 В. Как соединены между собой аккумуляторы в батарее?

    2. При разряде молнии между Землей и облаком проходит около 10 Кл заряда.

       1. Какая энергия высвобождается при разряде молнии, если напряжение между Землей и облаком равно 800 МВ?

       2. Почему до сих пор не построено ни одной электростанции, способной ловить и сохранять энергию молний?

    3. Сколько энергии содержится в пальчиковом аккумуляторе с напряжением 1,2 В, на котором написано 1300 мА*ч? 3300 мА*ч?

    4. Предложите способ измерить, сколько джоулей электрической энергии может отдать в цепь пальчиковая батарейка. Проведите сравнение стоимости аккумулятора и всех батареек, которые он заменяет.

99. Электрическое сопротивление

    1. Чему равно сопротивление алюминиевых проводов, передающих энергию отдаленной электростанции, например, на 500 км? Площадь сечения провода 3 см².

       1. Какая мощность теряется в этих проводах, если сила тока равна 500 А?

    2. Почему один только переход на выработку электроэнергии небольшими электростанциями, расположенными недалеко от потребителя энергии, позволит сэкономить столько электроэнергии, что можно не строить новых электростанций?

       1. Почему сейчас в мире стараются переходить от больших и мощных электростанций к малым, которых можно построить много?

       2. Найдите информацию о программах развития малой энергетики в России и других странах.

100. *Носители электрических зарядов в металлах, полупроводниках, электролитах и газах

     1. Одним из способов использования солнечной энергии в ближайшие годы станет строительство «Солнечных островов», плавающих в океане. За счет солнечной энергии они будут вырабатывать электричество. Однако его собираются не передавать по проводам, а использовать для разложения воды на водород и кислород.

        1. Какой из этих двух газов будет доставляться на сушу и использоваться там для выработки энергии?

        2. Почему нельзя использовать такой способ доставки энергии с отдаленных речных электростанций и приходится передавать ее по проводам, теряя до четверти выработанной электроэнергии?

     2. Энергосберегающая люминесцентная лампа представляет собой длинную трубку, наполненную газом, с двух концов которой размещены электроды. Как вы знаете, газы – очень плохие проводники электрического тока.

        1. Каким же образом по этой трубке течет ток?

        2. Почему энергосберегающая лампа при работе нагревается гораздо меньше, чем лампа накаливания?

     3. Повторите эксперимент из упражнения 1.2.

        1. Какой способ отличить «10-капельный» и «13-капельный» растворы соли вы можете предложить теперь?

        2. Можно ли таким способом заметить разницу между растворами сахара? Спирта? Соды? Почему?

     4. В ионизаторе воздуха к тонкой игле подходит проводник, подключенный к отрицательному полюсу источника высокого напряжения.

        1. Объясните, с помощью каких заряженных частиц ток проходит в металле и в воздухе.

        2. Что происходит в дальнейшем с этими частицами?

101. *Полупроводниковые приборы

     1. Светодиод отличается от обычного полупроводникового диода тем, что при попадании электрона в «дырку» испускается световое излучение.

        1. Откуда берется энергия, превращающаяся затем в световую?

        2. В каких формах находится и в какие формы переходит энергия электрического тока в светодиоде?

        3. В каком осветительном приборе потери энергии больше: в лампе накаливания или в светодиодной лампе?

     2. Во время работы светодиод нагревается, хотя и меньше, чем лампа накаливания. Что заставляет двигаться быстрее атомы веществ, из которых сделан светодиод?

     3. Нарисуйте схему движения электронов и дырок в светодиоде. На каком токе – прямом или обратном – возникает свечение?

102. Закон Ома для участка электрической цепи

     1. Сопротивление лампы накаливания – 500 Ом.

        1. Какой ток потечет в ней при включении в сеть с напряжением 220 В?

        2. Во сколько раз этот ток больше, чем в энергосберегающей лампе, сопротивление которой 2500 Ом?

        3. Сопротивление светодиодной лампы, дающей столько же света, равно 10 кОм. Какой ток потечет через светодиодную лампу?

        4. Во сколько раз он меньше, чем ток через лампу накаливания?

        5. Во сколько раз отличаются мощности, потребляемые этими лампами?

103. *Последовательное и параллельное соединение проводников

     1. В современных электромобилях применяются мотор-колеса, то есть колеса, внутри каждого из которых находится электродвигатель (рис. 11 на обложке).

        1. Как должны быть соединены между собой мотор-колеса электромобиля, чтобы они могли получать энергию от аккумуляторной батареи независимо друг от друга?

        2. Какие преимущества имеет перед обычным автомобилем электромобиль с мотор-колесами?

        3. Какие еще преимущества имеет электромобиль?

     2. Сверхъяркие светодиоды рассчитаны на напряжение 3,5 В.

        1. Как они должны быть подсоединены в аккумуляторном фонаре, напряжение аккумулятора которого 14 В?

        2. Нарисуйте схему с минимальным количеством светодиодов, участвующих в таком соединении.

        3. Если мы хотим получить бóльшую силу света от фонаря, как мы можем добавить в схему дополнительные светодиоды?

     3. Светодиодная лампа состоит из 30 светодиодов, каждый из которых рассчитан на напряжение 3,5 В и ток 0,07 А.

        1. Можно ли включить их в электросеть с напряжением 220 В?

        2. Если у нас есть источник напряжением 12 В, как должны быть подключены к нему эти 30 светодиодов?

        3. Какой ток будет при этом течь по цепи? Какую мощность будет потреблять светодиодная лампа?

        4. Какую мощность должна иметь лампа накаливания, чтобы светить так же ярко? КПД лампы накаливания 5%, светодиодов 90%.

     4. Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника, которым является электростанция, соединительных проводов линии электропередач и потребителя энергии, которым является город или предприятие.

        1. Как соединены между собой потребитель и два соединительных провода?

        2. Что можно сказать о силах токов и напряжениях на элементах этой цепи?

104. Работа и мощность электрического тока

     1. Мощность бесплотинной «карусельной» ГЭС 9,5 кВт.

        1. Какую силу тока она создает в цепи, если напряжение равно 220 В?

        2. Почему бесплотинные ГЭС не вредят реке?

        3. Сколько кВт*ч дает такая карусельная ГЭС в месяц?

        4. Сколько квартир или домов она сможет снабжать электроэнергией? В качестве примера для расчета возьмите, как всегда, данные своего дома или квартиры.

     2. «Спящие» устройства (в режиме Stand-by) только в Англии ежегодно впустую расходуют 7 тераватт-часов электроэнергии.

        1. Какова средняя мощность, потребляемая всеми электроприборами Англии в режиме ожидания? А в расчете на одного жителя?

        2. Сколько электростанций мощностью по 500 МВт можно было бы не строить в Англии просто за счет выключения электроприборов?

        3. Сколько угля пришлось сжечь, чтобы выработать эту электро­энергию, потраченную впустую? Учтите, что КПД тепловых электростанций обычно не превышает 35%.

        4. Сколько СО₂ выделилось при этом в атмосферу?

     3. Предложите способ и померяйте мощность, потребляемую «спящими» устройствами у вас дома.

        1. Сколько электроэнергии впустую тратится в течение месяца у вас дома?

        2. А в домах всех учеников вашего класса? В среднем в одной семье?

        3. Если считать, что ваши «средние энергопотери» примерно такие же, как в средней российской семье, сколько электроэнергии расходуется в режиме ожидания в 40 млн. семей?

     4. Повторите расчеты задачи 104.2 для полученных вами российских данных.

     5. Международное энергетическое агентство (International Energy Agency – IEA), выдвинуло глобальный «План один ватт» («One Watt Plan»), согласно которому к 2010 году все новые приборы должны будут потреблять в «спящем» режиме мощность меньше 1 Вт.

        1. Какая сила тока будет идти по цепи, в которую включен такой прибор?

        2. Какая сила тока будет у такого прибора в США, где напряжение в сети 110 В?

        3. Если электроприборы в вашем доме будут потреблять в «спящем» режиме не более 1 Вт, сколько кВт*ч можно сэкономить за год? А сколько рублей?

     6. Выработка электроэнергии с помощью ветра – самый популярный вид альтернативной энергетики. Мощность ветроэлектростанций мира в 2000 г. составляла около 20 ГВт и росла на 20-30% в год. В 2007 г. она составляла уже около 100 ГВт.

        1. Сколько Дж энергии выработали бы в 2007 г. все ветроэлектростанции за сутки, работая на полную мощность?

        2. А сколько кВт*ч они выработали бы за год?

        3. Какую долю от максимальной составляет реально выработанная ВЭС электроэнергия – 200 ТВт*ч?

        4. Сколько таких семей, как ваша, могли бы снабжать электроэнергией все ветроэлектростанции мира? Какую долю от всего населения Земли это составило бы?

     7. Сколько джоулей энергии запасено в автомобильном аккумуляторе, на котором написано 55 А*ч, 12 В? Сколько бензина нужно сжечь, чтобы при сгорании выделилось столько же энергии?

     8. Емкость аккумулятора гибридного автомобиля «Тойота Приус» равна 6,5 А*ч, напряжение 201,6 В.

        1. Сколько кулонов электричества может отдать двигателю такой аккумулятор?

        2. Какую работу совершит электродвигатель с КПД=95%, использующий энергию этого аккумулятора?

        3. Сколько бензина нужно сжечь, чтобы при сгорании выделилось столько же энергии, сколько запасено в аккумуляторе?

        4. Почему в реальном двигателе внутреннего сгорания для совершения такой же работы придется сжечь в несколько раз больше бензина?

     9. Составьте несколько задач на основе данных, приведенных в этом тексте:

Максимальная скорость электромобиля Colt EV равна 150 км/ч, пробег на одной зарядке в городском цикле движения – 150 км. Общая ёмкость аккумуляторов Colt EV составляет примерно 13 кВт*ч. Выходит, что в городском цикле эта машинка расходует 31,2 МДж энергии на 100 км – меньше, чем содержится энергии в одном литре бензина!