Электрические цепи содержат источники тока, потребители, ~ .

· § 16. Условия вознuкновенuя электрического тока
.§ __ 16.
Условия вознuкновенuя
эле~jр~ческого тока
, Изуча~ ' физику в
предыдущих классах, вы узнали,
что такое электрический ток, каковы его основные свойства и
закономерности,. Г.де .:и как он применяется. Напомним, что
под электрическим током понимают направленное движение
заряженных частиц или тел. Ток соnровождается определен­
ными физическими действиями: магнитными, тепловыми, ·
химическими и т. д. По этим действиям можно легко опреде­
лить наличие электрического тока в той или иной среде.
Для создания электрического тока необхо~имы определенные
,
условия:
1)
2)
наличие свободных носителей электрических зарядов;
н~ичие в среде причин, которые могут двигать заря­
женные
частицы
в
определенном
направлении,
например
-
электрическое или магнитное поле, ускоренное движение про-.
·
водника.
·
47
Условия возникновения Электрического тока:
- наличие свободн'ых носителей электрических зарядов;
- существование в среде причин направленного движения
частиц.
(j
-
Рассмотрим закономерности прохождения тока в провод­
нике, который является частью электрической цепи.
Для :riеремещения частиц должна быть определенная раз­
ность потенциалов, т . е. на концах проводника должны быть
различные потенциаЛы. Тогда носители заряда будут двигаться
от конца с большим потенциалом к концу с меньшим потен­
циалом .
Чтобы это происходило постоянно, между концами провод­
ника должна существовать постоянная разность потенциалов.
Выполнение этого условиЯ обеспечивают источники тока, ра­
ботающие за счет иреобразования различных видов энергии· в ·
электрическую. Так, в гальванических элементах и аккумулято­
рах происходит иреобразование энергии химических взаимодей­
ствий, в термагенераторах-тепловой энергии, в электромеха­
нических генераторах
-
механической . Кроме источника тока,
электрические цепи содержат и другие элементы, соединенные
проводниками: различные потребители электрической энер­
гии, измерительные и регулирующие приборы, выключатели.
Электрические цепи содержат источники тока, потребители, ~
.­
измерительные и реrулирующие приборы, выключатели.
\.WJ
--------- -
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК
Электрический ток характеризуют физической величиной,
называемой силой
mmca.
Она характеризует скорость движе­
ния заряженных частиц в проводнике и численно равна отно­
шению · перенесенного частицами заряда
мени
!1t,
!1Q
к интервалу вре­
на протяжении которого произошел э.тот перенос:
= !1Q.
I
ы
Ток называется постоянным, если за
-
любые равные интервалы времени через
l=I1Q
ы
поперечное
сечение
проводника
произо-
шло перенесение одинаковых зарядоiJ.
В Международной системе единиц (СИ) единицей силы
тока является ампер:
1 А= 1Кл· = 1
1с
(i) 1 А= 1 Кл = 1 Кл
-48
В
1с
с
1826-1827
с
Для измерения силы тока: применяются
также
кратные
и
долевые
единицы:
1
1
1
связи
Кл.
= 1 мкА = 1о- 6 А;
миллиампер = 1 мА = 10-з А;
килоампер :: 1кА = 103 А.
микроампер
гг. немецкий физик Георг Ом открыл закон
между силой
тока,
напряжением
и
сопротивлением
участка цепи:
сила rrimca в одпородпом учасm1ее цепи прямо пропорцио­
пальпа папряж~пию и обратпо пропорциопальпа сопротивлепию проводnи1Са
и
.
l=-
R'
где
I -
сила тока; и
-
напряжение на участке цепи;
R -
со­
противление проводника .
-
Сиnа тока в однородном участке цепи прямо пропорционаnь·
на напряжению и обратно пропорциона:nьна соnротивлению
проводника:
I
=-и·
R
·
16. Условuя вознuкновенuя
Вспомним, что напряжение И
-
это энергетическая характе­
ристика электрического поля, которая равна работе А поля по
nеремещению единичного электрического заряда
Q по
данному
участку цепи:
А
И=-.
Q
В СИ она измерЯется в вольтах (В).
На ирактике использ-у:ются кратные и долевые единицы напряжения:
милливольт = 1 мВ = 10-3 В;
микровольт= 1 мкВ = 10-6 В;
киловольт= 1 кВ= 103 В;
мегавольт = 1 МВ= 106 В.
1
1
.1
1
Сопротивление каК физическая величина является характе­
ристикой электрических свойств проводни~а и зависит от гео­
метрических и физических его параметров. Природа электри­
ческого сопротивления объясняется взаимодействием. движу­
щихся носителей · заряда с другими структурными элементами
nроводника, в частности с ионами кристаллической решетки.
.
49
Формула закона Ома позволяет рассчитать сопротивление
проводника:
R=u
I.
Если при напряжении 1 В в проводнике проходит ток
то сопротивление этого .проводнzща составляет 1 Ом.
1 А,
Если при напряжении 1 В в проводнике проходит ток 1 А, то ~. ·
сопротивление этоrо проводника сосrа&~,~яет
1 Ом.
·
lОм= lB
~-)
-
1А
Кратные и долевые единицы электрического сопротивления:
1
1
1
миллиом = 1 мОм= 10-3 Ом;
килоом = 1 кОм= 103 Ом;
мегаом = 1 МОм = 106 Ом.
Сопротивление проводника также можно р~ссчитать, зная
его вещество и геометрические размеры:
R=pl
s'
где р
-
удельное сопротивление ве­
щества проводника;
водника;
S -
сечения проводника.
4·Fizlka (rus), 11 kl
l ...,.
длина про­
площадь поПеречного
~
(
R=pl
s
(j)
-
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК
1.
2.
Что такое электрический ток?
Что такое сила тока?
Э. Назовите единицы измерения силы тока .
4.
Между какими физическими величинами устанавливает зави ­
симость закон Ома?
5. Что называют напряжением?
6. Какова природа электрического сопротивления?
§ 17. · Работа u
мощность тока
ЭнергИя электрического тока в цепи мо~ет пре­
вращаться
·в
другие
виды
энергии:
тепловую,
химическую,
механическую, световую и т. п. Любое это превращение про­
исходит при выполнении работы.
Работа, выполняемая полем при перенесении частиц с об­
щим заряДом 11Q по участку цепи, определяется по формуле:
А=
50
11Q = I l1t,
Поскольку
11QU.
то для определения работы можно
применить формулу:
(j)
-
А=
А=
UI!lt
UI!lt.
Работа электрического тока, как
и любая другая работа, измеряется
в джоулях (Дж). Таким образом,
1
Дж
=1
В
·1
А
·1
с
= 1 ·В · А ·
с.
Для характеристИки способ1_1ости выполнять работу применя­
ют понятие •мощность•. Мощность равна работе, выполняемой
.
.
за единицу времени:
А
Р=-=ИI.
l1t
(j)
-
А
Р=-=ИI
l.!t
В СИ единицей мощности явля-
ется ватт (Вт).
1Вт=1В·1А
·
1 Вт= 1 Дж.
1с
Для электрического тока 1 Вт = 1 В · 1 А = 1 В · А.
Для измерения мощности электрического тока применяют
также кратные и долевые единицы:
1
1
1
1
1
микроватт= 1 мкВт = 10-6 Вт;
милливатт= 1 мВт = 10-з Вт;
гектоватт = 1 :rВт = 10 2 Вт;
киловатт = 1 кВт = 10 3 Вт;
мегаватт= 1 МВт = 106 Вт.
сила uсточнuка тока
'0дцим из цаиболее примецяемых ца практике действий тока
является его тепловое действие; На ' нем 'осцовац'Ы различцые
тепловые электрИческие ·J;Iриборы
-
электрические утюги, во­
доцагреватели, электрочайцики, обогреватели и т. п. Количе­
ство теплоты,
выделяемое проводциком при прохождеции
электрического тока за определеццое время, определяется · за-
коцом Джоуля'-Лецца: ·
.
Q = J2R,bl,
где I - сила тока; R - сопротивление
проводника; Ы - ицтервал времени.
§ 18.
·
Q=J2RЫ
Электроgвuжущая сuла
51 '
uсточнuка тока
Рацее мы . установили, что для возникновениЯ
электричес!\ОГО тока в цепи цеобходимо создать на . :rоонцах
проводника разность потенциалов и поддерживать ее длитель­
ное время.
Это условие может быть выполнено, если в электрической
цепи будет источник тока, который за счет своих внутренних
взаимодействий будет выполнять работу по разделению элект­
рических зарядов. Эти взаи.модействия получилИ название
стороцних сил, поскольку ~меют н.еэЛ;е1СmростriатичесJСое про­
исхождение.
Сторонние силь1 выполняют работу по · разделению элект· •
рических зарядов в электрической цепи. Они имеют неэлектростатическое происхождение.
.
'
-
•
Так, в гальвацических элементах эта эцергия возцикает
вследствие химических реакций между разнородцыми веще­
ствами. В солн;ечцых батареях Заряды раздел~ются вследствие
взаимодействия фо·rоцов с атомами вещества. В электрофорцой
машине разделецие зарядов происходит при выполцеции ме­
хацической работы при · вращеции дисков.
Поэтому для характеристики способцости источцика. тока
создавать разцость потенциалов используют поцятие электро­
движущей силы
4"
-
ЭДС.
.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК
Электродвижущей силой источника
'if
называют физичес­
кую величину, которая характеризует способность сторонних
сил создавать и
поддерживать разность потенциалов в
цепи.
Она равна отношению работы сторонних
сил Астор к значению
.
разделенных зарядов
t:,.Q.
g = Астор.
.
t:,.Q
в
+
Электродвижущая сила являет­
А
ся характеристикой источника тока
-:::;-
и не зависит от того,
нюю
r
'
1~
какую внеш­
присоединяют
к
его
полюсам.
Как и напряжение, она измеря­
ется в вольтах (В).
R -
Рассмотрим более детально роль
Puc. 1.50. Сомкнутая
электрическая цепь
52
нагрузку
источника
тока
цепи (рис.
1.50).
в
электрической
Во внешней цепи положительные
носители заряда будут двигаться от полюса А к полюсу В.
Сторонние силы для поддержания постоянной разности по­
тенциалов внутри источника будут разделять электрические
заряды за счет работы сил неэлектростатической природы . .
Таким образом, в источнике тока будет nроходить ток, сила
которого будет такой же, как и во внешней цепи. Поэтому
источник
тока
будет
иметь
определенное
сопротивление,
определяющее силу тока в цепи. Это сопротивление называют
внутренним. сопротивлением. источника тока.
Учитывая наличие источника тока, в цепи можно выделить
внутреннюю и внешнюю часть. Общее сопротивление цепи бу­
дет равно сумме сопротивлений внешней и внутренней _частей.
1.
2.
3.
Какова роль источника тока в цепи ?
Какова природа сторонних сил?
Какова роль сторонних сил внутри источника?
4. Что такае электродвижущая сила?
5.
Какое nроисхожДение внутреннего сопротивления источника
·
тока?
§ 19.
Закон Ома gля полноО цепu
Открытый Г. Омом закон для участка цепи в об­
щем случае справедлив и для полной цепи, если пр~:~нимать
во
внимание
как
внешнюю,
так
и
внутреннюю
части
цепи.
Математическую запись закона Ома для этого случая можно
19. Закон Ома
R
Puc. l51.
Замкнутая
электрическая
цепь
1f=И
вн
+И
ввеm
.
Если учесть, что · по закону Ома для участка цепи И
=IR,
то
53
получим формулу этого закона для полной цепи:
1! = IR + Ir, отсюда I = -~
R+r
Таким образом, сила тока в полной цепи пропорциональна
электродвижущей сИле источника и обратно пропорциональ­
на полному сопротивлению цепи.
Сила тока в полной цепи -пропорциональна электродвиЖущей ~
силе источника и обратно пропорциональна полному conpo- ·\ . )
тивлению цепи:
l=
~
R+r
..
Пользуясь законом Ома для полной цепи, можно рассчитать
два экстремальных случая в электрической цепи
-
к'ороткое
замыкание и разомкнутую ·цепь. Если сопротивление внешней
цепи стремится к нулю (короткое замыкание), то сила тока в
цепи
[кз
~
="":"·
r
Это будет максимальное значение силы тока для данной цепи,
Если цепь разорвана
(R
~ оо), то ток в цепи прекращается
при любых значениях ЭДС и внутреннего сопротивления. В по­
следнем случае напряжение на полюсах источника тока будет
равно электродвижущей силе. Поэтому иногда дают упрощен-
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК
но~ определение ЭДС: это величина,
равная
напряжению
на
клеммах
источника · при разомкнутой цепи .
Источники
тока
могут
Puc. 1.52. Схема послеgова­
. тельного соеguненuя
соединяться в батареи. Суще­
ствуют несколько способов
UCTOЧHUKOB ТОКа
соединения источников тока .
Последовательным называют соединение, при котором со­
единяются друг с другом разноименные полюса источников:
положительный предыдущего с отрИцательным следующего и
т. д. (рис.
ковыми
1.52).
Чаще всего соединяют источники с одина­
характеристиками,
соединении
N
поэтому
при
последовательном
источников ЭДС батареи будет в
N
раз больше,
чем ЭДС ОДНОГО ИСТОЧНИКа:
~ат = N~
Внутреннее сопротивление такой батареи будет также в
N
-
54
раз больше:
rбат
= Nr.
Для последовательного соединения истоЧников ·тока закон
Ома для полной цепи будет записываться:
=
1 --
11
~
N~.
R+Nr
Последовательное соеДинение JiСточников тока удобно в том случае,
когда сопротивление потребителя зна­
чительно больше внутреннего сопро­
тивления одного источника тока.
Puc. 1.53.
Схема парал-
лельнога соеguненuя
UCTOЧHUKOB ТОКа
Параллельным является; соединение,
при котором все одноименные полюса
соединяюrся в один узел (рис.
1.53).
Параллельное соединение применя­
ют тогда, когда в цепи необходимо получить большое значе­
ние силы тока при небольтом напряжении.
Электродвижущая сила батареи параллельна соединенных
одинаковых источников равна ЭДС одного источника:
~ат
=
if.
Внутреннее сопротивление при параллельном соединен;ии
N
одинаковых источников тока в
N
раз меньше внутреннего
сопротивления одного источника:
rбат =
r
N ·
Формула ·закона Ома для параллельного соединения источ­
никцв имеет вид:
19. Закон
I=
Ома
lf
R+!_
N
Параллельное соединения удобно тог­
да, когда сопротивление внешней части
цепи
значительно
меньше
внутреннего
сопротивления одного источника.
При смешанном соединении батареи
источников тока (параллельно или после­
Puc. 1.54. Смешанное
довательно) в свою очередь соединяют по­
следовательно или параллельна (рис.
1.54).
coeguнeнue
1. Связь между какими величинами оп:>шJа)l~аЕ!Т
полной цепи?
·
2. Какова природа внутреннего сопро1=и вления источника тока?
3. С какой целью источники тока соединяют nоследовательно?
4. С какой целью источнИки тока соединЯ!ОТ параллельно?
5. Как рассчитать ток короткого замыкания?
6. Чему равно напряжение на полюс.а х · источника тока
разомкнутой цепи?
·
Уnражненuе
t. В
10
з·амкнутой цепи с источником тока с ЭДС
дит ток
2 А.
Напряжение на зажимах источника
12 В
1О В .
прохоНайти
внутреннее сопротивление источника и сопротивление нагрузки.
2.
При замыкании источника тока проводником с сопротив­
лени.ем
10
Ом сила тока в цепи · равна . 1 А, а при замыкании
проводником с сопротивлением
4
Ом сила тока
- 2
А. Найти
ЭДС источника тока И его внутреннее сопротивление.
3.
ЭДС
В электрической цепи, состоящей из источника тока с
6
равна
В и проводника с сопротивлением
0,6
9
Ом, сила тока
А. Найти внутреннее сопротивление источника и
ток короткого замыкания для него.
4.
В электрической цепи (рис.
1.55)
включен источник тока
= 2 В и внутренним сопроти­
влением 2 Ом, а также реостат с мак­
с ЭДС
симальным сопротивлением
8
Ом.
а) Какую максимальную силу то­
ка может показать амперметр в этой
·
цепи? .
б) Какую минимальную силу то­
ка может показать амперметр в этой
цепи?
Puc. 155. К
заgаче
4
·
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК
в) Какое максимальное напряжение покажет вольтметр в
этой цепи?
г) Какое минимальное значение напряжения покажет вольт­
метр в этой цепи?
д) Постройте график завцепмости силы тока в этой цепи от
сопротивления ее внешнего участка.
е) Постройте график зависимости напряжения на реостате
от его сопротивления.
Лабораторная работа
ft/11
Определение ЭДС и внутреннего сопротивления
источника тока
Цель. Закрепить знания о законе Ома для полной цепи; овла­
деть методом ()Пределения ЭДС и . внутреннего 'сопротивЛения
источника через изм~рение напряжения и силы тока в цепи.
Оборудовапие. Лабораторный вольтметр, лабораторный ам­
перметр, магазин сопротивлений, выключатель, лабораторный
56
источник тока, проводники.
Теоретические
сведения
Согласно закону Ома для полной цепи ЭДС равна сумме всех
падений напряжения на внутренiJей и внешней части цепи:
~=и
вв
+и
ввеш
.
Если учесть закон Ома для участка цепи, то
и
ввеm
где
r -
'
=IR,
а и
вв
=lr,
внутреннее сопротивление источника тока. Таким об­
разом,
~=IR+Ir.
В этом уравнении две неизвестные
величины, а чтобы их найти по пра- ·
вилам
алгебры,
необхо~имо
иметь
хотя бы два уравнения, в которые
входят эти неизвестные величины.
Для составления таких уравнений
проведем исследование электрич~с­
кой цепи в два этапа.
1) Составим электрическую цепь,
Puc. 156. Прuборы gля
лабораторной работы
в
которую
входят
источник
тока,
амперметр, выключатель и реостат
(магазин сопротивлений) с извест-
ными значениЯми сопротивлений (рис.
1. 56). Подберем не­
R1 и замкнем цепь.
которое средн~е значение сопротивления
Стрелка амперметра покажет некоторое значение силы тока
I 1 • Для этого случая
·
19. Закон Ома
.~ =11R 1
2)
+ 11 r.
Провед~м опыт повторно, заменив резистор в магазине
сопротивлений на иное значение
lf= 1~2
Решив совместно уравнения
Для ЭТОГО' случая
R2.
+ 12 r.
(1)
и
(2),
получим
/1~ -:-12~
r =-=--=---=--..::.
12-/1
.
Подставив значение
r в (1) или (2), получим щшчеиие ЭДС:
.
Jr:1-Jr:1
'if=I r:1 +1 1.. '1
2 .. "2
(3)
1.. '1
1
1 -1 '
2
или
1
. /1~ -12~
'if=l2~ +./2
·
.
.
12-/1
(4)
Выполнение . работы
1. Начертить схему цепи из посЛедовательно соединеиных
источника тока, амперметра, мага~ииа сопротивлений и вы­
ключателя.
2. По начерченной схеме составить цепь.
3. В магазине сопротивЛений вклЮчить сопротивление 2 Ом.
4. Замкнуть цепь и сиять показания амперметра / 1 •
5. Сменить резистор в магазине иа . 5 Ом.
6. Замкнуть Цепь и сиять показания амперметра 12 •
7. Рассчитать ЭДС и внутреннее сопротивление.
·s. Результаты
измереиий . и расчетов записать в таблицу и
провести анализ полученных результатов.
.Табл.ица
Сипа
м
. СопротивЛе-
Внутреннее
тока,
вне внешвей
соnротивление
А
цепи, Ом
источника, Ом
1
2
Н~nряжеilие
. эдс;
в
на клеммах
источника
тока, В
.
9*.
По формулам
(3)
и
(4)
рассчитать ЭДС и ср~иить
полученные значения с показаииями вольтметра.
10*.
При разомкнутой цепи измерить напряжение на клем­
мах источника тока и сравнить его со значением измеренной
ЭДС, сделать выводы.
Д оп о л и и т е Л ъ ·и о е за д а н и е. Провести еще несколько
измерений для различных знач;ений сопротивлений внешнего
участка цепи. Построить график зависимости силы тока от
его сопротивления.
57
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК
§ 20.
Правuла · безопасного
пользования электрuческuм.u
npuбopaмu
~изнь современного человека сильно связана с
использованием электрических приборов и установок. Тело
человека'
является
хорошим
проводником
электрического
тока, который может вызвать в человеческом теле опасные и
необратимые изменения.
Человек,
подвергшийся действию
электрического тока, получает не только значительные ожоги,
но и нарушения в работе нервной системы. Даже при сравни­
тельно небольшом напряжении чiшовек может получить
серьезные поражения
организма,
если он нах_одится,
напри­
мер, во влажном цомещени_и, на влажной земле, касается про­
водов обеи~и руками и т. п.
Чтобы предотвратить поражение электрическим током, не­
обходимо придерживаться определенных правил.
58
1. Не пользоваться неисправными электроприборами и
оборудованием.
2.
Не
~
пользоваться
электрическими
приборами (утюги,
фены, плойки, обогреватели) в ванных комнатах и влажных
помещениях.
3.
4.
Не играть под линиями электропередач.
Экспериментируя с электрическими установками, необ­
36 В.
Выполняя лабораторные работы, включатьэлектрические
ходимо использовать источники тока с ЭДС не выше
5.
установки только после проверки и разрешения на то учителя.
б. Не касаться . частей электроустановок с поврежденной
изоляцией.
7.
Если товарищ поражен электрическим током, то в первую
придерживаясь правил безопасности,
очередь необходимо,
отсоединить его от источника тока, вызвать врача и по возмож~
ности оказать пострадавшему первую медицинскую помощь.
§ 21. ЭлектрuческuQ
.в разлuчных cpegax
ток
Согласно определению электрический ток
это
направленное движение заряженных частиц. Таким образом,
создать электрический ток можно только в той среде, где есть
свободные заряженные частицы
заряда.
-
носители электрического
.