Законы постоянного тока. Электрический ток -
реклама
Законы постоянного тока. Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц (электронов и ионов). За направление тока условно принято направление движения положительных зарядов, т.е. от « + » к « - ». Условия, необходимые для существования электрического тока: - Наличие свободных заряженных частиц; - Наличие электрического поля, действующего на заряженные частицы с силой в определённом направлении; - Наличие замкнутой электрической цепи. Действия тока: Тепловое: проводник по которому течет ток нагревается. Химическое: электрический ток может изменять химический состав проводника (электролита). Магнитное: ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Вокруг проводника с током существует магнитное поле. Закон Ома для участка цепи. В 1826 году немецкий физик Георг Ом экспериментально установил, что I ~ U; I ~ I 1 R I U = const R = const U R Закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R. I = I B А Oм U R Электродвижущая сила. Если два заряженных тела соединить проводником, то через него пойдет кратковременный ток. Избыточные электроны с отрицательно заряженного тела перейдут на положительно заряженное. Потенциалы тел окажутся одинаковыми, значит, напряжение на концах проводника станет равно нулю, и ток прекратится. Для существования длительного тока в проводнике нужно поддерживать разность потенциалов на его концах неизменной. Этого можно достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем. Силы электрического взаимодействия сами по себе не способны осуществлять подобное разделение зарядов. Они вызывают притяжение электронов к положительному телу и отталкивание от отрицательного. Поэтому внутри источника тока должны действовать сторонние силы, имеющие неэлектрическую природу и обеспечивающие разделение электрических зарядов. Сторонние силы - любые силы, действующие на электрические заряженные частицы, за исключение сил, электростатического происхождения (т.е. кулоновских). ЭДС – электродвижущая сила – физическая величина, определяемая работой , совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда от «+» полюса к «-» полюсу внутри источника тока. Является энергетической характеристикой источника тока. Астр. q 1 Äæ =В Êë Закон Ома для полной цепи. Сила тока прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи: I= Rr где: – ЭДС источника тока R – внешнее сопротивление цепи r - внутреннее сопротивление цепи Аст = It Аст = Q ε = IR + Ir = Uвнеш.+ Uист. ηист. = U âíåø . ЭДС равно сумме падения напряжений на внешнем и внутреннем участках замкнутой цепи. Частный случай - короткое замыкание, когда R = 0 , Iк.з. = r Основные характеристики электрического тока. I U Название Сила тока – основная Электрическое физической количественная напряжение характеристика величины Определение электрического тока физическая величина, численно равная заряду, переносимому через поперечное сечение проводника в единицу времени. Формула для I = q q нахождения I = = q0nS Единицы измерения физическая величина, численно равная работе электрического поля по переме- щению единично- го заряда вдоль проводника U = A q R Электрическое тивление – сопро- основная электрическая характе- ристика проводника Характеристика проводни- ка, показывающая его способность противодействовать прохождению эл. тока по проводнику за счёт особенностей молеку- лярного строения и его геометр. параметров R= s t U - эл.напряжение I – сила тока A - работа q – эл.заряд q - эл.заряд t – время q0 – заряд свободной заряженной частицы n – концентрация носителей заряда - ср. скорость упорядоченного движения зарядов вдоль проводника S – площадь поперечного сечения проводника R – эл.сопротивление l – длина проводника S – площадь поперечного сечения проводника - удельное сопротивление материала, из которого изготовлен проводник. I = А (Ампер) R = Ом (Ом) А= Êë Â = ñ Îì U = В (Вольт) В= Äæ = А·Ом Êë Ом = Â À Прибор для Амперметр Вольтметр Омметр А V измерения и включается в цепь включается в цепь Включается при разомкнутой его цепи вместе с тому эл. подключение последовательно с тем параллельно прибором, силу тока котором нужно измерить в участку цепи, где сопротивлением, измеряют напряжение измеряют 2 которое Виды соединений источников тока: последовательное параллельное Каждый полюс промежуточного источника соединяется с одним полюсом предыдущего или последующих источников. ЭДС батареи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных источников. i Знак определяется произвольно выбранным положит. направлением обхода контура (см. рис. – по часовой стрелке). Если при обходе переходим от «-» полюса к «+», то >0. Например, на приведенном рис.: = 1 - 2 - 3 Внут. сопротивление батареи r = r1 + r2 + ... + rn Частный случай – одинаковые источники ( 1= 2= …= n и r1 = r2 =… =rn) соединены n разноимёнными полюсами. I = Одни полюса источников (не обязательно одноименные) соединяются в один узел, остальные - в другой. Внутри источников даже при отключенной батареи протекают токи. Расчет ЭДС производится по законам электротехники. Рассмотрим частный случай - одинаковые источники соединены одинаковыми полюсами. (В отсутствии нагрузки токов в батарее нет.) общ. = I= rобщ. = R R nr r n r n Последовательное и параллельное соединение проводников. Вид соединения Последовательное Параллельное Схема соединения Законы: 1. I=I1=I2= …= In - сила тока одинакова во всех проводниках 2. U=U1+U2 +…+Un - падение напряжения в цепи равно сумме падения напряжений на отдельных участках 3. Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений на отдельных участках цепи. 1. U=U1=U2 …=Un - напряжение на всех участках цепи одинаково 2. I=I1+I2+…+In - сила тока в разветвленной части цепи равна сумме сил токов, текущих в разветвленных участках цепи 3. Общее сопротивление цепи равно 1 1 1 1 = + +…+ R R1 R2 Rn U U U1 U 2 = + +…+ n I I I I Сила тока в участках разветвления R = R1+ R2 + ... + Rn Падение напряжения на проводниках прямо пропорционально их сопротивлениям: U 1 R1 U 2 R2 цепи обратно пропорциональна их сопротивлениям I 1 R2 I 2 R1 Если R1= R2 = ... = Rn, то R = Если R1= R2 = ... = Rn, то R = nR1 R1 n Шунтирование амперметра. Важным примером применения последовательного и параллельного соединения проводов являются различные схемы включения электроизмерительных приборов. Допустим, что имеется некоторый амперметр, рассчитанный на максимальный ток I max, а требуется измерить большую силу тока. В этом случае параллельно к амперметру присоединяют 3 малое сопротивление r, по которому направится большая часть тока. Его называют обычно шунтом. Сопротивление амперметра – R, и пусть R/r=n. Сила тока в цепи, амперметре и в Iø R = = n r Ia шунте равны соответственно I, Iа и Iш. Тогда, Полный ток I в цепи равен I = Iа + Iш = Iа + Iаn = Iа(n+1) или Iа = I или 1 n 1 Iш = Iаn r= R n 1 Параллельное присоединение шунта к измерительному прибору с целью изменения его чувствительности называют шунтированием. Схема шунтирования амперметра добавочным малым сопротивлением r. Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля – Ленца. Работа электрического поля по перемещению заряда ∆ q из одной точки в другую равна произведению напряжения U между этими точками на величину заряда q: A=qU U2 Учитывая, что q = It получаем: A= IUt = I Rt = t R 2 При прохождении тока через проводник происходит его нагревание, значит электрическая энергия переходит в тепловую. Закон Джоуля – Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени. Q = I2 R t – закон Джоуля – Ленца. Закон открыт экспериментально независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Х.Ленцем. Q = А – по закону сохранения энергии. Мощность электрического тока равна работе, которая совершается током за единицу времени. P= A U2 = IU = I2R = t R Единицы работы и энергии: Р = Дж = Вт = А·В (Ватт) с 1 Вт · с = 1 Дж 1 Вт · ч = 3600 Дж = 3,6 · 103 Дж 1 кВт · ч = 3600 000 Дж = 3,6 · 10 6 Дж Электрический ток в различных средах. Металлы Полупроводники Вакуум 1. Носители свободных зарядов Электроны Электроны и дырки Электроны 2. Способ образования носителей свободных зарядов Обобществление Разрыв Термоэлектронная валентных ковалентных связей эмиссия электронов 3. Вольт-амперная характеристика I I U I U Газ Жидкость Ионы и электроны Ионы Ионизация и ударная ионизация Электролитическая диссоциация I I U U U 4. Зависимость электрического сопротивления от температуры. R R R R ___________ T T T 4 T 5. Особенности протекания тока в среде. Явление Собственная, Скорость движения сверхпроводимости донорная и электронов порядка акцепторная 105 м/с проводимости 6. Применение в науке и технике. Провода, обмотка, Диоды, Электроннонагревательные транзисторы, лучевая трубка, элементы микросхемы, кинескоп солнечные батареи Самостоятельный и Перенос вещества несамостоятельный при электролизе разряды, плазма Газоразрядные трубки. Коронный, дуговой, искровой и тлеющий разряды Получение алюминия, рафинирование меди. Гальванопластика, гальваностегия Обучающие задания. 1(А) Какие действия электрического тока наблюдаются при пропускании тока через металлический проводник? 1) Нагревание, химическое и магнитное действия. 2) Химическое и магнитное действия, нагревания нет. 3) Нагревание и магнитное действие, химического действия нет. 4) Нагревание и химическое действия, магнитного действия нет. 2(А) Какое минимальное по абсолютному значению количество электричества может быть перенесено электрическим током через раствор электролита? 1) е = 1,6·10-19 Кл. 2) 2е = 3,2·10-19 Кл. 3) Любое сколь угодно малое. 4) Минимальное количество зависит от времени пропускания тока. 3(А) Чему равно электрическое сопротивление участка цепи постоянного тока, если сила тока в цепи равна 4 А, а напряжение на участке цепи равно 2 В? 1) 2 Ом 2) 0,5 Ом 3) 8 Ом 4) 1 Ом отрицательный заряд 3 Кл – влево. Чему равна сила тока в проводнике? 1) 0,5 А, течет влево 2) 2,5 А, течет вправо 3) 0,5 А, течет вправо 4) 2,5 А, течет влево Указание: применить формулу силы тока и учесть, что за направление тока принимают направление движения положительных зарядов. 6(А) По проводнику сопротивлением 5 Ом течет ток 12 А. Каково напряжение между концами проводника? 1) 0,42 В 3) 0,017 В 2) 42,4 В 4) 60 В Указание: применить закон Ома для участка цепи. 7(А) Источник имеет = 6 В, внутреннее сопротивление r = 1 Ом, R 1 = 1 Ом, R2=R3 = 2 Ом. Какой силы ток течет через источник? r 1) 1А 3) 4А 2) 2А 4) 1,63 А R1 R2 R3 Указание: применить закон Ома для полной цепи. 8(А) Сопротивления резисторов R1=2 Ом, R2 = 2Ом, R3 =1Ом. Через резистор R1 течет ток силой 3А. Какая суммарная мощность выделяется на резисторах R2, R3 R2 1) 6 Вт 3) 2 Вт R1 2 2) 18 Вт 4) 4 Вт Указание: применить закон Ома для участка цепи. 4(А) Чему равно общее сопротивление 4 Ом электрической цепи 1) 0,5Ом 3) 4 Ом 2) 2 Ом 4) 8 Ом 4 Ом R R3 Указание: найти общее 2сопротивление цепи, 1 учитывая, что R2 и R3 соединены параллельно, а R1 к ним последовательно. 1Затем по формуле 1 рассчитать мощность. 11 Указание: применить формулу для нахождения сопротивления для последовательного соединения. 5(А) По проводнику за 2 с заряд 2 Кл, переносимый положительными носителями, прошел вправо, а 1 9(А) Через резистор сопротивлением 2 Ом течет ток постоянной 2силы, причем за время 4 с перенесен заряд 8 Кл. Какое 5 тепло за это время выделилось на резисторе? 1) 32 Дж 2) 8 Дж 3) 16 Дж 4) 24 Дж второго проводников справедливо, если площадь поперечного сечения первого проводника в 4 раза больше второго? 1) R1 = R2 2) R1 = 4R2 3) R2 = 4R 4) Среди ответов нет правильного. 14(А) Какими носителями электрического заряда создается электрический ток в металлах? 1) Электронами и положительными ионами. 2) Положительными и отрицательными ионами. 3) Положительными, отрицательными ионами и электронами. 4) Только электронами. 15(В) Чему равно общее сопротивление электрической цепи, если сопротивление каждого из резистора r? 4. r Указание: применить закон Джоуля – Ленца. 10(А) Чему равна работа тока на участке за 2 с, если сила тока в цепи равна 3 А, а напряжение на участке цепи 6 В. 1) 1 Дж 2) 4 Дж 3) 9 Дж 4) 36 Дж Указание: применить электрического тока. формулу работы 11(А) Как изменится количество теплоты, выделяемое за единицу времени в проводнике с постоянным электрическим сопротивлением, при увеличении силы тока в цепи в 4 раза? 1) Уменьшится в 4 раза 2) Увеличится в 2 раза 3) Увеличится в 4 раза 4) Увеличится в 16 раз 5. 6. Указание: применить закон Джоуля – Ленца и сравнить количество выделившейся теплоты. 12(А) Четыре одинаковых резистора по 12Ом каждый соединены, как указано на схеме. Чему равно общее сопротивление цепи? 1) 48 Ом 3) 12 Ом 2) 30 Ом 4) 3 Ом 13(А) Два проводника одинаковой длины изготовлены из одного материала. Какое из приведенных ниже соотношений для электрических сопротивлений первого и r r Указание: т.к. ветви электрической цепи симметричны, то ток через вертикальный резистор не течёт. Рисуем эквивалентную цепь. Сначала находим сопротивление 1. r каждой параллельной ветки (в 2. r 3. r них сопротивления, соединены последовательно), а затем находим общее сопротивление цепи. 16(В) Элемент с внутренним сопротивлением 4 Ом и ЭДС 12 В замкнут проводником с сопротивлением 8 Ом. Какое количество теплоты будет выделяться во внешней части цепи за 1 с ? Указание: сначала по закону Ома для полной цепи находим силу тока, а затем по закону Джоуля – Ленца количество выделившейся теплоты. Ответы к обучающим заданиям. 1А 3 2А 1 3А 2 4А 4 5А 2 6А 4 7А 1 8А 1 9А 1 10А 4 11А 4 12А 4 13А 3 14А 4 15В r 16В 8 Дж Тренировочные задания. 1(А) Какими носителями электрического заряда создается электрический ток в растворах электролитах? 1) Электронами и положительными ионами. 2) Положительными и отрицательными ионами. 3) Положительными, отрицательными ионами и электронами. 4) Только электронами. 2(А) Какое минимальное по абсолютному значению количество электричества может быть перенесено электрическим током в вакууме? 6 1) е = 1,6·10-19 Кл. 2) 2е = 3,2·10-19 Кл. 3) Любое сколь угодно малое. 4) Минимальное количество зависит от времени пропускания тока. 3(А) Чему равно напряжение на участке цепи с электрическим сопротивлением 2Ом, при силе тока в цепи равна 4 А ? 1) 2 В 2) 0,5 В 3) 8 В 4) 1 В 4(А) Чему равно общее сопротивление электрической цепи, если сопротивление каждого из резистора равно 6 Ом? 1) 2 Ом 3) 18 Ом 2) 9 Ом 4) 6 Ом 5(А) За 2 с через поперечное сечение проводника прошло 3,2·1020 электронов. Чему равна сила тока в проводнике? 1) 51А 2) 10 А 3) 20 А 4) 25,6 А 6(А) Как соотносятся между собой величины сопротивлений, включенных последовательно, если мощность тока, выделяемые на них, относятся как 3 : 4? 1) 4 : 3 2) 3 : 4 3) 3 : 2 4) 2 : 3 7(А) Источник имеет = 6 В, внутреннее сопротивление r = 1 Ом, R 1 = 1 Ом, R 2 = R3 = 2 Ом. Какой силы ток течет через источник? r 1) 1А R 2) 2А R R 3) 4А 4) 1,63 А 8(А) Электрическая цепь, состоит из одинаковых резисторов по 6 Ом каждый. Чему равно общее сопротивление цепи? R 1) 2 Ом 3) 18 Ом R 2 2 2) 9 Ом 4) 6 Ом R 1 3 9(А) Как изменится мощностьRпостоянного тока, если при постоянном сопротивлении в 2 1 2 раза увеличится напряжение на участке 1 цепи? 1) Уменьшится в 2 раза. 2) Останется неизменной. 3) Увеличится в 2 раза 4) Увеличится в 4 раз. 10(А) Работа тока на участке цепи за 3 с равна 6 Дж. Чему равна сила тока в цепи, если напряжение на участке цепи 2 В? 1) 1 А 2) 4 А 3) 9 А 4) 36 А 11(А) Как изменятся показания амперметра с внутренним сопротивлением 10 Ом, если параллельно с ним включить шунт с электрическим сопротивлением 1 Ом? 1) Увеличатся в 10 раз 2) Уменьшатся в 10 раз 3) Увеличатся в 11 раз 4) Уменьшатся в 11 раз 12(А) Четыре одинаковых резистора по 12Ом каждый соединены, как указано на схеме. Чему равно общее сопротивление цепи? 1) 48 Ом 3) 12 Ом 2) 30 Ом 4) 3 Ом 13(А) Два проводника одинаковой длины и одинакового сечения. Какое из приведенных ниже соотношений для электрических сопротивлений первого и второго проводников справедливо, если удельное сопротивление материала первого проводника в 2 раза больше удельное сопротивление материала второго проводника? 1) R1 = 2R2 2) R1 = 1/2R2 3) R1 = R2 4) Среди ответов нет правильного 14(В) Какое дополнительное сопротивление надо подключить к вольтметру сопротивлением 1 кОм, чтобы снизить его чувствительность в 6 раз? 15(В) На каком из резисторов выделяется большая мощность? R1 =0,5 Ом, R2 = 2,5Ом, R3 = 1 Ом, R4 = 2 Ом. R1 R2 2 1 3 1 1 11 R3 R4 2 1А 2 2А 1 3А 3 4А 3 Ответы к тренировочным заданиям. 5А 6А 7А 8А 9А 10А 11А 12А 13А 4 2 2 2 4 1 4 2 1 7 14В 5 Ом 15В R2 Контрольные задания. 1(А) В акцепторных полупроводниках электропроводимость: 1) Собственная. 2) Примесная электронная. 3) Примесная дырочная. 4) Эти материалы крайне плохо проводят электрический ток. 2(А) В течении 5 с поток электронов, проходящих через поперечное сечение проводника, убывал от 5·1018 8(А) Между концами проводника сопротивлением 5 Ом поддерживается напряжение 60 В. Какой силы ток течет в проводнике? 1) 0, 083 А 2) 300 А 3) 12 А 4) 5 А 9(А) Электрическая цепь, представленная на рисунке, состоит из одинаковых резисторов по 6 Ом каждый. Чему равно сопротивление цепи? 1) 2 Ом 3) 18 Ом 2) 9 Ом 4) 0,17 А 10(А) Источник тока имеет ЭДС = 6 В и внутреннее сопротивление r = 1 Ом, R1=1Ом, R 2 = R3 = 2 Ом. Какой силы ток течет через источник. r 1) 1 А 2) 2 А 3) 4 А 4) 1,63 А 11(А) Источник тока имеет внутреннее сопротивление 3 Ом. При каком нагрузочном сопротивлении он отдает максимальную мощность в нагрузку? 1) 1,5 Ом 2) 3 Ом 3) 6 Ом 4) Нет правильного ответа. 12(А) Чему равно количество теплоты, выделявшееся в резисторе за 1 с, если ток был 2 А, а сопротивление резистора за это время увеличилось линейно от 1 Ом до 2 Ом? 1) 4 Дж 2) 6 Дж 3) 8 Дж 4) 1,5Дж 13(А) Через резистор сопротивлением 2 Ом течет ток постоянной силы, причем за время 4 с перенесен заряд 8 Кл. Какое тепло за это время выделилось на резисторе? 1) 32 Дж 2) 8 Дж 3) 16 Дж 4) 24 Дж 14(В) Во сколько раз изменится сопротивление электрической цепи между точками А и В, если точки С и Д закоротить проводом? Все резисторы в цепи одинаковы. С шт с до 0. Какова средняя сила тока, протекавшего через проводник? 1) 4 А 2) 0,4 А 3) 8 А 4) 0,08 А 3(А) Ток, текущий через резистор меняется от 2 до 8 А. Напряжение на резисторе меняется от 32 В до 8 В. Чему равно сопротивление резистора? 1) 16 Ом 2) 1 Ом 3) 8 Ом 4) Определить сопротивление невозможно, данные задачи противоречат друг другу. 4(А) Пять одинаковых резисторов по 12Ом каждый соединены, как указано на схеме. Чему равно общее сопротивление цепи? 1) 48 Ом 3) 15 Ом 2) 30 Ом 4) 3 Ом R2 R1 R3 5(А) Чему равно внутреннее сопротивление источника тока, если полезная мощность, выделяемая на нагрузочных сопротивлениях, одинакова, когда они равны 3 Ом или 6 Ом? 1) 2 Ом 2) 9 Ом 3) 4,4 Ом 4) 6 Ом 6(А) Какова ЭДС источника тока, если при внутреннем сопротивлении 1 Ом и нагрузочном сопротивлении, состоящем из двух параллельно включенных сопротивлений по 2 Ом каждый, через источник тока течет ток силой 1 А? 1) 5 В 2) 4 В 3) 3 В 4) 2 В 7(А) Одинаковые источники тока с ЭДС и внутренним сопротивлением r соединены параллельно. У образовавшейся батареи ЭДС и внутреннее сопротивление соответственно равны: 1) 2 , r 3) , r/2 2) 2 , 2 r 4) , r А 7. 8. 9. Д 8 r r r В 15(В) На каком из резисторов электрической цепи выделяется меньшая мощность? R 1 = 0,5 Ом, R 2 = 2,5 Ом, R3 = 1 Ом, R4 = 2 Ом. R1 R2 R3 R4 Ответы к контролирующим заданиям. 1А 3 2А 4 3А 4 4А 3 5А 3 6А 4 7А 3 8А 3 9А 2 9 10А 11А 12А 13А 14В не изменится 3 2 2 1 15В на R1 Электрический ток в различных средах. Полупроводник Вакуум Газ и Металлы Жидкость 7. Носители свободных зарядов Электроны Электроны и дырки Электроны Ионы и электроны Ионы Ионизация и ударная ионизация Электролитичес кая диссоциация 8. Способ образования носителей свободных зарядов Обобществление валентных электронов Разрыв ковалентных связей Термоэлектронн ая эмиссия 9. Вольт-амперная характеристика I I U I I U I U U U 10. Зависимость электрического сопротивления от температуры. R R R R ___________ T T T T 11. Особенности протекания тока в среде. Явление сверхпроводимо сти. Собственная, донорная и акцепторная проводимости. Скорость движения электронов порядка 105 м/с Самостоятельны Перенос йи вещества при несамостоятельн электролизе. ый разряды, плазма. Электроннолучевая трубка, кинескоп. Газоразрядные трубки. Коронный, дуговой, искровой и тлеющий разряды. 12. Применение в науке и технике. Провода, обмотка, нагревательные элементы. Диоды, транзисторы, микросхемы, солнечные батареи. 1 Получение алюминия, рафинирование меди. Гальванопластик а, гальваностегия.