Физика

Урок 7: Явления электричества. Ч. 3

Электрические явления. Часть 3

Движение заряженных частиц и движение воды в речке или ручье чем-то похожи. Первое: в обоих движениях есть направление. Вода в реке движется от истока до устья с определенным напором, и чем больше сила этого напора, тем больше воды протекает по одному месту за единицу времени. Электрические заряды также имеют «напор», который определяет характеристики электрического тока. Какие? От чего они зависят? Как находятся. Об этом и многом другом – данный урок.

Обложка урока взята с источника.

slide9

Занятия с репетитором    ОНЛАЙН от 200 руб / час

Перейти

Бесплатный подбор репетитора на нашем сайте

Перейти slide8

План урока:

Особенность направления электрического тока

Что такое сила тока и как ее измерить?

Вторая характеристика тока – напряжение

Как проводники сопротивляются электрическому току?

Резисторы и реостаты

Закон Ома

 

Особенность направления электрического тока

В целях использования электрического тока применяют металлические проводники, в которых ток представляет из себя движение свободных электронов. В растворах кислот и щелочей ток – это перемещение ионов, как отрицательных, так и положительных. Встает вопрос: какие частицы определяют направление тока?

1sgsg
Направление электрического тока

Ток возникает в замкнутой цепи, в которой обязательно есть источник тока. Но источник тока не означает, что заряженные частицы «выбираются» из него и бегут по проводнику. Заряженные частицы присутствуют в самом проводнике и начинают двигаться упорядоченно лишь при замыкании цепи, когда возникает магнитное поле и заставляет заряды двигаться.

В какую сторону будут осуществлять движение частицы, зависит от их знака. Положительные отталкиваются от положительного полюса и движутся к отрицательному полюсу, а отрицательные частицы, наоборот – от отрицательного к положительному.

Учеными принято общее соглашение, что за направление тока нужно брать направление тех частиц, которые движутся от «+» к « - », то есть положительно заряженных частиц.

Это не очень удобно, потому что, например, в металлах носителями тока считают свободные электроны с отрицательным зарядом. Но в металлах, атомы, потерявшие электроны, имеют положительный заряд и тоже направленно движутся. Значит, электроны перемещаются от «-» к «+», а за направление тока принято направление от «+» к «-», то есть противоположное движению электронов.

 

Что такое сила тока и как ее измерить?

Представить движение тока помогает сравнение его со струями воды из разных кранов.

2sfhsh0
Струи воды Источник

Количество воды, вытекающей из крана, зависит от нескольких причин: от напора воды, от размеров трубы и времени.

Электрический ток тоже характеризуется несколькими величинами. Количественной мерой тока является скалярная величина, которая называется силой тока.

За некоторое время t через поперечное сечение проводника при наличии тока проходит большое количество заряженных частиц. Их общий, суммарный, заряд обозначают буквой q.

Если разделить этот заряд на время его прохождения, то получится заряд, переносимый по проводнику в единицу времени. Эта-то величина заряда и будет силой тока. Чем больше прошедший за единицу времени заряд, тем больше сила тока.

3sgsg

4sgsg

Как и любую физическую величину, силу тока можно рассчитать или измерить.

5sgsg
Единицы измерения силы тока Источник

При сближении проводники с током посредством магнитного поля взаимодействуют. Они или отталкиваются или притягиваются с некоторой силой. Если длина проводников по 1м, а сила возникает в 0,0000002 Н, это значит, что по проводникам течет ток силой 1А.

Прибор для измерения силы тока – амперметр.

6sgsg
Источник

В электрическую цепь этот прибор подключается по схеме:

7sgsg

А так выглядит цепь с подключенным амперметром:

8lk33f 8
Простейшая электрическая цепь Источник

Такое соединение цепи, когда все ее элементы объединены проводами один за другим, называется последовательным. Прибор для измерения силы тока включается в цепь последовательно.

Есть амперметры, предназначенные для показа результатов измерений. Они называются демонстрационными.

9sgsg
Демонстрационный амперметр Источник

 

Вторая характеристика тока - напряжение

А теперь о токе с точки зрения совершения работы. Ток – это движение, причем под действием силы магнитного поля. А если вспомнить условие: где действует сила и происходит движение под действием этой силы - там совершается работа. Величина, которая связана с возможностью совершать работу электрическим током, определена как напряжение.

10sgsg

По-другому, работа, совершаемая единичным зарядом, проходящим по проводнику, и есть напряжение тока.

11gsg
Источник

Значение напряжения в 1 В объясняется следующим образом: если заряд в 1Кл совершает работу, равную 1Дж, то это значит, что напряжение электрического тока равно 1В.

По имени ученого единицы, в которых измеряется напряжение, имеют название вольты, и прибор для измерения напряжения назван вольтметром.

12ev2259
Источник

13gsg
Демонстрационный вольтметр Источник

По внешнему виду амперметр и вольтметр очень похожи. Чтобы правильно их использовать, на шкале есть буквы: А - у амперметра, V – у вольтметра.

Отличается и включение вольтметра в цепь. Это делают по схеме:

14gsg

Вольтметр подсоединен к цепи, как отдельный элемент. Такое соединение называется параллельным. (Если, например, убрать амперметр, цепь разорвется и тока в ней не будет, а вольтметр, при удалении его, не сделает разрыва, и ток будет продолжать течь по цепи).

15gsg

Так выглядит простейшая цепь, в состав которой входят и вольтметр, и амперметр.

На корпусах источников тока и измерительных приборов есть изображение знаков «+» и

« - ». Это важно для соблюдения правил включения устройств в цепь. «Плюс» прибора соединяется проводами с «плюсом» источника тока, а «минус» с «минусом» источника тока.

В противном случае стрелка по шкале начнет двигаться влево от нуля. В этой ситуации нужно сменить полярность подключения (поменять местами провода).

 

Как проводники сопротивляются электрическому току?

По какому лесу легче идти: где сплошные дебри или где деревья растут свободно, и нет кустарников? Когда быстрее автомобиль выедет из тоннеля: если тоннель длинный или короткий? И еще один вопрос: передвигаться проще по пещере, если она высокая или всего лишь метр высотой? Ответы здесь просты: двигаться легче по свободному лесу, автомобиль выедет быстрее из короткого тоннеля, двигаться легче по высокой пещере. Так и электрический ток может идти по проводнику легче или труднее. Характеризует такую проводимость проводника электрическое сопротивление. Эта величина обозначается буквой R, измеряется в единицах, которые называются Омами.

16gsg

17gsg

Из двух проводников длиной  l1 и l2 сопротивление электротоку будет больше у того проводника, длина которого больше, то есть l2, причем такая зависимость будет прямой.

18gsg

19gsg

При одной и той же длине сопротивление проводника зависит от площади поперечного сечения.

20gsg

Пусть s2 ˃ s1 – площади поперечного сечения двух проводников одинаковой длины. Прохождение тока по проводнику с большей величиной s2 осуществляется легче, значит, сопротивление второго проводника меньше. Такая зависимость является обратной.

21gsg

И следует не забывать о строении веществ. Каждое вещество имеет свою структуру, молекулы и атомы. Они, притягиваясь и отталкиваясь, будут оказывать разное влияние на продвижение заряженных частиц. Больше или меньше будет сопротивление проводников с одинаковой длиной и площадью поперечного сечения зависит от самого вещества.

22gsg

Характеризует проходимость электрического тока в веществе удельное сопротивление проводника ρ (ро).

23gsg

24gsg

Для каждого вещества такое сопротивление свое. Существуют справочные таблицы удельных сопротивлений различных веществ. Например:

25gsg

Объединив вместе перечисленные величины, можно составить для любого проводника формулу для расчета сопротивления:

26gsg

Итак, основные характеристики электрического тока:

  • сила тока, которая говорит о величине заряда;
  • напряжение, которое связано с работой единичного заряда;
  • сопротивление, характеризующее способность проводника пропускать ток.

 

Резисторы и реостаты

Чтобы экономить энергетические запасы источника тока можно и нужно ограничивать ток, то есть увеличивать сопротивление общее для всей цепи. Для этого используются так называемые резисторы. Иногда их называют просто сопротивлениями. На схемах изображаются резисторы значком:

27gsg

Обычно на резисторе подписывают величину сопротивления, используя греческую букву Ώ (омега).

Для школьных лабораторных работ применяют пружинные резисторы. Они могут быть отдельными устройствами, а могут объединяться в группы и при этом называются «магазинами сопротивлений»

28gsg
Школьные резисторы

Такие сопротивления просты и удобны в лабораторных измерениях. Их сопротивления постоянны. Резисторы со сменными сопротивлениями называются реостатами.

Изменяя сопротивление в цепи, можно регулировать напряжение в ней и силу тока. С этой целью и используются реостаты.

29gsg
Ползунковый реостат

Ползунковый реостат, который можно использовать в условиях школьных лабораторных работ имеет следующее устройство:

  • керамическая труба;
  • проволока из металла с большим удельным сопротивлением, намотанная на трубу;
  • металлический стержень;
  • ползунок, движущийся по стержню и касающийся скользящими контактами витков проволоки.

С помощью ползунка можно изменять количество задействованных в цепи витков проволоки, меняя тем самым длину проводника. Сопротивление в результате меняется и влияет на величину силы тока.

Схема с подключенным реостатом:

30gsg

 

Закон Ома

Электрический ток в цепи протекает по определенным законам. Самый фундаментальный из них – это закон Ома. Автор его Георг Ом:

31gsg
Источник

Закон связывает единой формулой три характеристики тока: сопротивление, напряжение и силу тока.

Для полной цепи закон Ома изучается в старших классах. Закон для отдельного участка представлен следующей формулировкой:

32gsg

Под участком цепи подразумевается часть ее без источника тока. С источником этот закон будет выглядеть по-другому.

Обратная пропорциональность сопротивлению означает, что при уменьшении сопротивления сила тока будет расти (конечно, если напряжение оставить без изменения).

Но очень значительно увеличивать силу тока небезопасно. Закон Ома объясняет это. Для любой цепи существует предельно допустимое значение силы тока. Оно зависит от степени нагреваемости веществ, из которых изготовлены электрические приборы, соединительные провода, потребители (известно тепловое действие тока).

Превышение допустимой силы тока приведет к резкому нагреванию проводников на данном участке цепи, проводящие элементы могут раскалиться, вспыхнуть и привести к пожару в электроустановке.

«Короткое замыкание» - это пример такой ситуации. Две точки цепи, соединяются коротким проводником с очень малым сопротивлением, и при замыкании цепи возникает очень большая сила тока, которую цепь не выдерживает.

33hdfh1
Короткое замыкание Источник

Это может произойти, если сомкнутся два оголенных провода или небрежно проведены электромонтажные и ремонтные работы, или в электрическом устройстве накопится большое количество пыли, или даже насекомое каким-то образом попадет в место соединения проводов.

Значение силы тока в 0,1 А является смертельно опасным для человека. Но по закону Ома (I = U/R) с математической точки зрения можно получить при различных значения U и R.

Например, 10 В / 100 Ом = 0,1 А. Это значит, при сопротивлении какой-то части человеческого организма в 100 Ом убить человека может ток с очень небольшим напряжением в 10 В (для сравнения аккумулятор автомобиля выдает напряжение 12 В). У человека такими уязвимыми к току являются мочки ушей.

Кроме ушей невысокое сопротивление имеет кожа лица, тыльная сторона ладони и шея.

Сопротивление тела человека меняется и зависит от влажности кожи, состава крови, температуры организма.

Поэтому важно соблюдать правила работы с электрическим током и использованием его в жизни

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Как поведет себя стрелка амперметра, если перепутать полярность соединения в цепи?
1Стрелка не будет двигаться
2Отклонится влево от 0
3Отклонится вправо от 0
Ответить
2
Вопрос: 2
Какой из приборов включается в цепь последовательно?
1Амперметр
2Вольтметр
3Оба прибора
Ответить
1
Вопрос: 3
Каково сопротивление проводника, по которому течет ток силой 0,1 А при напряжении 2 В?
1200 Ом
220 Ом
30,2 Ом
Ответить
2
Вопрос: 4
Длина алюминиевого провода площадью поперечного сечения 0,1 мм2 равна 2м. каким сопротивлением провод будет обладать? (ρ = 0,03 Ом*мм2/м)
16 Ом
260 Ом
30,6 Ом
Ответить
3
Вопрос: 5
Основной закон электрической цепи обосновал
1А. Ампер
2Г. Ом
3А. Вольта
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Как поведет себя стрелка амперметра, если перепутать полярность соединения в цепи?
1) Стрелка не будет двигаться 2) Отклонится влево от 0 3) Отклонится вправо от 0
2 вопрос:

Какой из приборов включается в цепь последовательно?
1) Амперметр 2) Вольтметр 3) Оба прибора
3 вопрос:

Каково сопротивление проводника, по которому течет ток силой 0,1 А при напряжении 2 В?
1) 200 Ом 2) 20 Ом 3) 0,2 Ом
4 вопрос:

Длина алюминиевого провода площадью поперечного сечения 0,1 мм2 равна 2м. каким сопротивлением провод будет обладать? (ρ = 0,03 Ом*мм2/м)
1) 6 Ом 2) 60 Ом 3) 0,6 Ом
5 вопрос:

Основной закон электрической цепи обосновал
1) А. Ампер 2) Г. Ом 3) А. Вольта
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Отклонится влево от 0
2 вопрос: Амперметр
3 вопрос: 20 Ом
4 вопрос: 0,6 Ом
5 вопрос: Г. Ом
slide9

Мы рекомендуем только    лучших РЕПЕТИТОРОВ

Перейти

Выбери своего репетитора    для онлайн-занятий сейчас

Перейти slide8