Умскул учебник стремится стать лучше! Если вы наткнулись на ошибку или неточность в нашем материале - просто сообщите нам, мы будем благодарны!
Физика

Законы постоянного тока

17.5.2022
587

На этой странице вы узнаете

  • Что общего у электрического тока с водой?
  • В чем отличие сопротивления от удельного сопротивления?
  • Почему нежелательно использовать телефон, подключенный к зарядке?
  • Фамилия какого ученого стоит миллион?

«Все, кина не будет. Электричество кончилось». Наверное, никого не оставит равнодушным популярная фраза из широко известного фильма «Джентльмены удачи». Ведь действительно: бесит, когда сидишь за просмотром любимого сериальчика, вдруг — бамс! Вырубили свет, и зарядки ноута, как назло, не хватило. И не выработаешь электричество в домашних условиях, а жаль… Но вот понять, как оно работает — это мы сможем сделать в статье.

Электрический ток

В наше время трудно себе представить жизнь без электричества. Телевизор не посмотреть, телефон не зарядить, чай не попить… Ни один электроприбор в доме не будет работать без электричества. А объявление об отключении электроэнергии, вызывает тихий ужас.

Электричество — это форма энергии, которая существует в виде статических или подвижных электрических зарядов.

Что общего у электрического тока с водой?

А что же тогда такое электрический ток? В принципе, его можно сравнить с водой. Из чего состоит вода? Из молекул. Когда эти молекулы движутся в одном направлении, то они образуют поток воды, который течет, например, по трубам.

Так же и электрический ток. Он образуется потоком заряженных частиц, которые движутся по проводам. 

Сформулируем определение:

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.

Чтобы электрический ток существовал, необходимо выполнение следующих условий:

— наличие свободных заряженных частиц;
— наличие электрического поля;
— наличие замкнутой электрической цепи.

Основными количественными характеристиками электрического тока являются сила тока и напряжение, основной электрической характеристикой проводника является электрическое сопротивление.

Сила тока

Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени . 

\(I = \frac{q}{t}\), где

I — сила тока (А),
q — электрический заряд (Кл), 
t — время (с).

Единица измерения IА (ампер) = \(\frac{Кл}{с}\).

Представим, что внутри проводника “бегут” в одном направлении огромное количество заряженных частиц. Так вот, чем больше этих частиц пробежит за единицу времени, тем больше будет значение силы тока.

Прибор для измерения силы тока — амперметр. Он включается в цепь последовательно. Пример подключения представлен на рисунке:

Чтобы внутри цепи существовал электрический ток, цепь должна быть замкнута и между концами участка цепи должно существовать напряжение.

Напряжение

Напряжение  — скалярная физическая величина, равная отношению полной работы кулоновских и сторонних сил  при перемещении положительного заряда на участке цепи к значению этого заряда .

\(U = \frac{A}{q}\), где 

U — напряжение (В),
A — работа тока на участке цепи (Дж), 
q — электрический заряд (Кл).

Электрический ток не ленится. Он любит работать. А работать он будет при движении частиц, то есть когда частицы будут перемещаться из одного конца цепи в другой. И чем больше они будут работать, тем большее напряжение получится.

Единица измерения UВ (Вольт) = \(\frac{Дж}{Кл}\)

Прибор для измерения силы тока — вольтметр. Он включается в цепь параллельно. 

Пример подключения представлен на рисунке:

Направление тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц..

Электрическое сопротивление

Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи.

\(R = \frac{pl}{S}\), где 

R — сопротивление (Ом),
p — удельное сопротивление проводника, 
l — длина проводника (м),S — площадь поперечного сечения проводника (мм²).

Единица измерения RОм.

Удельное сопротивление проводника можно посмотреть в таблице ниже, для каждого материала будет свое значение.

В чем отличие сопротивления от удельного сопротивления?

Сопротивление — это внешнее свойство, зависящее от количества присутствующего материала. 
Удельное сопротивление — это внутреннее свойство проводника, которое не зависит от его размера.

Получается, что прежде всего на то, каким будет сопротивление, влияют размеры проводника, его форма, материал, из которого он сделан. 

Удельное сопротивление проводника зависит также от температуры. Когда температура твердых тел увеличивается, то удельное сопротивление возрастает. А в растворах и расплавах — наоборот, уменьшается.

Некоторые значения приведены в таблице:

Таблица удельных сопротивлений проводников

МеталлУдельное сопротивление, Ом * мм2/ м
Серебро0,0015
Медь0,018
Золото0,023
Алюминий0,029
Вольфрам0,055
Железо0,098

Давайте поразмышляем: что чему сопротивляется? 

Причина электрического сопротивления кроется во взаимодействии зарядов разного знака при протекании тока по проводнику. Это взаимодействие можно сравнить с силой трения, стремящейся остановить движение заряженных частиц.

Чем сильнее взаимодействие свободных электронов с положительными ионами в узлах кристаллической решетки проводника, тем больше сопротивление проводника.

Проводник с определенным постоянным сопротивлением называется резистор.

Вернемся к сравнению электрического тока с водой: как молекулы воды из крана движутся сверху вниз, так и электрический ток направлен от  “+” к “−”. Электрический заряд соответствует массе воды, а напряжение — напору воды из крана.

Закон Ома

Сила тока, напряжение и сопротивление связаны между собой соотношением, которое называется закон Ома:

Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении.

\(I = \frac{U}{R}\) , где 

I — сила тока (А),
U — напряжение (В), 
R — сопротивление (Ом).

Данный закон справедлив для участка цепи, на который не действуют сторонние силы.

Работа и мощность электрического тока

Вернемся к понятию работы. Мы говорили, при перемещении заряда по проводнику электрическое поле совершает работу (А):

A = qU

Если мы выразим заряд из формулы силы тока q=It, то получим, формулу для расчета работы электрического поля (А) при протекании постоянного тока (или просто работа тока):

А = UIt , где

A — работа электрического тока (Дж),
U — напряжение (В),
I — сила тока (А),
t — время прохождения тока (с).

Единица измерения АДж (Джоуль).

В быту ток совершает работу длительное время, поэтому при определении затраченной электрической энергии используют единицу измерения кВт * ч. Киловатт в час — это энергия, которая потребляется устройством мощностью 1 кВт в течении 1 часа. Учитывая, что 1 ч=3600 с, получим:

1 кВт*ч = 1000 Вт * 3600 с = 3600000 Дж = 3600 кДж

Если же работу тока рассчитать за единицу времени, то мы получим мощность постоянного электрического тока.

Мощность — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии.

\(P = \frac{A}{t}\) , где 

P — мощность (Вт),
A — работа электрического тока (Дж), 
t — время прохождения тока (с).


Единица измерения PВт (Ватт).

Средняя мощность тока равна:

\(P = \frac{A}{t} = \frac{qU}{t} = IU = \frac{U^2}{R} = I^2R\)

Мощность электроприбора всегда указывается в документации, прилагающейся к нему. Кроме того, нередко ее пишут на самом приборе. Давайте посмотрим на утюг, или стиральную машину дома. Мы увидим, что утюг имеет мощность 1000 Вт, а обычная энергосберегающая лампочка, всего 40 Вт (на то она и сберегающая). Чем больше мощность прибора, тем больше энергии он будет потреблять. Примеры мощностей различных приборов представлены на рисунке:

Закон Джоуля — Ленца

Почему нежелательно использовать телефон, подключенный к зарядке?

Когда приборы подключены в сеть, мы можем заметить, что они нагреваются. Очень часто это наблюдается, когда телефон подключен на зарядку, а мы продолжаем по нему звонить, использовать интернет и прочее. Это плохо влияет на телефон: перегрев батареи и корпуса могут быстрее привести девайс в негодность. 

Почему так происходит?

Электрический ток оказывает тепловое действие на проводник. Количество теплоты, которое при этом выделяется, будет рассчитываться по закону Джоуля — Ленца:

Количество теплоты, выделяемое за время в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления проводника:

Q = I2Rt , где 

Q — количество теплоты (Дж),
I — работа электрического тока (Дж), 
R — сопротивление (Ом),t — время прохождения тока (с).

Единица измерения QДж (Джоуль).

В электронагревательных приборах используются проводники с высоким сопротивлением, что обеспечивает выделение тепла на определенном участке. Проволоку из нихрома применяют в электронагревательных элементах, работающих при температуре до 1000 ℃ .

Фамилия какого ученого стоит миллион?

Первый ввел понятие “электрический ток” в науку Андре — Мари Ампер. Такой вопрос был последним в игре «Кто хочет стать миллионером?» от 20 января 2018 г. Но участники не смогли ответить на этот вопрос, и мечта получить свой миллион, не исполнилась.

Еще немного про электричество…

  • Постоянный электрический ток используется в работе двигателей электротранспорта, схемах автомобилей, электронике и др.
  • Электричество есть и в нашем организме. Мышечные клетки сердца при сокращении производят электроэнергию, эти импульсы можно измерить с помощью электрокардиограммы (ЭКГ).
  • Бенджамин Франклин (да—да, президент Америки) провел множество опытов в 18 веке и создал громоотвод.
  • В древности люди считали, что если молния ударила в курган — значит там зарыто сокровище.
  • Птичку, сидящую на проводах, ток не бьет. Но если эта птичка коснется земли, то ей мало не покажется. Именно поэтому необходимо заземление приборов.

Термины

Источник тока — устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды.

Сторонние силы — силы неэлектрического происхождения, вызывающие разделение зарядов в источнике тока.

Фактчек

  • Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени: \(I = \frac{q}{t}\)
  • Напряжение — скалярная физическая величина, равная отношению полной работы кулоновских и сторонних сил А при перемещении положительного заряда на участке цепи к значению этого заряда: \(U = \frac{A}{q}\)
  • Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи: \(R = \frac{pl}{S}\)
  • Мощность  — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии: \(P = \frac{A}{t}\)
  • Закон Ома: сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении: \(I = \frac{U}{R}\).
  • Закон Джоуля— Ленца: количество теплоты Q, выделяемое за время t  в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока I на этом участке и сопротивления R проводника: Q = I2Rt.
  • Работа электрического поля при протекании постоянного тока (или просто работа тока): А = UIt.

Проверь себя

Задание 1.
Упорядоченное движение заряженных частиц — это:

  1. Электрическое поле
  2. Электрический ток
  3. Электрическая мощность
  4. Работа тока

Задание 2.
Удельное сопротивление проводника:

  1. Зависит от температуры
  2. Не зависит от температуры 

Задание 3.
Формула для расчета силы тока:

  1. I = Ut
  2. I = UIt
  3. I = I2Rt
  4. \(I = \frac{q}{t}\)

Задание 4. 
Что такое мощность электрического тока:

  1. Работа за единицу времени
  2. Отношение заряда к единице времени
  3. Произведение силы тока на сопротивление
  4. Тепло, выделяемое на резисторе

Задание 5. 
Причина электрического сопротивления:

  1. Во взаимодействии зарядов одинакового знака
  2. В отсутствии взаимодействия между зарядами
  3. Во взаимодействии зарядов разного знака
  4. В передаче тепла

Ответы: 1.— 2; 2. — 1; 3.— 4; 4.— 1; 5. — 3

Понравилась статья? Оцени:
Читайте также:

Читать статьи — хорошо, а готовиться к экзаменам
в самой крупной онлайн-школе — еще эффективнее.

50 000
Количество
учеников
1510
Количество
стобальников
>15000
Сдали на 90+
баллов