Электрический ток и закон Ома • СПАДИЛО

Определение

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц под действием внешнего электрического поля.

Условия существования электрического тока:

наличие заряженных частиц;
наличие электрического поля, которое создается источниками тока.

Носители электрического тока в различных средах

Среда	Носители электрического тока
Металлы	Свободные электроны
Электролиты (вещества, проводящие ток вследствие диссоциации на ионы)	Положительные и отрицательные ионы
Газы	Ионы и электроны
Полупроводники	Электроны и дырки (атом, лишенный одного электрона)
Вакуум	Электроны

Электрическая цепь и ее схематическое изображение

Определение

Электрическая цепь — это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для протекания электрического тока.

Основные элементы электрической цепи:

Источник тока (генератор, гальванический элемент, батарея, аккумулятор).
Потребители тока (лампы, нагревательные элементы и прочие электроприборы).
Проводники — части цепи, обладающие достаточным запасом свободных электронов, способных перемещаться под действием внешнего электрического поля. Проводники соединяют источники и потребители тока в единую цепь.
Ключ (переключатель, выключатель) для замыкания и размыкания цепи.

Электрическая цепь также может содержать:

резистор — элемент электрической цепи, обладающий некоторым сопротивлением;
реостат — устройство для регулировки силы тока и напряжения в электрической цепи путём получения требуемой величины сопротивления;
конденсатор — устройство, способное накапливать электрический заряд и передавать его другим элементам цепи;
измерительные приборы — устройства, предназначенные для измерения параметров электрической цепи.

Определение

Электрическая схема — графическое изображение электрической цепи, в котором реальные элементы представлены в виде условных обозначений.

Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи

Простейшая электрическая цепь содержит в себе источник и потребитель тока, проводники, ключ. Схематически ее можно отобразить так:

Направление электрического тока в металлах

По металлическим проводам перемещаются отрицательно заряженные электроны, т.е. ток идет от «–» к «+» источника. Направление движения электронов называют действительным. Но исторически в науке принято условное направление тока от «+» источника к «–».

Действия электрического тока (преобразования энергии)

Электрический ток способен вызывать различные действия:

Тепловое — электрическая энергия преобразуется в тепло. Такое преобразование обеспечивает электроплита, электрический камин, утюг.
Химическое — электролиты под действием постоянного электрического тока подвергаются электролизу. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) — положительные ионы (катионы).
Магнитное (электромагнитное) — при наличии электрического тока в любом проводнике вокруг него наблюдается магнитное поле, т.е. проводник с током приобретает магнитные свойства.
Световое — электрический ток разогревает металлы до белого каления, и они начинают светиться подобно вольфрамовой спирали внутри лампы накаливания. Другой пример — светодиоды, в которых свет обусловлен излучением фотонов при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.
Механическое — параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.

Основные параметры постоянного тока

Определение

Постоянный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Основными параметрами электрического тока являются:

Сила тока. Обозначается как I. Единица измерения — А (Ампер).
Напряжение. Обозначается как U. Единица измерения — В (Вольт).
Сопротивление. Обозначается как R. Единица измерения — Ом.

Сила тока

Сила тока показывает, какой заряд q проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду:

$I = \frac{q}{t} = \frac{Δ q}{Δ t} = \frac{N q_{e}}{t}$

N — количество электронов, $q_{e} = 1, 6 \cdot 10^{- 19}$ Кл — заряд электрона, $t$ — время (с).

Заряд, проходящий по проводнику за время t при силе тока, равной I:

$q = I t$

Пример №1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи 0,2 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 2 минуты?

2 минуты = 120 секунд

$q = I t = 0, 2 \cdot 120 = 24 (К л)$

Заряд, проходящий за время ∆t при равномерном изменении силы тока от I₁ до I₂:

$Δ q = \frac{I_{1} + I_{2}}{2} Δ t$

Сила тока и скорость движения электронов:

$I = n q_{e} S v$

$n$ — (м^–3) — концентрация, $S$ (м²) — площадь сечения проводника, $v$ — скорость электронов.

Внимание!

Электроны движутся по проводам со скоростью, равной долям мм/с. Но электрическое поле распространяется со скоростью света: c = 3∙10⁸ м/с.

Сопротивление

Сопротивление металлов характеризует тормозящее действие положительных ионов кристаллической решетки на движение свободных электронов:

$R = \frac{ρ l}{S}$

$ρ$ — удельное сопротивление, показывающее, какое сопротивление имеет проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м², изготовленный из определенного материала. l — длина проводника (м), S — площадь его поперечного сечения.

Пример №2. Медная проволока имеет электрическое сопротивление 6 Ом. Какое электрическое сопротивление имеет медная проволока, у которой в 2 раза больше длина и в 3 раза больше площадь поперечного сечения?

Сопротивление первого и второго проводника соответственно:

$R_{1} = \frac{ρ l}{S}$

$R_{2} = \frac{ρ 2 l}{3 S}$

Поделим электрическое сопротивление второго проводника на сопротивление первого:

$\frac{R_{2}}{R_{1}} = \frac{ρ 2 l}{3 S} \div \frac{ρ l}{S} = \frac{ρ 2 l}{3 S} \cdot \frac{S}{ρ l} = \frac{2}{3}$

Отсюда сопротивление второго проводника равно:

$R_{2} = \frac{2}{3} R_{1}$

Напряжение

Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению положительного заряда:

$U = \frac{A}{q}$

Пример №3. Перемещая заряд в первом проводнике, электрическое поле совершает работу 20 Дж. Во втором проводнике при перемещении такого же заряда электрическое поле совершает работу 40 Дж. Определить отношение U₁/U₂ напряжений на концах первого и второго проводников.

$\frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{A_{1}}{q} \div \frac{A_{2}}{q} = \frac{A_{1}}{q} \cdot \frac{q}{A_{2}} = \frac{A_{1}}{A_{2}} = \frac{20}{40} = \frac{1}{2}$

Закон Ома для участка цепи

Определение

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:

$I = \frac{U}{R}$

Иллюстрация закона Ома.

Сила тока направлена в сторону движения заряженных частиц (электронов). Силе тока противостоит сопротивление: чем оно больше, тем меньше сила тока (тем меньше проходит электронов через проводник в единицу времени). Но росту силы тока способствует напряжение, которое словно толкает заряженные частицы, заставляя их упорядоченно перемещаться.

Закон Ома для участка цепи с учетом формулы для расчета сопротивления:

$I = \frac{U S}{ρ l}$

Для сравнения и расчета сопротивления часто используют вольтамперную характеристику. Так называют графическое представление зависимости силы тока от напряжения. Пример вольтамперной характеристики:

Чем круче график, тем меньше сопротивление проводника. При расчете сопротивления важно учитывать единицы измерения величин, указанных на осях.

Пример №4. На рисунке изображен график зависимости силы тока от напряжения на одной секции телевизора. Каково сопротивление этой секции:

Точке графика, соответствующей 5 кВ, соответствует сила тока, равна 20 мА.

Сначала переведем единицы измерения величин в СИ:

5 кВ = 5000 В

20 мА = 0,02 А

$R = \frac{U}{I} = \frac{5000}{0, 02} = 250000 (О м) = 250 (к О м)$

Задание EF17572

При определении сопротивления резистора ученик измерил напряжение на нём: U = (4,6 ± 0,2) В. Сила тока через резистор измерялась настолько точно, что погрешностью можно пренебречь: I = 0,500 А. По результатам этих измерений можно сделать вывод, что сопротивление резистора, скорее всего,

Ответ:

а) R = 9,2 Ом

б) R > 9,6 Ом

в) R < 8,8 Ом

г) 8,8 Ом ≤ R≤ 9,6 Ом

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.

2.Записать закон Ома для участка цепи.

3.Определить вероятное сопротивление резистора.

Решение

Запишем исходные данные:

• Напряжение на резисторе: U = 4,6 ± 0,2 В.

• Сила тока в цепи: I = 0,5 А.

Запишем закон Ома:

$I = \frac{U}{R}$

Отсюда сопротивление равно:

$R = \frac{U}{I}$

Так как точное значение напряжения неизвестно, мы можем вычислить только вероятный диапазон сопротивлений резистора. Минимальное и максимальное значения сопротивления соответственно равны:

$R_{m i n} = \frac{4, 6 - 0, 2}{0, 5} = 8, 8 (О м)$

$R_{m a x} = \frac{4, 6 + 0, 2}{0, 5} = 9, 6 (О м)$

Ответ: г

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18445

Для проведения лабораторной работы по обнаружению зависимости сопротивления проводника от его диаметра ученику выдали медный проводник длиной 10 м и диаметром 1,0 мм. Какой ещё проводник из предложенных ниже необходимо взять ученику, чтобы провести данное исследование?

Ответ:

а) проводник $№$ 1

б) проводник $№$ 2

в) проводник $№$ 3

г) проводник $№$ 4

Алгоритм решения

Определить задачу лабораторных испытаний.
Определить, какие величины в эксперименте должны оставаться постоянными, а какие переменными.
Выбрать подходящий проводник.

Решение

Учение проводит лабораторную работу по обнаружению зависимости сопротивления проводника от его диаметра. Следовательно, материал проводника и его длина должны оставаться постоянными. Меняться должен только его диаметр. Поскольку в первом опыте берется медный длиной 10 м, диаметром 1,0 мм, то в следующем опыте он тоже должен быть медным, и длина его должна составлять 10 м, но диаметр должен быть другим. Этому условия удовлетворяет второй проводник.

Ответ: б

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18283

По проводнику течёт постоянный электрический ток. Величина заряда, проходящего через проводник, возрастает с течением времени согласно графику. Сила тока в проводнике равна

Ответ:

а) 24 А

б) 12 А

в) 6 А

г) 1,5 А

Алгоритм решения

1.Записать формулу для вычисления силы тока.

2.Выбрать любую точку графика.

3.Определить количество заряда и время, соответствующие этой точке.

4.Вычислить силу тока.

Решение

Запишем формулу для вычисления силы тока:

$I = \frac{q}{t}$

Выберем точку графика, соответствующую 2 секундам. Количество заряда при этом равно 3 Кл. Следовательно, сила тока равна:

$I = \frac{3}{2} = 1, 5 (А)$

Ответ: г

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Алиса Никитина | Просмотров: 10.5k