Электрический ток и закон Ома | теория по физике 🧲 постоянный ток

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

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

Текст: Алиса Никитина, 13.2k 👀

Задание ЕГЭ-Ф-ДВ2023-21

Даны следующие зависимости величин: А) зависимость периода малых свободных колебаний математического маятника от длины нити маятника; Б) зависимость количества теплоты, выделяющегося при конденсации пара, от его массы; В) зависимость силы тока через участок цепи, содержащий резистор, от сопротивления резистора при постоянном напряжении на концах участка. Установите соответствие между этими зависимостями и видами графиков, обозначенных цифрами 1–5. Для каждой зависимости А–В подберите соответствующий вид графика и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

Алгоритм решения:

1.Установить, как период малых свободных колебаний математического маятника зависит от длины нити. Выбрать номер подходящего под эту зависимость графика.

2.Установить, как количество теплоты, выделяющееся при конденсации пара, зависит от его массы. Подобрать соответствующий график.

3.Установить, как сила тока на участке цепи с резистором зависит от сопротивления резистора при постоянном напряжении на концах участка. Выбрать соответствующий график.

4.Записать ответ в виде последовательности цифр выбранных графиков в порядке возрастания.

Решение:

Период колебаний математического маятника определяется формулой:

Видно, что период колебаний прямо пропорционален корню из длины нити математического маятника. Следовательно, графиком его зависимости от длины нити является горизонтально расположенная полупарабола — как на графике 1.

Количество теплоты, выделяющееся при конденсации пара, определяется формулой:

Q=Lm

Следовательно, между количеством теплоты, выделяющимся при конденсации пара, и массой этого пара существует прямо пропорциональная связь. Поэтому график зависимости выглядит как прямая, выходящая из начала координат — как на графике 3.

Сила тока на участке цепи с резистором определяется законом Ома:

Следовательно, между силой тока и сопротивлением существует обратно пропорциональная связь. Графиком такой зависимости является гипербола — как на графике 5.

Следовательно, правильная последовательность цифр в ответе — 135.

Ответ: 135

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание ЕГЭ-Ф-ДВ2023-29

В опыте по изучению фотоэффекта монохроматическое излучение мощностью Р = 0,21 Вт падает на поверхность катода, в результате чего в цепи возникает ток. График зависимости силы тока I от напряжения U между анодом и катодом приведён на рисунке. Какова частота ν падающего света, если в среднем один из 30 фотонов, падающих на катод, выбивает электрон?

Алгоритм решения:

1.Записать исходные данные.

2.Ввести определение силы тока и записать формулу силы тока.

3.Ввести определение тока насыщения, записать формулу тока насыщения с учетом того, что лишь 1 фотон из 30 выбивает электрон.

4.Записать формулу для определения энергии фотона. Через нее и мощность монохроматического излучения выразить путем проведения преобразований формулу для определения частоты падающего света.

5.Подставить известные данные и произвести вычисления.

Решение:

Запишем исходные данные:

• Мощность монохроматического излучения: P = 0,21 В.

• Отношение количества вырванных электронов к общему числу излученных фотонов:

\frac{N_{э}}{N_{ф}} = \frac{1}{30}

.

Сила тока — это заряд q, прошедший через поперечное сечение проводника за время t:

Ток насыщения — максимальное значение силы тока, также называемое предельным значением силы фототока. Численно ток насыщения равен отношению суммарному заряду вырванных электронов в единицу времени: $. .$

За время t через поперечное сечение проводника проходит заряд, равный произведению количества электронов, прошедших за время 1 с, единичному заряду электрона и времени t:

Но согласно условию количество электронов определяется формулой:

Следовательно, ток насыщения равен:

Энергия фотона определяется формулой:

Мощность монохроматического излучения равна суммарной энергии фотонов, падающих на поверхность катода в единицу времени:

Суммарная энергия фотонов, падающих на поверхность катода за 1 секунду:

Тогда мощность равна:

Количество фотонов можем выразить из формулы тока насыщения:

Следовательно, мощность равна:

Отсюда частота падающего света равна:

Ток насыщения смотрим по графику — он равен 2 мА, или 2∙10^–3А. Заряд электрона и постоянная Планка — константы.

Подставляем известные данные и делаем вычисления:

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

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

ЕГЭ по физике

Вся теория

• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Носители электрического тока в различных средах

Электрическая цепь и ее схематическое изображение

Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи

Направление электрического тока в металлах

Действия электрического тока (преобразования энергии)

Основные параметры постоянного тока

Сила тока

Сопротивление

Напряжение

Закон Ома для участка цепи

Задание ЕГЭ-Ф-ДВ2023-21

Задание ЕГЭ-Ф-ДВ2023-29

Задание EF17572

Задание EF18445

Задание EF18283

ЕГЭ по физике

Вся теория

Добавить комментарий Отменить ответ