Тема 7.1: Постійний електричний струм.Електричне коло. Закон Ома для ділянки кола.( 2 год.)

Мета: дати означення електричного струму, виявити умови його існування, з’ясувати роль джерела струму в електричному колі та розглянути принцип їх дії, встановити на дослідах залежність між силою струму, напругою на ділянці кола та опором цієї ділянки; формувати у студентів свідоме сприйняття взаємозв'язку між явищами на прикладах закону Ома; формувати діалектико-матеріалістичний світогляд студентів, розкрити практичне застосування матеріалу, сприяти розвитку вмінь складати електричні кола за схемами; розвивати кругозір студентів щодо дії електричного струму на тіло людини.

План.

1. Електричний струм, умови його існування.

2. Опір провідників.

3. Закон Ома для ділянки кола.

4. Послідовне та паралельне з’єднання провідників.

Вивчення нового матеріалу.

Електричний струм. Прикладемо до провідника, довжина якого l і площа поперечного перерізу , напругу . При цьому в провіднику виникне електричне поле, напруженість якого . Це поле діє на вільні заряди в провіднику із силою Кулона: .

Під дією цієї сили в провіднику виникне напрямлений рух електричних зарядів, який і називають електричним струмом. За напрям електричного струму вважають напрям руху позитивних зарядів.

Рухів частинок в провіднику безпосередньо не видно, але доказами цих рухів є такі явища :

• під час проходження електричного струму провідник нагрівається (теплова дія струму);

• електричний струм змінює хімічний склад провідника (хімічна дія);

• струм спричиняє силову дію на сусідні струми і намагнічені тіла (магнітна дія).

Умови існування електричного струму. Для того, щоб виник та існував постійний електричний струм у речовині, потрібні: а) наявність вільних заряджених частинок; б) напруженість електричного поля в провіднику має не дорівнювати нулеві і бути сталою в часі; в) коло постійного струму має бути замкненим; г) на вільні електричні заряди, крім кулонівських сил, мають діяти неелектричні сили, які називають сторонніми силами. Сторонні сили створені джерелами струму (гальванічними елементами, акумуляторами, електричними генераторами тощо).

Під час замикання кола електричний струм виникає миттєво, а швидкість напрямленого руху вільних заряджених частинок має певне значення. Ця суперечність пояснюється тим, що швидкість встановлення електричного поля по периметру кола значно більша від швидкості впорядкованого руху вільних носіїв заряду. Електричне поле під час замикання кола установлюється протягом часу , де – периметр електричного кола; – швидкість світла. Унаслідок такого миттєвого поширення електричного поля майже одночасно по всьому об’єму провідників зовнішньої ділянки замкненого кола на вільні заряджені частинки в певному напрямі діятимуть кулонівські сили, а на внутрішній ділянці діятимуть сторонні сили.

Сила струму. Величина, що дорівнює заряду, перенесеному за одиницю часу, є основною кількісною характеристикою струму і називається силою струму.

Сила струму – це скалярна фізична величина, що дорівнює відношенню заряду , який переноситься через поперечний переріз провідника за інтервал часу , до цього інтервалу часу:

.

Якщо сила струму з часом не змінюється, то струм називають постійним. Сила струму залежить від заряду, який переносить кожна частинка, концентрації частинок, швидкості їх напрямленого руху і площі поперечного перерізу провідника. Відповідно:

,

де – елементарний заряд частинок, які створюють струм у провіднику; – концентрація вільних носіїв зарядів ( кількість зарядів на 1 м³); – площа поперечного перерізу провідника; – швидкість напрямленого руху вільних носіїв зарядів (швидкість дрейфу), вона дуже мала (≈ 0,1 мм/с).

У СІ , . Вимірюють силу струму амперметром.

Ще однією характеристикою струму є густина струму:

.

Одиницю густини струму встановлюють із формули. У СІ одиниця густини струму – ампер на метр в квадраті (А/м²). Інколи використовують також позасистемну одиницю густини струму:

.

Опір провідників. Німецький фізик Георг Ом 1827 року помітив, що відношення напруги між кінцями металевого провідника, що є ділянкою електричного кола, до сили струму І в колі – величина постійна:

.

Цю величину називають електричним опором провідника. У СІ . Електричний опір 1 Ом має така ділянка кола, на якій напруга дорівнює 1 В, якщо сила струму 1А

.

Опір – це основна електрична характеристика провідника. Він виражає міру протидії речовини провідника напрямленому рухові вільних заряджених частинок у ньому.

Експерименти показали, що електричний опір однорідного провідника сталого перерізу прямо пропорційний його довжині і обернено пропорційний площі поперечного перерізу :

.

Сталий для речовини параметр ρ називають питомим опором цієї речовини. Питомий опір залежить від фізичних властивостей речовини, її стану, наявності домішок. Наприклад, у металевих провідниках наявність домішок збільшує питомий опір. Числове значення питомого опору дорівнює опору провідника завдовжки 1 м з площею поперечного перерізу 1 м². У СІ питомий опір вимірюють в омах на метр: . Значення питомого опору речовини занесено до таблиць.

Закон Ома для ділянки кола. Експериментально встановлену залежність сили струму від напруги і електричного опору частини кола називають законом Ома для однорідної ділянки кола: сила струму прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна електричному опору однорідної ділянки кола:

.

Графічну залежність сили струму від напруги називають вольт-амперною характеристикою. Відповідно до закону Ома для провідника з опором така залежність прямолінійна. Нахил прямої залежить від опору ділянки кола.

Із формули закону Ома знайдемо, що . Величину , яка дорівнює добутку сили струму в провіднику на опір цього провідника, називають спадом напруги на даному провіднику. Спад напруги чисельно дорівнює напрузі тільки в тому разі, коли в провіднику не відбувається ніяких інших перетворень електричної енергії, крім її переходу у внутрішню енергію з виділенням теплоти.

Послідовне та паралельне з’єднання провідників. Провідники в електричних колах постійного струму можуть з’єднуватись послідовно і паралельно.

У разі послідовного з’єднання провідників кінець першого провідника з’єднується з початком другого і т.д. (мал.).

Мал. Послідовне з’єднання провідників

При цьому сила струму однакова в усіх провідниках, а напруга на кінцях всього кола дорівнює сумі напруг на кожному з провідників. Загальний опір кола дорівнює сумі опорів його окремих ділянок:

,

,

.

У разі паралельного з’єднання початки і кінці провідників мають спільні точки приєднання до джерела струму (мал.).

Мал. Паралельне з’єднання провідників

Властивості цього з’єднання такі:

усі опори знаходяться під однаковими напругами ;

загальний струм, який подається на вузол, дорівнює сумі струмів, які виходять з нього: .

величина, що дорівнює оберненому значенню опору, дорівнює сумі величин, обернених опорам розгалужень: .

Паралельне з’єднання провідників широко застосовують для під’єднання ламп електричного освітлення і побутових електроприладів до мережі. Прикладом послідовного з’єднання провідників є з’єднання лампочок ялинкових гірлянд.

Запитання для самоперевірки:

1.Що називають електричним струмом?

2.Який напрям струму беруть за додатний?

3.Які умови потрібні для існування електричного струму?

4.Що називають силою струму? Яка формула виражає зміст цього поняття?

5.Якою формулою виражають залежність опору провідника від його довжини, поперечного перерізу і речовини?

6.Що називають питомим опором провідника? Який фізичний зміст цієї величини?

7.Як з погляду електронної теорії пояснити поняття «опір провідника»?

8.Як записують і формулюють закон Ома для ділянки кола?

9.Як змінюється сила струму на ділянках послідовного з’єднання кола?

10.Який зв’язок сили струму в розгалуженій частині цього кола з силами струмів у його гілках?