Астахов Физика. Конспект лекций и задач для 8 класса 2011

§9. Электрический ток

Электрический ток — упорядоченное движение зарядов. Направлением электрического тока считается направление

упорядоченного движения положительных зарядов.

Проводники — тела, в которых имеются свободные заряды (заряды, способные перемещаться под действием сил электрического поля по всему проводнику).

Проводниками являются металлы, электролиты (жидкие растворы солей, кислот, щелочей), ионизированные газы. В металлах свободными зарядами являются обобществлённые электроны, в электролитах — ионы, в ионизированных газах — свободные электроны и ионы.

В проводниках может осуществляться электрический ток. Диэлектрики (изоляторы) — тела, в которых нет свободных

зарядов.

Диэлектриками могут быть твёрдые тела (например, из стекла, фарфора, кварца), жидкости (химически чистая вода, масла) и газы (водород, азот).

В диэлектриках не может осуществляться постоянный электрический ток.

Постоянный электрический ток в проводнике — ток, при ко-

Единица силы тока — ампер: [I] = А.

Один кулон — заряд, прошедший за одну секунду (с) через по-

41

перечное сечение проводника при силе постоянного тока, равной одному амперу (А): Кл = А с.

Электрический ток в металлических проводниках — упорядо-

ченное движение свободных электронов.

Существование тока обнаруживается по магнитному (силовое воздействие на другие токи и намагниченные тела), тепловому (наблюдается в проводниках и отсутствует у сверхпроводников) и химическому (изменение химического состава проводников, происходящее в растворах кислот, солей и щелочей при наличии тока в них) действиям.

Для создания в проводнике постоянного электрического тока необходимо в этом проводнике создать постоянное электрическое поле. Оно может быть создано при помощи источников электрического тока.

Источник тока — устройство для создания тока в замкнутой электрической цепи.

Внутри источника электрического тока (химического) совершается работа по разделению положительных и отрицательных зарядов. Источники электрического тока имеют два полюса (зажима): положительный и отрицательный.

Гальванический элемент — устройство, в котором внутренняя энергия при химических реакциях превращается в электрическую.

Аккумулятор — заряжаемый гальванический источник тока, который может использоваться многократно.

Электрическая цепь состоит (в общем случае) из источника тока, потребителей электрической энергии, соединительных проводников, контрольных приборов и замыкающих и размыкающих устройств.

Для существования постоянного электрического тока в электрической цепи она должна быть замкнутой.

Напряжение (электрическое) U — СФВ, равная отношению работы А сил электростатического поля при перемещении заряда q, к этому заряду:

Единица напряжения — вольт: [U] = В = Дж/Кл.

42

Закон Ома

Сила тока I в проводнике прямо пропорциональна напряжению на проводнике U:

где R — электрическое сопротивление проводника.

Электрическое сопротивление проводника (резистора) R —

величина, равная отношению напряжения на проводнике U к силе тока I в этом проводнике:

Единица сопротивления — oм: [R] = Ом .

Сопротивление проводника зависит от материала проводника и его геометрических размеров.

Сопротивление проводника R прямо пропорционально длине проводника L и обратно пропорционально площади его поперечного сечения S:

где ρ — удельное электрическое сопротивление материала проводника.

Удельное электрическое сопротивление вещества численно равно сопротивлению прямолинейного провода единичной площади поперечного сечения и единичной длины.

Единица удельного сопротивления — ом метр: [ ρ ] = Ом м.

Внесистемная единица удельного сопротивления — Ом мм2/м: 1 Ом мм2/м = 1 10−6 Ом м.

Электрическая проводимость проводника G — величина, об-

ратная сопротивлению проводника:

Единица электрической проводимости — сименс: [G] = См. Последовательное соединение проводников

Схема последовательного соединения двух проводников представлена на рис. 9.1.

R1 R2

Рис. 9.1

Сопротивление последовательно соединенных проводников

равно сумме сопротивлений всех проводников:

i=1

где Ri — сопротивление i-го проводника, n — количество соединенных проводников.

При последовательном соединении проводников сила постоянного тока в них одинакова:

а общее напряжение равно сумме всех напряжений на каждом проводнике Ui:

i=1

Параллельное соединение проводников

Схема параллельного соединения двух проводников, представлена на рис. 9.2.

R1

R2 Рис. 9.2

44

Проводимость параллельно соединенных проводников равна сумме проводимостей всех проводников:

i=1

где Gi — проводимость i-го проводника, n — количество соединенных проводников.

Общее сопротивление параллельно соединенных проводников R может быть определено из равенства:

где Ri — сопротивление i-го проводника, n — количество соединенных проводников.

При параллельном соединении проводников общая сила тока равна сумме всех сил токов в отдельных проводниках Ii:

i=1

а общее напряжение равно напряжению на каждом проводнике:

Измерение силы тока в проводнике

Для измерения силы тока в проводнике используется амперметр, который включается в электрическую цепь последовательно с проводником (схема приведена на рис. 9.3,а).

Мощность постоянного электрического тока P равна произ-

ведению напряжения U на силу тока I:

Единица мощности электрического тока — ватт: [P] = Вт.

Внесистемная единица работы электрического тока — ватт-час: 1 вт ч = 3,6 103 Дж.

Закон Джоуля Ленца: количество теплоты, полученное от проводника с током

где I — сила постоянного тока в проводнике, R — сопротивление проводника, t — промежуток времени действия тока.

Выражение (9.17) удобно применять при решении задач для последовательного соединения проводников в силу равенства (9.9), а при параллельном соединении проводников в силу равенства (9.14) удобно применять выражение:

§10. Магнетизм

Магнитное поле — поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие между постоянными магнитами, проводниками с током или движущимися зарядами.

Магнитное поле образуется постоянным магнитом, проводником с током и движущимся зарядом и характеризуется векторной физической величиной, называемой магнитной индукцией (обозначается B).

Постоянный магнит — тело, являющееся источником магнитного поля(как правило, в течение длительного промежутка времени).

Постоянный магнит имеет северный (обозначается С или N) и южный (обозначается Ю или S) полюса.

Свойство постоянных магнитов: притягиваются разноимен-

ными магнитными полюсами, отталкиваются — одноименными

47

магнитными полюсами.

Линия магнитной индукции (магнитная силовая линия) — линия, касательная к которой в любой ее точке совпадает с направлением магнитной индукции в этой же точке магнитного поля.

Вдоль линий магнитной индукции устанавливаются оси малых магнитных стрелок.

Свойства линий магнитной индукции: они являются замкну-

тыми, густота линий больше в той области, в которой индукция магнитного поля больше.

Внутри постоянного магнита линии магнитной индукции на-

правлены от южного полюса к северному, снаружи — от северного

Катушка с током подобно постоянному магниту имеет южный и северный полюс. Если ток в крайнем витке катушки направлен по часовой стрелке, то этот полюс является южным, если направлен против часовой стрелки, то — северным.

Магнитное поле в центре длинной однослойной катушки (соленоида) прямо пропорционально силе тока и линейной плотности витков катушки (количеству витков катушки, приходящихся на единицу длины катушки). Магнитное поле катушки увеличивается, если внутрь катушки поместить железный стержень (сердечник) вдоль оси катушки.

Электромагнит — катушка с током, по оси которой расположен железный сердечник.

Взаимодействие параллельных проводников с током

Параллельные проводники с одинаково направленными тока-

48

ми притягиваются друг к другу (рис. 10.2,а), с противоположно направленными токами — отталкиваются друг от друга (рис. 10.2,б).

Модули сил, приложенных к элементу единичной длины каждого из двух длинных прямолинейных тонких проводников,

где R — расстояние между проводниками, I1, I2 — силы токов в проводниках.

Единица силы тока устанавливается исходя из взаимодействия длинных параллельных проводников.

Определение единицы силы тока основано на магнитном действии электрического тока: один ампер равен силе постоянного тока в каждом из двух тонких параллельных прямолинейных длинных проводников, расположенных в вакууме на расстоянии, равным одному метру друг от друга, и взаимодействующих (притягивающихся или отталкивающихся) с силами, модуль которых равен 2 10−7 Н на участке каждого проводника длиной, равной одному метру.

Рамка с током в однородном магнитном поле

На рамку с током в магнитном поле действует момент сил, стремящийся повернуть рамку так, чтобы плоскость рамки была перпендикулярна магнитным линиям поля.

На взаимодействии магнитного поля и рамки с током основана работа различных электрических приборов и устройств (например, гальванометра, электродвигателя постоянного тока).

49

ТЕМА 4. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

§11. Отражение и преломление света

Геометрическая оптика — раздел оптики, в котором свет рассматривается как совокупность световых лучей.

Луч — линия, вдоль которой распространяется световая энергия. В прозрачной однородной среде лучи — прямые линии.

Точечный источник света — источник света, размеры которого много меньше расстояния от него до точки, в которой определяется действие света.

ется тень (область CD, представляющая собой круг) с четкой границей между ней и освещенной поверхностью экрана.

Отражение света от плоского зеркала

Угол падения — угол между перпендикуляром к поверхности тела и падающим лучом света.

Угол отражения — угол между перпендикуляром к поверхно-

Луч падающий, отраженный и перпендикуляр, восстановленный к поверхности тела в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

50