Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Продвинутый этап. В 2 частях. Ч.I. Учебное пособие для иностранных слушателей по курсу довузовской подготовки
.pdf
ЭМ-21. Конденсаторы с емкостями и соединены
последовательно в цепь между точками и . Напряжение между
этими точками равно . Найти: 1) ѐмкость системы; 2) заряд
на пластине каждого конденсатора; 3) напряжение на первом
конденсаторе; 4); напряжение на втором конденсаторе; 5) энергию
каждого конденсатора.
ЭМ-22. Два конденсатора соединены параллельно между точками
и . Напряжение между этими точками равно . Ёмкость цепи
равна , ѐмкость второго конденсатора . Найти: 1) ѐмкость
первого конденсатора; 2) заряд на пластине первого конденсатора;
3) заряд на пластине второго конденсатора; 4) энергию первого
конденсатора; 5) энергию второго конденсатора.
2.5. Сила тока. Расчѐт сопротивления проводника
Электрическим током называют упорядоченное движение
заряженных частиц.
Проводники (металлы, водные растворы солей, плазма)
пропускают через себя ток, так как эти вещества содержат свободные
заряды: ионы и электроны.
Рассмотрим проводник длины цилиндрической формы.
Поперечное сечение проводника – это круг площади .
Рис. 2.19. Движение свободных зарядов в проводнике
101
Пусть через сечение проводника за интервал времени прошел
Дано:
Решение. Заряд, проходящий через
поперечное сечение проводника равен
заряду электронов числа :
Найти:
заряд .
Сила тока в проводнике равна отношению прошедшего заряда
к интервалу времени движения :
Единица измерения силы тока – один ампер:
Постоянным называют ток, величина которого не изменяется
с течением времени .
Электрическое сопротивление ‒ это способность вещества
не пропускать электрический ток.
Изоляторы (диэлектрики) имеют большое сопротивление
и не пропускают ток. Проводники имеют малое сопротивление.
.
Электрическое сопротивление провода длины и площади
поперечного сечения равно:
Единица сопротивления – один Ом (). В уравнении
(2.22) удельное электрическое сопротивление вещества обозначено
буквой и имеет единицу измерения один ом-метр: .
Рассмотрим примеры решения задач.
Задача 2.14. Сколько электронов проходит через поперечное сечение
проводника за при силе тока ?
102
Из определения для силы тока (2.21) выразим число электронов :
Сделаем расчѐты:
Ответ:
Дано:
Решение. Площадь сечения провода равна
площади круга диаметра :
Выразим и посчитаем длину провода
из уравнения (2.22):
Найти:
Ответ:
Задача 2.15. Сопротивление цилиндрического алюминиевого провода
диаметра равно . Удельное электрическое сопротивление
алюминия . Найдите длину провода.
Решить задачи
ЭМ-23. Сколько электронов проходит через поперечное сечение
спирали лампы накаливания за при силе тока в лампе ?
103
ЭМ-24. Найдите сопротивление цилиндрического медного провода
диаметра и длиной . Удельное электрическое
сопротивление меди равно .
ЭМ-25. Найти напряжение между точками и , если ,
, , .
Рис. 2.20. Рисунок к задаче ЭМ-25
ЭМ-26. Найти напряжение между точками и , если ,
, , , .
Рис. 2.21. Рисунок к задаче ЭМ-26
2.6. Цепь постоянного тока. ЭДС. Напряжение.
Законы Ома
Для протекания постоянного тока в небольшой части замкнутого
контура необходимо поместить источник сил не электростатического
происхождения. Источник сторонних сил называется батареей.
Замкнутая цепь постоянного тока имеет: 1) внутренний участок
с источником тока (батареей); 2) внешний участок цепи – резистор
(нагрузку).
104
Электрическое сопротивление батареи мало. Нагрузка имеет
большое сопротивление .
Кулоновская сила перемещает положительный заряд во внешней
цепи от к . Сторонние силы перемещают положительные
заряды на внутреннем участке от к .
Работа кулоновской силы на внешнем участке цепи и работа
сторонней силы на внутреннем участке обеспечивают непрерывность
движения зарядов в замкнутом контуре.
Рис. 2.22. Замкнутая цепь постоянного тока
Разность потенциалов
кулоновской силы
по перемещению заряда на внешнем участке
равна отношению работы
цепи между точками 1 и 2 (от к ) к величине заряда :
Электродвижущей силой (ЭДС) называют отношение работы
сторонних сил
по перемещению заряда в батарее между точками
2 и 1 (от к ) к величине заряда:
Участок цепи, где есть батарея и резистор, называется
неоднородным участком цепи.
105
Напряжением на неоднородном участке цепи называют
отношение работы всех сил к величине заряда:
Таким образом, напряжение на неоднородном участке цепи равно
сумме разности потенциалов и величины ЭДС.
На однородном участке цепи действует только кулоновская сила,
и напряжение равно разности потенциалов:
Важное замечание. Каждая из величин – разность потенциалов,
ЭДС и напряжение – равна отношению работы к величине заряда.
Поэтому они имеют одну и ту же единицу измерения – 1 вольт, так
как 1 вольт равен отношению 1 Дж к 1 Кл:
Законы Ома для цепи постоянного тока
Закон Ома для замкнутой цепи
Сила тока в замкнутой цепи определяется отношением ЭДС
источника к общему электрическому сопротивлению цепи:
Закон Ома для участка цепи
Напряжение на участке цепи равно произведению тока на этом
участке и сопротивления участка цепи.
На внешнем участке цепи (на нагрузке) напряжение равно:
Рассмотрим примеры решения задач.
106
Задача 2.16. Найти напряжение на нагрузке с сопротивлением
Дано:
Решение. По законам Ома (2.27) и (2.28):
Ответ:
Найти:
Дано:
Решение. Для сопротивления параллельного
соединения резисторов
получаем:
Сопротивление схемы равно:
Найти:
в цепи батареи с внутренним сопротивлением и ЭДС .
Задача 2.17. В схеме напряжение между точками и равно .
Сила тока на первом резисторе равна . Сопротивления
резисторов ,
. Найти сопротивления всех резисторов,
напряжения и токи на втором и третьем резисторах.
Рис. 2.23. Схема задачи 2.17
По закону Ома
107
, поэтому:
Напряжение между точками и равно сумме напряжений:
где . Посчитаем
:
По закону Ома для участка цепи найдѐм токи:
Сделаем проверку:
.
Ответ:
Решить задачи.
ЭМ-27. В замкнутой цепи, содержащей источник тока с ЭДС ,
протекает ток . Напряжение на нагрузке равно . Найдите
внутреннее сопротивление источника тока и сопротивление нагрузки.
ЭМ-28. Сила тока на резисторе с сопротивлением ,
подключенном к батарее с ЭДС , равна . Найдите внутреннее
сопротивление батареи.
ЭМ-29. Найти напряжение на нагрузке с электрическим
сопротивлением при подключении к источнику постоянного
тока с ЭДС и внутренним сопротивлением .
108
ЭМ-30. При подключении резистора с сопротивлением
к батарее сила тока в цепи равна , а при подключении резистора
с сопротивлением к этой же батарее сила тока в цепи меньше
и равна . Найдите ЭДС и внутреннее сопротивление батареи.
2.7. Работа тока. Закон Джоуля-Ленца. Мощность тока
Работа тока на участке цепи с напряжением ‒ это работа
силы Кулона по перемещению заряда на этом участке:
Из определения для силы тока:
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока ,
напряжения и интервала времени движения зарядов :
Электрический ток оказывает на вещество:
1) Химическое действие – под действием электрического тока
в веществе могут происходить химические реакции, а также
электрическая диссоциация (разложение молекул вещества
на ионы).
2) Механическое действие – провод с током может деформироваться
или перемещаться.
3) Тепловое действие – под действием электрического тока вещество
может нагреваться.
109
Закон Джоуля-Ленца
Если
1) участок цепи с током не перемещается в пространстве
и не деформируется,
2) под действием тока в веществе не проходят химические реакции,
то работа электрического тока полностью превращается
в количество теплоты, приводящее к нагреванию участка цепи:
Полезная мощность тока на участке цепи равна отношению
работы тока ко времени , за которое ток совершает работу:
Мощностью источника тока
называют произведение тока
в замкнутой цепи и ЭДС источника:
Величину
также называют мощностью, которую потребляет
замкнутая цепь.
– эффективность источника тока или коэффициент полезного
действия (КПД). КПД источника тока равен отношению полезной
мощности к мощности источника тока
:
Двигатели или устройства, которые работают под действием
электрического тока, производят полезную механическую или
тепловую мощность
. КПД таких устройств равен отношению
полезной мощности к потребляемой мощности тока :
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]