Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. В 2 частях. Ч.2. Молекулярная физика. Термодинамика. Электродинамика. Учебное пособие
.pdf
71
t
q
I
§ 17. Величины, характеризующие цепь электрического тока
Количественной характеристикой электрического тока служит
физическая величина – сила тока.
Скалярная физическая величина, численно равная
электрическому заряду, протекающему через поперечное сечение
проводника за единицу времени, называется силой тока I.
Если через поперечное сечение проводника за время t переносится
заряд q, то
.
Если сила тока со временем не изменяется, то такой ток
называется постоянным.
Единица силы тока в СИ – 1 ампер (А). Это основная единица. В
практике используют и другие единицы тока, например, миллиампер
(мА) и микроампер (мкА):
Силу тока измеряют амперметром. Амперметр включают в цепь
последовательно (рис. 40).
Рис. 40
Для поддержания непрерывного направленного перемещения
зарядов по проводнику необходимо наличие электрического поля.
Источники тока обеспечивают существование в проводнике разности
потенциалов. В них происходит разделение положительных (+) и
отрицательных (–) зарядов. В результате чего на его полюсах
собираются электрические заряды, а в окружающем пространстве
72
q
A
q
A
q
AA
U
ээл
сторлстор
Эти силы обеспечивают
движение зарядов внутри
источника в направлении,
противоположном
электрическому полю. Работа
сторонних сил является причиной
существования тока в замкнутой
цепи.
появляется электрическое поле. Разделение зарядов связано с
совершением работы. Работу по разделению зарядов не может
совершать сила электрического поля. Значит, внутри источника тока
действуют силы неэлектрического поля, например, химического
происхождения. Любые силы, действующие на электрические
заряженные частицы, за исключением сил электростатического
происхождения (кулоновских), называют сторонними силами
(рис. 41).
Рис. 41
Физическая величина, измеряемая работой электрических и
сторонних сил при перемещении единичного положительного
заряда по данному участку цепи, называется напряжением.
Напряжение измеряется в вольтах (В). Прибор для измерения
напряжения – вольтметр, который подключается в цепь параллельно
(рис. 42).
.
Рис. 42
73
q
A
ЭДС
стор
21
эл
q
A
ЭДСU
S
l
R
Физическая величина, численно равная полной работе, которая
совершается кулоновскими и сторонними силами при перемещении
единичного положительного заряда из одной точки в другую,
называется падением напряжения.
Количественная характеристика источника тока –
электродвижущая сила (ЭДС).
Скалярная физическая величина, являющаяся
энергетической характеристикой источника тока и измеряемая
отношением работы, совершённой сторонними силами при
перемещении единичного положительного заряда по замкнутой
цепи к величине этого заряда, называется электродвижущей
силой источника:
.
ЭДС измеряется в системе СИ в вольтах.
Так как
, то напряжение можно записать так:
.
Если на участке цепи нет источника тока, то напряжение на
концах участка равно разности потенциалов.
Физическая величина, характеризующая свойство проводника
ограничивать силу тока в цепи, называется электрическим
сопротивлением R.
Единица измерения сопротивления в СИ – 1 ом (Ом).
Эксперимент показал, что сопротивление проводника зависит от
его геометрических размеров и от материала проводника:
,
где l – длина проводника; S – площадь поперечного сечения
проводника; – удельное сопротивление проводника.
74
м
Ом
м
ммОм
1
2
Единица удельного сопротивления в СИ – 1 ом на метр (
Используют также единицу удельного сопротивления
.
Величина, обратная сопротивлению, называется
проводимостью:
. Единица электрической проводимости –
См (сименс), 1 См = 1 Ом-1.
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
сила тока сторонние силы плотность тока
ампер напряжение сопротивление
амперметр вольт ом
электродвижущая сила вольтметр проводимость
удельное сопротивление сименс
??? Ответьте на вопросы.
).
1. Какая физическая величина является количественной
характеристикой электрического тока?
2. Каким прибором измеряют силу тока в цепи? Как включается
амперметр в цепь?
3. Какое направление имеет электрический ток?
4. Что называется напряжением на участке цепи? В каких
единицах измеряется напряжение?
5. Каким прибором измеряют напряжение в цепи? Как
подключается вольтметр в цепь?
6. Что называется электродвижущей силой источника?
7. Что называется сопротивлением проводника? От чего оно
зависит?
8. Что называется удельным сопротивлением? В каких единицах
измеряется удельное сопротивление?
9. Что называется проводимостью? В каких единицах измеряется
проводимость?
75
R
U
I
rR
ЭДС
I
Упражнение 17. Решите задачи.
1. Определить силу тока в электрической лампе, если через её
спираль за 10 мин проходит 300 Кл количества электричества.
2. Как изменится сопротивление медного провода, если его длина
увеличится в 2 раза, а его диаметр уменьшится в 2 раза?
Удельное сопротивление меди – 1,68
10-8 Ом
м.
§ 18. Закон Ома для участка и для всей цепи.
Соединение проводников
Немецкий физик Г. Ом экспериментально в 1927 г. установил
зависимость силы тока от напряжения на концах участка и
сопротивления этого участка. Эта зависимость получила название
закона Ома для участка цепи (рис. 43): сила тока в участке цепи
прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и
обратно пропорциональна его сопротивлению:
.
Рис. 43
Закон Ома для замкнутой полной электрической цепи (рис. 44):
сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника
и обратно пропорциональна сопротивлению всей цепи:
,
где R – сопротивление внешнего участка цепи; r – сопротивление
внутреннего участка цепи.
76
А
В
rIRIЭДС
RI
rI
12
ЭДС
0R
r
ЭДС
I
max
Рис. 44
Единица сопротивления в СИ устанавливается по закону Ома.
1 Ом (1 Ом = 1
) – сопротивление такого проводника, по которому
течёт ток в 1 ампер при напряжении на его концах 1 вольт.
Сопротивление проводника зависит от температуры. У
металлических проводников сопротивление проводника
увеличивается с увеличением температуры проводника.
Из закона Ома для полной цепи можно найти ЭДС:
,
где
– падение напряжения на внешнем участке цепи;
–
падение напряжения на внутреннем участке цепи (в источнике).
Если цепь разомкнута, напряжение равно нулю (ни электрические,
ни сторонние силы работы не совершают), а ЭДС источника равна
разности потенциалов на полюсах разомкнутого источника:
.
Если сопротивление внешнего участка цепи будет очень мало
, то ток в цепи будет максимальный:
.
Максимально возможный ток в цепи называется током короткого
замыкания.
Электрические цепи, с которыми приходится иметь дело на
практике, обычно состоят не из одного проводника, а из нескольких
различных проводников. Эти проводники могут быть соединены
между собой по-разному.
77
IIII
n21
...
n21общ
... UUUU
n21общ
... RRRR
2
2
1
1
R
U
R
U
2
1
2
1
R
R
U
U
Существует соединение проводников последовательное и
параллельное.
Последовательным называется такое соединение проводников,
при котором конец первого проводника соединяется с началом
второго, конец второго – с началом третьего и т. д. (рис. 45).
Рис. 45
При таком соединении потребители (проводники) имеют по одной
общей точке.
Законы последовательного соединения проводников:
1. Сила тока, протекающего по всем проводникам, одинакова:
, т.е. I= const.
2. Напряжение между точками A и C равно сумме напряжений на
отдельных проводниках AB, BC. Т.е. общее напряжение на участке
цепи равно сумме напряжений на отдельных проводниках:
.
3. При последовательном соединении проводников общее
сопротивление цепи равно сумме сопротивлений всех включенных в
цепь проводников:
.
4. Напряжения при последовательном соединении проводников
прямо пропорциональны их сопротивлениям:
, отсюда
.
78
UUUU
n21
...
n21общ
... IIII
n21общ
1
...
111
RRRR
n21общ
... GGGG
2211
RIRI
1
2
2
1
R
R
I
I
Параллельным называется такое соединение проводников,
при котором начала всех проводников соединяются в один узел
(т. А), а концы – в другой (т. B) (рис. 46).
Рис. 46
При параллельном соединении различают:
1) ветви – отдельные проводники между узлами (R1, R2);
2) разветвление – часть цепи между двумя узлами A и B;
3) неразветвлённую часть цепи.
Законы параллельного соединения проводников:
1. Напряжение на всех ветвях и на всех разветвлениях одинаково:
.
2. Сила тока в неразветвлённой части цепи равна сумме сил токов
в ветвях:
.
3. Проводимость разветвления равна сумме проводимостей ветвей:
или
.
4. Силы тока в ветвях обратно пропорциональны сопротивлениям
этих ветвей:
или
.
79
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
закон Ома последовательное соединение ветвь
участок цепи параллельное соединение разветвление
короткое замыкание неразветвленная
??? Ответьте на вопросы.
1. Как читается закон Ома для участка цепи? Для полной цепи?
2. Что такое ток короткого замыкания? Когда он возникает?
3. Какое соединение проводников называют последовательным?
4. Сформулируйте законы последовательного соединения
проводников.
5. Какое соединение проводников называют параллельным?
6. Сформулируйте законы параллельного соединения
проводников.
Упражнение 18. Решите задачи.
1. По никелиновому проводу с поперечным сечением 0,5 мм2 течёт
ток 0,2 А. Напряжение на проводнике – 1,6 В. Определить массу
проводника (плотность никелинового проводника – 8,8∙103 кг/м3).
2. По проводнику сопротивлением 5 Ом за 1,5 мин прошёл
электрический заряд 45 Кл. Найти напряжение, приложенное к
концам проводника.
3. Определить общее сопротивление четырёх проводников,
соединенных между собой по схеме (см. рис.).
4. Определить общее сопротивление четырех проводников (см.
рис.) R1 = R2 = R3 = R4 = 4 Ом, соединенных между собой по схеме.
Рис. к задаче 3 Рис. к задаче 4
80
5. Сопротивление каждого резистора – 21 Ом. Найти общее
сопротивление цепи (см. рис.).
6. Определить общее сопротивление проводников, соединенных
между собой по схеме (см. рис.).
Рис. к задаче 5 Рис. к задаче 6
7. Определить силу тока в каждом резисторе и напряжение на всём
участке цепи (см. рис.).
§ 19. Работа. Мощность электрического тока.
Закон Джоуля-Ленца
Напряжение на концах любого участка цепи численно равно
работе, которая совершается при прохождении по этому участку
одного кулона электричества. При прохождении же по данному
участку цепи не одного, а нескольких кулонов электричества
совершается работа больше в несколько раз.
Таким образом, чтобы определить работу электрического тока на
участке цепи, надо напряжение на концах этого участка умножить на
количество электричества, прошедшего по нему:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]