Электричество. Сила электричества

Обратите внимание на очень важное слово в этом определении: “заказано”. Другими словами, не любое движение заряженных частиц является электрическим током. Например, вы знаете, что в металлах носителями свободного заряда являются электроны. В нормальных условиях эти электроны участвуют в хаотическом тепловом движении. Но чтобы этот кусок металла произвел электрический ток, электроны должны начать двигаться в одном определенном направлении. Для того чтобы это произошло в проводнике, необходимо создать электрическое поле. Тогда заряженные частицы под действием сил поля будут двигаться в направлении сил поля и, следовательно, в проводнике возникнет электрический ток. И она будет существовать до тех пор, пока электрическое поле действует на заряженные частицы.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам из пакета, вы должны добавить их в свой личный кабинет, купив в каталоге.

Получите удивительный опыт

Конспект урока “Электрический ток. Сила электричества”.

Термин “электрический ток” и определение направления тока были введены Адре Мари Ампером еще в 1820 году. ЭОн определил электрический ток как упорядоченное движение заряженных частиц.

Обратите внимание на очень важное слово в этом определении: “заказано”. Другими словами, не любое движение заряженных частиц является электрическим током. Например, вы знаете, что в металлах носителями свободного заряда являются электроны. В нормальных условиях эти электроны участвуют в хаотическом тепловом движении. Но чтобы этот кусок металла произвел электрический ток, электроны должны начать двигаться в одном определенном направлении. Чтобы это произошло, в проводнике должно быть создано электрическое поле. Заряженные частицы будут двигаться в направлении, соответствующем силам поля, и поэтому в проводнике возникнет электрический ток. И она будет существовать до тех пор, пока электрическое поле действует на заряженные частицы.

Направление электрического тока в цепи – это направление, в котором движутся (или могут двигаться) положительные заряды в проводнике.

Как мы уже упоминали в начале урока, определение направления тока было предложено Андре Мари Ампером в 1820 году, когда природа электрического тока еще не была полностью понята. Ампер, как и многие другие ученые того времени, считал, что двигаться могут только положительные заряды. Когда было обнаружено, что в большинстве случаев носителями электричества являются электроны (т.е. отрицательно заряженные частицы), стало ясно, что выбор был сделан неудачно. Однако люди настолько привыкли к этому определению, что старая конвенция не была изменена.

Конечно, мы не можем увидеть движение частиц в проводнике из-за их очень маленького размера. Однако мы можем судить о наличии тока в проводнике по некоторым очень важным физическим явлениям, которые очень полезны в практической жизни. Эти явления принято называть взаимодействием электрических токов. К наиболее очевидным относятся:

– Магнитное действие тока.

Тепловой эффект электричества проявляется в том, что среда, в которой протекает ток, нагревается. Именно этот эффект электричества человек давно и успешно использует в электрических утюгах, электрочайниках и кофеварках, а также в обычных электрических лампах с металлической спиралью.

Тепловой эффект тока в жидкостях можно наблюдать в следующем эксперименте. Возьмите два угольных электрода и поместите их в посуду с обычной водой. Когда электроды подключены к небольшому источнику напряжения, через 10-15 секунд вы заметите, что термометр начинает регистрировать повышение температуры воды.

А проявлением теплового эффекта электричества в газах является просто молния.

Однако в сверхпроводниках (это вещества, электрическое сопротивление которых становится равным нулю при снижении температуры до определенного значения) нагрев отсутствует.

Химическое действие электричества обычно проявляется, когда оно проходит через растворы солей, кислот или оснований. Например, если погрузить угольные электроды в раствор сульфата меди и пустить ток по цепи, то через несколько минут на электроде, соединенном с отрицательным полюсом источника, появится хорошо заметный красный налет. Это чистая медь, которая выделяется из соединения.

Ток также может вызвать химический эффект в газах. Именно это привело голландского физика Мартина Ван Марума к открытию озона – особой формы кислорода, молекулы которого состоят из трех атомов.

Но в твердых телах (в которых атомы, молекулы и ионы очень тесно связаны друг с другом и ограничены в своих движениях) химические изменения обычно не происходят.

Единственный эффект тока, который проявляется во всех без исключения проводниках, – это магнитный эффект. Он был открыт датским физиком Гансом Эрстедом совершенно случайно.

На одной из своих лекций он продемонстрировал студентам нагревание провода током от вольтова столба. На демонстрационном столе в этот момент стоял компас, один из проводов цепи которого проходил через стеклянную крышку. Когда ученый замкнул цепь, один из студентов заметил, что магнитная стрелка компаса качнулась в одну сторону, тем самым зарегистрировав наличие магнитного поля.

В этом эксперименте также можно наблюдать магнитный эффект электричества. Возьмите магнит в форме подковы и поместите между его полюсами металлическую рамку, соединенную ключом с источником тока. Пока контур не замкнут, рамка находится в состоянии покоя. Однако если через рамку протекает ток, она начинает вращаться.

В последние годы выделяют еще одно действие течения – световое действие. В простейшей форме световой эффект электрического тока можно наблюдать в лампе накаливания, спираль которой нагревается до белого цвета под действием протекающего через нее тока и излучает свет.

Однако в случае с лампой накаливания только около 5% подаваемой электрической энергии используется в качестве световой энергии. Световой эффект электрического тока более эффективно реализуется в люминесцентных лампах (до 20 %) и светодиодах, где коэффициент полезного действия достигает 50 %.

Важнейшей характеристикой электрического тока, определяющей его эффективность, является сила тока.

Ток – это скалярная физическая величина, численно равная электрическому заряду, протекающему через поперечное сечение проводника в единицу времени:

Напомним, что ток обозначается заглавной латинской буквой I. Его единицей измерения в СИ является ампер:

Один ампер – это сила такого неизменного тока, который, проходя через два параллельных прямых проводника бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, помещенных в вакуум на расстоянии одного метра друг от друга, создаст силу взаимодействия, равную 2 ∙ 10 -7 Н на каждом метре проводника.

Напомним, что если ток не изменяется со временем, он называется постоянным.

Давайте найдем силу тока в проводнике на примере графика заряда, переносимого во времени. А заодно определим число электронов, прошедших через поперечное сечение проводника за 4 с секунды?

Теперь посмотрим, зависит ли сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов. Для этого предположим, что у нас есть цилиндрический проводник с площадью поперечного сечения, равной S. Выберем небольшой участок в этом проводнике длиной Δl. Изолированный том содержит nSΔl частицы, где п – концентрация носителей тока.

Пусть заряд каждой частицы будет q0. Тогда суммарный заряд всех частиц в выбранном объеме будет задан выражением, которое вы сейчас видите на экране:

Δq = q0nSΔl.

Теперь предположим, что средняя скорость упорядочения свободных зарядов равна υ. Затем, в течение промежутка времени t = Δl/υ все частицы, содержащиеся в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Как известно, ток численно равен электрическому заряду, протекающему через сечение проводника в единицу времени:

На основе этого уравнения построим выражение для суммарного заряда всех частиц в выбранном объеме и выражение для интервала времени.

Ток в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней направленной скорости движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Обратите внимание, что скорость направленного движения свободных зарядов очень, очень мала. В качестве примера давайте с вами определим среднюю скорость упорядоченного движения свободных электронов в медном проводнике с поперечным сечением 1 мм 2 , если ток в нем равен 1 А. Предположим, что степень окисления меди равна +2.

Как видите, средняя скорость упорядоченного движения свободных носителей заряда очень мала. Поэтому помните: Скорость распространения тока и скорость направленного движения свободных зарядов – это не одно и то же. Когда мы говорим о скорости протекания тока в проводнике, мы имеем в виду скорость распространения электрического поля внутри проводника. И известно, что он распространяется со скоростью света.

Рисунок 1.3 – Структура атома

3.8.1 Направление электричества

Направление движения заряженных частиц, создающих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от ¾плюс¿ к ¾минус¿, а отрицательно заряженные частицы будут двигаться от ¾плюс¿ к ¾минус¿.

9 Когда возникает ток, свободные заряды продолжают свое тепловое движение! Проще говоря, в этом случае к хаотичным движениям заряженных частиц добавляется их упорядоченный дрейф в определенном направлении.

Заряжается в противоположном направлении, от ¾ минус до ¾ плюс. Например, в электролитах и газах присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток возникает при их взаимном перемещении в обоих направлениях. Какое из этих направлений следует принять за направление электрического тока?

Направление тока обычно понимается как направление положительных зарядов. Проще говоря, условно говоря, ток течет от ¾ плюса к ¾ минусу (рис. 3.33; положительный полюс источника тока представлен длинной линией, а отрицательный – короткой).

Это соглашение несколько контрастирует с наиболее распространенным случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, которые перемещаются от ¾минуса к ¾плюсу. Однако, в силу условности, мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.

Но мы ничего не можем с этим поделать, поэтому мы должны принять эту ситуацию как само собой разумеющуюся. Исторически так и было. Выбор направления тока был предложен Ампером10 в первой половине 19 века, за 70 лет до открытия электрона. Все привыкли к такому выбору, и когда в 1916 году было обнаружено, что ток в металлах вызывается движением свободных электронов, ничего не изменилось.

В таблице 2 приведены значения напряжения для некоторых технических устройств и приборов.

Сила тока

Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в единицу времени, определяет силу тока в цепи.

Ток – это физическая величина, характеризующая силу электрического тока и определяемая отношением электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени, за которое этот заряд прошел.

Он обозначается латинской буквой I. Формула для определения силы тока выглядит следующим образом:
Электрический ток - определение и понятия с примерами
где q – электрический заряд, протекающий через проводник в момент времени t.

Единицей силы тока является один ампер (1 A). Он назван в честь французского физика Андре-Мари Ампер.. На Международной конференции по мерам и весам в 1948 году. Единицу тока было решено ввести на основе явления взаимодействия двух проводников с током.
Возьмите два гибких прямых проводника, расположите их параллельно и подключите к источнику тока. Когда цепь замкнута, в проводниках течет электрический ток, заставляя их взаимодействовать: они притягиваются друг к другу, если направление тока в них одинаково (рис. 56a), или отталкиваются друг от друга, если направление противоположно (рис. 56b).

Электричество - определение и понятия с примерами
Рис. 56

Этот эксперимент был впервые проведен А.-М. Ампером. Он измерил силу тока в проводниках. Оказалось, что эта сила зависит от длины проводников, расстояния между ними, среды, в которой они находятся, и силы тока в проводниках. Ученый установил, что два очень тонких и длинных параллельных проводника длиной Imb в безвоздушном пространстве (вакууме), расстояние между которыми 1 м, а ток в каждом одинаковый, взаимодействуют друг с другом с силой 0,0000002 Н.

Один ампер (1 А) – это ток, который, протекая по двум параллельным, прямым, бесконечно тонким проводникам, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу 2 ∙ 10 -7 Н на каждом проводнике длиной 1 м.

Существуют также подчиненные и кратные единицы тока: миллиампер (мА), микроампер (мкА), килоампер (кА):
1 мА = 1 ∙ 10 -3 A; 1 мкА = 1 ∙ 10 -6 A; 1 кА = 1 ∙ 1O -3 A.

Единица тока 1А используется для определения единицы электрического заряда.

С сайтаЭлектрический ток - определение и понятия с примерамизатем q = To. С сайта I = 1 A, t = 1 с, единицей электрического заряда является один кулон (1 Кл).
1 Кулон = 1 ампер ∙ 1 секунда, или 1 Кл = 1A∙1c = 1A∙c.

Из определения силы тока следует, что при силе тока IA через поперечное сечение проводника ежесекундно проходит электрический заряд массой 1 Кл, т.е. 1Электрический ток - определение и понятия с примерами. Зная заряд электрона, можно определить, что при силе тока 1 А через поперечное сечение проводника проходит 6,25 ∙ 10 18 электронов в секунду.

Диапазон (пределы) тока, с которым мы имеем дело в физике, мал по сравнению с другими величинами и составляет от 10 -6 (0.000001) к 10 6 (100 000) А.

В электрических лампах, нагревательных приборах ток достигает нескольких ампер. При электросварке, когда металлы нагреваются до высоких температур, сила тока достигает значений в несколько тысяч ампер. Еще более высокие токи (сотни тысяч ампер) возникают при разрядах молнии. Воздух нагревается до 20 000 0 °C и его давление повышается до 300 атм (3,03 ∙ 10 7 Па) за очень короткое время (до 10-4 секунд), что соответствует интенсивному акустическому удару – мы слышим гром.

Химическое действие тока используется при зарядке аккумуляторов, хромировании и никелировании деталей и изделий, а также в электрохимическом производстве металлов. Сила тока в этих процессах варьируется от нескольких ампер (зарядка батарей) до сотен и даже тысяч ампер (производство чистых металлов).

Магнитное действие тока используется в электромагнитах, двигателях и т.д. В случае мощных двигателей токи могут достигать сотен ампер.

В таблице 1 показаны текущие уровни некоторых технических устройств и оборудования.

Таблица 1 Уровни тока в различных технических устройствах и приборах

Прибор, инструментСила тока, A
Электронный микроскоп0,00001
Телевизионный кинескоп0,00012
Рентгеновский аппарат0,02-0,10
Электрическая бритва0,08
Электрическая горелка0,3
Велосипедный генератор (для Электрический ток - определение и понятия с примерами)0,3
Электрическая лампочка0,3-0,4
Hoover1,9-4,2
Электрическая варочная панель3-4
Автомобильный генератор17
Двигатель троллейбуса160-220
Двигатель электровоза350
Машина контактной сварки10 000

Амперметр используется для измерения силы тока в цепи. Амперметр (Рисунок 57). Шкала амперметра на рисунке 57a – в амперах (A), а на рисунке 57b – в микроамперах (сокращенно μA, в международной практике известен как μA). Шкалы IIa записываются буквами A и μA соответственно. На схемах амперметр изображается буквой А в круге (рис. 58).

Ни один измерительный прибор не может повлиять на значение измеряемой величины, когда он включен в цепь. Поэтому амперметр сконструирован таким образом, что при его включении ток в цепи практически постоянен. Электрическое сопротивление должно быть как можно меньше (об электрическом сопротивлении вы узнаете позже).

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 57

Для измерения тока в цепи амперметр подключен последовательно с устройствомпоследовательно с устройством, в котором измеряется сила тока. Это делается путем “разрыва” цепи, то есть отсоединения одного из проводов от прибора и вставки его в гнездо амперметра с помощью двух клемм или зажимов на его корпусе. Одна из клемм амперметра имеет знак плюс (+), а другая – знак минус (иногда знак – опускается). Клемма со знаком “+” всегда должна быть подключена к проводу, отходящему от положительного полюса источника тока.

Поскольку, согласно закону сохранения электрического заряда, количество заряда, поступающего в цепь от одного полюса источника тока, равно количеству заряда, возвращающегося к другому полюсу источника, ток одинаков в разных частях цепи с последовательно соединенными устройствами. Поэтому для измерения тока в такой цепи амперметр можно включить в любой точке, и его показания всегда будут одинаковыми.

Тест 2. Соберите электрическую цепь (рис. 59) и измерьте силу тока в спирали лампы резака. Сила тока составляет 1 А.

В технике используются различные типы амперметров. Их шкалы или другие маркировки показывают, на какую силу тока они рассчитаны. Этот ток не должен превышаться, так как устройство может выйти из строя. На практике также используются амперметры с цифровыми индикаторами. Например, на рисунке 60 показано, что ток, измеренный таким амперметром, составляет 0,0625 А.
Современные амперметры могут измерять токи до 10 5 А.

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 59
Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 60

Электрическое напряжение

Электрическое поле, создаваемое источником тока, заставляет заряженные частицы двигаться вдоль проводника. Это приводит к совершению работы: нагревается спираль электрической лампы, приводится в движение электродвигатель и т.д. Это говорит о том, что электрическое поле играет главную роль в протекании электрического тока в проводниках. Чтобы охарактеризовать электрическое поле, вводится физическая величина, называемая напряжением или электрическим напряжением.

Напряжение – это физическая величина, которая определяется отношением работы электрического поля на данном участке цепи к электрическому заряду, прошедшему через этот участок. Он характеризует электрическое поле, создающее ток.

Напряжение обозначается заглавной буквой U. Формула для определения напряжения
Электрический ток - определение и понятия с примерами,

где A – работа, совершаемая электрическим полем при протекании тока;
q – величина электрического заряда, переносимого током.

Единица измерения напряжения в Единица СИ – один вольт (1 В). Его название происходит от имени Алессандро Вольта, который создал первый гальванический элемент.

Один вольт (1 В) – это напряжение на концах проводника, при котором работа, необходимая для перемещения электрического заряда на один кулон (1 Кл), равна одному джоулю (1 Дж).

Следовательно, Электрический ток - определение и понятия с примерами.

В дополнение к вольтам также используются единицы милливольт (мВ) и киловольт (кВ).
1 мВ = 0,001 В; 1 кВ = 1000 В.

Электрооборудование работает при различных напряжениях. Например, контактная сварка имеет напряжение 0,1 В, бытовые приборы работают при напряжении 220 В, мощные двигатели – при 380 В, а двигатели электровозов – при 1500 В.

Различные источники тока характеризуются своим рабочим напряжением. В гальваническом элементе и батарее (химических источниках тока) величина напряжения мала. Если гальванический элемент имеет медный и железный электроды, то напряжение составляет 0,78 В; медный и цинковый электроды – 1,1 В; серебряный и цинковый электроды – 1,56 В. Среднее напряжение свинцово-кислотного аккумулятора составляет 2 В, а никель-железного щелочного аккумулятора – 1,25 В.

Тепловые элементы (термопары) и фотопары (солнечные элементы) создают еще более низкое напряжение. Например, термопара из графита и карбида титана производит 52 мВ (0,052 В) при нагревании спая до 1000°C.

Кремниевый солнечный элемент площадью 160 см2 при освещении солнечным светом дает напряжение 2 В. Для получения более высокого напряжения гальванические элементы, батареи, термопары и фотоэлектрические элементы объединяются в батареи.

В таблице 2 приведены напряжения некоторых технических устройств и оборудования.

Таблица 2 Напряжение различных технических устройств и приборов

Прибор, оборудованиеНапряжение, В
Электронный микроскоп130 000
Телевизионный кинескоп16 000
Рентгеновский аппарат70 000-200 000
Электрическая бритва220
Электрическая горелка4,5
Велосипедный генератор (для Электрический ток - определение и понятия с примерами)7,2
Электрическая лампочка220
Электрическая плита220
Автомобильный генератор12
Двигатель троллейбуса550
Двигатель электровоза1 500
Машина контактной сварки0,1

Вольтметр используется для измерения напряжения в электрических цепях (рис. 62 (a) – для школьных экспериментов, (b) – для лабораторных работ).

Чтобы отличить вольтметры от амперметров или других электроизмерительных приборов, на их шкалах ставится буква V. Вольтметр показан на схемах, как на рисунке 62, c. Как и в случае с амперметром, знак “+” располагается возле одной из клемм вольтметра. Эта клемма должна быть подключена к проводу, идущему от положительного полюса источника тока. В противном случае стрелка будет отклонена в противоположную сторону, и это может привести к неудаче, т.е. важно учитывать направление электрического тока.
Вольтметр подключается иначе, чем амперметр.

Электрический ток - определение и понятия с примерамиЭлектрический ток - определение и понятия с примерамиЭлектрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 62

Эксперимент. 2 Измерьте напряжение, создаваемое батареей гальванических элементов (рис. 63). Напряжение на клеммах аккумулятора составляет 4,6 вольт. (Примечание: не включайте амперметр таким образом, он выйдет из строя!) Теперь подключите вольтметр к одной из клемм выключателя и лампы. Вольтметр ничего не показывает (рис. 64, a). А если подключить вольтметр к обеим клеммам лампы, то он покажет, какое напряжение подано на лампу (рис. 64, б). Это напряжение составляет 4 В.

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 63
Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 64

Подключите вольтметр параллельно к участку цепи, где будет измеряться напряжение, т.е. концы вольтметра должны быть подключены к тем точкам цепи, между которыми будет измеряться напряжение. В то же время через вольтметр протекает некоторый ток из цепи, что вызывает изменение значения напряжения в точках подключения. Чтобы это изменение было как можно меньше, электрическое сопротивление вольтметра должно быть большим (подробнее об электрическом сопротивлении вы узнаете позже).

На практике также используются вольтметры с цифровыми индикаторами. Измерьте напряжение в сети, оно составляет 217 В (рис. 65).

С помощью современных вольтметров можно измерять напряжение до 10 6 В.
Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 65

Кстати:
Некоторые рыбы имеют органы, вырабатывающие электрический ток. Например, электрический сом дает разряды до 360 В, электрический скат – до 220 В, а электрический угорь – до 650 В и до 2 А тока.

Электрическое сопротивление проводников

Вы уже знаете, что электрический ток в цепи – это упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле. Чем сильнее действие электрического поля на движущиеся в нем заряженные частицы, тем больше ток в цепи.

В этом случае действие электрического поля характеризуется напряженностью. Возникает вопрос: Зависит ли сила тока в проводнике от напряжения на его концах?

Эксперимент 1. Соберите электрическую цепь, используя гальванический элемент, ключ, амперметр, никелированную катушку из магазина резисторов, к которой параллельно подключен вольтметр (рис. 67).

Замкните цепь и запишите показания прибора (рис. 67, a). Подключите тот же вольтметр последовательно к гальваническому элементу и снова замкните цепь. Мы видим, что напряжение на катушке удвоилось, а амперметр показывает вдвое больший ток (рис. 67, б).

Если мы соединим три элемента последовательно, то напряжение на катушке увеличится в три раза, а ток в цепи увеличится во столько же раз.

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рисунок 67

Графически Это можно представить следующим образом (Рисунок 68). Отложите значения напряжения на горизонтальной оси в выбранном вами масштабе, а соответствующие значения тока – на вертикальной оси. Поместите точки на плоскость и получите линейный график: чем больше напряжение, приложенное к участку цепи, тем больше ток в цепи.

Следовательно, ток в проводнике прямо пропорционален напряжению на концах проводника.

Электричество - определение и понятия с примерами
рис. 68

Тест 2. Соберите электрическую цепь (рис. 69). При замыкании цепи амперметр будет показывать определенное значение тока. Когда цепь разомкнута, подключите к лампе никелевый провод длиной 1 или 2 метра. Снова замкните цепь, и вы увидите, что ток в цепи уменьшился. Если вместо никелевого провода в цепь подключить провод того же размера, то амперметр покажет еще меньший ток. Если вставить медный провод того же размера, сила тока в цепи увеличится.

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рисунок 69
Если подключить вольтметр к концам этих проводов при каждом замыкании цепи, он будет показывать одно и то же напряжение. Таким образом, видно, что ток в цепи зависит не только от напряжения, но и от свойств проводников, составляющих цепь.

Зависимость тока от свойств проводника можно объяснить тем, что направленному движению свободных электронов в металлическом проводнике противодействуют их хаотические столкновения с ионами в кристаллической решетке, которые находятся в состоянии теплового движения (колебания). Это противодействие приводит к уменьшению скорости направленного движения заряженных частиц, т.е. к уменьшению тока в цепи.

Величина, характеризующая свойство проводника противодействовать направленному движению свободных зарядов внутри него, называется электрическим сопротивлением проводника.

Проводники одинаковых геометрических размеров (длина и площадь поперечного сечения), но изготовленные из разных металлов, имеют разные значения удельного электрического сопротивления из-за различий в структуре их кристаллической решетки.

Электрическое сопротивление обозначается заглавной латинской буквой R. Единица электрического сопротивления в СИ – один Ом (1 Ом)назван в честь немецкого физика Георг Ом..

Единица электрического сопротивления – один Ом (1 Ом) – это проводник, который проводит ток силой один ампер (1 A) на своих концах при напряжении один вольт (1 В).

На практике используются следующие единицы измерения сопротивления: миллиом (мОм), килоом (кОм), мегаом (МОм).
1 мОм = 1∙10 -3 Ом; 1 кОм = 1∙ 1О 3 Ом; 1 МОм = 1 – 10 6 Ом.

Электрические и электронные цепи состоят из совокупности электрических цепей, ток и напряжение которых зависят от величины электрического сопротивления специальных элементов – резисторов резисторы разной конструкции. Значения сопротивления резисторов варьируются от десятых долей ома до десяти тысяч мегаом.

Закон Ома для однородного участка электрической цепи

Явления, происходящие в электрических цепях, характеризуются взаимосвязанными физическими величинами: током, напряжением и сопротивлением. Например, вы знаете, что ток в проводнике прямо пропорционален напряжению на его концах.

Явления, происходящие в электрических цепях, были впервые подробно изучены Георг Ом.. В 1826 году ему удалось экспериментально определить взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением в электрических цепях. Эти отношения оказались очень важными и получили название закон Ома. Чтобы понять его физическое значение, давайте проведем несколько экспериментов.

Эксперимент 1. Используя источник тока, амперметр, катушку из никелевой проволоки (резистор), вольтметр, гаечный ключ и соединительные провода, соберите электрическую цепь (рис. 70, a). На рисунке 70, б показана схема этой цепи. Амперметр, подключенный последовательно, покажет ток, протекающий в катушке. Вольтметр, подключенный параллельно катушке, покажет напряжение на концах катушки. Сопротивление катушки не изменяется.

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 70

Закройте ключ и снимите показания вольтметра и амперметра: U = 4 V; J = 1A. Если напряжение удвоить, т.е. U = 8 В, амперметр покажет вдвое больший ток, т.е. I = 2 А. Из этого следует, что если сопротивление проводника постоянно, то ток, протекающий в нем, прямо пропорционален напряжению на его концах (рис. 68 на с. 56).

УПРАЖНЕНИЕ 2. Соберите такую же электрическую цепь, как в предыдущем эксперименте, но вместо одной нихромовой проволоки подключите последовательно провода, сопротивление которых составляет 1 Ом, 2 Ом, 4 Ом соответственно (рис. 71, а).

Во время эксперимента напряжение на концах каждого провода было постоянным, проверьте его значение по показаниям вольтметра. Ток в цепи измеряется амперметром.

Результаты экспериментов следующие: напряжение на концах проводников равно 2 В; если присоединить проводник с сопротивлением 1 Ом, ток в цепи составит 2 А, 2 Ом – 1 А, 4 Ом – 0,5 А. Откладывая эти значения на координатных осях, строим график (Рисунок 71, б). Мы видим, что это гиперболаТо есть, чем больше сопротивление проводника, тем меньше в нем протекает ток.

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 71

Следовательно, при постоянном напряжении ток в проводнике обратно пропорционален его сопротивлению.

Используя результаты обоих экспериментов, получаем формулу для тока в проводнике I от напряжения на концах проводника U и его устойчивость R:
Электрический ток - определение и понятия с примерами

Эта формула выражает закон Ома.

Сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению в этой цепи и обратно пропорциональна сопротивлению цепи.

Закон Ома является основой для экспериментального метода определения сопротивления проводника. Из закона Ома следует, что

Электрический ток - определение и понятия с примерами

Таким образом, чтобы определить сопротивление проводника, измерьте напряжение и ток на нем, а затем разделите значение напряжения на значение тока. Из этой формулы также следует, что единица электрического сопротивления равна отношению единицы напряжения к единице тока, т.е. Электрический ток - определение и понятия с примерами.

Если вы знаете сопротивление и ток в цепи, вы можете использовать закон Ома для расчета напряжения на концах цепи:
Электрический ток - определение и понятия с примерами

Чтобы определить напряжение на концах участка цепи, умножьте ток в этом участке на его сопротивление.

Кстати:

Г. Ом, опубликовав свою книгу “Теоретические исследования электрических цепей”, в которой он изложил открытый им закон, написал, что “рекомендует ее хорошим людям с теплым чувством отца, который не ослеплен обезьяньей любовью к своим детям, а довольствуется тем, что указывает на непредубежденность, с которой его ребенок смотрит на недружелюбный мир”. Мир действительно оказался недружелюбным к нему. Через год после публикации его работы в журнале появилась статья, в которой исследования Г. Ома подверглись сокрушительной критике. “Тот, кто смотрит на вселенную благочестивыми глазами”. – говорится в статье, – “должны отвернуться от этой книги, ибо она является плодом несанкционированных заблуждений, единственная цель которых – принизить величие природы”.

Злобные и безосновательные нападки на Г. Ома не остались незамеченными. Теория Ома не была принята. И вместо научных исследований он был вынужден тратить время и силы на полемику со своими оппонентами. В одном из своих писем ученый писал: “Появление “Электрических цепей” принесло мне большое несчастье, и я готов проклясть время его возникновения.

Однако это были временные трудности. Постепенно теория Ома получила всеобщее признание. Закон Ома внес такую ясность в принципы расчета токов и напряжений в электрических цепях, что американский ученый Дж. Генрих, узнав об открытии Ома, не мог не воскликнуть: “Когда я впервые прочитал теорию Ома, она показалась мне вспышкой молнии, внезапно осветившей погруженную в темноту комнату.

Пример № 4

Сила тока в цепи электрической лампы равна 0,3 A. Сколько электронов проходит через поперечное сечение катушки за 5 минут?

Решение
Заряд, прошедший через поперечное сечение провода при протекании тока, рассчитывается по формуле
q = To.
Разделите это значение на элементарный заряд, чтобы определить число электронов, прошедших через поперечное сечение проводника:
Электрический ток - определение и понятия с примерами
Подставляя значения известных величин, получаем:

Электрический ток - определение и понятия с примерамиЭлектроны.

Ответ: 5,6 ∙ 10 20 электронов проходят через поперечное сечение спирали.

Пример 5.

Каково сопротивление вольтметра, рассчитанного на напряжение 150 В, если ток в нем не должен превышать 0,01 А?

Решение

Найдите сопротивление вольтметра в соответствии с законом Ома: Электрический ток - определение и понятия с примерами
Подставляя эти значения, получаем: R = 150 В: 0,01 А = 15 000 Ом = 15 кОм.

Ответ: Сопротивление вольтметра составляет R = 15 кОм.

Пример № 6

Что изменилось в участке цепи, если амперметр, включенный последовательно с ним, показывает увеличение тока?
Ответ: Напряжение увеличилось или сопротивление уменьшилось.

Расчет сопротивления проводника

Причиной электрического сопротивления проводника является взаимодействие свободных электронов с ионами в кристаллической решетке металла. Вычислим сопротивление проводника.

Эксперимент 1. Чередование проводников из одного материала, одинакового диаметра, но разной длины в электрической цепи (рис. 78). Измерьте ток с помощью амперметра и напряжение с помощью вольтметра.

Сделайте вывод по результатам экспериментов: чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление. Поскольку чем длиннее проводник, тем больше будет сопротивление частиц, движущихся в направленном направлении.

Эксперимент 2. Соединять в электрической цепи поочередно проводники из одного материала и одинаковой длины, но разного сечения. Измерьте ток в проводниках и напряжение на их концах, убедившись, что чем толще проводник, тем ниже его электрическое сопротивление. Увеличение толщины проводника означает, что канал, по которому движутся заряды, расширяется, и поэтому сопротивление проводника уменьшается.

Эксперимент 3. Соединить проводники из разных веществ, но одинаковой длины и площади поперечного сечения, один за другим в электрическую цепь. Оказалось, что электрическое сопротивление проводника зависит от вещества, из которого он сделан. Это связано с тем, что различные металлы имеют различную кристаллическую структуру, и поэтому эффект ингибирования из-за столкновений ионов и свободных электронов различен.

Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого он сделан, впервые была экспериментально установлена Г. Омом: Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества, из которого он сделан.
Электрический ток - определение и понятия с примерами

Удельное сопротивление проводника определяется удельным сопротивлением материала, из которого он изготовлен.

Удельное сопротивление вещества – это физическая величина, численно равная сопротивлению изготовленного проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 .

Если длина проводника обозначается через I, площадь его поперечного сечения составляет Sи удельное сопротивление p, сопротивление проводника можно определить по формуле:
Электрический ток - определение и понятия с примерами

Удельное сопротивление вещества можно определить по этой формуле:

Электрический ток - определение и понятия с примерами

Поскольку единица сопротивления равна 1 Ом, единица площади равна 1 м 2 , единица длины равна 1 м, то единица сопротивления равна:

Электрический ток - определение и понятия с примерами.

На практике площадь поперечного сечения проводников обычно выражается в квадратных миллиметрах, поэтому единицей удельного сопротивления вещества в этом случае является Электрический ток - определение и понятия с примерами

В таблице 3 приведены экспериментально полученные значения удельного сопротивления веществ, широко используемых в практике.

Таблица 3 Значения удельного сопротивления некоторых веществ (при t = 20 °C)

Лучшими проводниками электричества являются серебро, медь и золото. Однако для практических целей (например, при строительстве электросетей) проводники изготавливаются из алюминия, меди и железа. Нихромовые и фехралевые проводники используются в нагревательных элементах. Фарфор и эбонит – очень хорошие изоляторы.

Таким образом, для различных веществ значения удельного сопротивления варьируются в очень широком диапазоне, что объясняется их различной внутренней структурой.

Температурная зависимость сопротивления проводника

На практике часто приходится менять ток в цепи, один раз увеличивая, другой раз уменьшая его. Например, изменяя силу тока в электропечи, мы регулируем температуру, при которой печь нагревается.

Реостаты используются для регулирования тока в электрических цепях. На рисунке 79 показана иллюстрация реостатов (их обозначения приведены на титульном листе I). Такие реостаты называются слайдерами. В них проволока, покрытая тонким слоем окалины, наматывается на керамический цилиндр, так что витки проволоки изолированы друг от друга. Над обмоткой находится металлический стержень, по которому перемещается ползунок. Когда ползунок трется о катушки, слой окалины под контактами ползунка стирается, и электрический ток в цепи течет от катушек провода к ползунку и через него к стержню с клеммой на конце. Реостат подключается к цепи с помощью этой клеммы и клеммы, соединенной с одним концом обмотки и расположенной на корпусе реостата.

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 79
Перемещая ползунок, можно увеличить или уменьшить сопротивление реостата в цепи.
На рисунке 80 показаны реостат (а) и магазины сопротивлений (б), которые позволяют постепенно, а не плавно изменять сопротивление в цепи.

Электричество - определение и понятия с примерами
Рисунок 80

Каждый реостат рассчитан на определенное сопротивление и максимально допустимый ток, которые нельзя превышать, так как обмотка реостата может перегреться и перегореть. Сопротивление реостата и максимально допустимый ток обозначены на реостате. Зависит ли сопротивление проводника от его состояния и, в частности, от температуры?

ПРИМЕР 1: Составьте электрическую цепь, состоящую из источника тока, стальной катушки, амперметра и выключателя (рис. 81). Нагрейте катушку в пламени горелки. Амперметр, включенный в цепь, покажет уменьшение тока при увеличении температуры.

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 81

Поэтому сопротивление металлического проводника будет меняться в зависимости от температуры: оно будет увеличиваться при повышении температуры и уменьшаться при ее понижении.
Согласно научным исследованиям, в ограниченном диапазоне температур сопротивление металлических проводников увеличивается прямо пропорционально температуре (рис. 82), что дается формулой:
Электрический ток - определение и понятия с примерами

Где R – сопротивление проводника при определенной температуре; R0 – сопротивление проводника при 0 o C; t – температура проводника по шкале Цельсия; a – температурный коэффициент сопротивления.

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 82

Температурный коэффициент сопротивления (T) указывает на температурную зависимость сопротивления вещества и определяется относительным изменением сопротивления проводника при нагревании на 1°C:
Электрический ток - определение и понятия с примерами

В чистых металлах (с минимальным количеством примесей):

Электрический ток - определение и понятия с примерами

Например, сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания увеличивается при протекании через нее тока в 10 и более раз.

Сплав Константан (медь-никель) имеет очень маленький температурный коэффициент сопротивления, около 10 5 oC. Удельное сопротивление Константана высокое – p = 10 -6 Ом-м. Эти сплавы используются для изготовления эталонных и вспомогательных сопротивлений в измерительных приборах, если необходимо, чтобы сопротивление не изменялось значительно при изменении температуры.

Температурная зависимость сопротивления металлических проводников используется в термометры сопротивленияРабочим элементом в этих термометрах является платиновая проволока. Изменения температуры окружающей среды определяются изменениями сопротивления проводов. Эти термометры можно использовать для измерения очень низких и очень высоких температур окружающей среды, когда жидкостные термометры не подходят.

Для измерения сопротивления проводников используются различные конструкции омметров. На рисунке 83 омметр подключен к резистору для измерения его сопротивления. Цифровые показания омметра показывают, что сопротивление проводника составляет 39,1 Ом.

Пример #7

Сопротивление одного витка медной проволоки составляет 1,5 Ом, а сопротивление второго витка той же проволоки – 6 Ом. Во сколько раз короче отрезок провода в первой катушке, чем во второй?
Ответ: Сопротивление провода прямо пропорционально его длине. Чем короче медный провод, тем меньше его сопротивление. Следовательно, длина медного провода в первой катушке в 4 раза меньше, чем во второй.

Пример 8

Реостат изготовлен из никелевой проволоки длиной 40 м и сечением 0,5 мм 2 . Напряжение на клеммах реостата равно 80 В. Каково значение тока, протекающего через реостат?

Решение
Найдите силу тока в соответствии с законом Ома:

Электрический ток - определение и понятия с примерами.
Неизвестное сопротивление никелевой проволоки
никелевой проволоки в соответствии с формулой Электрический ток - определение и понятия с примерами.

Определите удельное сопротивление p по таблице 3 (стр. 66). Затем значение тока может быть рассчитано по формуле:Электрический ток - определение и понятия с примерами. Подставляя эти значения, получаем:

Электрический ток - определение и понятия с примерами

ОтветТок в реостате составляет 2,5 А.

Последовательное подключение проводов

Электрические цепи на практике состоят из нескольких потребителей, которые могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательно и параллельно (смешанное соединение).
При последовательном соединении потребителей * (проводов) они подключаются один за другим, без разветвления проводов между ними.

Опыт Соедините две лампы последовательно с источником тока (рис. 84 a) и нарисуйте схему цепи (рис. 84 b). Если вы выключите одну лампу, цепь разомкнется, и другая лампа погаснет (Рисунок 84, c). После выполнения лабораторной работы вы теперь знаете следующее.

1. когда проводники соединены последовательно, ток в каждой части цепи одинаков, т.е.

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рис. 84

2. общее напряжение U в последовательно соединенной цепи, или напряжение на полюсах источника тока, равно сумме напряжений всех отдельных частей цепи, т.е. (для двух частей)
U = U1 + U2.

Тогда, согласно закону Ома, общее сопротивление цепи R, соединенной последовательно, равно сумме сопротивлений отдельных проводников или отдельных участков цепи, т.е. (в случае двух проводников)
R = R1 + R2.

Параллельно соединенные проводники

Изделия, соединенные последовательно, отключаются одновременно при размыкании цепи, что не всегда удобно. Например, при освещении дома или комнаты нет необходимости включать все лампы одновременно. Если вы подключите лампы последовательно, выключение одной из них также приведет к выключению остальных. Если необходимо, чтобы устройства работали независимо в одной цепи, используется параллельное соединение.

При параллельном соединении приемников (проводников) провода каждого приемника подключаются к общей паре клемм (точек или узлов в цепи).

На рисунке 85.a показано параллельное соединение двух электрических ламп, а на рисунке 85.b – схема этого соединения (точки A и B – узлы цепи). Если одна лампа выключена, другая продолжает гореть.

После проведения экспериментов проверяем, что напряжение на участке AB цепи и на концах всех параллельно соединенных проводников одинаково, т.е.

В повседневной жизни и в технике удобно использовать параллельное соединение приемников, поскольку они рассчитаны на одинаковое напряжение.

Электрический ток - определение и понятия с примерами
Рисунок 85

При параллельном соединении ток I в точке A (рис. 85, b) распадается на два течения I1 и I2 которые снова сходятся в точке B. Таким образом, поток воды в реке разделяется на две ветви, которые затем вновь соединяются (рис. 85, в). Поэтому связь между значениями тока в ветвях параллельной цепи очевидна: ток в неразветвленной ветви равен сумме токов в отдельных проводниках, соединенных параллельно, т.е.

Параллельное соединение увеличивает толщину проводника, так что общее сопротивление цепи R оказывается меньше, чем наименьшее из сопротивлений проводников, составляющих цепь. Из закона Ома можно вывести соотношение для определения полного сопротивления цепи при параллельном соединении:
Электрический ток - определение и понятия с примерами

Если цепь состоит из двух одинаковых ламп, соединенных параллельно с сопротивлением Электрический ток - определение и понятия с примерамикаждой, общее сопротивление цепи будет равно половине сопротивления одной лампы: Электрический ток - определение и понятия с примерами

В электрических цепях часто Смешанное (или составное) соединение. Это комбинация последовательного и параллельного соединений. В случае трех резисторов возможны два варианта смешанного соединения. В первом случае (рис. 86, а) имеются две последовательно соединенные секции, одна из которых имеет параллельное соединение. Полное сопротивление цепи в этом случае равно:
Электрический ток - определение и понятия с примерами
Во втором случае (рис. 86, б) вся цепь рассматривается как параллельное соединение, в котором одна ветвь сама является последовательным соединением. Полное сопротивление цепи в этом случае равно:
Электрический ток - определение и понятия с примерами
В случае большего количества резисторов собирается другая, более сложная схема смешанного соединения.

Электричество - определение и понятия с примерами
Рис. 86

Пример № 9

Два проводника с сопротивлениями R1 = 2 Ом и R2 = 3 Ом соединены последовательно. Сила тока в цепи равна 1 A. Определите сопротивление цепи и общее напряжение на проводниках.

Решение
Сила тока во всех последовательно соединенных проводниках
в последовательно соединенных проводах одинаково;
I1 = I2 = I = 1 A.

Полное сопротивление цепи составляет:
R = R1 + R2; R = 2 Ом + 3 Ом = 5 Ом.

Согласно закону Ома: U = IR, U = 1 A ∙ 5 Ом = 5 В.
Ответ: Полное сопротивление цепи R = 5 Ом, напряжение U = 5 В.

Пример 10

В цепь освещения помещения включены две одинаковые электрические лампы. Сопротивление каждой лампы составляет 440 Ом, напряжение в цепи – 220 В. Определите общее сопротивление цепи и ток в подводящих проводах.

Решение
Если сопротивления ламп одинаковы,
тогда, если провода соединены параллельно
равен Электрический ток - определение и понятия с примерами

R = 440 Ом : 2 = 220 Ом.
Согласно закону Ома: Электрический ток - определение и понятия с примерами
I = 220 В : 220 Ом = 1 А.

Ответ: Полное сопротивление цепи R = 220 Ом, ток I – 1 А.

Контактный ожог является следствием преобразования электрической энергии в тепловую и возникает в основном в электроустановках напряжением до 1 000 вольт.

Урок 4: Необходимые условия для возникновения электрического тока

Главная ” Электроника для начинающих ” Урок 4: Предпосылки возникновения электрического тока

Еще раз желаю вам хорошего дня. Без лишних слов, давайте начнем наш сегодняшний разговор. Казалось бы, мы уже давно разобрались в причинах возникновения тока в проводнике. Когда мы поместили проводник в поле, электроны начали бегать, и появился ток. Что еще необходимо? Однако, как выяснилось, для того, чтобы этот ток постоянно поддерживался в проводнике, должны быть соблюдены определенные условия. Чтобы лучше понять физику протекания электрического тока в проводнике, давайте рассмотрим пример. Предположим, у нас есть проводник, который мы помещаем в электрическое поле, как показано на рисунке 4.1.

Электроника рисунок 4 1

Рисунок 4.1 – Проводник в электрическом поле

Обозначим произвольно силы на концах проводника как E1 и E2, где E1>E2. Как мы уже говорили ранее, свободные электроны в проводнике начнут двигаться в сторону более высокой напряженности поля, то есть к точке А. Однако со временем потенциал, созданный скоплением электронов в точке A, станет таким, что ее собственное электромагнитное поле E0 станет равным по модулю внешнему полю, а направления полей будут противоположными, поскольку потенциал точки B более положительный (электронов нет из-за внешнего поля).

Поскольку результирующая действия двух одинаковых противоположных сил равна нулю: |E|+|(E0)|=0, электроны прекращают свое упорядоченное движение, электрический ток прекращается. Для того чтобы поток электронов был непрерывным, необходимо: во-первых, приложить дополнительную силу непотенциальной природы, чтобы компенсировать влияние собственного электрического поля проводника; во-вторых, создать замкнутую цепь, поскольку движение электронов может происходить только в проводниках (мы указывали ранее, что диэлектрики, хотя и обладают некоторой электропроводностью, не проводят электрический ток), а для обеспечения постоянства компенсирующей силы необходимо постоянство полей: внешнего и собственного.

Давайте начнем со второго пункта. Рассмотрим проводник, помещенный в поле, как показано на рисунке 4.2. Предположим, что после компенсации взаимодействия внешнего и естественного электромагнитных полей к внешнему полю добавляется еще одно поле. Общее влияние внешнего поля составит 2-|E|. Ток в проводнике будет продолжать течь в том же направлении, но ровно до тех пор, пока 2-|E|>|E0|, после чего электрический ток снова перестанет течь. Это означает, что для протекания тока в открытом проводнике внешнее воздействие должно постоянно увеличиваться, что невозможно. Если замкнуть проводник так, чтобы одна его часть оказалась вне поля, то за счет работы дополнительной силы вне внешнего поля (эта сила в данном случае не может быть потенциальной, так как работа потенциальной силы в замкнутой цепи равна нулю и не зависит от формы пути) электрический ток в проводнике возникнет только за счет влияния внешнего поля, так как поле самого проводника будет полностью компенсировано. Поэтому любая электрическая цепь всегда должна быть замкнутой.

Мы можем попытаться объяснить необходимость дополнительной силы следующим образом: если бы мы могли частично перебросить заряды с конца B проводника на конец A проводника, электрический ток также не прекратился бы. Однако такое “падение” также требует энергии. Поэтому введение дополнительных сил все еще необходимо. Непотенциальные силы также называются внешними силами. А их источниками являются источники тока или генераторы.

Электроника рисунок 4 2

Рисунок 4.2 – Возникновение электромагнитного поля в проводнике

Откуда же берется дополнительная сила, которая, кстати, не должна создаваться полем, потому что без нее мы не получим ток? Оказывается, во время химической реакции восстановления-окисления, например, при взаимодействии диоксида свинца с разбавленной серной кислотой, высвобождаются свободные электроны: Чтобы “притянуть” все электроны, высвободившиеся в ходе реакции, в одну точку пространства, в раствор серной кислоты помещают несколько свинцовых решеток, называемых электродами. Одна часть электрода сделана из свинца и называется катодом, а другая часть, анод, сделана из диоксида свинца. Катод является источником свободных электродов для внешней цепи, а анод – приемником.

Этот пример соответствует знакомому всем водителям (и другим людям) устройству – свинцово-кислотному аккумулятору. Конечно, этот пример не совпадает с тем, что на самом деле происходит внутри батареи, но он хорошо отражает суть генерации тока. Это создает электрическое поле между положительным анодом (мало электронов) и отрицательным катодом (много электронов), что создает внешнюю силу и вызывает ток в проводнике. Эта сила зависит только от хода химической реакции, она практически постоянна до тех пор, пока существуют элементы этой реакции – кислота и оксид свинца. Поэтому, если мы удалим электрическое поле и соединим проводник с анодом и катодом, электрический ток все равно будет течь, потому что батарея создает внешнюю силу. Проводник будет иметь вокруг себя собственное электрическое поле, которое батарея должна преодолеть, чтобы переместить электрон от катода к аноду. В этом заключается суть третьей силы.

Теперь рассмотрим ситуацию с батареей и подключенным к ней проводником. Электрическое поле совершает положительную работу по перемещению положительных зарядов (мы говорим положительных зарядов, потому что направление их движения соответствует направлению тока) в направлении уменьшения потенциала поля. Источник тока приводит к разделению электрических зарядов – положительные заряды накапливаются на одном полюсе, а отрицательные – на другом. Напряженность электрического поля у источника направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной по мере перемещения заряда от “плюсового” полюса к “минусовому”. Работа внешних сил, с другой стороны, является положительной, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от “минуса” к “плюсу”. Это фундаментальное различие между терминами “разность потенциалов” и “ЭДС”, которое всегда следует иметь в виду.

На рисунке 4.3 показано направление тока I в проводнике, подключенном к батарее – от положительного анода к отрицательному катоду, но внутри батареи внешние силы химической реакции заставляют электроны, поступающие из внешней цепи, “приземляться” от анода к катоду, а положительные ионы – от катода к аноду, т.е. они действуют противоположно направлению тока и поля.

Электроника рисунок 4 3

Рисунок 4.3 – Демонстрация внешних сил при возникновении электрического тока

Из вышеприведенного обсуждения можно сделать следующий вывод: силы, действующие на заряд внутри источника тока, отличаются от сил, действующих внутри проводника. Поэтому необходимо различать эти силы. Электродвижущая сила (ЭДС) – работа, совершаемая внешними силами для перемещения единичного положительного заряда – была введена для характеристики внешних сил, обозначается латинской буквой ε (“эпсилон”) и измеряется так же, как и разность потенциалов – в вольтах. Поскольку разность потенциалов и ЭДС – это силы разного рода, можно сказать, что ЭДС вне клемм источника равна нулю. Хотя в обычной жизни эти тонкости упускаются из виду, и люди говорят: “Напряжение на батарейке 1,5 В”, хотя, строго говоря, напряжение на участке цепи – это суммарная работа электростатических и посторонних сил по перемещению одного положительного заряда. Мы столкнемся с этими понятиями в будущем, и они пригодятся нам при расчете сложных электрических цепей.

Думаю, на этом урок можно закончить, потому что это уже слишком… Но нужно различать понятия напряжения и ЭДС.

  • Для существования электрического тока необходимы два условия: 1) замкнутая электрическая цепь; 2) наличие источника внешних непотенциальных сил.
  • Электродвижущая сила (ЭДС) – это работа, совершаемая внешними силами для перемещения единичного положительного заряда.
  • Источники внешних сил в электрической цепи также называются источниками тока.
  • Положительный полюс батареи называется анодом, а отрицательный – катодом.

На этот раз проблем не возникло, лучше повторите этот урок, чтобы понять всю физику протекания тока в проводнике. Как всегда, вы можете оставить любые вопросы, предложения и пожелания в комментариях ниже! До скорой встречи!

← Урок 3: Закон Ома | Оглавление | Урок 5: Источники питания

Вихревые токи (или токи Фуко) – это замкнутые электрические токи в твердом проводнике, которые создаются за счет изменения магнитного потока, пронизывающего его, поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определенным путям в проводниках, а образуют вихревые петли в проводнике.

Электрические токи в природе

Молния

Молния

Атмосферное электричество – электрическая энергия, содержащаяся в воздухе. Бенджамин Франклин впервые продемонстрировал наличие электричества в воздухе и объяснил причину возникновения грома и молнии.

Позже было обнаружено, что электричество накапливается в концентрации паров в верхних слоях атмосферы, и были найдены следующие законы, управляющие атмосферным электричеством:

  • При ясном небе, как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительно, если только на некотором расстоянии от места наблюдения не идет дождь, град или снег;
  • Напряжение облачного электричества становится достаточно сильным, чтобы высвободить его из окружающей среды только при конденсации облачных паров в капли дождя, о чем свидетельствует тот факт, что молния не возникает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая обратные удары молнии;
  • Атмосферное электричество увеличивается с ростом влажности и достигает максимума во время дождя, града и снега;
  • Место, где идет дождь, представляет собой резервуар положительного электричества, окруженный поясом отрицательного электричества, который, в свою очередь, окружен поясом положительного электричества. На границах этих полос напряжение равно нулю.

Движение ионов под действием сил электрического поля создает в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью около (2÷3)-10 -12 А/м².

Общий ток, протекающий по всей поверхности Земли, составляет около 1800 А.

Молния – это естественный электрический разряд в виде искры. Подтверждена электрическая природа авроры бореалис. Огонь святого Эльма – это естественный электрический разряд природы короны.

Биопотенциалы – движение ионов и электронов играет очень важную роль во всех жизненных процессах. Биопотенциалы, образующиеся в этом процессе, существуют как на внутриклеточном уровне, так и в отдельных частях тела и органах. Передача нервных импульсов происходит с помощью электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрические угри) способны накапливать потенциалы в несколько сотен вольт и использовать их для защиты.

Постоянный электрический ток может генерироваться только в в замкнутом контурев котором свободные носители заряда циркулируют по замкнутым путям. Когда электрический заряд движется в электростатическом поле по замкнутому пути, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для возникновения постоянного тока в электрической цепи должно быть устройство, способное создавать и поддерживать разность потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения.. Когда один положительный заряд перемещается в цепи, работу совершают как электростатические (кулоновские), так и внешние силы.

  • Печать
  • Электронная почта

Проводники отличаются от диэлектриков тем, что в них имеются свободные заряды, которые могут перемещаться по всему объему проводника.

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле то свободные заряды qв проводнике будет действовать как сила . В результате происходит мгновенное смещение свободных зарядов в проводнике. Этот процесс закончится, когда электрическое поле зарядов на поверхности проводника не будет полностью компенсировать внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника равно нулю.

Однако при определенных условиях в проводниках может возникнуть непрерывное, упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Это движение называется электрический ток.

Электрический ток Упорядоченное движение заряженных частиц.

Направление электрического тока является направление положительных свободных зарядов.

В металлах носителями заряда являются электроны, которые являются отрицательно заряженными частицами, поэтому электрический ток в металлах всегда направлен противоположно направлению движения электронов.

Количественной мерой электрического тока является текущий I.

Сила токаэто скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника в момент времени t, к этому моменту времени:

Сила тока численно равна количеству зарядов, прошедших через поперечное сечение проводника за 1 секунду.

Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике
I – интенсивность тока, S – площадь поперечного сечения проводника, – электрическое поле.

Единицей тока в Международной системе единиц (СИ) является амперы [А].

Прибор для измерения тока называется амперметр.

Амперметр подключен последовательно в разомкнутую цепь, чтобы через него проходил весь измеряемый ток.

В схемах электрических цепей амперметр обозначается как амперметр. .

Амперметр имеет определенное внутреннее сопротивление RA. Внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с общим сопротивлением цепи.

Если сила и направление тока не изменяются во времени, то ток называетсянеизменный.

Мгновенный ток в проводнике можно получить, соединив этот проводник с двумя заряженными проводящими телами, имеющими разные потенциалы. Ток в проводнике исчезнет, если потенциалы тел будут одинаковыми. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать электрическое поле и поддерживать его в течение длительного времени. электрическое поле.

Условия существования электрического тока:

1. Наличие свободных зарядов внутри проводника,

2. Наличие разности потенциалов на концах проводника (создание электрического поля внутри проводника).

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое создается электрическим полем и таким образом совершает работу. Представленная работаэто работа сил электрического поля, создающих электрический ток.

Постоянный электрический ток может быть получен только в в замкнутом контурев котором свободные носители заряда циркулируют по замкнутым путям. Когда электрический заряд движется в электростатическом поле по замкнутому пути, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для возникновения постоянного тока в электрической цепи должно быть устройство, способное создавать и поддерживать разность потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения.. Когда один положительный заряд движется по цепи, электростатические (кулоновские) силы и внешние силы совершают работу.

Работа электростатических сил по перемещению единичного заряда равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной точкой (1) и конечной точкой (2) неравномерного участка. Значение U12 обычно называют напряжение в разделе 1-2 схемы.

Напряжениефизическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы, и численно равна работе электрического поля по перемещению заряда из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2.


Для однородного поля напряжение равно разности потенциалов: U12 = φ1 – φ2

Единица измерения напряжения в Международной системе единиц (СИ) вольт [В].

Прибор для измерения напряжения называется вольтметр.


Вольтметр используется для измерения разности потенциалов, приложенных к его клеммам. Он подключен в параллельно цепь, на которой измеряется разность потенциалов.

В электрических схемах амперметр обозначается как вольтметр. .

Каждый вольтметр имеет определенное внутреннее сопротивление RB. Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должен быть высокая по сравнению с сопротивлением цепи, к которой он подключен. Поскольку внутри вольтметра не действуют никакие внешние силы, разность потенциалов на его клеммах по определению совпадает с напряжением. Поэтому можно сказать, что вольтметр измеряет напряжение.

Подобно тому, как трение в механике препятствует движению, сопротивление проводника создает сопротивление направленному движению зарядов и определяет преобразование электрической энергии во внутреннюю энергию в проводнике. Причина сопротивления: столкновение свободно движущихся зарядов с ионами кристаллической решетки.

Величина, описывающая сопротивление электрического тока проводнику, обусловленное внутренней структурой проводника и хаотическим движением его молекул, называется электрическое сопротивление проводника.

В системе СИ единицей электрического сопротивления проводников является ом [Ом]. Определенный участок цепи имеет сопротивление 1 Ом, который производит ток 1 А при напряжении 1 В.

Электрическое сопротивление проводника зависит от размер и форма проводника и из материал, из которого сделан проводник.

S – площадь поперечного сечения проводника
l – длина проводника
ρ – удельное сопротивление проводника.

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Значение ρкоторая описывает зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называется удельным сопротивлением проводника. Численно оно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2 из данного материала. Единицей СИ удельного сопротивления является [1 Ом*м = 1 Ом*мм 2 /м].

Сопротивление проводника зависит от и его состояние, т.е. температура.

Эта зависимость сопротивления выражается формулой или

α – температурный коэффициент сопротивления. Для всех чистых металлов .

Когда чистые металлы нагреваются, их сопротивление увеличивается, а когда они охлаждаются, их сопротивление уменьшается..

Закон Ома для участка цепи.

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что ток IНапряжение на однородном металлическом проводнике (т.е. проводнике, на который не действуют внешние силы) пропорционально напряжению U на концах проводника:

Эта взаимосвязь выражается Закон Ома для однородной цепи: Ток в проводнике прямо пропорционален приложенному напряжению и обратно пропорционален сопротивлению проводника.

Проводник с электрическим сопротивлением называется резистор..

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейный.

Графическая зависимость между током I и напряжением U называется вольт-амперная характеристика (сокращенно VAC). Она представлена в виде прямой линии, проходящей через начало координат.

Вольт-амперная характеристика проводника может быть использована для оценки его сопротивления: чем больше угол наклона графика к оси напряжения, тем меньше сопротивление проводника.

Читайте далее:
Сохранить статью?