· § 16. Условия вознuкновенuя электрического тока .§ __ 16. Условия вознuкновенuя эле~jр~ческого тока , Изуча~ ' физику в предыдущих классах, вы узнали, что такое электрический ток, каковы его основные свойства и закономерности,. Г.де .:и как он применяется. Напомним, что под электрическим током понимают направленное движение заряженных частиц или тел. Ток соnровождается определен­ ными физическими действиями: магнитными, тепловыми, · химическими и т. д. По этим действиям можно легко опреде­ лить наличие электрического тока в той или иной среде. Для создания электрического тока необхо~имы определенные , условия: 1) 2) наличие свободных носителей электрических зарядов; н~ичие в среде причин, которые могут двигать заря­ женные частицы в определенном направлении, например - электрическое или магнитное поле, ускоренное движение про-. · водника. · 47 Условия возникновения Электрического тока: - наличие свободн'ых носителей электрических зарядов; - существование в среде причин направленного движения частиц. (j - Рассмотрим закономерности прохождения тока в провод­ нике, который является частью электрической цепи. Для :riеремещения частиц должна быть определенная раз­ ность потенциалов, т . е. на концах проводника должны быть различные потенциаЛы. Тогда носители заряда будут двигаться от конца с большим потенциалом к концу с меньшим потен­ циалом . Чтобы это происходило постоянно, между концами провод­ ника должна существовать постоянная разность потенциалов. Выполнение этого условиЯ обеспечивают источники тока, ра­ ботающие за счет иреобразования различных видов энергии· в · электрическую. Так, в гальванических элементах и аккумулято­ рах происходит иреобразование энергии химических взаимодей­ ствий, в термагенераторах-тепловой энергии, в электромеха­ нических генераторах - механической . Кроме источника тока, электрические цепи содержат и другие элементы, соединенные проводниками: различные потребители электрической энер­ гии, измерительные и регулирующие приборы, выключатели. Электрические цепи содержат источники тока, потребители, ~ .­ измерительные и реrулирующие приборы, выключатели. \.WJ --------- - ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК Электрический ток характеризуют физической величиной, называемой силой mmca. Она характеризует скорость движе­ ния заряженных частиц в проводнике и численно равна отно­ шению · перенесенного частицами заряда мени !1t, !1Q к интервалу вре­ на протяжении которого произошел э.тот перенос: = !1Q. I ы Ток называется постоянным, если за - любые равные интервалы времени через l=I1Q ы поперечное сечение проводника произо- шло перенесение одинаковых зарядоiJ. В Международной системе единиц (СИ) единицей силы тока является ампер: 1 А= 1Кл· = 1 1с (i) 1 А= 1 Кл = 1 Кл -48 В 1с с 1826-1827 с Для измерения силы тока: применяются также кратные и долевые единицы: 1 1 1 связи Кл. = 1 мкА = 1о- 6 А; миллиампер = 1 мА = 10-з А; килоампер :: 1кА = 103 А. микроампер гг. немецкий физик Георг Ом открыл закон между силой тока, напряжением и сопротивлением участка цепи: сила rrimca в одпородпом учасm1ее цепи прямо пропорцио­ пальпа папряж~пию и обратпо пропорциопальпа сопротивлепию проводnи1Са и . l=- R' где I - сила тока; и - напряжение на участке цепи; R - со­ противление проводника . - Сиnа тока в однородном участке цепи прямо пропорционаnь· на напряжению и обратно пропорциона:nьна соnротивлению проводника: I =-и· R · 16. Условuя вознuкновенuя Вспомним, что напряжение И - это энергетическая характе­ ристика электрического поля, которая равна работе А поля по nеремещению единичного электрического заряда Q по данному участку цепи: А И=-. Q В СИ она измерЯется в вольтах (В). На ирактике использ-у:ются кратные и долевые единицы напряжения: милливольт = 1 мВ = 10-3 В; микровольт= 1 мкВ = 10-6 В; киловольт= 1 кВ= 103 В; мегавольт = 1 МВ= 106 В. 1 1 .1 1 Сопротивление каК физическая величина является характе­ ристикой электрических свойств проводни~а и зависит от гео­ метрических и физических его параметров. Природа электри­ ческого сопротивления объясняется взаимодействием. движу­ щихся носителей · заряда с другими структурными элементами nроводника, в частности с ионами кристаллической решетки. . 49 Формула закона Ома позволяет рассчитать сопротивление проводника: R=u I. Если при напряжении 1 В в проводнике проходит ток то сопротивление этого .проводнzща составляет 1 Ом. 1 А, Если при напряжении 1 В в проводнике проходит ток 1 А, то ~. · сопротивление этоrо проводника сосrа&~,~яет 1 Ом. · lОм= lB ~-) - 1А Кратные и долевые единицы электрического сопротивления: 1 1 1 миллиом = 1 мОм= 10-3 Ом; килоом = 1 кОм= 103 Ом; мегаом = 1 МОм = 106 Ом. Сопротивление проводника также можно р~ссчитать, зная его вещество и геометрические размеры: R=pl s' где р - удельное сопротивление ве­ щества проводника; водника; S - сечения проводника. 4·Fizlka (rus), 11 kl l ...,. длина про­ площадь поПеречного ~ ( R=pl s (j) - ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК 1. 2. Что такое электрический ток? Что такое сила тока? Э. Назовите единицы измерения силы тока . 4. Между какими физическими величинами устанавливает зави ­ симость закон Ома? 5. Что называют напряжением? 6. Какова природа электрического сопротивления? § 17. · Работа u мощность тока ЭнергИя электрического тока в цепи мо~ет пре­ вращаться ·в другие виды энергии: тепловую, химическую, механическую, световую и т. п. Любое это превращение про­ исходит при выполнении работы. Работа, выполняемая полем при перенесении частиц с об­ щим заряДом 11Q по участку цепи, определяется по формуле: А= 50 11Q = I l1t, Поскольку 11QU. то для определения работы можно применить формулу: (j) - А= А= UI!lt UI!lt. Работа электрического тока, как и любая другая работа, измеряется в джоулях (Дж). Таким образом, 1 Дж =1 В ·1 А ·1 с = 1 ·В · А · с. Для характеристИки способ1_1ости выполнять работу применя­ ют понятие •мощность•. Мощность равна работе, выполняемой . . за единицу времени: А Р=-=ИI. l1t (j) - А Р=-=ИI l.!t В СИ единицей мощности явля- ется ватт (Вт). 1Вт=1В·1А · 1 Вт= 1 Дж. 1с Для электрического тока 1 Вт = 1 В · 1 А = 1 В · А. Для измерения мощности электрического тока применяют также кратные и долевые единицы: 1 1 1 1 1 микроватт= 1 мкВт = 10-6 Вт; милливатт= 1 мВт = 10-з Вт; гектоватт = 1 :rВт = 10 2 Вт; киловатт = 1 кВт = 10 3 Вт; мегаватт= 1 МВт = 106 Вт. сила uсточнuка тока '0дцим из цаиболее примецяемых ца практике действий тока является его тепловое действие; На ' нем 'осцовац'Ы различцые тепловые электрИческие ·J;Iриборы - электрические утюги, во­ доцагреватели, электрочайцики, обогреватели и т. п. Количе­ ство теплоты, выделяемое проводциком при прохождеции электрического тока за определеццое время, определяется · за- коцом Джоуля'-Лецца: · . Q = J2R,bl, где I - сила тока; R - сопротивление проводника; Ы - ицтервал времени. § 18. · Q=J2RЫ Электроgвuжущая сuла 51 ' uсточнuка тока Рацее мы . установили, что для возникновениЯ электричес!\ОГО тока в цепи цеобходимо создать на . :rоонцах проводника разность потенциалов и поддерживать ее длитель­ ное время. Это условие может быть выполнено, если в электрической цепи будет источник тока, который за счет своих внутренних взаимодействий будет выполнять работу по разделению элект­ рических зарядов. Эти взаи.модействия получилИ название стороцних сил, поскольку ~меют н.еэЛ;е1СmростriатичесJСое про­ исхождение. Сторонние силь1 выполняют работу по · разделению элект· • рических зарядов в электрической цепи. Они имеют неэлектростатическое происхождение. . ' - • Так, в гальвацических элементах эта эцергия возцикает вследствие химических реакций между разнородцыми веще­ ствами. В солн;ечцых батареях Заряды раздел~ются вследствие взаимодействия фо·rоцов с атомами вещества. В электрофорцой машине разделецие зарядов происходит при выполцеции ме­ хацической работы при · вращеции дисков. Поэтому для характеристики способцости источцика. тока создавать разцость потенциалов используют поцятие электро­ движущей силы 4" - ЭДС. . ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК Электродвижущей силой источника 'if называют физичес­ кую величину, которая характеризует способность сторонних сил создавать и поддерживать разность потенциалов в цепи. Она равна отношению работы сторонних сил Астор к значению . разделенных зарядов t:,.Q. g = Астор. . t:,.Q в + Электродвижущая сила являет­ А ся характеристикой источника тока -:::;- и не зависит от того, нюю r ' 1~ какую внеш­ присоединяют к его полюсам. Как и напряжение, она измеря­ ется в вольтах (В). R - Рассмотрим более детально роль Puc. 1.50. Сомкнутая электрическая цепь 52 нагрузку источника тока цепи (рис. 1.50). в электрической Во внешней цепи положительные носители заряда будут двигаться от полюса А к полюсу В. Сторонние силы для поддержания постоянной разности по­ тенциалов внутри источника будут разделять электрические заряды за счет работы сил неэлектростатической природы . . Таким образом, в источнике тока будет nроходить ток, сила которого будет такой же, как и во внешней цепи. Поэтому источник тока будет иметь определенное сопротивление, определяющее силу тока в цепи. Это сопротивление называют внутренним. сопротивлением. источника тока. Учитывая наличие источника тока, в цепи можно выделить внутреннюю и внешнюю часть. Общее сопротивление цепи бу­ дет равно сумме сопротивлений внешней и внутренней _частей. 1. 2. 3. Какова роль источника тока в цепи ? Какова природа сторонних сил? Какова роль сторонних сил внутри источника? 4. Что такае электродвижущая сила? 5. Какое nроисхожДение внутреннего сопротивления источника · тока? § 19. Закон Ома gля полноО цепu Открытый Г. Омом закон для участка цепи в об­ щем случае справедлив и для полной цепи, если пр~:~нимать во внимание как внешнюю, так и внутреннюю части цепи. Математическую запись закона Ома для этого случая можно 19. Закон Ома R Puc. l51. Замкнутая электрическая цепь 1f=И вн +И ввеm . Если учесть, что · по закону Ома для участка цепи И =IR, то 53 получим формулу этого закона для полной цепи: 1! = IR + Ir, отсюда I = -~ R+r Таким образом, сила тока в полной цепи пропорциональна электродвижущей сИле источника и обратно пропорциональ­ на полному сопротивлению цепи. Сила тока в полной цепи -пропорциональна электродвиЖущей ~ силе источника и обратно пропорциональна полному conpo- ·\ . ) тивлению цепи: l= ~ R+r .. Пользуясь законом Ома для полной цепи, можно рассчитать два экстремальных случая в электрической цепи - к'ороткое замыкание и разомкнутую ·цепь. Если сопротивление внешней цепи стремится к нулю (короткое замыкание), то сила тока в цепи [кз ~ ="":"· r Это будет максимальное значение силы тока для данной цепи, Если цепь разорвана (R ~ оо), то ток в цепи прекращается при любых значениях ЭДС и внутреннего сопротивления. В по­ следнем случае напряжение на полюсах источника тока будет равно электродвижущей силе. Поэтому иногда дают упрощен- ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК но~ определение ЭДС: это величина, равная напряжению на клеммах источника · при разомкнутой цепи . Источники тока могут Puc. 1.52. Схема послеgова­ . тельного соеguненuя соединяться в батареи. Суще­ ствуют несколько способов UCTOЧHUKOB ТОКа соединения источников тока . Последовательным называют соединение, при котором со­ единяются друг с другом разноименные полюса источников: положительный предыдущего с отрИцательным следующего и т. д. (рис. ковыми 1.52). Чаще всего соединяют источники с одина­ характеристиками, соединении N поэтому при последовательном источников ЭДС батареи будет в N раз больше, чем ЭДС ОДНОГО ИСТОЧНИКа: ~ат = N~ Внутреннее сопротивление такой батареи будет также в N - 54 раз больше: rбат = Nr. Для последовательного соединения истоЧников ·тока закон Ома для полной цепи будет записываться: = 1 -- 11 ~ N~. R+Nr Последовательное соеДинение JiСточников тока удобно в том случае, когда сопротивление потребителя зна­ чительно больше внутреннего сопро­ тивления одного источника тока. Puc. 1.53. Схема парал- лельнога соеguненuя UCTOЧHUKOB ТОКа Параллельным является; соединение, при котором все одноименные полюса соединяюrся в один узел (рис. 1.53). Параллельное соединение применя­ ют тогда, когда в цепи необходимо получить большое значе­ ние силы тока при небольтом напряжении. Электродвижущая сила батареи параллельна соединенных одинаковых источников равна ЭДС одного источника: ~ат = if. Внутреннее сопротивление при параллельном соединен;ии N одинаковых источников тока в N раз меньше внутреннего сопротивления одного источника: rбат = r N · Формула ·закона Ома для параллельного соединения источ­ никцв имеет вид: 19. Закон I= Ома lf R+!_ N Параллельное соединения удобно тог­ да, когда сопротивление внешней части цепи значительно меньше внутреннего сопротивления одного источника. При смешанном соединении батареи источников тока (параллельно или после­ Puc. 1.54. Смешанное довательно) в свою очередь соединяют по­ следовательно или параллельна (рис. 1.54). coeguнeнue 1. Связь между какими величинами оп:>шJа)l~аЕ!Т полной цепи? · 2. Какова природа внутреннего сопро1=и вления источника тока? 3. С какой целью источники тока соединяют nоследовательно? 4. С какой целью источнИки тока соединЯ!ОТ параллельно? 5. Как рассчитать ток короткого замыкания? 6. Чему равно напряжение на полюс.а х · источника тока разомкнутой цепи? · Уnражненuе t. В 10 з·амкнутой цепи с источником тока с ЭДС дит ток 2 А. Напряжение на зажимах источника 12 В 1О В . прохоНайти внутреннее сопротивление источника и сопротивление нагрузки. 2. При замыкании источника тока проводником с сопротив­ лени.ем 10 Ом сила тока в цепи · равна . 1 А, а при замыкании проводником с сопротивлением 4 Ом сила тока - 2 А. Найти ЭДС источника тока И его внутреннее сопротивление. 3. ЭДС В электрической цепи, состоящей из источника тока с 6 равна В и проводника с сопротивлением 0,6 9 Ом, сила тока А. Найти внутреннее сопротивление источника и ток короткого замыкания для него. 4. В электрической цепи (рис. 1.55) включен источник тока = 2 В и внутренним сопроти­ влением 2 Ом, а также реостат с мак­ с ЭДС симальным сопротивлением 8 Ом. а) Какую максимальную силу то­ ка может показать амперметр в этой · цепи? . б) Какую минимальную силу то­ ка может показать амперметр в этой цепи? Puc. 155. К заgаче 4 · ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК в) Какое максимальное напряжение покажет вольтметр в этой цепи? г) Какое минимальное значение напряжения покажет вольт­ метр в этой цепи? д) Постройте график завцепмости силы тока в этой цепи от сопротивления ее внешнего участка. е) Постройте график зависимости напряжения на реостате от его сопротивления. Лабораторная работа ft/11 Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока Цель. Закрепить знания о законе Ома для полной цепи; овла­ деть методом ()Пределения ЭДС и . внутреннего 'сопротивЛения источника через изм~рение напряжения и силы тока в цепи. Оборудовапие. Лабораторный вольтметр, лабораторный ам­ перметр, магазин сопротивлений, выключатель, лабораторный 56 источник тока, проводники. Теоретические сведения Согласно закону Ома для полной цепи ЭДС равна сумме всех падений напряжения на внутренiJей и внешней части цепи: ~=и вв +и ввеш . Если учесть закон Ома для участка цепи, то и ввеm где r - ' =IR, а и вв =lr, внутреннее сопротивление источника тока. Таким об­ разом, ~=IR+Ir. В этом уравнении две неизвестные величины, а чтобы их найти по пра- · вилам алгебры, необхо~имо иметь хотя бы два уравнения, в которые входят эти неизвестные величины. Для составления таких уравнений проведем исследование электрич~с­ кой цепи в два этапа. 1) Составим электрическую цепь, Puc. 156. Прuборы gля лабораторной работы в которую входят источник тока, амперметр, выключатель и реостат (магазин сопротивлений) с извест- ными значениЯми сопротивлений (рис. 1. 56). Подберем не­ R1 и замкнем цепь. которое средн~е значение сопротивления Стрелка амперметра покажет некоторое значение силы тока I 1 • Для этого случая · 19. Закон Ома .~ =11R 1 2) + 11 r. Провед~м опыт повторно, заменив резистор в магазине сопротивлений на иное значение lf= 1~2 Решив совместно уравнения Для ЭТОГО' случая R2. + 12 r. (1) и (2), получим /1~ -:-12~ r =-=--=---=--..::. 12-/1 . Подставив значение r в (1) или (2), получим щшчеиие ЭДС: . Jr:1-Jr:1 'if=I r:1 +1 1.. '1 2 .. "2 (3) 1.. '1 1 1 -1 ' 2 или 1 . /1~ -12~ 'if=l2~ +./2 · . . 12-/1 (4) Выполнение . работы 1. Начертить схему цепи из посЛедовательно соединеиных источника тока, амперметра, мага~ииа сопротивлений и вы­ ключателя. 2. По начерченной схеме составить цепь. 3. В магазине сопротивЛений вклЮчить сопротивление 2 Ом. 4. Замкнуть цепь и сиять показания амперметра / 1 • 5. Сменить резистор в магазине иа . 5 Ом. 6. Замкнуть Цепь и сиять показания амперметра 12 • 7. Рассчитать ЭДС и внутреннее сопротивление. ·s. Результаты измереиий . и расчетов записать в таблицу и провести анализ полученных результатов. .Табл.ица Сипа м . СопротивЛе- Внутреннее тока, вне внешвей соnротивление А цепи, Ом источника, Ом 1 2 Н~nряжеilие . эдс; в на клеммах источника тока, В . 9*. По формулам (3) и (4) рассчитать ЭДС и ср~иить полученные значения с показаииями вольтметра. 10*. При разомкнутой цепи измерить напряжение на клем­ мах источника тока и сравнить его со значением измеренной ЭДС, сделать выводы. Д оп о л и и т е Л ъ ·и о е за д а н и е. Провести еще несколько измерений для различных знач;ений сопротивлений внешнего участка цепи. Построить график зависимости силы тока от его сопротивления. 57 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК § 20. Правuла · безопасного пользования электрuческuм.u npuбopaмu ~изнь современного человека сильно связана с использованием электрических приборов и установок. Тело человека' является хорошим проводником электрического тока, который может вызвать в человеческом теле опасные и необратимые изменения. Человек, подвергшийся действию электрического тока, получает не только значительные ожоги, но и нарушения в работе нервной системы. Даже при сравни­ тельно небольшом напряжении чiшовек может получить серьезные поражения организма, если он нах_одится, напри­ мер, во влажном цомещени_и, на влажной земле, касается про­ водов обеи~и руками и т. п. Чтобы предотвратить поражение электрическим током, не­ обходимо придерживаться определенных правил. 58 1. Не пользоваться неисправными электроприборами и оборудованием. 2. Не ~ пользоваться электрическими приборами (утюги, фены, плойки, обогреватели) в ванных комнатах и влажных помещениях. 3. 4. Не играть под линиями электропередач. Экспериментируя с электрическими установками, необ­ 36 В. Выполняя лабораторные работы, включатьэлектрические ходимо использовать источники тока с ЭДС не выше 5. установки только после проверки и разрешения на то учителя. б. Не касаться . частей электроустановок с поврежденной изоляцией. 7. Если товарищ поражен электрическим током, то в первую придерживаясь правил безопасности, очередь необходимо, отсоединить его от источника тока, вызвать врача и по возмож~ ности оказать пострадавшему первую медицинскую помощь. § 21. ЭлектрuческuQ .в разлuчных cpegax ток Согласно определению электрический ток это направленное движение заряженных частиц. Таким образом, создать электрический ток можно только в той среде, где есть свободные заряженные частицы заряда. - носители электрического .