Законы постоянного тока

Основа законов постоянного тока

Мы знаем что все тела состоят из веществ, вещества — из молекул и атомов. Но из чего состоит атом? Атом состоит из ядра, в котором находятся нуклоны — частицы протоны и нейтроны. Вокруг ядра вращаются электроны, каждый на определённой орбите.

Каждая частица характеризуется зарядом.

Заряд (q) — это физическая величина, которая показывает степень возможного участия тела в электромагнитных взаимодействиях.

Заряд измеряется в Кулонах (Кл). Заряд электронов считается отрицательным, протонов — положительным, а нейтроны не обладают зарядом.

Количество электронов и протонов в атоме одинаково, поэтому положительные и отрицательные заряды как бы нейтрализуют друг друга, и атом становится электрически нейтральным.

Электризация

Во время контактного взаимодействия между различными материалами или их трения электроны могут перемещаться между телами. Этот процесс называется электризацией, и он способен «заряжать» тела.

Вспомните, как волосы встают дыбом, после того как вы сняли шерстяную шапку. Или как получаете разряд током, когда прикоснулись к любимому коту. В таких случаях электроны с поверхности одного тела переходят к другому. Баланс между положительно и отрицательно заряженными частицами нарушается.

Атом, который присоединил к себе чужие электроны, становится отрицательно заряженным ионом — анионом.

Атом, который потерял свои электроны, становится положительно заряженным ионом — катионом

В результате электризации, тела способны взаимодействовать друг с другом:

• если тела заряжены одноимёнными зарядами, они будут отталкиваться;
• если тела заряжены разноимёнными зарядами — будут притягиваться

179.6K

Какая профессия тебе подходит? Узнай за 10 минут!

Получи больше пользы от Skysmart:

• Подготовься к ОГЭ на пятёрку.

• Подготовься к ЕГЭ на высокие баллы.

• Записывайся на бесплатные курсы для детей.

• Решай задания в бесплатном тренажёре ЕГЭ.

Электрический ток

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Сравним это с электризацией: в процессе электризации электроны перемещаются с одной поверхности на другую, разово. В электрическом токе частицы перемещаются какое-то продолжительное количество времени и делают это в одном направлении

Ток возникает, когда на заряженные частицы начинает действовать сила, заставляющая их двигаться в одном направлении.

Электрический потенциал φ — это характеристика электрического поля, показывающая, насколько велика энергия, которую электрическое поле может передать заряду в данной точке.

Он отражает способность электрического поля совершать работу над зарядом, перемещая его между двумя точками поля.

В большинстве случаев ток создаётся за счёт разности электрических потенциалов между двумя точками, что можно представить как «давление» на заряды, стремящиеся перейти из области с более высоким потенциалом в область с более низким.

Чтобы электрический ток мог «родиться» и устойчиво протекать, требуется замкнутый контур и источник энергии. Например, батарейка или генератор.

Направление движения тока

Интересно, что за направление электрического тока традиционно принято считать направление от плюса к минусу, то есть от области с высоким потенциалом к области с низким потенциалом. Такой подход к определению направления тока связан с историей: ещё в XVIII веке, до открытия электронов, считалось, что ток течёт от «положительного» к «отрицательному» полюсу.

Сейчас это направление называют условным направлением тока, а направление движения электронов — истинным направлением тока.

Напряжение

Электрическое напряжение U — это физическая величина, показывающая, какую работу выполняет электрическое поле при перемещении заряда между двумя точками.

Измеряется в Вольтах [В], измерительный прибор — вольтметр. Напряжение можно рассчитать по формуле:

, где

А — работа электрического поля по перемещению заряда [Дж], q — заряд [Кл].

Напряжение можно представить как своеобразную «силу», которая заставляет заряды двигаться по проводнику, создавая ток. Если представить его, то оно похоже на разницу уровней воды в двух соединенных сосудах: вода будет течь из места с высоким уровнем в место с низким. Подобным образом электрические заряды движутся от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом.

Напряжение создаётся из-за разности потенциалов, возникающей, например, в батарейке или генераторе. В батарейке разность потенциалов возникает за счёт химической реакции, а в генераторе — за счёт преобразования механической энергии в электрическую. В обоих случаях благодаря источнику заряды имеют «силу» двигаться по цепи и создавать ток.

Наверняка у вас на слуху выражение «220 вольт»? Это напряжение выбрано как стандартное значение в сети переменного тока для бытовых приборов. Это было решено как оптимальное значение: более низкое напряжение потребовало бы более толстых проводов и привело бы к большим потерям энергии на проводах, а более высокое — увеличило бы опасность для людей и домашних сетей.

Сила тока

Сила тока I — это величина, показывающая, какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.

, где

q — заряд [Кл], t — время [с].

Единица измерения силы тока — ампер [А], измерительный прибор — амперметр.

Сила тока говорит нам, насколько интенсивно движутся заряды по проводнику, проходя через его сечение. Это можно сравнить с потоком воды в реке: чем сильнее поток, тем больше воды протекает за определенный промежуток времени. Также чем больше сила тока, тем больше зарядов проходит за одно и то же время, что влияет на мощность, которую может развить прибор.

Понимание силы тока важно, чтобы знать, сколько электричества потребляют приборы и какие провода безопасно использовать. Если сила тока в цепи будет слишком большой для данного провода, провод может нагреться и даже перегореть. Поэтому на приборах часто указывают не только напряжение, но и силу тока, чтобы было понятно, какую мощность потребляет устройство.

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление R — это характеристика, не тока, а проводника, которая показывает, насколько он «сопротивляется» движению электрического тока.

Представьте себе шоссе: если дорога узкая или с ямами, машине будет сложнее по ней двигаться. Так и в проводнике: чем выше его сопротивление, тем труднее зарядам двигаться по нему.

Разные материалы имеют разные сопротивления: медь или алюминий обладают низким сопротивлением, а резина — высоким. Кроме того, сопротивление проводника может изменяться с температурой. Например, у металлов оно возрастает при нагревании, а у некоторых полупроводников — снижается.

Наиболее хорошо электрическое сопротивление характеризуется формулой:

, где

ρ — удельное сопротивление проводника [], l — длина проводника [м], S — площадь поперечного сопротивления проводника [мм²].

А значит, сопротивление зависит только от характеристик проводника, и не зависит от напряжения или силы тока.

Зависимость силы тока от сопротивления участка цепи и напряжения на его концах

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению: чем больше напряжение на концах участка цепи, тем больше и сила тока. Зависимость этих физических величин:

Сила тока обратно пропорциональна сопротивлению: чем больше сопротивление проводника, тем меньшая сила тока через него проходит. Взаимосвязь между силой тока, напряжением и сопротивлением проводника наиболее явно отражается в законе Ома.

Закон Ома

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенного к нему напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка:

Отсюда и .

В применении закона Ома также важно знать, каким образом соединены между собой элементы цепи, так как общая сила тока, напряжение и сопротивление зависит от типа соединения.

Закон Ома — фундаментальный закон физики, который используется во многих сферах. Например, он помогает проектировать защитные схемы в устройствах, где важно контролировать уровень тока и избегать замыканий. Также он используется для выбора правильных элементов и источников питания для светодиодов или резисторов, чтобы устройство работало корректно.

Работа и мощность электрического тока

В электрических цепях работа совершается, когда ток проходит через резистор или другой элемент цепи, где возникает сопротивление. Рассчитать работу можно по формуле:

где: A — работа тока (Дж), U — напряжение (В), I — сила тока (А), t — время (с).

Мощность — это быстрота выполнения работы. В таком случае, мощность электрического прибора можно рассчитать по формуле:

Если выразить напряжение или силу тока через закон Ома, получим такие формулы:

Знание работы и мощности тока помогает нам понять, сколько энергии расходует электрическое устройство и насколько оно экономично. Например, мощность лампочки определяет, как ярко она будет светить и сколько энергии потребит за определенное время.

Закон Джоуля-Ленца

При прохождении электрического тока проводник нагревается. Это происходит из-за сопротивления проводника, по которому течёт ток. Когда электроны движутся через проводник, они сталкиваются с атомами его материала, теряют часть своей кинетической энергии, и эта энергия передается атомам, увеличивая их колебания. Такое движение и столкновения приводят к повышению температуры проводника.

Какое количество теплоты выделяется на проводнике при прохождении через него электрического тока, описывает закон Джоуля-Ленца:

, где

R — сопротивление проводника (Ом), I — сила тока (А), t — время (с).

Согласно закону Джоуля-Ленца, количество выделенного тепла прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Это значит, что чем больше ток и сопротивление, тем сильнее нагревается проводник за определённый промежуток времени.

Примеры решения задач

Задача 1

В таблице приведена зависимость напряжения между концами проводника от силы тока в нем. Чему равно напряжение между концами проводника при силе тока 10 А?

U, В	2	4	6	8
I, А	0,5	1,0	1,5	2,0

Решение:

Сила тока прямо пропорциональна напряжению:

Чтобы найти напряжение при I = 10 A, возьмём любую пару U I из таблицы, например U = 2В и I = 0,5A, подставим формулу и выразим неизвестное напряжение из пропорции:

Ответ: 40 B

Задача 2

Какая мощность выделяется в участке цепи, схема которого изображена на рисунке, если R = 8 Ом, а напряжение между точками A и B равно 4 В? Ответ приведите в ваттах, округлите до десятых.

Решение:

1. Чтобы определить мощность участка цепи, воспользуемся формулой , так как в условии задачи уже есть упоминания про напряжение и сопротивление.

2. Определим соединение проводников — оно смешанное. Проводники соединены по два последовательно, ветки соединены между собой параллельно.

   Тогда Ом

   Ом

3. Тогда мощность участка равна:

   Вт

Ответ: 1,3 Вт

Задача 3

На графике изображена зависимость силы тока через резистор от приложенного к ней напряжения. При последовательном соединении двух таких резисторов и источника сила тока в цепи оказалась равной 0,35 А. Каково напряжение на клеммах источника? Внутренним сопротивлением источника пренебречь.

Решение:

1. При последовательном соединении проводников сила тока в любых частях цепи одна и та же: I_общ = I₁ = I₂
2. Полное напряжение в цепи при последовательном соединении или напряжение на полюсах источника тока равно сумме напряжений на отдельных участках цепи: U_общ = U₁ + U₂
3. На графику силе тока I = 0,35 А соответствует напряжение 110 В.
4. Тогда напряжение на участке с двумя одинаковыми резисторами будет равно U_общ = 110 + 110 = 220 В

Ответ: 220 В

Ещё больше задач по теме мы разберём на курсе подготовки к ЕГЭ по физике в онлайн-школе Skysmart! На занятиях вас ждёт только самое актуальное и полезное для экзамена: теория без лишней воды, практические разборы и анализ типичных ошибок, которых можно и нужно избежать!