На этой странице вы узнаете
- Что общего у электрического тока с водой?
- В чем отличие сопротивления от удельного сопротивления?
- Почему нежелательно использовать телефон, подключенный к зарядке?
- Фамилия какого ученого стоит миллион?
«Все, кина не будет. Электричество кончилось». Наверное, никого не оставит равнодушным популярная фраза из широко известного фильма «Джентльмены удачи». Ведь действительно: бесит, когда сидишь за просмотром любимого сериальчика, вдруг — бамс! Вырубили свет, и зарядки ноута, как назло, не хватило. И не выработаешь электричество в домашних условиях, а жаль… Но вот понять, как оно работает — это мы сможем сделать в статье.
Электрический ток
В наше время трудно себе представить жизнь без электричества. Телевизор не посмотреть, телефон не зарядить, чай не попить… Ни один электроприбор в доме не будет работать без электричества. А объявление об отключении электроэнергии, вызывает тихий ужас.
Электричество — это форма энергии, которая существует в виде статических или подвижных электрических зарядов.
Поток. И то и другое представляет собой направленное движение частиц. Из чего состоит вода? Из молекул. Когда эти молекулы движутся в одном направлении, то они образуют поток воды, который течет, например, по трубам.
Так же и электрический ток. Он образуется потоком заряженных частиц, которые движутся по проводам.
Сформулируем определение:
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.
Чтобы электрический ток существовал, необходимо выполнение следующих условий:
- наличие свободных заряженных частиц;
- наличие электрического поля;
- наличие замкнутой электрической цепи.
Основными количественными характеристиками электрического тока являются сила тока и напряжение.
Напряжение
Чтобы внутри цепи существовал электрический ток, цепь должна быть замкнута и между концами участка цепи должно существовать напряжение.
Напряжение — скалярная (не имеющая направления) физическая величина, значение которой равно работе тока на участке цепи, совершаемой при переносе единичного электрического заряда из одной точки в другую.
U — напряжение (В),
A — работа тока на участке цепи (Дж),
q — электрический заряд (Кл).
Единица измерения U — В (Вольт) = (frac{Дж}{Кл})
Электрический ток – результат “труда” множества частиц. Они любят работать – не ленятся перемещаться из одного конца цепи в другой. И чем больше они будут работать, тем большее напряжение получится. Так запоминаем связь напряжения (U) с работой (A).
Услышав слова из известной песни Димы Билана «Это ты, это я, между нами молния, С электрическим разрядом 220 Вольт…» любой физик (и электрик) приобретает новую пару седых волосинок. Такое напряжение очень опасно для человека. Однако, 220 Вольт — это то самое напряжение в наших розетках!
Прибор для измерения напряжения — вольтметр. Он включается в цепь параллельно. Пример подключения представлен на рисунке:
Сила тока
Это еще одна немаловажная характеристика электрического тока.
Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени .
I — сила тока (А),
q — электрический заряд (Кл),
t — время (с).
Единица измерения I — А (ампер) = (frac{Кл}{с}).
Представим, что внутри проводника «бежит» в одном направлении огромное количество заряженных частиц. Так вот, чем больше общий заряд частиц, пробегающих через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше будет значение силы тока. Это поможет вам запомнить зависимость силы тока (I) от электрического заряда (q).
Прибор для измерения силы тока — амперметр. Он включается в цепь последовательно. Пример подключения представлен на рисунке:
Направление тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.
Давайте разберемся, как можно определить направление тока в цепи на примере.
Задача. На рисунке изображена электрическая цепь с источником тока и сопротивлением R. Определите направление тока в данной цепи (по часовой стрелке/против часовой стрелки).
Решение:
Обратите внимание, «большая» пластина реостата расположена справа (именно она и направляет ток), а «маленькая» слева. Положительно заряженные частицы двигаются от катода к аноду (от положительно заряженной пластинки к отрицательно заряженной), а направление тока всегда совпадает с направлением положительно заряженных частиц. Значит, ток в цепи направлен по часовой стрелке.
Ответ: по часовой стрелке
Электрическое сопротивление
Оно является электрической характеристикой проводника.
Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи.
R — сопротивление (Ом),
p — удельное сопротивление проводника,
l — длина проводника (м),
S — площадь поперечного сечения проводника (мм²).
Единица измерения R — Ом.
Удельное сопротивление проводника (p) можно посмотреть в специальной таблице в справочнике или в интернете. Для каждого материала будет свое значение. Мы приведем для примера лишь фрагмент такой таблицы.
Таблица удельных сопротивлений проводников
| Металл | Удельное сопротивление, Ом * (мм^2)/ м |
| Серебро | 0,0015 |
| Медь | 0,018 |
| Золото | 0,023 |
| Алюминий | 0,029 |
| Вольфрам | 0,055 |
| Железо | 0,098 |
Сопротивление — это внешнее свойство, зависящее от количества присутствующего материала, от геометрических характеристик проводника и от самого материала, из которого сделан проводник.
Удельное сопротивление — это внутреннее свойство проводника, которое не зависит от его размера, а зависит от химического состава вещества и температуры.
Условно можно сказать, что сопротивление — это свойство проводника, а удельное сопротивление — свойство материала.
Получается, что прежде всего на то, каким будет сопротивление, влияют размеры проводника, его форма, материал, из которого он сделан.
Удельное сопротивление проводника зависит также от температуры. Когда температура твердых тел увеличивается, то удельное сопротивление возрастает. А в растворах и расплавах — наоборот, уменьшается. В экзаменационных задачах случаи с изменением удельного сопротивления не рассматриваются, а вот в олимпиадных задачах такое встретить можно.
Давайте поразмышляем: что чему сопротивляется?
Причина электрического сопротивления кроется во взаимодействии зарядов разного знака при протекании тока по проводнику. Это взаимодействие можно сравнить с силой трения, стремящейся остановить движение заряженных частиц.
Чем сильнее взаимодействие свободных электронов с положительными ионами в узлах кристаллической решетки проводника, тем больше сопротивление проводника.
Проводник с определенным постоянным сопротивлением называется резистор.
Вернемся к сравнению электрического тока с водой: как молекулы воды из крана движутся сверху вниз, так и электрический ток имеет определенное направление — от катода к аноду. Электрический заряд условно в нашем примере аналогичен массе воды, а напряжение — напору воды из крана.
Закон Ома
Сила тока, напряжение и сопротивление связаны между собой соотношением, которое называется закон Ома:
I — сила тока (А),
U — напряжение (В),
R — сопротивление (Ом).
Для упрощенного понимания закона Ома можно использовать данный треугольник. Чтобы вспомнить формулу для нахождения той или иной величины, нужно ее закрыть рукой. Если оставшиеся открытыми величины стоят бок о бок, то они перемножаются друг с другом (U=IR). А если одна величина стоит выше другой, то в таком случае мы делим их друг на друга (I=U/R или R=U/I)
Данный закон справедлив для участка цепи, на который не действуют сторонние силы.
Разберем задачу из контрольно-измерительных материалов ЕГЭ (номер 12).
Ниже на рисунке приведена схема электрической цепи, в которой провода можно считать идеальными. Определите сопротивление резистора, если показания амперметра 0,2 А, а вольтметра — 8 В.
Решение:
Вольтметр подключен параллельно резистору. Следовательно, он показывает напряжение на резисторе U.
Амперметр подключен последовательно. Следовательно, он показывает силу тока I на всей цепи.
Чтобы найти сопротивление на резисторе, воспользуемся законом Ома:
I=(frac{U}{R}), где R — сопротивление резистора.
Выразим R и подставим значения:
R=(frac{U}{I})
R=(frac{8}{0,2})=40 (Ом)
Ответ: 40
Работа и мощность электрического тока
Вернемся к понятию работы. Мы говорили, при перемещении заряда по проводнику электрическое поле совершает работу (А):
A = qU
Если мы выразим заряд из формулы силы тока q=It, то получим, формулу для расчета работы электрического поля (А) при протекании постоянного тока (или просто работа тока):
A — работа электрического тока (Дж),
U — напряжение (В),
I — сила тока (А),
t — время прохождения тока (с).
Единица измерения А — Дж (Джоуль).
В быту ток совершает работу длительное время, поэтому при определении затраченной электрической энергии используют единицу измерения кВт * ч. Киловатт в час — это энергия, которая потребляется устройством мощностью 1 кВт в течении 1 часа. Учитывая, что 1 ч=3600 с, получим:
1 кВт*ч = 1000 Вт * 3600 с = 3600000 Дж = 3600 кДж
Если же работу тока рассчитать за единицу времени, то мы получим мощность постоянного электрического тока.
Мощность — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии.
P — мощность (Вт),
A — работа электрического тока (Дж),
t — время прохождения тока (с).
Единица измерения P — Вт (Ватт).
Средняя мощность тока равна:
(P = frac{A}{t} = frac{qU}{t} = IU = frac{U^2}{R} = I^2R)
Теперь мы знаем все про мощность и работу тока, а значит, нужно отработать это на практике. Тем более что такие задачи встречаются в ЕГЭ (номер 12).
Задача.
Какую работу совершит электрический ток в электродвигателе вентилятора за 20 мин., если сила тока в цепи 0,2 А, а напряжение 12 В?
Решение.
Вспомним формулу для работы тока A=U*I*t , где U=12 В — напряжение в электродвигателе, I=0,2 A — сила тока, t=20 мин=1200 с — время.
Все данные нам уже известны, поэтому можем подставить их в формулу для работы тока и получить ответ.
A=12*0,2*1200=2880 Дж
Ответ: 2880 Дж
Мощность электроприбора всегда указывается в документации, прилагающейся к нему. Кроме того, нередко ее пишут на самом приборе. Давайте посмотрим на утюг, или стиральную машину дома. Мы увидим, что утюг имеет мощность 1000 Вт, а обычная энергосберегающая лампочка, всего 40 Вт (на то она и сберегающая). Чем больше мощность прибора, тем больше энергии он будет потреблять. Примеры мощностей различных приборов представлены на рисунке.
Закон Джоуля — Ленца
Теперь же свяжем работу тока и теплоту, которая выделяется на проводнике за некоторое время t.
Когда приборы подключены в сеть, мы можем заметить, что они нагреваются. Очень часто это наблюдается, когда телефон подключен на зарядку, а мы продолжаем по нему звонить, использовать интернет и прочее. Это плохо влияет на телефон: перегрев батареи и корпуса могут быстрее привести девайс в негодность.
Почему так происходит?
Электрический ток оказывает тепловое действие на проводник. Количество теплоты, которое при этом выделяется, будет рассчитываться по закону Джоуля — Ленца:
Количество теплоты, выделяемое за время в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления проводника:
Q — количество теплоты (Дж),
I — работа электрического тока (Дж),
R — сопротивление (Ом),
t — время прохождения тока (с).
Единица измерения Q — Дж (Джоуль).
В электронагревательных приборах используются проводники с высоким сопротивлением, что обеспечивает выделение тепла на определенном участке.
Так, проволоку из нихрома (сплав никеля с хромом) применяют в электронагревательных элементах, работающих при температуре до 1000 ℃ (резисторах, например). Нихром относится к классу сплавов с высоким электрическим сопротивлением, что определяет его применение в качестве электрических нагревателей. Этот сплав используется также в печах обжига и сушки и различных аппаратах теплового воздействия, например, в фенах, паяльниках или обогревателях.
Кто первый ввел понятие «электрический ток» в науку? Ответ: Андре-Мари Ампер.
Такой был финальный вопрос (ценой в 1 000 000) в игре «Кто хочет стать миллионером?» от 20 января 2018 г. Но участники не смогли ответить на него, и мечту получить свой миллион не исполнили.
Еще немного про электричество…
- Постоянный электрический ток используется в работе двигателей электротранспорта, схемах автомобилей, электронике и др.
- Электричество есть и в нашем организме. Мышечные клетки сердца при сокращении производят электроэнергию, эти импульсы можно измерить с помощью электрокардиограммы (ЭКГ).
- Бенджамин Франклин (да-да, президент Америки) провел множество опытов в 18 веке и создал громоотвод. Также он является человеком, который вывел закон сохранения электрического заряда.
- В древности люди считали, что, если молния ударила в курган, значит, там зарыто сокровище.
Термины
Источник тока — устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды.
Сторонние силы — силы неэлектрического происхождения, вызывающие разделение зарядов в источнике тока.
Фактчек
- Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени: (I = frac{q}{t})
- Напряжение — скалярная физическая величина, равная отношению полной работы кулоновских и сторонних сил А при перемещении положительного заряда на участке цепи к значению этого заряда: (U = frac{A}{q})
- Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи: (R = frac{pl}{S})
- Мощность — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии: (P = frac{A}{t})
- Закон Ома: сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении: (I = frac{U}{R}).
- Закон Джоуля— Ленца: количество теплоты Q, выделяемое за время t в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока I на этом участке и сопротивления R проводника: Q = I2Rt.
- Работа электрического поля при протекании постоянного тока (или просто работа тока): А = UIt.
Проверь себя
Задание 1.
Упорядоченное движение заряженных частиц — это:
- электрическое поле
- электрический ток
- электрическая мощность
- работа тока
Задание 2.
Удельное сопротивление проводника:
- зависит от температуры
- не зависит от температуры
- зависит от силы протекающего через проводник тока
- не зависит от напряжения
Задание 3.
Формула для расчета силы тока:
- I = Ut
- I = UIt
- I = I2Rt
- (I = frac{q}{t})
Задание 4.
Что такое мощность электрического тока:
- работа за единицу времени
- отношение заряда к единице времени
- произведение силы тока на сопротивление
- тепло, выделяемое на резисторе
Задание 5.
Причина электрического сопротивления:
- во взаимодействии зарядов одинакового знака
- в отсутствии взаимодействия между зарядами
- во взаимодействии зарядов разного знака
- в передаче тепла
Ответы: 1.— 2; 2. — 1; 3.— 4; 4.— 1; 5. — 3.
Количество электричества (электрический заряд)
Количество электричества или электрический заряд — это произведение силы тока на время протекания тока.
Если:
Q — заряд, протекающий за время t через поперечное сечение проводника,
t — продолжительность протекания тока,
I — сила постоянного тока (не изменяющегося за время t),
То:
[ Q = It ]
Единица СИ заряда:
[ [Q] = ампер-секунда enspace (А cdot с) = кулон enspace (Кл) ]
Если сила тока не постоянна во времени, т.е. ток есть функция от времени, то
[ Q = int_{t_1}^{t_2} i(t) dt ]
Вычислить, найти количество электричества (электрический заряд) для постоянного тока по формуле (1)
Количество электричества (электрический заряд) |
стр. 619 |
|---|
Любой физический объект в окружающем нас мире состоит из огромного количества элементарных частиц, обладающих зарядами. Элементарная частица протон имеет элементарный электрический заряд, которому приписывают (условно) положительный знак, элементарная частица электрон имеет элементарный отрицательный заряд.
Содержание:
-
- Электрический заряд
- Напряженность
- Потенциал, напряжение
-
Электрический заряд
Под электрическим зарядом понимают физическую величину, которая характеризует способность тел (объектов) вступать в электрическое взаимодействие. Электрический заряд обозначается через q (иногда для обозначения используют заглавную букву Q) и в Международной системе единиц (СИ) измеряется в Кулонах, [Кл].
Электрический заряд – дискретная величина, кратная элементарному электрическому заряду одного электрона (по модулю) e = 1,60217*10-9 Кл.
где N – целое число.
С физической точки зрения 1 кулон [Кл] соответствует электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника при силе тока 1 Ампер за 1 секунду.
Заряды существуют в двух видах: положительные (+) и отрицательные (-). Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
Сила взаимодействия зарядов направлена вдоль прямой, соединяющей их, пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (рисунок 1).
где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц;
– единичный вектор, направленный вдоль прямой, соединяющей заряды q1 и q2.
Силу взаимодействия двух зарядов 
принято называть кулоновской силой в честь ученого-физика Шарля Кулона, обнаружевшего ее существование.
Если объект (система) не обменивается зарядами с окружающей средой, его называют электрически изолированным. В такой системе сумма электрических зарядов (положительных и отрицательных) не меняется со временем, то есть наблюдается закон сохранения заряда.
Большинство тел в природе электрически нейтральны, так как содержат заряды обоих типов в одинаковом количестве. Положительные и отрицательные заряды попарно нейтрализуют действие друг друга. Для перехода тела в заряженное состояние необходимо пространственно перераспределить в нем заряды, сконцентрировав одноименные заряды в одной области тела. Это возможно сделать, например, при помощи трения или взаимодействия с другим заряженным объектом (рисунок 2).
Электрический заряд порождает в окружающем его пространстве непрерывную материю, называемую электрическим полем. Благодаря электрическому полю заряды имеют возможность взаимодействовать между собой. В электротехнике электрическое поле характеризуется двумя величинами: напряженностью (силовая характеристика) и потенциалом (энергетическая характеристика).
Напряженность электрического поля
Напряженность электрического поля – это векторная физическая количественная характеристика электрического поля. Ее величина показывает силу, которая действует на пробный точечный единичный положительный заряд, помещенный в некоторую точку электрического поля.
Под точечным зарядом понимают упрощенную модель положительного заряда, в которой его формой и размером можно пренебречь.
Вектор напряженности 
по направлению совпадает с вектором силы , с которой электрическое поле действует на положительный точечный заряд, помещенный в заданную точку поля (рисунок 3).
Величина напряженности поля в точке А определяется согласно формуле
где r – расстояние от заряда q до точки А, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.
Электрическое поле графически изображается линиями напряженности электрического поля, которые условно принято обозначать исходящими из положительно заряженных элементов и входящими в отрицательно заряженные заряды (рисунок 4).
Рис. 4. Распределение линий напряженности для изолированных (а) и взаимодействующих (б) зарядов
Потенциал, напряжение
Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии W электрического заряда в электростатическом поле к величине самого заряда q, называют потенциалом φ электрического поля
Потенциал – это скалярная величина, которая показывает, какую работу способно затратить поле, чтобы переместить единичный пробный положительный заряд в бесконечно удалённую точку. Единицей измерения электрического потенциала является вольт, [В].
При этом важно отметить, что работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки электрического поля в другую не зависит от формы траектории перемещения, а зависит только от начального и конечного положения заряда, а также от его величины.
Если имеется некоторая система, состоящая из N точечных зарядов, то потенциал ее электрического поля φ будет равен алгебраической сумме потенциалов полей каждого входящего в него заряда, то есть
Напряжение электрического поля – это разность потенциалов между двумя точками этого поля (рисунок 5).
Напряжение (U) — это работа (А) совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля.
U = A/q [Дж/Кл] или [В]
Напряжение является относительной величиной, то есть всегда определяется относительно некоторого уровня. Нулевой уровень выбирается произвольно и не влияет на итоговое значение напряжения, так как соответствует разности потенциалов в двух точках (то есть изменению потенциальной энергии). Для простоты расчетов в качестве нулевого уровня в большинстве случаев принимают потенциал заземленного проводника или земли.
Как уже было отмечено ранее электрическое напряжение – это разность потенциалов двух точек, следовательно его значение определяется по формуле
В системе СИ за единицу измерения напряжения принимается вольт, [В]. Физически величина напряжения, равная 1 вольту, соответствует работе 1 джоуль при перемещении заряда в 1 кулон.
#1. Физическая величина измеряемая в кулонах?
Потенциал
Электрический заряд
Напряжение
Электрический заряд обозначается через q и в Международной системе единиц (СИ) измеряется в Кулонах, [Кл].
#2. Какие пары электрических зарядов будут притягиваться к друг другу?
Два положительных заряда
Два отрицательных заряда
Один отрицательный заряд, а другой положительный
Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
#3. … — это работа совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля.
Потенциал
Сопротивление
Напряжение
Результат
Отлично!
Попытайтесь снова(
25.01.2019
Школьные ответы ›
Физика
Как выражается электрический заряд (количество электричества) через силу тока
Как выражается электрический заряд (количество электричества) через силу тока в проводнике и время его прохождения?
Ответ
Электрический заряд выражается через силу тока в проводнике и время его прохождения q = I ⋅ t; (по определению силы тока I = q/t) и измеряется в кулонах.
1 кулон = 1 ампер ⋅ 1 секунду,
1 Кл = 1 А ⋅ 1 с = 1 А⋅с.
Опубликовано: 25.01.2019
Обновлено: 25.01.2019
Добавить комментарий
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Пожалуйста, введите ответ цифрами:
20 + 18 =
Как найти электрический заряд
Найти значение электрического заряда можно двумя способами. Первый – измерить силу взаимодействия неизвестного заряда с известным и с помощью закона Кулона рассчитать его значение. Второй – внести заряд в известное электрическое поле и измерить силу, с которой оно действует на него. Для измерения заряда протекающего через поперечное сечение проводника за определенное время измерьте силу тока и умножьте ее на значение времени.
Вам понадобится
- чувствительный динамометр, секундомер, амперметр, измеритель электростатического поля, воздушный конденсатор.
Инструкция
Измерение заряда при его взаимодействии с известным зарядомЕсли известен заряд одного тела, поднесите к нему неизвестный заряд и измерьте расстояние между ними в метрах. Заряды начнут взаимодействовать. С помощью динамометра измерьте силу их взаимодействия. Рассчитайте значение неизвестного заряда — для этого квадрат измеренного расстояния умножьте на значение силы и поделите на известный заряд. Полученный результат поделите на число 9•10^9. Результатом будет значение заряда в Кулонах (q=F•r²/(q0•9•10^9)). Если заряды отталкиваются, то они одноименные, если же притягиваются – разноименные.
Измерение значения заряда, внесенного в электрическое полеИзмерьте значение постоянного электрического поля специальным прибором (измеритель электрического поля). Если такого прибора нет, возьмите воздушный конденсатор, зарядите его, измерьте напряжение на его обкладках и поделите не расстояние между пластинами – это и будет значение электрического поля внутри конденсатора в вольтах на метр. Внесите в поле неизвестный заряд. С помощью чувствительного динамометра измерьте силу, которая на него действует. Измерение проводите в ньютонах. Поделите значение силы на напряженность электрического поля. Результатом будет значение заряда в Кулонах (q=F/Е).
Измерение заряда, протекающего через поперечное сечение проводникаСоберите электрическую цепь с проводниками и последовательно подключите к ней амперметр. Замкните ее на источник тока и измерьте силу тока с помощью амперметра в амперах. Одновременно секундомером засеките время, в течение которого в цепи был электрический ток. Умножив значение силы тока на полученное время, узнайте заряд, прошедший через поперечное сечение каждого проводника за это время (q=I•t). При измерениях следите, чтобы проводники не перегревались и не произошло короткое замыкание.
Войти на сайт
или
Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.