Назад

Повторение курса физики

Тема 2

01. Повторение. Решение ЕГЭ по физике за 2014 г. и КИМа за 2015 г.

1 ч 46 мин

02. Повторение. Решение задач ЕГЭ предыдущих лет по теме “Элементы теории относительности. Квантовая физика.”

1 ч 12 мин

03. Повторение. Решение задач ЕГЭ предыдущих лет по теме “Колебания и волны. Оптика.”

1 ч 20 мин

04. Повторение. Решение задач ЕГЭ предыдущих лет по теме “Магнетизм”

49 мин

05. Промежуточный срез №7. Повторение

1 ч 5 мин

06. Строение ядра атома. Ядерные реакции (основной урок)

1 ч 29 мин

07. Повторение. Решение задач ЕГЭ предыдущих лет по теме “Электростатика. Законы постоянного тока”

1 ч 21 мин

08. Повторение. Решение задач ЕГЭ предыдущих лет по теме “Термодинамика”

1 ч 7 мин

09. Повторение. Решение задач ЕГЭ предыдущих лет по теме “Молекулярно-кинетическая теория”

48 мин

10. Повторение. Решение задач ЕГЭ предыдущих лет по теме "Механика. Часть II"

1 ч 1 мин

11. Повторение. Решение задач ЕГЭ предыдущих лет по теме "Механика. Часть I"

41 мин

12. Строение атома (основной урок)

1 ч 0 мин

13. Основы квантовой теории. Фотоэффект (основной урок)

1 ч 1 мин

14. Элементы теории относительности (основной урок)

58 мин

15. Промежуточный срез №6. Повторение (основной урок)

55 мин

16. Волновая оптика (основной урок)

50 мин

17. Линзы (основной урок)

47 мин

18. Геометрическая оптика. Распространение света (основной урок)

53 мин

19. Механические колебания (основной урок)

1 ч 0 мин

20. Переменный ток. Электромагнитные волны (основной урок)

1 ч 2 мин

21. Электромагнитные колебания. Графики колебаний в колебательном контуре (основной урок)

1 ч 8 мин

22. Механические волны (основной урок)

48 мин

23. Маятники (основной урок)

59 мин

24. Промежуточный срез №5. Повторение (основной урок)

53 мин

25. Электромагнитная индукция (основной урок)

1 ч 12 мин

26. Введение в магнетизм (основной урок)

1 ч 11 мин

27. Решение задач по теме "Законы постоянного тока" (основной урок)

52 мин

28. Электрический ток в вакууме. Электрический ток в полупроводниках. Вакуумный и полупроводниковый диод (основной урок)

1 ч 20 мин

29. Электрический ток в различных средах (основной урок)

54 мин

30. Закон Ома для полной цепи. Работа тока (основной урок)

55 мин

31. Расчет электрических цепей (основной урок)

57 мин

32. Постоянный электрический ток. Закон Ома для участка цепи (основной урок)

55 мин

33. Диэлектрики. Конденсаторы. Однородное электрическое поле (основной урок)

49 мин

34. Промежуточный срез №4 (основной урок)

50 мин

35. Работа электрического поля. Потенциал и напряжение (основной урок)

1 ч 4 мин

36. Влажность (основной урок)

1 ч 7 мин

37. Тепловой баланс (основной урок)

1 ч 7 мин

38. Расчет количества теплоты в различных случаях. Агрегатные состояния вещества (основной урок)

1 ч 6 мин

39. КПД тепловой машины. Графики процессов в термодинамике (основной урок)

1 ч 13 мин

40. Основы термодинамики. Законы термодинамики (основной урок)

1 ч 6 мин

41. Уравнение состояния идеального газа (основной урок)

59 мин

42. Введение в молекулярно-кинетическую теорию. Основное уравнение МКТ (основной урок)

1 ч 10 мин

43. Промежуточный срез №3. Повторение (основной урок)

41 мин

44. Решение задач по теме “Законы сохранения” (основной урок)

36 мин

45. Закон сохранения энергии (основной урок)

1 ч 7 мин

46. Работа. Мощность. КПД (основной урок)

53 мин

47. Основы электростатики (основной урок)

48 мин

48. Импульс. Закон сохранения импульса (основной урок)

52 мин

49. Сила Архимеда. Элементы механики жидкостей и газов (основной урок)

32 мин

50. Элементы статики. Простые механизмы (основной урок)

1 ч 3 мин

51. Промежуточный срез № 2. Повторение (основной урок)

37 мин

52. Алгоритм решения задач по динамике (основной урок)

42 мин

53. Силы трения. Наклонная плоскость (основной урок)

54 мин

54. Силы упругости (основной урок)

46 мин

55. Закон всемирного тяготения (основной урок)

45 мин

56. Основы динамики. Законы Ньютона (основной урок)

1 ч 3 мин

57. Повторение. Промежуточный срез № 1 (основной урок)

32 мин

58. Криволинейное движение. Движение по окружности (основной урок)

52 мин

59. Равноускоренное движение. Свободное падение (основной урок)

1 ч 15 мин

60. Введение. Основы кинематики. Равномерное прямолинейное движение (основной урок)

1 ч 3 мин

32. Постоянный электрический ток. Закон Ома для участка цепи (основной урок)

Видео доступно после авторизации

"

Электрический ток. Условия существования

Изучая электричество, мы вплотную приблизились к изучению наиболее используемого в технике электрического явления: электрического тока. Какова главная цель использования электрического тока? Лампочка принципиально ненамного лучше свечи, а электрический обогреватель ненамного лучше камина. При использовании свечи или камина энергия непосредственно высвобождается при горении. При использовании же электроприборов энергия получается на электростанции, а ток служит для того, чтобы передать ее на большие расстояния в дом каждого потребителя. Передать энергию – значит совершить работу, ее мы будем определять. Какова природа его возникновения, какой величиной он характеризуется? Мы детства знаем, что с электричеством нужно быть осторожными. Почему тогда птицы, сидящие на линиях электропередач, не ощущают действия тока? В этих вопросах мы сегодня разберемся.

Что такое электрический ток? В самом термине содержится указание: это течение электричества. Мы уже говорили о том, что раньше, до открытия элементарных заряженных частиц, электрический заряд считали некой жидкостью, наполняющей заряженные тела. Перемещение этой жидкости и назвали электрическим током.

Сейчас, обладая знаниями о строении вещества, можно сказать, что сравнение оказалось достаточно точным, и электрический ток можно действительно сравнить с течением некой жидкости (или более точно – с газом), только состоящей не из молекул, а из элементарных заряженных частиц. Это удобная для понимания аналогия, и мы будем к ней еще возвращаться.

Дадим четкое определение. Мы знаем о носителях заряда, поэтому определим электрический ток как движение заряженных частиц. Вы помните из молекулярно-кинетической теории, что частицы, из которых состоит вещество, в том числе электроны, постоянно пребывают в тепловом хаотическом движении, но это не является электрическим током, как и тепловое движение молекул воды не создает течения. Все направления такого движения равновероятны, и суммарное перемещение при этом равно нулю. Течение наблюдается, когда движение направлено. Хаотическое движение при этом не прекращается, но оно складывается с направленным, и суммарное перемещение уже не равно нулю, система частиц в целом движется.

Поэтому определение тока дадим следующее:

Электрический ток – это направленное движение электрического заряда.

Поскольку заряд не существует отдельно от носителя, ток можно определить как направленное движение заряженных частиц.

Ветка. Скорость движения частиц

Частица обладает скоростью движения. В механике мы часто раскладывали скорость на составляющие и рассматривали их отдельно. То же можем сделать и сейчас для скоростей теплового направленного движения частицы.

Скорость ее теплового движения обычно составляет порядка сотен метров в секунду, но эта скорость нас сейчас не интересует, нас интересует направленное движение частиц.

Скорость направленного движения электронов в проводнике обычно составляет доли миллиметра в минуту, ее мы еще будем находить на одном из следующих уроков.

Заметьте: это не скорость распространения тока (это происходит почти мгновенно), это именно скорость движения частицы. То есть электрический ток возникает практически одновременно во всей цепи. Чтобы было понятно, проведем снова аналогию с током воды по трубе.

Например, есть труба длиной 1 метр. По ней течет вода со скоростью 10 см/с. Суммарное перемещение молекул воды за секунду составит 10 см. Значит ли это, что ток распространится только на 10 см? Нет, вода течет по всей трубе, и любой элементарный объем воды внутри трубы переместится на 10 см. Таким образом, вода из одного конца трубы не распространится до второго конца, но течение распространится (рис. 1).

Это произойдет потому, что по всему объему трубы, по закону Паскаля, распространяется давление, вызывающее ток, причем практически мгновенно. Также в проводнике распространяется электрическое поле.

Что является носителем заряда, образующим ток? Мы знаем два носителя электрического заряда: протон и электрон. Чтобы они могли создавать электрический ток, они также должны быть подвижными. Поэтому, например, в твердых веществах протоны, которые содержатся в ядрах атомов, не могут создавать электрический ток, поскольку атомы зафиксированы на своем месте в структуре вещества (рис. 2).

Электроны, это мы изучали на прошлом уроке, в диэлектриках не могут покидать атом, поэтому они тоже зафиксированы, а в проводниках один или несколько электронов в атоме слабо взаимодействуют с ядром и могут покидать атом. Такие электроны называются свободными.

Носителями тока могут быть ионы, электроны, движущиеся в вакууме, даже ветер, несущий пыль, в которой пылинки имеют электрический заряд, является электрическим током, будучи направленным движением заряженных частиц.

Мы сегодня остановимся на проводниках.

Какие условия должны выполняться, чтобы существовал электрический ток?

Первое условие очевидно: чтобы существовало движение частиц, нужно, чтобы были свободные частицы, способные передвигаться. В проводниках такими носителями тока являются свободные электроны.

Что заставляет частицу двигаться? Электрический заряд взаимодействует с электрическим полем, и на него действует силаЭта сила и заставит электрон двигаться (рис. 3). Второе условие существования электрического тока – наличие электрического поля в проводнике, которое характеризуется потенциалом в каждой точке или разностью потенциалов между двумя точками.

Достаточно ли этого? Давайте проверим. Предположим, что у нас есть проводник со свободными носителями заряда и в проводнике есть электрическое поле. Свободные электроны будут двигаться в сторону, противоположную вектору напряженности электрического поля, и будут скапливаться у одного из краев проводника, он станет заряжен отрицательно. У противоположного края при том же количестве атомов электронов будет меньше, поэтому он будет заряжен положительно. Этот процесс мы уже рассматривали, скопившиеся заряды образуют свое электрическое поле, направленное противоположно внешнему и ослабляющее его (рис. 4).

При ослаблении поля уменьшится и сила, которая разносит заряды по краям проводника, пока поля не уравновесятся. Эти процессы протекают быстро, и ток, как видим, быстро исчезает. Для его поддержания нужно, очевидно, чтобы электроны не накапливались на одном из краев проводника, а возвращались на противоположный край, т. е. цепь нужно замкнуть (рис. 5).

При этом второе условие должно выполняться во всей цепи, должно быть электрическое поле, вызывающее ток.

Сила тока

Мы разобрались с причинами и условиями возникновения электрического тока, качественно описали этот процесс. Кроме этого, нужно описать электрический ток количественно, выбрать его характеристики, которые мы будем использовать.

О каких показателях электрического тока мы можем говорить? Мы можем изучать процесс протекания тока, скорость движения электронов, но нас больше интересует результат: работа по переносу заряда, которую совершило электрическое поле. При заданной разности потенциалов работа равнат. е. она пропорциональна перенесенному заряду. При этом не важно, сколько при этом было перенесено электронов и с какой скоростью они двигались, а важен их суммарный заряд, перенесенный через поперечный срез проводника. Поэтому, характеризуя ток, будет информативно ввести характеристику, отображающую скорость переноса заряда. Эту величину назвали силой тока, обозначили буквой, сила тока равна. Единица измерения – 1 ампер.

Ветка. Скорость переноса заряда

Мы уже неоднократно вводили физические величины, показывающие скорость протекания определенного процесса. Она показывает, как быстро протекает процесс, как быстро изменяется величина, и равна изменению величины за единицу времени. Например, механическая скорость – это скорость перемещения (изменения координаты), Ускорение как скорость изменения скорости равномощность как скорость выполнения работы равна, аналогично и сила тока как скорость переноса заряда равна

При протекании тока в проводнике движутся свободные электроны. Если мы наблюдаем электрический ток, не вдаваясь в подробности на микроуровне (а зачастую нам это и не нужно), заметим, что в одну сторону (в сторону уменьшения потенциала электрического поля) будет переноситься положительный заряд, или можно сказать, что в противоположную сторону движется отрицательный заряд. Направлением силы тока выбрано направление перемещения положительного заряда. Да, в проводнике с током движутся отрицательно заряженные электроны, а не положительно заряженные протоны, но это не важно, перемещение электрона в некую точку приводит к увеличению отрицательного заряда, что математически эквивалентно уменьшению положительного: в любом случаеТакое же изменение заряда произошло бы, если бы протон переместился ИЗ этой же точки.

Задача

Сколько электронов проходит за одну минуту через поперечный срез проводника, если через проводник протекает ток, сила которого равна 8 мА (рис. 6)?

Анализ условия

- через проводник протекает ток заданной силы.

- сила тока по определению равна суммарному заряду, перенесенному через поперечный срез проводника:

- носителем заряда в проводнике являются свободные электроны, каждый из которых переносит заряд

- т. к. в данной задаче нас не интересует направление движения электронов и направление силы тока, то будем вычислять величины по модулю.

Решение

Запишем сказанное выше математически. По определению сила тока равна:

Зарядбыл перенесен некоторым количеством электронов, каждый электрон переносит заряд. Мы договорились брать заряд электрона по модулю, поэтому запишем:

Подставим в первое уравнение:

Все необходимые величины известны, остается только выразить и вычислить количество электронов:

Подведем промежуточные итоги. Для решения задач, рассматривающих электрический ток, нужно:

Знать

1. Условия существования электрического тока.

2. Определение силы тока как скорости переноса заряда.

Уметь

1. Применять определение силы тока.

Понимать

Сила тока – это скорость переноса электрического заряда через поперечное сечение проводника. Направлением тока считается направление движения положительного заряда. Свободным носителем заряда в проводнике является отрицательно заряженный электрон, и направление тока противоположно направлению движения электронов. Увеличение положительного заряда в рамках математической модели эквивалентно уменьшению отрицательного.

Напряжение. Сопротивление

Электрический ток вызван электрическим полем внутри проводника, которое характеризуется потенциалом в каждой точке поля. На предыдущих уроках мы говорили, что интерес для нас представляет не столько значение потенциала в данной точке, сколько разность потенциалов двух точек. Сильное электрическое поле имеет большую разность потенциалов между точками поля и большую напряженность. Значит, такое поле будет с большей силой действовать на свободные носители заряда, они будут быстрее двигаться, и сила тока будет больше.

Таким образом, сила тока в проводнике будет зависеть от приложенной к проводнику разности потенциалов, поэтому эту величину мы будем часто использовать. Разность потенциалов также называют напряжением и обозначают буквой.

Помимо силы тока и напряжения есть третья основная величина, с которой мы будем работать, изучая электрический ток, разберемся теперь в ней. Представьте, что мы приложили к разным проводникам некую разность потенциалов, т. е. создали внутри проводников электрическое поле. Одинаковой ли будет сила тока в разных проводниках? С одинаковой ли скоростью будет переноситься заряд через проводник?

Давайте подумаем, от чего это может зависеть. Величина заряда, перенесенного через проводник, естественно, должна зависеть от количества носителей заряда. В хороших проводниках, которыми является большинство металлов, каждый атом покидает от одного до нескольких свободных электронов, таким образом, в одном кубическом сантиметре может быть отдосвободных электронов. Это достаточно много, чтобы сила тока не ограничивалась количеством носителей заряда. Чем еще может быть ограничена сила тока, что может влиять на нее?

Электрон движется не в свободном пространстве, он движется внутри вещества, сквозь его кристаллическую решетку. Это является препятствием для прохождения тока. Если сравнить с течением воды по трубе, то проводник напоминает трубу, перекрытую множеством сетей или решеток. Эти решетки могут быть с толстыми или тонкими прутьями, с крупными или мелкими просветами, в конце концов, трубы могут быть разного диаметра – всё это отразится на скорости течения (рис. 7).

Возвращаясь к проводнику, делаем вывод, что нам нужно ввести некую характеристику проводника, которая показывает свойство проводника сопротивляться электрическому току, препятствовать его прохождению.

Эту величину так и назвали: сопротивление проводника. Обозначается она буквойи измеряется в омах.

Мы обсудили, от чего зависит сопротивление. Давайте теперь четко определим, как вычислять сопротивление того или иного конкретного проводника.

Сопротивление проводника будет тем больше, чем меньше площадь его поперечного сечения. Как воды протекает больше через толстую трубу, так и электроны легче и больше проходят через проводник с большим поперечным сечением. Запишем:

Длина проводника также влияет на сопротивление. Логично, что чем больше длина проводника, тем сложнее электрону пройти сквозь него, тем с бОльшим количеством препятствий в виде узлов кристаллической решетки вещества он столкнется. Сопротивление пропорционально длине проводника:

Наши размышления не являются строгим математическим получением формулы, мы делаем выводы – от чего вполне логично может зависеть сопротивление и какой характер этой зависимости: прямая или обратная.

И, как мы говорили, даже при одинаковых размерах двух разных проводников их сопротивление может отличаться, оно зависит от типа вещества, который определяет тип кристаллической решетки, размеры атомов, густоту их расположения. Для каждого вещества можно определить некое эталонное сопротивление, величину, не зависящую от размеров проводника. Эта величина называется удельным сопротивлением: сопротивлением проводника с площадью поперечного сеченияи длиной. Обычно удельное сопротивление обозначается греческой буквойи равно сопротивлению, которое приходится на каждыйдлины проводника и на каждыйплощади его сечения:

Не путайте с плотностью вещества, которая чаще всего обозначается той же буквой. Мы уже говорили о том, что обозначения не являются принципиально важными, величины можно обозначать любыми символами, включая специально придуманные для данной величины. Главное, чтобы люди при использовании обозначений понимали друг друга. Нужно обращать внимание не на то, какой буквой обозначается величина, а на ее физический смысл. При прочтении формулы, проговаривая в уме «удельное сопротивление», а не просто «ро», вы не запутаетесь.

Таким образом, зная удельное сопротивление проводника (а это заранее определенная и занесенная в таблицу для каждого вещества величина), можно рассчитать сопротивление конкретного проводника, изготовленного из данного вещества:

Ветка. Удельные величины

Мы уже вводили величины подобного типа. Например, в термодинамике твердое вещество при температуре плавления принимает некоторое количество теплоты Q и плавится. Характеризуя тепловые свойства вещества, нас интересует, какое количество теплоты при плавлении приходится на каждый килограмм вещества:Эта величина – удельная теплота плавления, она уже не зависит от количества вещества, а только от его свойств. Аналогично ускорение свободного падения является удельной силой тяжести, действующей на каждый килограмм вещества:

Иногда удобно пользоваться величиной, обратной сопротивлению – проводимостью. Если сопротивление показывает, как сильно проводник сопротивляется току, т. е. как плохо его проводит, то проводимость показывает, как хорошо проводник проводит ток. Обозначают проводимость обычно буквой. Это взаимно обратные величины, как частота и период, которыми мы пользовались, изучая периодические процессы.

Единица измерения проводимости – сименс, обозначается См (с большой буквы, не путайте с сантиметрами).

Ветка. Большое и малое сопротивление

Вы спросите: сопротивление – это полезное явление или вредное? Если сопротивление проводника высокое, он плохо проводит ток, мешает его прохождению. Если наша задача – передать электроэнергию без потерь, то сопротивление проводов должно быть как можно меньше. Но не всегда малое сопротивление – это хорошо. Если бы не было сопротивления, не работали бы электроприборы. Почему в них выделяется тепло или излучается свет? Если сопротивление прибора велико, свободные носители заряда не могут легко пройти сквозь него, они сталкиваются с атомами вещества электроприбора, при столкновениях передавая ему энергию: передача энергии электроприбору нам и была нужна!

Решим несколько задач на определение сопротивления проводника.

Задача

Медный провод для линии электропередач длиной 5 км имеет сопротивление 12 Ом. Определить массу меди, необходимой для его изготовления.

Анализ условия

- задан проводник определенной массы (которую требуется найти), который должен обладать определенным сопротивлением.

- сопротивление зависит от геометрической формы проводника, т. е. заданное количество меди должно иметь определенную форму, будем пользоваться формулой определения сопротивления проводника по его геометрической форме:

- геометрическая характеристика количества проводника – это объем, нам же интересна масса. Эти величины связаны через плотность, которая, по определению, равна(обозначили, чтобы не путать с удельным сопротивлением).

Решение

Запишем математически наши размышления. Сопротивление проводника равно:

По определению, плотность мы записали:

Осталось связать объем проводника с его размерами. Используя знания геометрии, запишем, что объем равен площади поперечного сечения фигуры на ее длину:

Получили систему уравнений, решив которую, найдем массу провода, все величины нам заданы, плотность и удельное сопротивление меди найдем в таблицах:

Математическая часть решения задачи

Выразим из первого уравнения площадь сечения:

Подставим в третье уравнение:

Подставим объем во второе уравнение и выразим массу:

Плотность меди равнаудельное сопротивление равно. Подставим и вычислим массу:

Подведем промежуточные итоги. Для решения задач, рассматривающих электрический ток, нужно:

Знать

1. Определение силы тока как скорости переноса заряда.

2. Определение разности потенциалов.

3. Формулу для нахождения сопротивления проводника по геометрическим параметрам.

Уметь

1. Применять выученные формулы для конкретной задачи.

Закон Ома для участка цепи

Итак, мы подошли к самому важному моменту сегодняшнего урока. При изучении физических процессов важна четкая закономерность, закон, которому подчиняется процесс.

Для электрического тока мы сегодня обращали внимание, что чем больше разность потенциалов на концах проводника, а значит, и напряженность электрического поля в проводнике, тем больше сила действует на свободные носители заряда, тем больше скорость их перемещения, и, следовательно, тем больше сила тока.

Сила тока также зависит от сопротивления, и понятно, что чем больше проводник сопротивляется прохождению тока, тем меньший заряд через него пройдет и тем меньше будет значение силы тока.

Мы пока не рассматриваем источник электрического поля, не рассматриваем, откуда берется разность потенциалов на концах проводника. Пока достаточно того, что эта разность потенциалов есть. Ток в таком проводнике описывает закон Ома для участка цепи:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Запомнить его несложно, поскольку мы почти сами пришли этому выводу и связь силы тока, напряжения и сопротивления естественна.

На силу тока влияет два фактора: напряжение – то, что вызывает ток, и сопротивление – то, что препятствует току.

Карикатуристы удачно изобразили это на рисунке (рис. 8).

Если в определенной задаче нам удобно использовать не сопротивление R, а проводимость, то закон Ома запишется в виде:

Теперь, владея необходимыми знаниями, мы можем разобраться в вопросе, почему воробьев на линии электропередач не бьет током.

Провода линии электропередач предназначены для того, чтобы проводить ток на большие расстояния, для этого сопротивление провода должно быть малым, ток должен максимально беспрепятственно протекать на большие расстояния.

Рассмотрим участок, на котором сидит птица. Разность потенциалов между противоположными концами провода может быть разной, от бытового значения 220 В до нескольких десятков тысяч вольт (рис. 9).

Учитывая, что протяженность провода достигает десятков километров, разность потенциалов между точками, в которых находятся лапки воробья, ничтожно мала.

Через воробья будет протекать ток:

Напряжение на лапках воробья U мало, а сопротивлениевелико. Сопротивление биологического объекта имеет ряд особенностей. Он содержит водную среду, о проводящих свойствах которой мы поговорим на следующих уроках, а кожа по свойствам близка к диэлектрику.

Следовательно, сила тока, проходящего через воробья, будет ничтожно мала (рис. 10).

Ветка. Переменный ток в линии электропередач

В примере о воробье мы говорили о конкретном значении напряжения и силы тока, но на самом деле по проводам течет переменный ток. Мы будем его подробно изучать. Это ток, значение и направление которого периодически изменяется. Но, если рассмотреть конкретный момент времени, получим определенное значение напряжения и силы тока, которое мы и рассматривали в случае с воробьем. В данной задаче нам было не важно, останется ли напряжение прежним или изменится в следующий момент времени, поэтому модель постоянного тока в данном случае была приемлема.

Задача

Сетевой фильтр имеет предохранитель, который срабатывает, когда сила тока в цепи достигает 10 А. Какое должно быть сопротивление электроприбора, чтобы предохранитель не сработал, если цепь включается в розетку с напряжением 220 В? Сопротивлением проводов можно пренебречь (рис. 11).

Анализ условия

- задана электрическая цепь, через которую течет ток.

- цепь включена в розетку с заданной разностью потенциалов, возникновение которой нас в данной задаче не интересует, значит, будем применять закон Ома для участка цепи.

- в условии сказано пренебречь сопротивлением проводов. Что это нам дает? Применим закон Ома для участка цепи для соединительного провода. Понятно, что в отсутствии разветвлений сила тока будет одинакова через любое сечение цепи, она задана. Разность потенциалов на проводебудет ничтожно мала при ничтожно малом сопротивлении провода, значит, потенциал, приложенный к концу провода, можно считать потенциалом, приложенным непосредственно к электроприбору (рис. 12).

Соединительные провода изготавливают малого сопротивления, поэтому такое допущение можем применять в большинстве задач, если не оговорено другое.

Вернемся к решению задачи.

Решение

Предохранитель разомкнет цепь, когда значение силы тока станет равным 10 А. Работать цепь будет при.

Применим закон Ома для участка цепи (электроприбора):

Все величины заданы, остается выразить и вычислить сопротивление:

Подведем промежуточные итоги. Для решения задач, рассматривающих электрический ток в участке цепи, нужно:

Знать

1. Закон Ома для участка цепи.

2. Определение силы тока как скорости переноса заряда.

3. Понятия напряжения и сопротивления.

4. Формулу для нахождения сопротивления проводника по геометрическим параметрам.

Уметь

1. Выделять участок цепи и применять закон Ома для участка цепи.

Понимать

Напряжение или разность потенциалов является причиной электрического тока. Сопротивление проводника зависит от геометрических параметров проводника и от особенностей его атомного строения. Сопротивление показывает способность проводника препятствовать прохождению тока.

Решение задач

Применим полученные знания при решении задач.

Задача

Конденсатор емкостью 100 мкФ заряжается до напряжения 500 В за 0,5 с. Каково среднее значение силы зарядного тока (рис. 13)?

Анализ условия

- в условии описан процесс зарядки конденсатора. Уже изучив конденсатор, мы знаем, что это процесс переноса заряда на его обкладки. По определению, емкость конденсатора равна.

- процесс переноса заряда – это электрический ток, который по определению равен.

- что значит среднее значение силы зарядного тока, и почему нам нужно найти его? Рассмотрим одну из обкладок конденсатора. К ней через соединительный провод приложен некоторый потенциал . Будем считать потенциал обкладки незаряженного конденсатора равным нулю. Разность потенциалов между точкой А и обкладкой конденсатора равна. По мере зарядки конденсатора значение потенциала его обкладки приближается к значению, разность потенциалов между точкой А и обкладкой конденсатора уменьшается, пока не станет равна нулю, когда конденсатор заряжен (рис. 14).

По закону Ома, сила тока прямо пропорциональна разности потенциалов (сопротивление проводника не меняется), поэтому значение силы тока в процессе зарядки конденсатора постепенно уменьшается, т. е. за разные промежутки времени будет перенесен разный заряд. Средняя же сила тока показывает весь заряд, перенесенный за всё время зарядки (аналогично мы определяли среднюю скорость при неравномерном движении как весь путь, деленный на всё время движения).

Вернемся к решению задачи.

Решение

Запишем названные выше выражения:

Они образуют систему уравнений с двумя неизвестными, из которой можно выразить силу тока.

Выразим из первого уравнения заряд q:

и подставим его во второе уравнение:

Вычислим:

Задача

Медный реостат представляет собой медную изолированную проволоку, намотанную в один слой на барабан. Какое напряжение надо приложить к реостату, чтобы через него протекал ток? Длина катушки, радиус катушки, количество витков равно

Анализ условия

- описан проводник, через который протекает электрический ток, без рассмотрения источника разности потенциалов, значит, будем применять закон Ома для участка цепи.

- сопротивление проводника связано с его геометрическими параметрами: длиной проводника и площадью поперечного сечения.

- проволока намотана на барабан катушки, но при этом ее сопротивление такое же, как если бы она была прямой. Площадь поперечного сечения проволоки не меняется от того, что проволоку намотали. Длина пути, который проходит заряд по проводнику, тоже не меняется при намотке, меняется только форма: спираль (рис. 16).

Поэтому будем искать длину проволоки и площадь ее поперечного сечения.

Решение

Применим закон Ома для участка цепи:

Сопротивление равно:

Найдем длину проволоки. Проволока состоит из 150 витков. Длина одного витка, имеющего форму окружности известного радиуса, равна:

Тогда длина всей проволоки равна:

Длина катушкивмещает диаметр проволоки вплотную 150 раз. Значит, диаметр проволоки, ее радиус равен. Тогда можем найти площадь поперечного сечения, которое имеет форму круга:

Получили выражения для длины и площади поперечного сечения проводника, запишем систему уравнений:

Осталось решить систему и найти напряжение.

Математическая часть решения задачи

Подставим длину и площадь сечения из третьего и четвертого уравнений во второе:

Выразим из первого уравнения напряжение:

Вычислим значение напряжения. Удельное сопротивление меди мы уже находили в таблице, оно равно

:

Заключение

На этом уроке мы изучили:

– силу тока, напряжение и сопротивление; закон Ома для участка цепи.

Теперь вы можете решать данный класс задач на законы постоянного тока.

На следующем уроке мы займемся расчетом электрических цепей и обсудим:

– типы соединения проводников: параллельное и последовательное; расчет электропараметров сложных цепей.

 

Ссылки на уроки от Интернетурок по рассмотренным темам

  1. Электрический ток. Источники электрического тока (Гребенюк Ю.В.) (Физика, 8 класс, раздел \"Электрические явления\")

  2. Электрический ток. Источники электрического тока (Ерюткин Е.С.) (Физика, 8 класс, раздел \"Электрические явления\")

  3. Сила тока. Единицы силы тока. Амперметр (Гребенюк Ю.В.) (Физика, 8 класс, раздел \"Электрические явления\")

  4. Сила тока. Единицы силы тока (Ерюткин Е.С.) (Физика, 8 класс, раздел \"Электрические явления\")

  5. Амперметр. Измерение силы тока (Ерюткин Е.С.) (Физика, 8 класс, раздел \"Электрические явления\")

  6. Электрическое напряжение (Физика, 8 класс, раздел \"Электрические явления\")

  7. Электрическое сопротивление проводника. Единица сопротивления (Физика, 8 класс, раздел \"Электрические явления\")

  8. Электрическое сопротивление. Закон Ома для участка цепи (Гребенюк Ю.В.) (Физика, 8 класс, раздел \"Электрические явления\")

  9. Зависимость силы тока от напряжения. Закон Ома для участка цепи (Ерюткин Е.С.) (Физика, 8 класс, раздел \"Электрические явления\")

  10. Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление (Физика, 8 класс, раздел \"Электрические явления\")

"

Обсуждение