Закон электрического тока

Пример 4.4 Сторонние силы источника совершают работу 10000 Дж по перенесению зарядов с одного конца проводника на другой против сил электрического поля. При этом переносится электрический заряд величиной 100 Кл. Определить напряжение на зажимах проводника.

Электрическое напряжение

Возьмём металлический проводник и подсоединим его к источнику электрического тока. Источник электрического тока создаст на одном конце проводника заряды положительного знака, а на другом – заряды отрицательного знака (рис.4.10). В проводнике возникнет электрический ток, то есть свободные электроны начнут направленно двигаться в сторону положительно заряженного конца проводника. Каждый электрон, придя на положительно заряженный конец проводника, нейтрализует один положительный заряд. Постепенно все положительные заряды могут нейтрализоваться пришедшими электронами, и ток прекратится. Чтобы это не произошло, сторонние силы источника F _ст будут переносить электроны, пришедшие на положительно заряженный конец проводника, на отрицательно заряженный конец проводника. При этом сторонние силы источника F _ст совершают работу по преодолению сил отталкивания F _от зарядов одного знака (в данном случае электронов).

Рис.4.10

F_от

F_ст

Для характеристики явления электрического тока введена физическая величина, называемая напряжением.

Определение: напряжение – это физическая величина, численно равная отношению работы, которую совершают сторонние силы источника по перенесению зарядов против сил электрического поля, к величине этих зарядов.

Определяющая формула:

,

где U – напряжение на зажимах проводника, В;

А – работы, которую совершают сторонние силы источника по перенесению зарядов против сил электрического поля, Дж;

q – величина переносимых зарядов, Кл.

Единицей напряжения является вольт (В):

.

Величина напряжения, приложенного к проводнику, который выполнен из одинакового материала и имеет по всей длине одинаковое сечение, равномерно распределяется по всей его длине.

Решение.

1. Составляем условие в основных единицах:

А = 10000 Дж

q = 100 Кл

U –?

2. Напряжение на зажимах проводника находим, используя определяющую формулу:

,

.

3. Подставляем значения физических величин и находим напряжение на зажимах проводника:

,.

Напряжение измеряется электроизмерительным прибором – вольтметром, который включается параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжение (рис.4.11). На данном рисунке вольтметр обозначен буквой V.

А

ГЭ

+

–

ЛН

В

Рис.4.11

V

Пример 4.5 Для измерения напряжения на зажимах лампы накаливания (рис.1.22) использован вольтметр со следующими техническими данными: максимальное напряжение, которое может измерить вольтметр, составляет 300 В. Шкала амперметра имеет 150 делений. При измерении напряжения стрелка отклонилась на 40 делений. Определить измеренное напряжение.

Решение.

1. Составляем условие в основных единицах:

U _max = 300 В

n _max = 150 делений

n _изм. = 40 делений

U –?

2. Цену одного деления шкалы вольтметра определяем по формуле:

,

где ц _д – цена деления шкалы вольтметра, В / дел.;

U _max – максимальное напряжение, которое может измерить вольтметр, В;

n _max – число делений шкалы вольтметра, дел.

.

3. Подставляем значения физических величин и находим цену деления шкалы вольтметра:

,.

4. Измеренное напряжение определяем по формуле:

,

где n _изм – число делений шкалы вольтметра, на которое отклонилась стрелка при измерении, дел.

5. Подставляем значения указанных величин и находим измеренное напряжение:

,.

Таким образом, даём общую характеристику физической величине – электрическому напряжению.

Введена для энергетической характеристики явления электрического тока.

Определение: электрическое напряжение – это физическая величина, численно равная отношению работы, которую совершают сторонние силы источника по перенесению зарядов против сил электрического поля, к величине этих зарядов.

Определяющая формула:

,

где U – напряжение на зажимах проводника, В;

А – работы, которую совершают сторонние силы источника по перенесению зарядов против сил электрического поля, Дж;

q – величина переносимых зарядов, Кл.

Буквенное обозначение – U.

Единица – В (вольт).

Величина – скалярная.

Определяется – расчётом или измерением с помощью вольтметра.

Таблица 4.10

№ п/п	Вопрос, задание	Номер правильного ответа
	Что нужно для того, чтобы электрический ток в проводнике не прекращался?
	Какую работу совершают сторонние силы источника тока?
	Что такое напряжение на зажимах проводника?
	Запишите определяющую формулу напряжения.
	Что является единицей напряжения?
	Сторонние силы источника совершают работу 20000 Дж по перенесению зарядов с одного конца проводника на другой против сил электрического поля. При этом переносится электрический заряд величиной 100 Кл. Определить величину напряжения на зажимах проводника (в вольтах).
	Каким электроизмерительным прибором измеряется напряжение?
	Как подключается вольтметр к участку цепи, на котором требуется измерить напряжение?
	Для измерения напряжения на зажимах лампы накаливания (рис.4.11) использован вольтметр со следующими техническими данными: максимальное напряжение, которое может измерить вольтметр, составляет 200 В. Шкала амперметра имеет 100 делений. При измерении напряжения стрелка отклонилась на 80 делений. Определить величину измеренного напряжения (в вольтах).

Sнечёт. – Sчёт. = 21.

Таблица 4.11а

Номер правильного ответа	Правильный ответ
	200.
	.
	Параллельно.
	Необходимо, чтобы сторонние силы источника F ст переносили электроны, пришедшие на положительно заряженный конец проводника, на отрицательно заряженный конец проводника.
	160.
	По перенесению зарядов против сил электрического поля.
	Физическая величина, численно равная отношению работы, которую совершают сторонние силы источника по перенесению зарядов против сил электрического поля, к величине этих зарядов.
	Вольт.
	Вольтметром.

Электрическое сопротивление.

В металлическом проводнике с электрическим током свободные электроны при своём движении сталкиваются с атомами (молекулами) вещества, которые находятся в тепловом движении, и движение электронов тормозится. Это значит, что в проводнике создаётся противодействие электрическому току.

Величину, характеризующую противодействие электрическому току в проводнике, назвали его сопротивлением.

Единицей сопротивления является ом (Ом). Сопротивление обозначается латинской буквой R.

Поскольку разные проводники имеют разную структуру, то их сопротивление электрическому току будет разное, то есть сопротивление проводника электрическому току зависит от вещества, из которого изготовлен проводник.

Очевидно, что чем длиннее проводник, тем большее сопротивление создаётся электрическому току, то есть сопротивление проводника прямо пропорционально его длине. Обозначают длину проводника латинской буквой l. Единицей длины проводника является метр (м).

Очевидно также, что чем больше площадь поперечного сечения проводника, тем меньшее сопротивление создаётся электрическому току при одной и той же длине проводника. Обозначают площадь поперечного сечения проводника латинской буквой S. В технической системе за единицу площади поперечного сечения проводника принят квадратный миллиметр (мм ²). В международной системе единиц (СИ) – квадратный метр (м ²).

Введём понятие удельного сопротивления проводника.

Под удельным сопротивлением проводника, выполненного из определённого вещества, понимается сопротивление проводника длиной один метр и площадью поперечного сечения один квадратный миллиметр.

Обозначают удельное сопротивление проводника греческой буквой r.
В технической системе за единицу удельного сопротивления принят ом, умноженный на квадратный миллиметр и делённый на метр (Ом × мм ²/ м). В международной системе единиц (СИ) – ом, умноженный на метр (Ом × м). Например, для медного проводника удельного сопротивление в технической системе равно r = 0,0171 Ом × мм ²/ м, в международной системе единиц (СИ) – r = 0,0171×10^–6 Ом × м.

На основании вышеизложенного можем записать формулу для расчёта сопротивления проводника:

,

где R – сопротивление проводника электрическому току, Ом;

r – удельное сопротивление проводника, Ом × мм ²/ м (Ом × м);

l – длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения проводника, мм ² (м).

,

.

Пример 4.6 Медный проводник имеет длину 1000 м, площадь поперечного сечения проводника равна 3,42 мм². Определить сопротивление проводника.

Решение.

1. Составляем условие в технической системе:

l = 1000 м

S = 3,42 мм ²

r = 0,0171 Ом × мм ²/ м

R –?

2. Определяем сопротивление проводника по расчётной формуле:

,

.

3. Подставляем значения физических величин и находим сопротивление проводника:

,.

Таким образом, даём общую характеристику физической величине – электрическому сопротивлению.

Введена для характеристики проводника электрического тока.

Расчетная формула:

,

где R – сопротивление проводника электрическому току, Ом;

r – удельное сопротивление проводника, Ом × мм ²/ м (Ом × м);

l – длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения проводника, мм ² (м).

Буквенное обозначение – R.

Единица – Ом (ом).

Величина – скалярная.

Определяется – расчётом или измерением с помощью омметра.

Таким образом, даём общую характеристику физической величине – удельному сопротивлению.

Введена для характеристики вещества проводника электрического тока.

Определение: удельное сопротивление проводника, выполненного из определённого вещества - это сопротивление проводника длиной один метр и площадью поперечного сечения один квадратный миллиметр.

Буквенное обозначение – ρ.

Единица – (Ом на миллиметр в квадрате на метр).

Величина – скалярная.

Определяется – расчётом или измерением с помощью омметра.

Таблица 4.12

№ п/п	Вопрос, задание	Номер правильного ответа
	В результате чего создаётся противодействие электрическому току в проводнике?
	Что такое сопротивление проводника?
	Какой буквой обозначается сопротивление проводника?
	Что принято за единицу сопротивления проводника?
	Почему сопротивления проводников из разных веществ разные?
	Как зависит сопротивление проводника от его длины?
	Как зависит сопротивление проводника от площади поперечного сечения проводника?
	Какой буквой обозначается длина проводника?
	Что принято за единицу длины проводника?
	Какой буквой обозначается площадь поперечного сечения проводника?
	Что принято за единицу площади поперечного сечения проводника в технической системе?
	Что принято за единицу площади поперечного сечения проводника международной системе единиц (СИ)?
	Что такое удельное сопротивление проводника?
	Что принято за единицу удельного сопротивления проводника в технической системе?
	Что принято за единицу удельного сопротивления проводника в международной системе единиц (СИ)?
	Запишите расчётную формулу сопротивления проводника.
	Медный проводник имеет длину 500 м, площадь поперечного сечения проводника равна 3,42 мм ^2. Определить в омах сопротивление проводника.

Sнечёт. – Sчёт. = 11.

Таблица 4.12а

Номер правильного ответа	Правильный ответ
	Обратно пропорционально.
	Потому что они имеют разную структуру.
	S.
	В результате столкновения свободных электронов при их упорядоченном движении с атомами (молекулами) вещества, которые находятся в тепловом движении.
	.
	Величина, характеризующая противодействие электрическому току в проводнике.
	R.
	мм ^2.
	Ом.
	м ^2.
	.
	Прямо пропорционально.
	2,5.
	Ом × м.
	l.
	Сопротивление проводника, длиной один метр и площадью поперечного сечения один квадратный миллиметр.
	м.

Вы уже изучили физические величины, характеризующие явление электрического тока: сопротивление проводника электрическому току, силу электрического тока, напряжение на участке цепи.

Немецкий физик Георг Ом установил связь между указанными физическими величинами и сформулировал закон, который в его честь назван законом Ома.

Формулировка закона Ома: сила электрического тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

Дата добавления: 2014-10-15