Фізика 11 клас

ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

 

Розділ 1 Електричне поле і струм

§ 5. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ. ЕЛЕКТРИЧНЕ КОЛО. З'ЄДНАННЯ ПРОВІДНИКІВ

 

З курсу фізики 9 класу ви знаєте, що електричним струмом називають упорядкований (напрямлений) рух заряджених частинок. Електричний струм виникає, коли впорядковано переміщуються вільні електрони у металі або йони в електролітах і т.д. Але, якщо переміщати нейтральне в цілому тіло, то, незважаючи на впорядкований рух величезної кількості електронів і атомних ядер, електричний струм не виникає. Повний заряд, який переноситься через будь-який переріз провідника, дорівнюватиме нулю, бо заряди різних знаків переміщуються з однаковою середньою швидкістю.

Електричний струм має певний напрям. За напрям струму беруть напрям руху позитивно заряджених частинок. Якщо струм утворився рухом негативно заряджених частинок, то напрям струму вважають протилежним напряму руху частинок. Розрізняють постійний і змінний струми. При постійному струмі через провідник у будь-якій його ділянці з часом протікає однаковий за значенням заряд і в одному напрямі. Для існування електричного струму в певному середовищі повинні виконуватися такі умови: 1) наявність вільних носіїв заряду (електронів, йонів тощо);

2)  наявність у середовищі причин, внаслідок яких вільні заряджені частинки переміщаються в певному напрямі, наприклад, наявність електричного поля;

3)  наявність замкненого кола.

Струм, якщо він існує, обов'язково призводить або до виникнення магнітного поля, або до нагрівання провідника, або до зміни його структури.

Ви вже знаєте, що будь-який заряджений провідник має певний потенціал і в усіх точках його поверхні цей потенціал однаковий. Коли ж у провіднику існує струм, то потенціал у його різних точках не буде однаковим — він зменшується (спадає) у напрямі струму.

У провідниках майже завжди потрібно підтримувати струм протягом тривалого часу, тобто на їхніх кінцях різниця потенціалів не повинна зменшуватись. Пристрої, в яких відбувається розділення заряджених частинок, за рахунок чого і підтримується необхідна різниця потенціалів, називаються джерелами струму. Сили, які діють у джерелі струму, переносять заряд від точок з меншим потенціалом до точок з більшим потенціалом, виконуючи у цей час роботу. Отже, джерело струму є джерелом енергії. Напругу на кінцях джерела (різницю потенціалів) ще називають енергетичною характеристикою струму. У гальванічних елементах і акумуляторах в електричну енергію перетворюється енергія хімічних взаємодій, у термогенераторах — теплова енергія тощо.

Електричні кола, в яких підтримується струм і використовуються його властивості, складаються з джерела струму, споживачів (нагрівники, освітлювальні прилади, електродвигуни тощо), вимірювальних і регулювальних приладів, вимикачів та інших елементів, з'єднаних провідниками. Кількісною характеристикою електричного струму є його сила / і густина j.

Силою струму називається величина, що характеризує швидкість перенесення заряду частинками, які створюють струм, через поперечний переріз провідника.

 

 

де ∆q — заряд, що переноситься вільними носіями заряду через поперечний переріз провідника,∆t — інтервал часу перенесення заряду. Вона вказує, скільки заряджених частинок пройшло через поперечний переріз провідника за одиницю часу.

Густина струму—векторна фізична величина, її модуль визначається відношенням сили струму І до площі поперечного перерізу провідника S:

 

 

При рівномірному розподілі густини струму по поперечному перерізу провідника сила струму буде визначатися так:

де q0 — заряд частинки, n— кількість частинок в одиниці об'єму, v — середня швидкість напрямленого руху частинок, S — площа поперечного перерізу провідника.

Для створення й існування електричного струму необхідна наявність вільних заряджених частинок (носіїв струму) — позитивно або негативно заряджених частинок, не зв'язаних в єдину електрично нейтральну систему, і сили, що створює і підтримує їх упорядкований рух. Як правило, такою силою є сила з боку електричного поля всередині провідника, яке визначається електричною напругою на кінцях провідника.

Для того, щоб струм був тривалим, енергія електричного поля повинна весь час поповнюватися, тобто, потрібен такий пристрій, в якому певний вид енергії безперервно перетворюється на енергію електричного поля. Такий пристрій називається джерелом електрорушійної сили або джерелом струму.

Для отримання електричного струму необхідно створити електричне коло, яке складається з джерела струму, споживачів електричної енергії, вимірювальних і регулювальних приладів, вимикачів та інших елементів, з'єднаних провідниками. Коло повинно бути замкнене.

З курсу фізики 9 класу ви знаєте, що сила струму на ділянці кола прямо пропорційна прикладеній напрузі і обернено пропорційна до опору цієї ділянки  Нагадаємо, що опір характеризує здатність провідника протидіяти напрямленому руху заряджених частинок. Вперше цю залежність сили струму від напруги й опору у 1827 р. встановив німецький вчений Г. Ом. На його честь її називають законом Ома для ділянки кола. Іноді формулу для закону Ома записують так:

 

U = IR.

 

Добуток ІВ. називають спадом напруги на даній ділянці кола. Якщо вона не містить джерела струму, то поняття напруги і спаду напруги збігаються.

Електрична енергія від джерела струму передається по проводах споживачам: електродвигунам, лампам, нагрівальним приладам, телевізорам, радіоприймачам тощо. За допомогою з'єднувальних провідників і вимикачів у електричне коло часто вмикають також вимірювальні прилади: амперметри, вольтметри, омметри, ватметри, лічильники електричної енергії тощо.

Найпоширенішими і найпростішими типами з'єднання провідників є послідовне і паралельне з'єднання.

При послідовному з'єднанні електричне коло не має розгалужень. Усі провідники ввімкнено в коло по черзі, один за одним. На мал. 13 показано послідовне з’єднання двох провідників, опори яких R1 i R2 (наприклад, з двома лампочками, двома обмотками електродвигуна тощо).

Сила струму в обох провідниках однакова:

 

I1 = I2 = I

 

оскільки в провідниках під час проходження постійного струму електричний заряд не накопичується, і через будь-який переріз провідника за певний інтервал часу проходить один і той самий заряд.

Напруга (або різниця потенціалів) на кінцях розглядуваної ділянки кола складається з напруг на першому і другому провідниках:

 

U = U1 + U2

 

Застосувавши закон Ома для всієї ділянки в цілому і для ділянок з опорами R1 i R2, можна довести, що повний послідовному з'єднанні такий:

 

R = R1 + R2

 

Аналогічна формула застосовна для будь-якої кількості послідовно з'єднаних провідників. Напруги на провідниках і їхні опори в разі послідовного з'єднання зв'язані співвідношенням:

 

 

 

Мал.13

 

На мал. 14 показано паралельне з'єднання двох провідників, опори яких R1 і R2. У цьому випадку електричний струм 1 розгалужується на дві частини. Силу струму в першому і другому провідниках

 

Мал. 14

 

позначимо I1 i I2 Оскільки в точці А — розгалуженні провідників (таку точку називають вузлом) — електричний заряд не накопичується, то заряд, що надходить за одиницю часу у вузол, дорівнює заряду, що виходить з вузла за той самий час. Отже,

 

І = I1 + І2.

 

Напруга U на провідниках, з'єднаних паралельно, одна і та сама.

В освітлювальній мережі підтримується напруга 220 В. На цю напругу розраховані прилади, що використовують електричну енергію. Тому паралельне з'єднання — найпоширеніший спосіб з'єднання різних споживачів. У цьому випадку вихід з ладу одного приладу не впливає на роботу інших, тоді як при послідовному з'єднанні вихід з ладу одного приладу розмикає все коло.

Застосовуючи закон Ома для ділянок з опорами R1 R2, можна довести, що величина, обернена до повного опору ділянки АВ, дорівнює сумі величин, обернених до опорів окремих провідників:

Звідси

 

 

 

Вказані формули можна застосувати до паралельного з'єднання будь-якої кількості провідників.

Сили струму в провідниках і їхні опори у випадку паралельного з'єднання зв'язані співвідношенням:

 

 

На практиці, щоб виміряти силу струму в провіднику, амперметр вмикають послідовно цьому провіднику (мал. 15). Але треба мати на увазі, що сам амперметр має деякий опір Ra. Тому опір ділянки кола з увімкнутим амперметром збільшується, і при незмінній напрузі сила струму зменшується згідно із законом Ома. Щоб амперметр якомога менше впливав на силу струму, який вимірюють, його опір роблять дуже малим. Це слід пам'ятати і ніколи не намагатися «виміряти силу струму» в освітлювальній мережі, вмикаючи амперметр у розетку. Станеться коротке замикання. Сила струму при малому опорі приладу досягне такого великого значення, що обмотка амперметра згорить.

Щоб виміряти напругу на ділянці кола з опором і?, до нього паралельно вмикають вольтметр. Напруга на вольтметрі збігатиметься з напругою на ділянці кола (мал. 16).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мал 15.

 

 

Мал. 16

 

Якщо опір вольтметра Дв, то після його вмикання в коло

опір ділянки вже буде не R, а

 

Тому напруга, яку вимірюють на ділянці кола,    зменшиться. Щоб вольтметр помітно не спотворював вимірюваної напруги, його опір має бути набагато більшим порівняно з опором ділянки кола, на якій вимірюється напруга. Вольтметр можна вмикати в коло, не ризикуючи, що він згорить, якщо він розрахований на напругу, яка перевищує напругу в мережі.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити