Электричество

Содержание

1.Электрический ток

2.Действия электрического тока

3.Сила тока

4.Напряжение

5.Сопротивление

6.Закон Ома

7. Электрическая цепь

8.Способы соединения электрической цепи

9.Работа и мощность

10.КПД электрического тока.

11.Примеры решения задач

12.Задачи для самостоятельного решения

1.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК.

В повседневной жизни мы часто пользуемся электричеством, хотя

даже не задумываемся, что же такое электрический ток. Если в данный

момент убрать электричество из нашего быта, то будем испытывать

дискомфорт. Так как благодаря этому физическому явлению работает

практически

все

домашние

приборы:

холодильник,

лампочка,

плита,

микроволновая печь, стиральная машина, чайник и даже сотовые телефоны,

ноутбуки

и

компьютеры.

Отсюда

следует,

что

электричество

стало

неотъемлемой частью жизни современного человека.

Для того, чтобы разобраться что такое электрический ток, обратимся к

атомному строению металлов. Именно благодаря этим веществам можно

получать и передавать электрический ток.

Все вещества состоят из атомов.

«Атом» в переводе с греческого означает

«неделимый».

Хоть и в современной

науке его научились разделять, но до сих

пор атом считает неделимым, так как

атом

определяет

вид

вещества.

Обращаясь к рисунку, видим, что атом

состоит из атомного ядра, которое в свою

очередь

состоит

из

положительных

протонов и электрически нейтральных

нейтронов.

Положительные

заряды

(протоны) отталкиваются друг от друга, так как они одноимённые, но

благодаря нейтронам, ядро всё-таки остаётся целостным. Частицы внутри

ядра называют нуклонами. Вокруг ядра по круговым орбитам вращаются на

высокой скорости отрицательные частицы – электроны. Количество этих

трёх видов частиц в атоме в невозбуждённом состоянии практически всегда

совпадают и равны порядковому номеру химического элемента.

На примере магния видно, что его

порядковый номер в таблице Менделеева

12, а массовое число показывает, что

внутри ядра находятся 24 частицы (12

протонов и 12 нейтронов). А вот электроны

массы

почти

не

имеют,

но

именно

благодаря их свойствам переходить от

одного атома к другому и существует

электрический ток.

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных

частиц (электронов).

Для того, чтобы

заставить

электроны

двигаться

в

одном

направлении,

надо

создать

с

одной

стороны

проводника

избыток электроном, а с другой их недостаток, тогда произойдёт движение

частиц (будет протекать электрический ток). Там где избыток электронов

этот полюс обозначается знаком «+», а где недостаток знаком «-». И ток

бежит

всегда

от

«+»

к

«-».

Добывают электрический ток

несколькими

способами:

1.Химическая реакция (разделение

заряда). Используется во всех батарейках,

аккумуляторах, гальванических элементах.

2.Механический способ. Является самым распространённым, в его

основе лежит преобразование механической энергии в электрическую. Для

его

получения

требуется

вращать

устройство – генератор.

Данный

способ

используется в работе

ГЭС

(падающая

вода

вращает

лопатки

генератора),

АЭС

(термоядерная реакция

нагревает воду до пара,

а он под давлением начинает раскручивать лопатки генератора), похожим

способов происходит получение электричества на ТЭС и ТЭЦ, только для

нагрева

воды

используется

сжигание

топлива.

3.Фотоэффект - получение электричества из

света. В основе этого процесса лежит свойство вырывать

из одного металла электроны частицами света и перенос

их

на

другие.

Так

работают

солнечные

батареи.

4.Тепловой.

Существуют такие вещества, в

которых

изначально

в

одних

недостаток

электронов,

а

в

других

избыток.

При

их

контакте

и

при

небольшом

воздействии теплом в них будет протекать электрический ток. Это явление

положено

в

основу

работы

термоэлементов.

Электрический

заряд

измеряют

в

кулонах. В честь английского ученого Шарля

Огюстена

Кулона.

q

–

электрический

заряд

[кл]

Для того, чтобы создать заряд в 1 кулон

потребуется

6,24151·10

18

электронов,

а

элементарный электрический заряд (с точностью

до знака равный заряду электрона) составляет 1,602 176 6208(98)·10

−19

Кл.

2.ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА.

Рассматривая способы получения электрического тока надо понимать,

что они обратимы, а значит и электрический ток может проявлять те же

действия.

Химическое действие тока. Самое распространённое химическое

действие электрического тока это процесс электролиза. К примеру, в природе

нет в чистом виде такого металла как алюминий, его добывают из материала,

который называется глинозём, алюминий находится в нём виде порошка.

Затем этот порошок смешивают с растворами химических веществ,

погружают туда специальные пластины и пропускают электрический ток. В

результате движения электронов от плюса к минусу на пластине образуется

алюминий в виде сплошного металла, а затем уже из него делают детали

автомобилей, столовые приборы, посуду, корпуса самолётов, провода для

электричества и много ещё чего, чем мы пользуемся в повседневной жизни.

Механическое действие тока. Это явление заключается в том, что

электрическая энергия может превращаться в механическую, благодаря

таким устройствам как: электродвигатель, электрокатушка. Главная идея

заключается в подключении электрического тока к устройству и проявление

этим устройством вращательного либо поступательного движения. На этом

принципе

существуют

такие

агрегаты,

как

троллейбус,

трамвай,

электрические реле. В настоящее время учёные многих стран пытаются

делать автомобили на электрическом приводе, ведь они являются более

экологичными, чем машины на топливе, имеющие вредные для окружающей

среды

выхлопы.

Световое действие тока. Благодаря электрическому току мы можем

наблюдать проявление света. Первым устройством такого проявления была

лампа

накаливания

(проходя

через

нить

накаливания,

сделанной

из

вольфрама, электрический ток нагревал её до высоких температур, из-за чего

она начинала светиться). Современные устройства освещения работают

более

производительнее

–

люминесцентные

лампы,

внутри

которых

находится газ, он светится при прохождении через него электрического тока.

Самым

лучшим осветителем

в

наше

время считается

светодиодные

осветители (весь электрический ток тратится на выделение света, проходя

через

полупроводниковый

кристалл).

Тепловое действие тока. Проявление теплового действия

электрического тока встречается в нашем быту. Существует огромное

количество приборов, благодаря которым человек получает тепловую

энергию, подключая прибор в электросеть. Это происходит в результате

соударения

бегущих

электронов

внутри

проводников.

Они

ударяют

неподвижные ядра атомов, при этом те начинают очень сильно нагреваться.

Самые распространённые приборы – это электрочайник, электроплита, утюг,

паяльник,

фен

и

много

других

приборов,

благодаря

которым

из

электричества

получается

тепло.

Не все вещества способны пропускать электрический ток, они делятся

на

проводники,

непроводники

(диэлектрики)

и

полупроводники.

Проводник — вещество, среда, материал, хорошо

проводящий электрический ток. (все металлы и некоторые растворы).

Диэлектрик (изолятор) — вещество (материал),

практически

не

проводящее электрический ток. (все виды пластмассы, древисина, резиновые

изделия, стекло и другие подобные вещества).

Полупроводникии — материалы,

по

своей удельной

проводимости, занимающие

промежуточное

место

между проводниками диэлектриками,

и

отличающиеся

от

проводников

сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей,

температуры

и

воздействия

различных

видов излучения.

Основным

свойством

полупроводников

является

увеличение

электрической

проводимости с ростом температуры. (сплавы различных материалов. Все

полупроводники делятся на p и n).

3.СИЛА ТОКА.

Сила действия электричества может быть сильная или слабая.

Зависит от величины заряда, протекающего по электрической цепи за

определенный промежуток времени. Чем больше электронов перемещено от

полюса к полюсу, тем выше значение заряда, перенесенного электронами.

Общее количество заряда называют еще количеством

электричества,

проходящим

через

проводник.

Впервые определение силы тока дал Андре-Мари

Ампер (1775-1836) – французский ученый, физик и

математик. Его определение легло в основу понятия

силы тока, которым мы пользуемся в настоящее время.

Сила тока [ I ] – это величина,

равная отношению количества заряда,

проходящего через поперечное сечение

проводника,

к

времени

его

прохождения.

Проходящий через проводник

заряд, измеряется в кулонах (Кл), время

прохождения – в секундах (с). Для единицы силы тока получается значение

(Кл/с). В честь французского ученого эта единица была названа ампером (А)

и в настоящее время является основной единицей измерения силы тока. Для

измерения силы тока применяют специальный измерительный прибор

амперметр. Он включается непосредственно в разрыве цепи в том месте, где

необходимо измерить силу. Приборы, с помощью которых измеряют малые

токи

–

называются

миллиамперметр

или

микроамперметр.

4.НАПРЯЖЕНИЕ.

Напряжение [U ] — это физическая величина, равная отношению

работы по переносу электрического заряда. Данную физическую величину

ввёл

в

электричество

итальянский

учёный

Алессандро Вольта. В честь

него напряжение измеряется

в

вольтах

обозначают

буквой [В].

Чтобы ознакомиться

с

этой

очень

важной

физической

величиной,

обратимся

к

опыту.

На рисунке а

изображена

электрическая

цепь, в которую включена

лампочка

от

карманного

фонарика. Источником тока здесь служит батарейка. На рисунке б показана

другая цепь, в неё включена лампа, используемая для освещения помещений.

Источником тока в этой цепи является городская осветительная сеть.

Амперметры, включённые в указанные цепи, показывают одинаковую силу

тока в обеих цепях. Однако лампа, включённая в городскую сеть, даёт

гораздо больше света и тепла, чем лампочка от карманного фонаря.

Объясняется это тем, что при одинаковой силе тока работа тока на этих

участках цепи при перемещении электрического заряда, равного 1 Кл,

различна. Эта работа тока и определяет новую физическую величину,

называемую электрическим напряжением.

Различное свечение ламп при одной и той же силе тока:

а — источник тока — батарейка; б — источник тока — городская сеть

Напряжение, которое создаёт батарейка, значительно меньше

напряжения городской сети. Именно поэтому при одной и той же силе тока

лампочка, включённая в цепь батарейки, даёт меньше света и тепла.

Напряжение показывает, какую работу совершает

электрическое поле при перемещении единичного положительного

заряда из одной точки в другую.

Зная работу тока А на данном участке цепи и весь электрический

заряд q, прошедший по этому участку, можно определить напряжение U, т. е.

работу тока при перемещении единичного электрического заряда:

U = A / q

Следовательно, напряжение равно отношению работы тока на

данном участке к электрическому заряду, прошедшему по этому

участку. Из предыдущей формулы можно определить:

A = Uq q = A / U

Аналогия с водой

Что же такое электрический ток, а что есть напряжение? Для ответа на

этот вопрос и полного понимания, лучше привести аналогию. Аналогию,

которую я вам хочу

привести, много раз приводили в интернете, она

основана на воде. Так как с водой мы имеем дело каждый день, эта аналогия

будет

более

понятной.

Итак, проведем эксперимент. Возьмем два сосуда, установленных на

одном

уровне,

и

соединенных

одним

шлангом.

Нальем в один сосуд воды, а второй оставим пустым. Вода начнет

течь по шлангу из сосуда с водой протекать в пустой сосуд. Разность

уровней в сосудах, в нашей аналогии и есть напряжение, или разность

потенциалов.

Количество воды, проходящее через сечение шланга в единицу

времени, это будет силой тока.

Если мы поменяем шланг, на другой, с меньшим внутренним

диаметром (или зажмем шланг на половину), и повторим опыт, то мы

увидим, что вода из одного сосуда в другой будет перетекать дольше. Для

данного опыта можно использовать секундомер. Внутренний диаметр

(сечение) шланга в нашей аналогии, будет сопротивлением. Чем меньше

диаметр шланга, тем больше сопротивление, и соответственно меньше

сила

тока.

В тот момент, когда уровни воды в сосудах станут равными (разность

потенциалов равна нулю), то сила тока станет нулевой.

5.СОПРОТИВЛЕНИЕ.

В металле подвижными носителями зарядов являются свободные

электроны. Можно считать, что при своем хаотическом движении они ведут

себя подобно молекулам газа. Поэтому в классической физике свободные

электроны

в

металлах

называют

электронным

газом.

Плотность электронного газа и строение кристаллической решетки

зависят от рода металла. Поэтому сопротивление проводника должно

зависеть от рода его вещества. Кроме того, оно должно еще зависеть от

длины

проводника,

площади

его

поперечного

сечения.

Влияние сечения проводника на его сопротивление объясняется тем,

что при уменьшении сечения поток электронов в проводнике при одной и

той же силе тока становится более плотным, поэтому и взаимодействие

электронов с частицами вещества в проводнике становится сильнее.

Электрическое сопротивление — физическая величина,

характеризующая

свойства проводника препятствовать

прохождению электрического тока.

Обозначается

сопротивление

буквой R. В СИ единицей

сопротивления

проводника

является ом (Ом).

Из формулы видно, что

сопротивление

проводника

прямо пропорционально его

длине

и

обратно

пропорционально

площади

его

поперечного

сечения.

Величину

ρ,

характеризующую

зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан,

и от внешних условий, называют удельным сопротивлением вещества.

Удельное сопротивление различных веществ при расчетах берут из таблиц.

6.ЗАКОН ОМА.

Георг

Симон

Ом (16 марта 1787, — 6

июля 1854, Мюнхен) — немецкий

физик.

Он

вывел

теоретически

и

подтвердил

на

опыте

закон,

выражающий

связь

между силой

тока в

цепи,

напряжением и сопротивлением (известен

как закон

Ома). Его именем названа единица электрического

сопротивления (Ом).

7. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ.

Для того чтоб правильно собирать электрические цепи существуют

условные обозначения при помощи которых можно производить расчёт силы

тока, напряжения и сопротивления на её различных участках.

Вольтметр — измерительный прибор непосредственного отсчёта для

определения

напряжения в

электрических

цепях.

Подключается параллельно

источнику

электрической

энергии.

Амперметр —

прибор

для

измерения силы

тока в амперах.

Шкалу

амперметров

градуируют

в микроамперах, миллиамперах,

амперах

или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора.

В

электрическую

цепь

амперметр включается последовательно с

тем

участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют.

8.СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ.

При подключении в цепь различных элементов напряжение и сила

тока

ведут себя

по-разному.

Существует два способа

соединения

резисторов. Берут обычные резисторы, так как это элемент обладающий

сопротивлением,

как

и

любой

другой

элемент

электрической

цепи.

Последовательное соединение

Параллельное соединение

R

общ

=R

1

+R

2

+…+R

n

Сила тока

Сила тока

Напряжение

Напряжение

Существуют схемы, в которых присутствуют как параллельное, так и

последовательное

соединение.

Такие

соединения

называются

комбинированными. Для расчёта общего сопротивления этой цепи надо

разбить

её

на

участки

и

находить

сопротивление

поэтапно.

Рассмотрим пример 1.

R2 и R3 соединены параллельно

друг

другу,

поэтому

мы

должны

рассчитывать сопротивление для общего

параллельного,

а

R1

и

R4

последовательно, и тогда чтобы найти

общее

сопротивление

между

участками

А

и

Б,

следует

сложить

сопротивления

R1 c

сопротивлением R4 и с общим параллельным

сопротивлением

R2,

R3.

Рассмотрим пример 2.

Обратим внимание на участок цепи

MN.

Напряжение

на

нём

будет

показывать

вольтметр

V,

а

вольтметры

V1

и

V2

могут

показывать различные напряжения, в

зависимости

от

сопротивления

резисторов.

Сила

тока

последовательно-соединённых

сопротивлениях одинакова. Её фиксирует амперметр А. Тем не менее

V1+V2=V.

Рассмотрим пример 3.

На

схеме

представлено

комбинированное

соединение,

участок

ВС

является

последовательным с участком CD.

Сила тока на резисторах R1 и R2

будет разной в зависимости от сопротивлений, но их сумма будет равной

силе тока в R3. Это значит, сила тока А1+А2=А.

Рассмотрим пример 4.

Встречаются такие схемы,

в построении которых не

чётко

выражено

соединение резисторов как

на

верхнем

рисунке.

Нижний рисунок является

эквивалентным верхнему.

В нём уже отслеживаются

параллельные

и

последовательные

соединения

резисторов.

Таким

образом,

становится намного проще

рассчитать

общее

сопротивление цепи, силу тока и напряжение на каждом резисторе.

9. РАБОТА И МОЩНОСТЬ.

Использование электрического тока ведёт к тому, что он выполняет

работу

полезную

для

человека.

Работа

может

быть

механической

(электромотор, который поднимает груз), тепловой (чайник, плитка), да и

вообще работы всех электрических приборов. Значит, работу электрического

тока

можно

рассчитать.

Запишем формулу для нахождения напряжения и выразим из неё работу.

U = A / q

Запишем формулу силы тока, выразим через неё заряд и подставим в

формулу для нахождения работы.

Таким

образом,

получаем

формулу

для

нахождения

работы

электрического

тока

и,

пользуясь

законом

Ома,

можно

заменить

напряжение и силу тока из

и различных величин.

Работа электрического тока на участке цепи равна произведению

напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение

которого

совершалась

работа.

Единица измерения работы электрического тока 1 Джоуль = 1 Вольт * 1

Ампер * 1 секунда.

Одна и та же работа может выполняться с разной скоростью и, значит,

на её выполнение требуется различное время. Это означает, что количество,

выполненной работы электрического тока, будет зависить от прибора,

который её выполняет, то есть от его мощности.

Электри

́

ческая

мо

́

щность —

физическая

величина,

характеризующая скорость передачи или преобразования электрической

энергии.

Формула нахождения мощности следует из формулы нахождения

механической работы.

Мощность

электрического

тока

можно

встретить

на

характеристиках

любого

прибора.

Так,

к

примеру,

электрический

чайник

обладает

мощностью

1500

Вт,

а

лампочка

накаливания

20,

40,

75,

95

Вт,

энергосберегающие лампы 15 Вт, светодиодные лампы 7 Вт при тех же

характеристиках светоотдачи.

Первым смог измерить мощность электрического тока Джеймс Уатт.

Джеймс

Уатт (англ. James

Watt; 30 января 1736 — 19

августа 1819) —

шотландский инженер, изобретатель-механик. Член

Эдинбургского королевского общества, Лондонского

королевского общества, Парижской академии наук.

Его

именем

названа

единица мощности — ватт.

Усовершенствовал паровую

машину

Ньюкомена.

Изобрел универсальную паровую машину двойного

действия.

Работы

Уатта

положили

начало промышленной революции вначале в Англии,

а затем и во всем мире.

Нахождение тепловой работы рассчитывается уже по известной

формуле закона

Джоуля-Ленца.

В данном случае

количество

выделенной

теплоты равно

работе

электрической

работе.

A=Q

10. КПД ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА.

Коэффициент полезного действия существует и для электрического

тока, рассчитывается он по простой формуле. Достаточно лишь полезную

работу, которую сделал электрический ток поделить на работу затраченную.

Таким образом, получим ответ в долях единицы, т.е. ответ не должен быть

больше одного. При умножении доли единицы на 100% ответ получится в

процентах.

11.ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ.

Задача 1. При включении электрического чайника в сеть с напряжением

220V, пробежал заряд через спираль накаливания равный 20 Кл. Определите

какую работу сделал электрический ток.

Задача 2.

Задача 3.

Подъемный кран, поднимает груз массой 600 кг на высоту 4 метров при

помощи электрического двигателя, тратит на это 10 секунд. Напряжение в

сети 250 вольт а сила тока 10 ампер. Рассчитайте КПД электрического

двигателя.

12.ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ.

1. Уровень сложности.

1 задача. Собрана цепь из источника тока, амперметра и лампы. Изменится

ли показание амперметра, если в цепь включить последовательно еще такую

же лампу.

1. Уменьшится, так как сопротивление цепи возросло.

2. Не изменится, так как при последовательном соединении сила токана всех

участках цепи одинакова.

3. Увеличится, так как сопротивление цепи уменьшилось.

4. Уменьшится, так как сопротивление цепи уменьшилось.

2 задача. Чему равно общее сопротивление электрической цепи, если

сопротивление каждого резистора равно 4

Ом?

1. 12

Ом,

2. 16 Ом,

3. 10

Ом,

4. 8 Ом,

5. 4 Ом,

6. 1 Ом,

3 задача.

Каким прибором можно измерить разность потенциалов в

электрической цепи и как этот прибор включается в электрическую цепь?

1. Вольтметр, параллельно. 2. Амперметр, последовательно.

3. Амперметр, параллельно. 4. Вольтметр, последовательно.

4 задача.

Каким прибором можно измерить силу тока участка электрической

цепи и как этот прибор включается в электрическую цепь?

1. Вольтметр, параллельно. 2. Амперметр, параллельно.

3. Вольтметр, последовательно. 4. Амперметр, последовательно.

2. Уровень сложности.

1 задача. Проводник имел сопротивление 100 Ом, затем его сложили

пополам и подключили в цепь. Каким стало его сопротивление.

2 задача. Цепь состоит из трёх резисторов, вольтметра и амперметра.

Сопротивление резисторов 5 Ом, 5 Ом и 10 Ом. Напряжение на всём участке

цепи 14 V. Рассчитайте силы тока на всём участке, если резисторы соединили

сначала последовательно, а потом параллельно.

3 задача. Петя пользуется компьютером 3 часа в день, при этом компьютер

включен в сеть 220В. Сила тока 1,5 А. Рассчитайте, сколько денег заплатят

родители Пети за работающий компьютер в месяц, если известно, что 1 кВт

электроэнергии стоит 1,8 рублей.

4 задача. Лифт массой 100 кг поднимается на высоту 12 метров за 8 секунд.

Напряжение, питающее электрический двигатель для подъема лифта

равняется 380В. Определить силу тока, возникающую в проводниках, если

КПД подъёмного устройства лифта 95%., g = 10 м/с*с.

3. Уровень сложности.

1 задача. Три резистора по 4 Ом каждый соединены следующим образом: 2

параллельно, а один последовательно им. На последовательном проводнике

напряжение 16В. Определить напряжение всего участка.

2 задача. В чайнике находится 1,2 л воды при температуре 20 градусов.

Сколько времени потребутся закипятить воду чайнику при напряжении в

сети 200В и силе тока 6А, известно, что при нагревании чайник отдаёт в

окружающую среду 6 % тепла. (Ответ выразить в секундах до целых)

3 задача.

Собрана схема, сопротивление резисторов известно и указано. Найти силу

тока, которую показывает амперметр.

4 задача. Сколько метров нихромовой проволоки потребуется с сечением 0,8

мм2 для сборки электрического кипятильника, мощностью 1,6кВт и

запитывающийся от напряжения 220В.