Электрический ток — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи
Оглавление:
Основные теоретические сведения
Электрический ток. Сила тока. Сопротивление
К оглавлению…
В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:
Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется
Средняя сила тока находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):
Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I1 до значения I2, то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:
Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:
При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой.
где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.
Сопротивление проводника зависит и от его температуры:
где: R0 – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С.
Диод в цепи постоянного тока
Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:
Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.
Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников
К оглавлению…
Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R, пропорциональна напряжению U на концах проводника:
Величину R принято называть электрическим сопротивлением.
Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно.
У каждого способа есть свои закономерности.
1. Закономерности последовательного соединения:
Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R 0 находится по формуле:
2. Закономерности параллельного соединения:
Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R0 находится по формуле:
Электроизмерительные приборы
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам.
Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RB. Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.
ЭДС. Закон Ома для полной цепи
К оглавлению…
Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения.
Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.
Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:
Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).
Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника):
Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.
Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания:
Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r.
У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.
Несколько источников ЭДС в цепи
Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно, то:
1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:
Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.
2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:
В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.
При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:
В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.
Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца
К оглавлению.
..
Работа A электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в теплоту Q, выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):
Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца. Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:
Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).
Энергобаланс замкнутой цепи
К оглавлению…
Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R.
В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:
Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:
Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R1 и R2 на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:
Мощность потерь или мощность внутри источника тока:
Полная мощность, развиваемая источником тока:
КПД источника тока:
Электролиз
К оглавлению…
Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества.
Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.
Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза.
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.
Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе.
Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:
Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Он может быть рассчитан по формуле:
где: n – валентность вещества, NA – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:
Электрический ток в газах и в вакууме
К оглавлению…
Электрический ток в газах
В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов — электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов.
Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием — ионизатором. Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α-частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов — электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).
Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.
Электрический ток в вакууме
Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.
Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.
Физика в опытах. Часть 2. Электричество и магнетизм
Наглядно – интересно – просто – понятно!
В его основе этого курса лежат 64 опыта, в которых объясняются различные физические явления. Зачем изучать этот курс?
• Физика – наука экспериментальная. Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать или прочитать!
• Именно эксперименты позволяют продемонстрировать и легко понять и простые, и сложные аспекты, которые традиционно преподаются в виде теоретического материала и математических моделей
• Курс поможет Вам научиться использовать:
o эксперимент как способ постановки вопроса,
o эксперимент как инструмент изучения физического явления
o эксперимент как форму ответа на вопрос
• Очень часто достаточно «простые» физические вопросы имеют неожиданные ответы, которые зависят от конкретных условий проведения эксперимента. Демонстрация таких опытов и объяснение полученных в них результатов могут оказаться чрезвычайно интересными
• Вы сможете увидеть применение изучаемых физических явлений в жизни, в технике и в быту
• Изучая этот курс, вы восполните нехватку времени на экспериментальную, «живую» физику, которая ощущается в обычном учебном процесс Чему учит этот курс?
• Пониманию широкого круга как простых, так и сложных физических явлений и процессов по тематике соответствующих разделов
• Применению физических закономерностей для анализа различных физических явлений и процессов
• Навыкам использования эксперимента
• Базовым знаниям по физике будущих инженеров и специалистов в различных областях деятельности.
Для кого этот курс?
• Для тех, кто изучает физику, и хочет прояснить для себя различные вопросы (в школе, в вузе)
• Для тех, кто преподает физику (в школе, в вузе)
• Для тех, кто использует физику в своем рабочем процессе (инженеры, программисты и т.д.)
• Для тех, кому это просто интересноЭлектричество — Основные формулы
1. Электростатика
1.1 Закон Кулона
q1, q2 — величины точечных зарядов,
r — расстояние между зарядами.
1.2 Напряженность поля уединенного точечного заряда
q — величина уединенного точечного заряда,
r — расстояние от заряда.
1.3 Потенциал точки в поле точечного заряда
q — величина уединенного точечного заряда,
r — расстояние от заряда.
1.4 Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле
φ — потенциал,
q1 — величина заряда.
1.5 Потенциальная энергия заряда
q1 в поле точечного заряда q — величина уединенного точечного заряда, который создает поле,
r — расстояние между зарядами.
1.6 Теорема Гаусса
N — поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность,
q — полный заряд, находящийся внутри замкнутой поверхности.
1.7 Напряженность электрического поля вблизи от поверхности проводника
σ — поверхностная плотность заряда.
1.8 Емкость плоского кондесатора
q — заряд конденсатора,
U — модуль разности потенциалов между обкладками.
1.9 Энергия плоского кондесатора
q — заряд конденсатора,
U — модуль разности потенциалов между обкладками.
2. Постоянный электрический ток
2.1 Закон Ома для участка однородной цепи
U — напряжение на концах участка,
R — сопротивление участка цепи.
2.2 Закон Ома для замкнутой цепи с источником тока
— ЭДС (электродвижущая сила),
r — внутреннее сопротивление источника ЭДС.
2.3 Работа постоянного тока
U — напряжение на концах участка цепи,
t — время, за которое совершается работа.
2.4 Закон Джоуля-Ленца
Q — теплота,
R — сопротивление проводника,
t — время, за которое выделяется теплота.
2.5 Полная мощность, развиваемая источником тока
— ЭДС источника тока,
R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.
2.6 Полезная мощность
— ЭДС источника тока,
R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.
2.7 Коэффициент полезного действия источника тока
R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.
2.8 Первое правило Кирхгофа
n — число проводников, сходящихся в узле;
Ik — сила тока в k-м проводнике.
2.9 Второе правило Кирхгофа
n — число неразветвленных участков в контуре;
m — число ЭДС в контуре.
| Величина | Обоз |
Единица измерения в системе СИ | |
| Сила тока | I | ампер | А |
| Плотность тока | j | ампер на квадратный метр | А/м2 |
| Электрический заряд | Q, q | кулон | Кл |
| Электри |
p | кулон-метр | Кл ∙ м |
| Поляризован |
P | кулон на квадратный метр | Кл/м2 |
| Напряжение, потенциал, ЭДС | U, φ, ε | вольт | В |
| Напряжен |
E | вольт на метр | В/м |
| Электрическая емкость | C | фарад | Ф |
| Электри |
R, r | ом | Ом |
| Удельное электрическое сопротивление | ρ | ом-метр | Ом ∙ м |
| Электри |
G | сименс | См |
| Магнитная индукция | B | тесла | Тл |
| Магнитный поток | Ф | вебер | Вб |
| Напряжен |
H | ампер на метр | А/м |
| Магнитный момент | pm | ампер-квадратный метр | А ∙ м2 |
| Намагничен |
J | ампер на метр | А/м |
| Индуктивность | L | генри | Гн |
| Электро |
N | джоуль | Дж |
| Объемная плотность энергии | w | джоуль на кубический метр | Дж/м3 |
| Активная мощность | P | ватт | Вт |
| Реактивная мощность | Q | вар | вар |
| Полная мощность | S | ватт-ампер | Вт ∙ А |
http://www. convert-me.com/ru/ |
| Интерактивный калькулятор измерений. Сайт позволяет производить автоматизированный взаимный перевод разнообразных физических единиц измерения |
| http://gateway.phys.msu.su/ryjikov/exams_95/testlist.html |
| Задачи вступительных экзаменов по физике Физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова. Задачи составлены на основе заданий вступительных экзаменов по физике 1995 года. Здесь представлены задания и ответы по следующим разделам физики: механика, электричество и магнетизм, молекулярная физика и термодинамика, оптика |
| http://archive.1september.ru/fiz/1999/no11.htm |
| Задачи с решениями со вступительных экзаменов по физике в МГУ 1998 |
| http://electr.nm.ru/ |
Сайт «История исследования электричества». Здесь вы найдете рассказ об истории открытия и изучения этого природного явления. Кроме того, рамках данного проекта собраны краткие рассказы об ученых, посвятивших свою жизнь исследованию этого природного явления: от У. Гилберта, заложившего основы учения об электричестве, до Х. Лоренца, создавшего современную электронную теорию. В хронологии открытий описаны основные открытия в области электричества с 15-го века (с первых попыток понять природу электричества) до начала 20-го века (когда электричество было достаточно полно изучено и нашло широкое применение в промышленности и в быту). Данный проект не претендует на полноту изложения, однако с его помощью можно получить некоторое начальное представление об истории исследования и начала практического применения электричества |
| http://physics.ioso.iip.net/ |
Сайт Лаборатории обучения физики и астрономии (ЛФиА ИОСО РАО). Это ведущая лаборатория страны по разработке дидактики и методики обучения этим предметам в средней школе. В настоящее время приоритетными в работе лаборатории являются разработка и внедрение стандарта образования по физике; учебно-методических комплектов в соответствии со стандартом образования; учебно-физического эксперимента исследовательского характера; обеспечение деятельностного подхода в учебном процессе. Работа ведется для обеспечения основной школы в рамках 11-летнего образования (7, 8 и 9 классы), 12-летнего образования (7, 8, 9 и 10 классы) и старшей школы (10-11 или 11-12) разных профилей |
| http://metodist.i1.ru/ |
| Сайт «Методист.Ру: Методика преподавания физики». Сайт посвящен методическим разработкам для преподавателей физики |
| http://www.sci.kcn.ru/science/index.ru.html |
| Сайт «Наука». Здесь размещены ссылки на странички для физиков и биологов, а также ссылки на научные заведения |
| http://www.karelia.ru/psu/Chairs/KOF/abitur/ |
| Программа «Абитуриент». Предназначена для самостоятельной подготовки абитуриентов по физике |
| http://www-windows-1251.edu.yar.ru/russian/pedbank/sor_uch/phys/morozova/td10.html |
Термодинамика. Страничка посвящена изучению темы в средней школе: лекции, семинары, конференция, задачи, зачет. Автор Э.Я. Морозова, соросовский учитель |
| http://www.phizik.cjb.net/ |
| Сайт «Физик представляет». Сайт посвящен курсу физики общеобразовательной школы. В разделе «Кроссворды» вы найдете кроссворды по физике. На сайте также размещена «Краткая физическая энциклопедия» Е.М.Балдина, программа конвертации различных физических величин, электронный вариант учебного пособия М.Е.Тульчинского «Качественные задачи по физике», задачи к экзаменационным билетам (с решениями). В разделе «планерка» в помощь молодым педагогам есть примерное поурочное планирование по физике |
| http://virlib.eunnet.net/win/mm.html |
| Учебные материалы по физике |
| http://virlib.eunnet.net/win/metod_materials/wm11/ |
| Лабораторные работы по молекулярной физике (учебное пособие), тесты к лабораторным работам в режиме on-line |
http://virlib. eunnet.net/win/metod_materials/wm3/ |
| Дополнительный материал по физике и астрономии. Движение тел солнечной системы: структура, динамика и устойчивость Солнечной системы. Общие закономерности движения планет и эволюции их орбит. На сайте размещены иллюстрации |
| http://home.sovtest.ru7/~kiv/index.htm |
| Сайт для учащихся и преподавателей физики: На сайте размещены учебники физики для 7, 8 и 9 классов, сборники вопросов и задач, тесты, описания лабораторных работ. Эти материалы – для учащихся. Учителя здесь найдут тематические и поурочные планы, методические разработки. |
| http://konspekts.chat.ru/indexa.html |
| Планеты Солнечной системы. На сайте размещены материалы по астрономии (информация о планетах, изображения, фотографии и др.) |
http://virlib. eunnet.net/mif/ |
| «МИФ» – журнал по математике, информатике и физике для школьников и не только. Каждый учебный год в первом номере журнала публикуются задачи вступительного экзамена в физико-математические классы СУНЦ по математике и физике, а также задачи выпускного экзамена по математике для физико-математических классов. Во втором номере журнала традиционно публикуются материалы, посвященные Открытым лицейским олимпиадам по математике, физике, информатике, осеннему туру турнира городов и, как правило, статья, посвященная результатам российского и международного ТЮФов. Третий номер содержит статью с задачами и итогами областных олимпиад по математике и физике. В четвертом номере обычно содержатся материалы, посвященные весеннему туру турнира городов |
| http://www.physics.ru/ |
Проект «Открытый колледж»: физика. Интегрирует содержание учебных компьютерных курсов компании ФИЗИКОН, выпускаемых на компакт-дисках, и индивидуальное обучение через Internet – тестирование и электронные консультации. Вы можете посмотреть в открытом доступе учебник, включенный в курс «Открытая физика», поработать с интерактивными Java-апплетами по физике (демонстративные модели), ответить на вопросы (тесты). Раздел Физика в Интернет содержит обзор постоянно обновляющихся Интернет-ресурсов по физике. В Системе Дистанционного Обучения (СДО) Вы сможете получать индивидуальные тесты для самопроверки, которые генерируются с учетом темы и желаемого уровня сложности. Ведется постоянный мониторинг Ваших успехов |
| http://www.college.ru/laboratory/MainMenu.php3 |
| Новый проект «Открытого колледжа» — «On-line лаборатория по физике». Это уникальная среда с возможностями создавать разнообразные физические эксперименты в режиме on-line. На форуме «On-linе лаборатории» можно не только задать вопросы и обсудить построенные модели, но и тут же их экспериментально проверить |
http://astrofiz. narod.ru/ |
| Проект «Физика и астрономия». Цель проекта — изучить взаимодействие двух наук — физики и астрономии, исследовать, какие физические законы и силы действуют во Вселенной (на примере нашей Солнечной системы), познакомить интересующихся астрономией с некоторыми любопытными данными о строении планет и остальных космических тел бесконечной Вселенной. Также речь пойдет об исследовании Солнечной системе и о перспективах развития как Вселенной, так и нашей Солнечной системы. На сайте размещена справочная информация, а также иллюстрации, фотографии |
|
Эти «Лекции по физике» в формате pdf-файлов были впервые выложены в сеть в 2002 году и с тех пор несколько раз редактировались с сохранением общей структуры восьми 32-страничных брошюр-буклетов, предназначенных для распечатки на принтере (файлы -bk). электростатика, постоянный электрический ток, магнетизм
83
К диамагнетикам относятся многие металлы (например, Ag, Au, Сu),
большинство органических соединений, смолы, углерод и т.
д.
Диамагнетизм свойствен всем веществам.
Парамагнитики – вещества, намагничивающиеся во внешнем магнит-
ном поле по направлению поля (для них 1
m
, 0
m
и 1 ).
Атомы (молекулы) парамагнетиков имеют отличный от нуля магнит-
ный момент. Вследствие теплового движения атомов их магнитные момен-
ты ориентированы беспорядочно. При внесении парамагнетика во внешнее
магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных
моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое дви-
жение атомов). Парамагнетик намагничивается, создавая собственное маг-
нитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее
его. При устранении внешнего магнитного поля ориентация магнитных мо-
ментов атомов вследствие теплового движения нарушается, и парамагнетик
размагничивается.
К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, Pt, Аl и т. д.
Диамагнетизм наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно меньше
парамагнетизма.
Ферромагнетики и их свойства. Помимо рассмотренных двух клас-
сов магнетиков существуют ферромагнетики – вещества, обладающие спон-
танной намагниченностью, т. е. они могут быть намагничены даже в отсут-
ствие внешнего магнитного поля. Для них 1
. К ферромагнетикам отно-
сятся железо, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения (у железа
5000 , у сплава супермаллоя 8000000
).
У ферромагнетиков в отличие от диа- и парамагнетиков зависимость
J от Н нелинейна. При возрастании Н намагниченность J сначала возраста-
ет быстро, затем медленнее и, наконец, достигает магнитного насыщения Jн,
не зависящего от напряженности поля (рис. 3.22, участок 0–1). Такой харак-
тер зависимости J от Н объясняется тем, что по мере усиления внешнего поля
увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по
этому полю. Однако данный процесс постепенно замедляется, так как умень-
шается число неориентированных моментов.
Когда все моменты ориенти-
рованы по полю, дальнейшее увеличение J прекращается, и наступает маг-
нитное насыщение.
Из рис. 3.22 следует, что магнитная проницаемость ферромагнетика
0
/( )
H вначале возрастает с увеличением Н, затем достигает макси-
мума и начинает уменьшаться, стремясь в сильных магнитных полях к
единице (рис. 3.23).
Особенностью ферромагнетиков является то, что для них зависимость
J от H (а следовательно, и B от Н) определяется предысторией намагничи-
Учебник по физике: серийные схемы
Как упоминалось в предыдущем разделе урока 4, два или более электрических устройства в цепи могут быть соединены последовательно или параллельно. Когда все устройства соединены с помощью последовательных соединений, цепь называется последовательной цепью . В последовательной цепи каждое устройство подключено таким образом, что существует только один путь, по которому заряд может проходить по внешней цепи.
Каждый заряд, проходящий через петлю внешней цепи, будет последовательно проходить через каждый резистор.
В предыдущем разделе Урока 4 было проведено краткое сравнение и различие между последовательными и параллельными цепями. В этом разделе было подчеркнуто, что действие добавления большего количества резисторов в последовательную цепь приводит к довольно ожидаемому результату увеличения общего сопротивления. . Поскольку в цепи есть только один путь, каждый заряд сталкивается с сопротивлением каждого устройства; поэтому добавление большего количества устройств приводит к увеличению общего сопротивления. Это повышенное сопротивление служит для уменьшения скорости протекания заряда (также известной как ток).
Эквивалентное сопротивление и ток
Заряд течет вместе через внешнюю цепь со скоростью, которая везде одинакова. Ток в одном месте не больше, чем в другом. Фактическая величина тока обратно пропорциональна величине общего сопротивления.
Существует четкая зависимость между сопротивлением отдельных резисторов и общим сопротивлением набора резисторов.Что касается батареи, которая качает заряд, наличие двух 6-омных резисторов, соединенных последовательно, будет эквивалентно наличию в цепи одного 12-омного резистора. Наличие трех последовательно соединенных резисторов сопротивлением 6 Ом будет эквивалентно наличию в цепи одного резистора сопротивлением 18 Ом. А наличие четырех резисторов на 6 Ом последовательно было бы эквивалентно наличию в цепи одного резистора на 24 Ом.
Это понятие эквивалентного сопротивления. Эквивалентное сопротивление цепи представляет собой величину сопротивления, которая потребуется одному резистору, чтобы уравнять общий эффект набора резисторов, присутствующих в цепи.Для последовательных цепей математическая формула для расчета эквивалентного сопротивления (R eq ) равна
. R eq = R 1 + R 2 + R 3 + .
.. , где R 1 , R 2 и R 3 — значения сопротивления отдельных резисторов, соединенных последовательно.
Создавайте, решайте и проверяйте свои собственные проблемы с помощью виджета Equivalent Resistance ниже.Составьте себе задачу с любым количеством резисторов и любых номиналов. Решать проблему; затем нажмите кнопку «Отправить», чтобы проверить свой ответ.Ток в последовательной цепи везде одинаков. Заряд НЕ накапливается и не начинает накапливаться в любом заданном месте, так что ток в одном месте больше, чем в других местах. Заряд НЕ расходуется резисторами так, что в одном месте его меньше, чем в другом. Заряды можно представить себе как марширующие вместе по проводам электрической цепи, везде марширующие с одинаковой скоростью.Ток — скорость, с которой течет заряд, — везде одинакова. Это то же самое на первом резисторе, что и на последнем резисторе, как и в батарее. Математически можно написать
.
I Аккумулятор = I 1 = I 2 = I 3 = …
, где I 1 , I 2 и I 3 — значения тока в отдельных местах расположения резисторов.
Эти значения тока легко рассчитать, если известно напряжение батареи и известны значения отдельных сопротивлений.Используя значения отдельных резисторов и приведенное выше уравнение, можно рассчитать эквивалентное сопротивление. А используя закон Ома (ΔV = I • R), можно определить ток в батарее и, следовательно, через каждый резистор, найдя соотношение напряжения батареи и эквивалентного сопротивления.
I аккумулятор = I 1 = I 2 = I 3 = ΔV аккумулятор / R eq
Разность электрических потенциалов и падение напряжения
Как обсуждалось в Уроке 1, электрохимическая ячейка цепи подает энергию заряду для его перемещения через ячейку и создания разности электрических потенциалов на двух концах внешней цепи.
Ячейка на 1,5 вольта создаст разность электрических потенциалов во внешней цепи 1,5 вольта. Это означает, что электрический потенциал на положительной клемме на 1,5 вольт больше, чем на отрицательной клемме. Когда заряд движется по внешней цепи, он теряет 1,5 вольта электрического потенциала. Эта потеря электрического потенциала называется падением напряжения . Это происходит по мере того, как электрическая энергия заряда преобразуется в другие виды энергии (тепловую, световую, механическую и т.) внутри резисторов или нагрузок. Если электрическая цепь, питаемая от 1,5-вольтовой ячейки, оснащена более чем одним резистором, то суммарная потеря электрического потенциала составляет 1,5 вольта. На каждом резисторе есть падение напряжения, но сумма этих падений напряжения составляет 1,5 вольта — столько же, сколько номинальное напряжение источника питания. Эта концепция может быть выражена математически следующим уравнением:
.. Чтобы проиллюстрировать этот математический принцип в действии, рассмотрим две цепи, показанные ниже на диаграммах A и B. Предположим, вас попросили определить два неизвестных значения разности электрических потенциалов между лампочками в каждой цепи. Чтобы определить их значения, вам придется использовать приведенное выше уравнение. Батарея изображается своим обычным схематическим символом, а ее напряжение указывается рядом с ним. Определите падение напряжения для двух лампочек, а затем нажмите кнопку «Проверить ответы», чтобы убедиться, что вы правы.
Ранее в Уроке 1 обсуждалось использование диаграммы электрических потенциалов. Диаграмма электрических потенциалов — это концептуальный инструмент для представления разности электрических потенциалов между несколькими точками электрической цепи. Рассмотрим принципиальную схему ниже и соответствующую ей диаграмму электрических потенциалов.
Схема, показанная на схеме выше, питается от 12-вольтового источника энергии.
В цепи последовательно соединены три резистора, каждый из которых имеет свое падение напряжения. Отрицательный знак разности электрических потенциалов просто означает, что при прохождении через резистор происходит потеря электрического потенциала. Обычный ток направляется по внешней цепи от положительного вывода к отрицательному. Поскольку схематический символ источника напряжения использует длинную полосу для обозначения положительной клеммы, место А на схеме соответствует положительной клемме или клемме с высоким потенциалом.Место A находится под напряжением 12 вольт, а место H (отрицательная клемма) находится под напряжением 0 вольт. Проходя через аккумулятор, заряд приобретает 12 вольт электрического потенциала. А при прохождении через внешнюю цепь заряд теряет 12 вольт электрического потенциала, как показано на диаграмме электрических потенциалов, показанной справа от принципиальной схемы. Эти 12 вольт электрического потенциала теряются за три этапа, каждый из которых соответствует протеканию через резистор.
При прохождении через соединительные провода между резисторами происходит небольшая потеря электрического потенциала из-за того, что провод оказывает относительно небольшое сопротивление потоку заряда.Поскольку места А и В разделены проводом, они имеют практически одинаковый электрический потенциал 12 В. Когда заряд проходит через его первый резистор, он теряет 3 В электрического потенциала и падает до 9 В в месте С. Поскольку точка D отделена от точки C простым проводом, она имеет практически тот же электрический потенциал 9 В, что и C. Когда заряд проходит через второй резистор, он теряет 7 В электрического потенциала и падает до 2 В в точке E. Поскольку точка F отделена от точки E простым проводом, она имеет практически такой же электрический потенциал 2 В, что и точка E.Наконец, когда заряд проходит через последний резистор, он теряет 2 В электрического потенциала и падает до 0 В в точке G. В точках G и H заряду не хватает энергии, и он нуждается в подпитке энергией, чтобы пересечь внешнее сопротивление.
цепь снова. Повышение энергии обеспечивается аккумулятором, поскольку заряд перемещается от H до A.
В уроке 3 был представлен закон Ома (ΔV = I • R) в виде уравнения, связывающего падение напряжения на резисторе с сопротивлением резистора и током на резисторе.Уравнение закона Ома можно использовать для любого отдельного резистора в последовательной цепи. При объединении закона Ома с некоторыми принципами, уже обсуждавшимися на этой странице, возникает большая идея.
В последовательных цепях резистор с наибольшим сопротивлением имеет наибольшее падение напряжения.
Поскольку ток в последовательной цепи везде одинаков, значение I ΔV = I • R одинаково для каждого из резисторов последовательной цепи. Таким образом, падение напряжения (ΔV) зависит от изменения сопротивления.Везде, где сопротивление наибольшее, падение напряжения будет наибольшим на этом резисторе. Уравнение закона Ома можно использовать не только для прогнозирования того, что резистор в последовательной цепи будет иметь наибольшее падение напряжения, но и для расчета фактических значений падения напряжения.
| Δ В 1 = I • R 1 | Δ В 2 = I • R 2 | Δ В 3 = I • R 3 |
Математический анализ последовательных цепей
Приведенные выше принципы и формулы можно использовать для анализа последовательной цепи и определения значений тока и разности электрических потенциалов на каждом из резисторов в последовательной цепи.Их использование будет продемонстрировано математическим анализом схемы, показанной ниже. Цель состоит в том, чтобы использовать формулы для определения эквивалентного сопротивления цепи (R eq ), тока в батарее (I tot ), а также падения напряжения и тока для каждого из трех резисторов.
Анализ начинается с использования значений сопротивления отдельных резисторов для определения эквивалентного сопротивления цепи.
Теперь, когда известно эквивалентное сопротивление, ток в батарее можно определить с помощью уравнения закона Ома.При использовании уравнения закона Ома (ΔV = I • R) для определения тока в цепи важно использовать напряжение батареи для ΔV и эквивалентное сопротивление для R. Расчет показан здесь:
I tot = ΔV батареи / R eq = (60 В) / (40 Ом) = 1,5 АЗначение тока 1,5 ампера соответствует току в месте расположения батареи. Для последовательной цепи без мест разветвления ток везде одинаков.Ток в месте расположения батареи такой же, как ток в каждом месте резистора. Следовательно, 1,5 ампера — это значение I 1 , I 2 и I 3 .
Аккумулятор I = I 1 = I 2 = I 3 = 1,5 А Осталось определить три значения — падение напряжения на каждом из отдельных резисторов.
Закон Ома используется еще раз для определения падения напряжения на каждом резисторе — это просто произведение тока на каждом резисторе (расчетное выше как 1.5 ампер) и сопротивление каждого резистора (указано в условии задачи). Расчеты показаны ниже.
| ΔV 1 = I 1 • R 1 ΔV 1 = (1,5 А) • (17 Ом) ΔV 1 = 25,5 В | ΔV 2 = I 2 • R 2 ΔV 2 = (1,5 А) • (12 Ом) ΔV 2 = 18 В | ΔV 3 = I 3 • R 3 ΔV 3 = (1.5 А) • (11 Ом) ΔV 3 = 16,5 В |
В качестве проверки точности выполненных расчетов целесообразно проверить, удовлетворяют ли рассчитанные значения принципу, согласно которому сумма падений напряжения на каждом отдельном резисторе равна номинальному напряжению батареи.
Другими словами, ΔV батарея = ΔV 1 + ΔV 2 + ΔV 3 ?
60 В = 25.5 В + 18 В + 16,5 В ?
Является ли 60 В = 60 В?
Да!!
Математический анализ этой последовательной цепи включал смесь концепций и уравнений. Как это часто бывает в физике, отрыв понятий от уравнений при решении физической задачи — опасный поступок. Здесь необходимо учитывать понятия, что ток везде одинаков и что напряжение батареи эквивалентно сумме падений напряжения на каждом резисторе, чтобы завершить математический анализ.В следующей части урока 4 параллельные цепи будут проанализированы с использованием закона Ома и концепций параллельных цепей. Мы увидим, что подход смешивания понятий с уравнениями будет столь же важен для этого анализа.
Мы хотели бы предложить.
.. Зачем просто читать об этом и когда вы могли бы взаимодействовать с ним? Взаимодействие — это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom.Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного конструктора цепей постоянного тока. Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Конструктор цепей постоянного тока предоставляет учащимся набор для создания виртуальных схем. Вы можете легко перетаскивать источники напряжения, резисторы и провода на рабочее место, располагать и соединять их так, как пожелаете. Вольтметры и амперметры позволяют измерять падение тока и напряжения. Прикосновение к резистору или источнику напряжения позволяет изменить сопротивление или входное напряжение.Это просто. Это весело. И это безопасно (если только вы не используете его в ванной).
Проверьте свое понимание
1.
Используйте свое понимание эквивалентного сопротивления, чтобы завершить следующие утверждения:
а. Два последовательно соединенных резистора сопротивлением 3 Ом обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору сопротивлением _____ Ом.
б. Три последовательно соединенных резистора сопротивлением 3 Ом обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору сопротивлением _____ Ом.
в. Три последовательно соединенных резистора сопротивлением 5 Ом обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____ Ом.
д. Три резистора с сопротивлением 2 Ом, 4 Ом и 6 Ом включены последовательно. Они обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____-Ом.
эл. Три резистора с сопротивлением 5 Ом, 6 Ом и 7 Ом включены последовательно. Они обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____-Ом.
ф. Три резистора с сопротивлением 12 Ом, 3 Ом и 21 Ом включены последовательно. Они обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____-Ом.
2. При увеличении числа резисторов в последовательной цепи общее сопротивление __________ (увеличивается, уменьшается, остается прежним) и ток в цепи __________ (увеличивается, уменьшается, остается прежним).
3. Рассмотрим следующие две схемы последовательных цепей. Для каждой диаграммы используйте стрелки, чтобы указать направление условного тока. Затем сравните напряжение и ток в обозначенных точках для каждой диаграммы.
4. Три одинаковые лампочки подключены к D-ячейке, как показано справа.Какое из следующих утверждений верно?
а. Все три лампочки будут иметь одинаковую яркость.б. Лампочка между X и Y будет самой яркой.
в. Лампочка между Y и Z будет самой яркой.
д. Лампочка между Z и батареей будет самой яркой.
5.
Три одинаковые лампочки подключены к батарейке, как показано справа.Какие корректировки можно внести в схему, чтобы увеличить ток, измеряемый в точке X? Перечислите все, что применимо.
а. Увеличьте сопротивление одной из лампочек.б. Увеличьте сопротивление двух лампочек.
в. Уменьшите сопротивление двух лампочек.
д. Увеличьте напряжение батареи.
эл. Уменьшите напряжение батареи.
ф. Снимите одну из лампочек.
6. Три одинаковые лампочки подключены к батарейке, как показано справа. W, X, Y и Z обозначают местоположения вдоль цепи. Какое из следующих утверждений верно?
а. Разность потенциалов между X и Y больше, чем между Y и Z.б. Разность потенциалов между X и Y больше, чем между Y и W.
в. Разность потенциалов между Y и Z больше, чем между Y и W.
д. Разность потенциалов между X и Z больше, чем между Z и W.
эл. Разность потенциалов между X и W больше, чем на аккумуляторе.
ф. Разность потенциалов между X и Y больше, чем между Z и W.
7.Сравните схемы X и Y ниже. Каждый питается от 12-вольтовой батареи. Падение напряжения на резисторе 12 Ом в цепи Y равно ____ падению напряжения на одном резисторе в цепи X.
а. меньше чемб. больше
в. то же, что
8. Батарея 12 В, резистор 12 Ом и лампочка подключены, как показано на схеме X ниже.Резистор на 6 Ом добавляется к резистору на 12 Ом и лампочке, чтобы создать цепь Y, как показано на рисунке. Лампочка появится ____.
а. диммер в контуре Xб. диммер в цепи Y
в. одинаковая яркость в обоих контурах
9. Три резистора соединены последовательно.
Если поместить в цепь с 12-вольтовым источником питания.Определить эквивалентное сопротивление, общий ток цепи, падение напряжения и ток на каждом резисторе.
Что такое электрическая цепь?
В Уроке 1 обсуждалась концепция разности электрических потенциалов. Электрический потенциал — это количество потенциальной электрической энергии на единицу заряда, которой обладал бы заряженный объект, если бы он был помещен в электрическое поле в заданном месте.Понятие потенциала является величиной, зависящей от местоположения — оно выражает количество потенциальной энергии на основе заряда, так что оно не зависит от количества заряда, фактически присутствующего на объекте, обладающем электрическим потенциалом. Разность электрических потенциалов — это просто разность электрических потенциалов между двумя разными точками в электрическом поле.
Чтобы проиллюстрировать концепцию разности электрических потенциалов и природу электрической цепи, рассмотрим следующую ситуацию.
Предположим, что есть две металлические пластины, ориентированные параллельно друг другу и каждая из которых заряжена противоположным типом заряда — один положительный, а другой отрицательный. Такое расположение заряженных пластин создаст в области между пластинами электрическое поле, направленное от положительной пластины к отрицательной. Положительный пробный заряд, помещенный между пластинами, будет двигаться от положительной пластины к отрицательной. Это перемещение положительного пробного заряда от положительной пластины к отрицательной будет происходить без необходимости подвода энергии в виде работы; это произойдет естественным образом и, таким образом, снизит потенциальную энергию заряда.Положительная пластина будет местом с высоким потенциалом, а отрицательная пластина будет местом с низким потенциалом. Между двумя точками будет разность электрических потенциалов.
Теперь предположим, что две противоположно заряженные пластины соединены металлической проволокой. Что случилось бы? Провод служит своего рода зарядной трубкой, по которой может течь заряд.
С течением времени можно представить, что положительные заряды перемещаются от положительной пластины через зарядную трубу (провод) к отрицательной пластине.То есть положительный заряд естественным образом перемещался бы в направлении электрического поля, созданного расположением двух противоположно заряженных пластин. Когда положительный заряд покидает верхнюю пластину, пластина становится менее положительно заряженной, как показано на анимации справа. Когда положительный заряд достигает отрицательной пластины, эта пластина становится менее отрицательно заряженной. Со временем количество положительных и отрицательных зарядов на двух пластинах будет медленно уменьшаться.Поскольку электрическое поле зависит от количества заряда, присутствующего на объекте, создающем электрическое поле, электрическое поле, создаваемое двумя пластинами, будет постепенно уменьшаться с течением времени. В конце концов, электрическое поле между пластинами станет настолько малым, что не будет заметно движения заряда между двумя пластинами.
Пластины в конечном итоге потеряли бы свой заряд и достигли того же электрического потенциала. В отсутствие разности электрических потенциалов не будет потока заряда.
Приведенная выше иллюстрация очень близка к демонстрации значения электрической цепи. Однако, чтобы быть настоящей схемой, заряды должны непрерывно проходить через полный цикл, возвращаясь в исходное положение и снова проходя цикл. Если бы были средства перемещения положительного заряда с отрицательной пластины обратно на положительную, то движение положительного заряда вниз по зарядной трубке (то есть по проводу) происходило бы непрерывно. В таком случае будет установлена цепь или петля.
Обычная лабораторная работа, которая иллюстрирует необходимость полного цикла, использует аккумуляторную батарею (набор D-элементов), лампочку и несколько соединительных проводов. Упражнение включает в себя наблюдение за эффектом подключения и отсоединения провода в простом расположении аккумуляторной батареи, лампочек и проводов.
Когда все соединения с аккумуляторной батареей выполнены, загорается лампочка. На самом деле зажигание лампочки происходит сразу после того, как произведено окончательное подключение.Нет заметной временной задержки между последним соединением и моментом, когда лампочка загорается.
Тот факт, что лампочка загорается и продолжает гореть, свидетельствует о протекании заряда через нить накала лампочки и о том, что электрическая цепь установлена. Цепь — это просто замкнутый контур, по которому могут непрерывно перемещаться заряды. Чтобы продемонстрировать, что заряды проходят не только по нити накала лампочки, но и по проводам, соединяющим аккумуляторную батарею и лампочку, делается вариация вышеописанного действия.Компас помещается под проволокой в любом месте так, чтобы его стрелка находилась на одной линии с проволокой. После окончательного подключения к аккумуляторной батарее загорается лампочка, а стрелка компаса отклоняется. Игла служит детектором движущихся зарядов в проводе.
Когда он отклоняется, по проводу движутся заряды. А если отсоединить провод у батарейного блока, лампочка перестанет гореть и стрелка компаса вернется в исходное положение. Когда лампочка загорается, заряд проходит через электрохимические элементы батареи, провода и нити накала лампочки; стрелка компаса улавливает движение этого заряда.Можно сказать, что существует ток — поток заряда внутри цепи.
Электрическая цепь, представленная комбинацией батареи, лампочки и проводов, состоит из двух отдельных частей: внутренней цепи и внешней цепи. Часть цепи, содержащая гальванические элементы батареи, является внутренней цепью. Часть цепи, где заряд перемещается за пределы аккумуляторной батареи по проводам и лампочке, является внешней цепью.На уроке 2 мы сосредоточимся на движении заряда по внешней цепи. В следующей части Урока 2 мы рассмотрим требования, которые должны быть выполнены, чтобы заряд протекал по внешней цепи.
Учебник по физике: параллельные схемы
Как упоминалось в предыдущем разделе урока 4, два или более электрических устройства в цепи могут быть соединены последовательно или параллельно.
Когда все устройства соединены с помощью параллельных соединений, схема называется параллельной схемой . В параллельной схеме каждое устройство размещается в своей отдельной ветке . Наличие ответвлений означает, что существует несколько путей, по которым заряд может проходить по внешней цепи. Каждый заряд, проходящий через петлю внешней цепи, пройдет через один резистор, присутствующий в одной ветви. По прибытии в место разветвления или узел плата делает выбор в отношении того, через какую ветвь пройти на обратном пути к терминалу с низким потенциалом.
Краткое сравнение и сопоставление последовательной и параллельной цепей было сделано в предыдущем разделе Урока 4. В этом разделе подчеркивалось, что действие добавления большего количества резисторов в параллельную цепь приводит к довольно неожиданному результату меньшего общего сопротивления. . Поскольку существует несколько путей, по которым может течь заряд, добавление еще одного резистора в отдельную ветвь обеспечивает еще один путь, по которому можно направить заряд через основную область сопротивления в цепи.
Это уменьшенное сопротивление в результате увеличения количества ветвей приведет к увеличению скорости протекания заряда (также известной как ток). Чтобы сделать этот довольно неожиданный результат более разумным, была введена аналогия с платной дорогой. Пункт взимания платы является основным местом сопротивления автомобильному потоку на платной дороге. Добавление дополнительных пунктов взимания платы в пределах их собственной ветки на платной дороге обеспечит больше путей для движения автомобилей через пункт взимания платы. Эти дополнительные пункты взимания платы снизят общее сопротивление потоку автомобилей и увеличат скорость их движения.
Текущий
Скорость, с которой заряд течет по цепи, называется током. Заряд НЕ накапливается и не начинает накапливаться в любом заданном месте, так что ток в одном месте больше, чем в других местах. Заряд НЕ расходуется резисторами таким образом, чтобы ток в одном месте был меньше, чем в другом.
В параллельной цепи заряд делит на отдельные ветви, так что в одной ветви может быть больше тока, чем в другой.Тем не менее, если взять в целом, общая сумма тока во всех ветвях при суммировании равна сумме тока в точках за пределами ветвей. Правило, что тока везде одно и то же работает до сих пор, только с изюминкой. Ток вне ветвей равен сумме токов в отдельных ветвях. Это все тот же ток, только разделенный на более чем один путь.
В форме уравнения этот принцип можно записать как
I всего = I 1 + I 2 + I 3 + …, где I total — общая величина тока вне ветвей (и в батарее), а I 1 , I 2 и I 3 представляют ток в отдельных ветвях цепи.
На протяжении всего этого модуля широко использовалась аналогия между потоком заряда и потоком воды. Еще раз вернемся к аналогии, чтобы проиллюстрировать, как сумма текущих значений в ветвях равна сумме вне ветвей.
Течение заряда в проводах аналогично течению воды в трубах. Рассмотрим приведенные ниже схемы, на которых поток воды в трубах разделяется на отдельные ветви. В каждом узле (место разветвления) вода проходит двумя или более отдельными путями. Скорость, с которой вода поступает в узел (измеряется в галлонах в минуту), будет равна сумме расходов в отдельных ответвлениях за пределами узла. Точно так же, когда две или более ветвей впадают в узел, скорость, с которой вода вытекает из узла, будет равна сумме скоростей потока в отдельных ветвях, впадающих в узел.
Тот же принцип разделения потоков применяется к электрическим цепям. Скорость, с которой заряд течет в узел, равна сумме скоростей потока в отдельных ветвях за пределами узла. Это показано в примерах, показанных ниже. В примерах вводится новое обозначение схемы — буква А, заключенная в круг. Это символ амперметра — устройства, используемого для измерения силы тока в определенной точке. Амперметр способен измерять ток, оказывая незначительное сопротивление потоку заряда.
На схеме А показаны два резистора, соединенных параллельно с узлами в точке А и точке В. Заряд течет в точку А со скоростью 6 ампер и делится на два пути — один через резистор 1, а другой через резистор 2. Ток в ветви с резистором 1 — 2 ампера, а ток в ответвлении с резистором 2 — 4 ампера. После того, как эти две ветви снова встречаются в точке B и образуют единую линию, сила тока снова становится равной 6 ампер. Таким образом, мы видим, что справедлив принцип, согласно которому ток вне ветвей равен сумме токов в отдельных ветвях.
I всего = I 1 + I 26 ампер = 2 ампера + 4 ампера
Диаграмма B выше может быть немного сложнее с тремя резисторами, расположенными параллельно. На диаграмме идентифицированы четыре узла, обозначенные A, B, C и D. Заряд течет в точку A со скоростью 12 ампер и делится на два пути: один проходит через резистор 1, а другой направляется к точке B (и резисторы 2). и 3). Ток 12 ампер делится на путь 2 ампера (через резистор 1) и путь 10 ампер (направленный к точке B).
В точке В происходит дальнейшее разделение потока на два пути — один через резистор 2, а другой через резистор 3. Подходящий к точке В ток силой 10 ампер разделяется на 6-амперный путь (через резистор 2) и 4-амперный путь. -амперный тракт (через резистор 3). Таким образом, видно, что значения тока в трех ветвях составляют 2 ампера, 6 ампер и 4 ампера и что сумма значений тока в отдельных ветвях равна току вне ветвей.
12 ампер = 2 ампера + 6 ампер + 4 ампера
Можно также провести анализ потока в точках C и D, и видно, что сумма скоростей потока, направляющихся в эти точки, равна скорости потока, обнаруженной непосредственно за этими точками.
Эквивалентное сопротивление
Фактическая величина тока всегда обратно пропорциональна величине общего сопротивления. Существует четкая зависимость между сопротивлением отдельных резисторов и общим сопротивлением набора резисторов.
Чтобы исследовать эту взаимосвязь, давайте начнем с простейшего случая двух резисторов, размещенных на параллельных ветвях, каждый из которых имеет одинаковое значение сопротивления 4 Ом.Поскольку схема предлагает два равных пути для потока заряда, только половина заряда выберет для прохождения через данную ветвь. В то время как каждая отдельная ветвь оказывает сопротивление 4 Ом любому заряду, проходящему через нее, только половина всего заряда, протекающего через цепь, встретит сопротивление 4 Ом этой отдельной ветви. Таким образом, что касается батареи, которая качает заряд, наличие двух 4-омных резисторов, включенных параллельно, было бы эквивалентно наличию в цепи одного 2-омного резистора.Точно так же наличие двух резисторов 6 Ом параллельно будет эквивалентно наличию в цепи одного резистора 3 Ом. А наличие двух 12-омных резисторов параллельно было бы эквивалентно наличию в цепи одного 6-омного резистора.
Теперь давайте рассмотрим еще один простой случай с тремя параллельными резисторами, каждый из которых имеет одинаковое сопротивление 6 Ом.
С тремя 90 452 равными 90 453 путями для прохождения заряда через внешнюю цепь, только одна треть заряда выберет прохождение через данную ветвь.Каждая отдельная ветвь оказывает сопротивление 6 Ом проходящему через нее заряду. Однако тот факт, что только одна треть заряда проходит через конкретную ветвь, означает, что общее сопротивление цепи равно 2 Ом. Что касается батареи, которая качает заряд, наличие трех резисторов 6 Ом параллельно будет эквивалентно наличию в цепи одного резистора 2 Ом. Таким же образом, параллельное подключение трех резисторов сопротивлением 9 Ом будет эквивалентно наличию в цепи одного резистора сопротивлением 3 Ом.А наличие трех 12-омных резисторов параллельно будет эквивалентно наличию в цепи одного 4-омного резистора.
Это понятие эквивалентного сопротивления. Эквивалентное сопротивление цепи представляет собой величину сопротивления, которая потребуется одному резистору, чтобы уравнять общий эффект набора резисторов, присутствующих в цепи.
Для параллельных цепей математическая формула для расчета эквивалентного сопротивления (R eq ) равна
, где R 1 , R 2 и R 3 — значения сопротивления отдельных резисторов, соединенных параллельно. Приведенные выше примеры можно рассматривать как простые случаи, когда все пути оказывают одинаковое сопротивление отдельному заряду, проходящему через них. Простые случаи выше были выполнены без использования уравнения. Тем не менее, уравнение подходит как для простых случаев, когда резисторы ответвления имеют одинаковые значения сопротивления, так и для более сложных случаев, когда резисторы ответвления имеют разные значения сопротивления.Например, рассмотрим применение уравнения к одному простому и одному сложному случаю ниже.
| Случай 1 : Три резистора 12 Ом подключены параллельно | 1/R экв. = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 1/R экв. = 1/(12 Ом) + 1/(12 Ом) + 1 /(12 Ом) С помощью калькулятора… 1/R экв. = 0,25 Ом -1 R экв. = 1 / (0,25 Ом -1 ) R экв. = 4,0 Ом
|
| Случай 2 : Резистор 5,0 Ом, 7,0 Ом и 12 Ом подключен параллельно | 1/R экв. = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 1/R экв. = 1/(5.0 Ом) + 1/(7,0 Ом) + 1/(12 Ом) Использование калькулятора… 1/R экв. = 0,42619 Ом-1 R экв. = 1 / (0,42619 Ом -1 ) R экв. = 2,3 Ом |
Ваша очередь попробовать Нужно больше практики? Используйте виджет Two Resistors in Parallel ниже, чтобы решить некоторые дополнительные проблемы.
Введите любые два значения сопротивления, которые вы хотите. Используйте свой калькулятор, чтобы определить значения R eq . Затем нажмите кнопку Отправить , чтобы проверить свои ответы. Попробуйте сколько угодно раз с разными значениями сопротивления. Падение напряжения для параллельных ответвлений В разделе «Схемы» учебника «Класс физики» подчеркивалось, что любое повышение напряжения, полученное за счет заряда батареи, теряется из-за заряда, когда он проходит через резисторы внешней цепи.Общее падение напряжения во внешней цепи равно приросту напряжения при прохождении заряда по внутренней цепи. В параллельной цепи заряд не проходит через каждый резистор; скорее, он проходит через один резистор. Таким образом, полное падение напряжения на этом резисторе должно соответствовать напряжению батареи. Не имеет значения, проходит ли заряд через резистор 1, резистор 2 или резистор 3, падение напряжения на резисторе, через который он выбирает , должно равняться напряжению батареи.
В виде уравнения этот принцип будет выражен как
Если три резистора разместить в параллельных ветвях и запитать от 12-вольтовой батареи, то падение напряжения на каждом из трех резисторов составит 12 вольт. Заряд, протекающий по цепи, столкнется только с одним из этих трех резисторов и, таким образом, столкнется с одним падением напряжения в 12 вольт.
Диаграммы электрических потенциалов были представлены в Уроке 1 этого модуля и впоследствии использовались для иллюстрации последовательных падений напряжения, происходящих в последовательных цепях.Диаграмма электрических потенциалов — это концептуальный инструмент для представления разности электрических потенциалов между несколькими точками электрической цепи. Рассмотрим принципиальную схему ниже и соответствующую ей диаграмму электрических потенциалов.
Как показано на диаграмме электрических потенциалов, положения A, B, C, E и G находятся под высоким электрическим потенциалом.
Один заряд выбирает только один из трех возможных путей; таким образом, в положении B один заряд будет двигаться к точке C, E или G, а затем пройдет через резистор, который находится в этой ветви.Заряд не теряет своего высокого потенциала до тех пор, пока он не пройдет через резистор, либо от C к D, от E к F, либо от G к H. Как только он проходит через резистор, заряд возвращается почти к 0 вольт и возвращается к отрицательному клемму аккумулятора для повышения напряжения. В отличие от последовательных цепей, заряд в параллельной цепи сталкивается с единичным падением напряжения на своем пути через внешнюю цепь.
Ток через данную ветвь можно предсказать, используя уравнение закона Ома и падение напряжения на резисторе и сопротивление резистора.Поскольку падение напряжения одинаково на каждом резисторе, фактором, определяющим, что резистор имеет наибольший ток, является сопротивление. Резистор с наибольшим сопротивлением испытывает наименьший ток, а резистор с наименьшим сопротивлением испытывает наибольший ток.
В этом смысле можно сказать, что заряд (как и люди) выбирает путь наименьшего сопротивления. В форме уравнения это можно выразить как
| I 1 = Δ В 1 / R 1 | I 2 = Δ В 2 / R 2 | I 3 = Δ В 3 / R 3 |
Этот принцип иллюстрируется схемой, показанной ниже.Произведение I•R одинаково для каждого резистора (и равно напряжению батареи). Но ток в каждом резисторе разный. Ток больше там, где сопротивление наименьшее, а ток меньше там, где сопротивление больше.
Математический анализ параллельных цепей
Приведенные выше принципы и формулы можно использовать для анализа параллельной цепи и определения значений тока при и разности электрических потенциалов на каждом из резисторов в параллельной цепи.
Их использование будет продемонстрировано математическим анализом схемы, показанной ниже. Цель состоит в том, чтобы использовать формулы для определения эквивалентного сопротивления цепи (R eq ), тока через батарею (I tot ), а также падения напряжения и тока для каждого из трех резисторов.
Анализ начинается с использования значений сопротивления отдельных резисторов для определения эквивалентного сопротивления цепи.
1 / R eq = 1 / R 1 + 1 / R 2 + 1 / R 3 = (1/17 Ом) + (1/12 Ом) + (1/11 Ом)1 / R экв. = 0.23306 Ом -1
R экв. = 1 / (0,23306 Ом -1 )
R экв. = 4,29 Ом
(округлено от 4,29063 Ом)
Теперь, когда известно эквивалентное сопротивление, ток в батарее можно определить с помощью уравнения закона Ома. При использовании уравнения закона Ома (ΔV = I • R) для определения тока в батарее важно использовать напряжение батареи для ΔV и эквивалентное сопротивление для R.
Расчет показан здесь:
I до = 14,0 ампер
(округлено от 13,98396 ампер)
Напряжение батареи 60 В представляет собой прирост электрического потенциала за счет заряда, проходящего через батарею. Заряд теряет такое же количество электрического потенциала при любом данном проходе через внешнюю цепь.То есть падение напряжения на каждом из трех резисторов такое же, как напряжение на аккумуляторе:
ΔV батарея = ΔV 1 = ΔV 2 = ΔV 3 = 60 ВОсталось определить три значения — ток в каждом из отдельных резисторов. Закон Ома используется еще раз для определения значений тока для каждого резистора — это просто падение напряжения на каждом резисторе (60 вольт), деленное на сопротивление каждого резистора (данное в условии задачи).Расчеты показаны ниже.
| I 1 = ΔV 1 / R 1 I 1 = (60 В) / (17 Ом) I 1 = 3,53 А | I 2 = ΔV 2 / R 2 I 2 = (60 В) / (12 Ом) I 2 = 5,00 ампер | I 3 = ΔV 3 / R 3 I 3 = (60 В) / (11 Ом) I 3 = 5. |
45 А В качестве проверки точности выполненных математических расчетов целесообразно проверить, удовлетворяют ли рассчитанные значения принципу, согласно которому сумма значений тока для каждого отдельного резистора равна общему току в цепи (или в батарее) . Другими словами, I to = I 1 + I 2 + I 3 ?
I to = I 1 + I 2 + I 3 ?14.0 ампер = 3,53 ампер + 5,00 ампер + 5,45 ампер?
Является ли 14,0 ампер = 13,98 ампер?
Да!!
(Разница в 0,02 ампера является просто результатом предварительного округления значения I до от 13,98.)
Математический анализ этой параллельной цепи включал смесь концепций и уравнений. Как это часто бывает в физике, отрыв понятий от уравнений при решении физической задачи — опасный поступок.Здесь необходимо учитывать концепцию, что падение напряжения на каждом из трех резисторов равно напряжению батареи и что сумма тока в каждом резисторе равна общему току.
Это понимание необходимо для завершения математического анализа. В следующей части урока 4 будут исследованы комбинированные или составные схемы, в которых одни устройства включены параллельно, а другие последовательно.
Создавайте, решайте и проверяйте свои собственные проблемы с помощью виджета Equivalent Resistance ниже.Составьте себе задачу с любым количеством резисторов и любых номиналов. Решать проблему; затем нажмите кнопку «Отправить», чтобы проверить свой ответ.
Мы хотели бы предложить… Зачем просто читать об этом и когда вы могли бы взаимодействовать с ним? Взаимодействие — это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного конструктора цепей постоянного тока.Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте.
Конструктор цепей постоянного тока предоставляет учащимся набор для создания виртуальных схем. Вы можете легко перетаскивать источники напряжения, резисторы и провода на рабочее место, располагать и соединять их так, как пожелаете. Вольтметры и амперметры позволяют измерять падение тока и напряжения. Прикосновение к резистору или источнику напряжения позволяет изменить сопротивление или входное напряжение. Это просто. Это весело. И это безопасно (если только вы не используете его в ванной).
Проверьте свое понимание
1. По мере того, как в цепь параллельно добавляются все новые и новые резисторы, эквивалентное сопротивление цепи ____________ (увеличивается, уменьшается) и общий ток цепи ____________ (увеличивается, уменьшается).
2.Три одинаковые лампочки подключены к D-ячейке, как показано ниже. P, Q, X, Y и Z представляют местоположения вдоль цепи.
Какое из следующих утверждений верно?
а. Ток Y больше тока Q.б. Ток на Y больше, чем ток на P.
в. Ток в Y больше, чем ток в Z.
д. Ток на P больше, чем ток на Q.
эл.Ток на Q больше, чем ток на P.
ф. Ток одинаков во всех местах.
3. Три одинаковые лампочки подключены к D-элементу, как показано ниже. P, Q, X, Y и Z представляют местоположения вдоль цепи. В каком месте (ах), если таковые имеются, ток будет …
а. … такой же, как у X?б…. так же, как в Q?
в. … такой же, как у Y?
д. … меньше, чем на Q?
эл. … меньше, чем у P?
ф. … вдвое больше, чем у Z?
г. … в три раза больше, чем у Y?
4. Какие корректировки можно внести в схему ниже, чтобы уменьшить ток в ячейке? Перечислите все, что применимо.
а. Увеличьте сопротивление лампы X.б. Уменьшите сопротивление лампы X.
в. Увеличьте сопротивление лампы Z.
д. Уменьшить сопротивление лампы Z.
эл. Увеличьте напряжение ячейки (как-то).
ф. Уменьшить напряжение ячейки (каким-то образом).
г. Снимите лампу Y.
.
5.Батарея 12 В, резистор 12 Ом и резистор 4 Ом подключены, как показано на рисунке. Ток в резисторе сопротивлением 12 Ом в _____ раз больше, чем у резистора сопротивлением 4 Ом.
а. 1/3
б. 1/2
в. 2/3
д. то же, что
эл.1,5 раза
ф. дважды
г. трижды
ч.
четыре раза
четыре раза
6. Аккумулятор 12 В, резистор 12 Ом и резистор 4 Ом подключены, как показано на рисунке.Падение напряжения на резисторе 12 Ом в ____ раз меньше, чем на резисторе 4 Ом.
а. 1/3
б. 1/2
в. 2/3
д. то же, что
эл. 1,5 раза
ф.дважды
г. трижды
ч. четыре раза
7. Аккумулятор 12 В и резистор 12 Ом подключены, как показано на схеме. Резистор на 6 Ом добавляется к резистору на 12 Ом, чтобы создать схему Y, как показано на рисунке.
Падение напряжения на резисторе 6 Ом в цепи Y в _____ раз меньше, чем на резисторе в X.
а. больше, чемб. меньше
в. то же, что
8. Используйте свое понимание эквивалентного сопротивления, чтобы завершить следующие утверждения:
а. Два резистора 6 Ом, включенные параллельно, обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____ Ом.б. Три резистора 6 Ом, включенные параллельно, обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____ Ом.
в. Три резистора 8 Ом, включенные параллельно, обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____ Ом.
д. Три резистора с сопротивлением 2 Ом, 4 Ом и 6 Ом соединены параллельно. Они обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____-Ом.
эл. Три резистора с сопротивлением 5 Ом, 6 Ом и 7 Ом соединены параллельно.Они обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____-Ом.
ф. Три резистора с сопротивлением 12 Ом, 6 Ом и 21 Ом включены параллельно. Они обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____-Ом.
9. На основании ваших ответов на вопрос выше составьте следующее утверждение:
Общее или эквивалентное сопротивление трех параллельно соединенных резисторов будет _____.
а. больше, чем сопротивление самого большого значения R из трех.б. меньше, чем сопротивление наименьшего значения R из трех.
в. где-то между самым маленьким R и самым большим значением R из трех.
д. … бред какой то! Такое обобщение сделать нельзя. Результаты различаются.
10. Три резистора соединены параллельно.Если поместить в цепь с 12-вольтовым источником питания. Определить эквивалентное сопротивление, общий ток цепи, падение напряжения и ток на каждом резисторе.
Что такое электричество? – Чудеса физики – UW–Madison
Большинство людей знают, что такое электричество. Он выходит из стенных розеток в наших домах и зажигает свет.Это может причинить вам боль, если вы прикоснетесь к нему. Это почему? Почему вы испытываете шок, когда прикасаетесь к дверной ручке? Молния выглядит как электричество. Это почему?
Все в мире состоит из крошечных частиц, называемых атомами. Они настолько малы, что их невозможно увидеть даже в микроскоп. Атомы состоят из двух видов электрического заряда. В середине атомов находятся положительные заряды, а снаружи летают отрицательные заряды. В большинстве случаев положительных зарядов столько же, сколько и отрицательных.У каждого положительного заряда есть отрицательный партнер. Иногда, однако, слишком много одного вида заряда. Эти дополнительные расходы идут на поиски компаньона. Эти отрицательные заряды называются электронами и не очень прочно удерживаются в атоме, поэтому им легко перемещаться.
Движущиеся электроны составляют то, что мы называем электричеством. Есть два вида электричества: статическое и электрическое.
Статическое электричество заставляет ваши волосы вставать дыбом, когда вы третесь о них воздушным шариком или ударяете дверной ручкой.В статическом электричестве электроны перемещаются механически (например, когда кто-то трет две вещи друг о друга). Когда вы волочите ноги по ковру, лишний заряд соскребается с ковра и собирается на вашем теле. Когда вы прикасаетесь к дверной ручке, весь заряд хочет покинуть вас и перейти к дверной ручке. Вы видите искру и получаете удар током, когда электроны покидают вас.
Молния является результатом статического электричества. Во время грозы отрицательно заряженные частицы могут накапливаться в облаке. Электроны отталкиваются друг от друга; они действительно не любят друг друга и хотят уйти как можно дальше друг от друга.Самое большое расстояние, которое они могут унести друг от друга, это если они войдут в землю, потому что это самая большая вещь вокруг.
Когда электроны прыгают в группу, мы видим молнию. Это как большая искра. Бенджамин Франклин обнаружил, что молния может быть очень опасной. Молния имеет более 20 миллионов вольт!
В современном электричестве электричество должно течь по замкнутому контуру, называемому цепью. Если петля где-нибудь разорвется, электричество не пройдет. Это как кровь в теле.Кровь прокачивается через ваши артерии сердцем и в конечном итоге возвращается к сердцу через ваши вены. В цепи электрические заряды — это кровь, а провода — это артерии и вены. Электрические заряды имеют определенное количество энергии. Мера этой энергии называется напряжением (Вольты). Батарея фонарика имеет около 1 ½ вольта, а ваша стенная розетка имеет около 120 вольт. Электроны, движущиеся по цепи, называются током. Вы можете получить удар током, когда через ваше тело проходит сильный ток с большим количеством электронов.
Электроны в цепи должны чем-то толкаться, например, батареей. Если вы посмотрите на один конец батареи, вы увидите знак +, где находятся дополнительные положительные заряды.
На другом конце, где стоит знак «-», есть дополнительные отрицательные заряды (электроны). Когда мы включаем фонарик, электроны выбегают из батареи по проводам, чтобы попасть туда, где находятся положительные заряды. По пути они пробегают по проводу внутри лампочки. Тонкая проволока внутри лампочки сильно нагревается и дает свет.
Электрический ток – Гиперучебник по физике
Обсуждение
определений
текущий
Электрический ток определяется как скорость, с которой заряд протекает через поверхность (например, поперечное сечение провода). Несмотря на то, что это относится ко многим разным вещам, слово ток часто используется само по себе вместо более длинного и формального «электрический ток». Прилагательное «электрический» подразумевается контекстом описываемой ситуации.Фраза «ток через тостер» определенно относится к потоку электронов через нагревательный элемент, а не к потоку ломтиков хлеба через прорези.
Как и для всех величин, определяемых как скорость, есть два способа записать определение электрического тока — средний ток для тех, кто заявляет о незнании вычислений…
и мгновенный ток для тех, кто не боится вычислений…
| I = | ∆ q | = | дк | |
| ∆ т | дт |
Единицей силы тока является ампер [А], названный в честь французского ученого Андре-Мари Ампера (1775–1836).
В письменных языках без ударных букв (а именно в английском) стало принято записывать единицу измерения как ампер , а в неформальном общении сокращать слово до ампер . У меня нет проблем ни с одним из этих написаний. Только не используйте заглавную «А» в начале. Ампер относится к физике, а ампер (или ампер, или ампер) относится к единице измерения.
Поскольку заряд измеряется в кулонах, а время измеряется в секундах, ампер равен кулону в секунду.
| ⎡ ⎢ ⎣ | А = | С | ⎤ ⎥ ⎦ |
| с |
Элементарный заряд точно равен…
e = 1,602176634 × 10 −19 C
Количество элементарных зарядов в кулоне было бы обратным этому числу — повторяющейся десятичной дробью с периодом 778 716 цифр. Я напишу первые 19 цифр, это максимум, что я могу написать (поскольку произвольных долей элементарного заряда не существует).
C ≈ 6 241 509 074 460 762 607 e
А потом я напишу его снова с более разумным количеством цифр, чтобы его было легче читать.
C ≈ 6,2415 × 10 18 e
Ток в один ампер представляет собой передачу примерно 6,2415 × 10 18 элементарных зарядов в секунду. Для тех, кто любит совпадения, это примерно то же самое, что десять микромолей.
плотность тока
Когда я визуализирую течение, я вижу движущиеся предметы.Я вижу, как они движутся в определенном направлении. Я вижу вектор. Я вижу неправильное. Ток не является векторной величиной, несмотря на мою хорошо развитую научную интуицию. Ток является скаляром. И причина в том… потому что это так.
Но подождите, дальше будет еще страннее. Отношение силы тока к площади данной поверхности называется плотностью тока.
Единицей плотности тока является ампер на квадратный метр , которая не имеет специального названия.
| ⎡ ⎢ ⎣ | А | = | А | ⎤ ⎥ ⎦ |
| м 2 | м 2 |
Несмотря на то, что плотность тока является отношением двух скалярных величин, плотность тока является вектором.
И причина в том, что это так.
Ну… на самом деле, это потому, что плотность тока определяется как произведение плотности заряда и скорости для любого места в космосе…
J = ρ v
Два уравнения эквивалентны по величине, как показано ниже.
| Дж = | р | против | ||||||||
| Дж = | q | дс | = | с | дк | = | 1 | I | ||
| В | дт | СА | дт | А | ||||||
| Дж = | я | |||||||||
| А | ||||||||||
Есть еще что рассмотреть.
I = JA = ρ v A
Читатели, знакомые с гидромеханикой, могли бы узнать правую часть этого уравнения, если бы она была написана немного по-другому.
I = ρ Ав
Этот продукт является величиной, которая остается постоянной в уравнении неразрывности массы .
ρ 1 A A 1 V 1 = ρ 2
4 A 2 4 V 2Точно такое же выражение применимо к электрическому току с символом ρ, меняющим значение в зависимости от контекста.В гидромеханике ρ обозначает плотность массы, а в электрическом токе — плотность заряда.
описание микроскопа
Ток – это поток заряженных частиц. Это дискретные сущности, а значит, их можно сосчитать.
н = н / в
∆ q = нкв
В = Ad = Av ∆ t
| I = | ∆ q | = | nqAv ∆ t |
| ∆ т | ∆ т |
I = nqAv
Аналогичное выражение можно записать для плотности тока.
Вывод начинается со скалярной формы, но в конечном выражении используются векторы.
J = nq v
твердые вещества
проводимость по сравнению с валентными электронами, проводники по сравнению с изоляторами
Дрейфовое движение, наложенное на тепловое движение
Текст моста.
Тепловая скорость электронов в проводе довольно высока и изменяется случайным образом из-за атомных столкновений. Поскольку изменения хаотичны, средняя скорость равна нулю.
Когда проволоку помещают в электрическое поле, свободные электроны равномерно ускоряются в промежутках между столкновениями. Эти периоды ускорения поднимают среднюю скорость выше нуля. (Эффект сильно преувеличен на этой диаграмме.)
тепловая скорость электрона в меди при комнатной температуре (классическое приближение)…
| ||||
|
38 × 10 −23 Дж/К)(300 К)Ферми-скорость электрона в меди (квантовая величина)…
| ||||
| ||||
|
дрейфовая скорость электрона в 10 м медного провода, подключенного к автомобильному аккумулятору 12 В, при комнатной температуре (среднее время свободного пробега между столкновениями при комнатной температуре τ = 3 × 10 −14 с)…
| |||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||
|
60 × 10 −19 C)(12 В)(3 × 10 –14 с)Тепловая скорость на несколько порядков превышает скорость дрейфа в типичной проволоке. Время прохождения круга около часа.
жидкости
ионы, электролиты
газы
ионов, плазмы
- 14:02 — Отключение линии электропередачи на юго-западе Огайо
4. Стюарт — Атланта 345 кВ
Эта линия является частью пути передачи из юго-западного Огайо в северный Огайо. Он отключился от системы из-за возгорания кустов под частью линии. Горячие газы от пожара могут ионизировать воздух над линией электропередачи, в результате чего воздух проводит электричество и вызывает короткое замыкание проводников.
Источник
исторический
Символ I был выбран французским физиком и математиком XIX века Андре-Мари Ампером для обозначения силы тока .
Pour exprimer en nombre l’intensité d’un courant quelconque, on convra qu’on ait choisi un autre courant арбитраж для срока сравнения…. Désignant donc par i et i ‘ les rapports des intensités des deux courants donnés à l’intensité du courant pris pour unite…. Чтобы выразить силу тока числом, предположим, что для сравнения выбран другой произвольный ток…. Примем i и i ′ для отношений интенсивностей двух заданных токов к напряженности эталонного тока, принятой за единицу…. Андре-Мари Ампер, 1826 Андре-Мари Ампер, 1826 г. (платная ссылка)
Термин интенсивность теперь имеет несвязанное значение в физике.
Ток — это скорость, с которой заряда протекает через поверхность любого размера — например, клеммы аккумулятора или штыри электрической вилки. Интенсивность — это средняя мощность на единицу площади, передаваемая каким-либо лучистым явлением — например, звуком оживленного шоссе, светом Солнца или частицами брызг, испускаемыми радиоактивным источником.Ток и интенсивность теперь являются разными величинами с разными единицами измерения и разным использованием, поэтому (конечно) они используют одинаковые символы.
| текущий | интенсивность | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
Начало стола
- 12 000 Ток через магниты БАК в ЦЕРНе
Что такое электричество? — учиться.
sparkfun.com Избранное
Любимый
73Начало работы
Электричество окружает нас повсюду, питая такие технологии, как мобильные телефоны, компьютеры, фонари, паяльники и кондиционеры. Избежать этого в нашем современном мире очень сложно. Даже когда вы пытаетесь убежать от электричества, оно все равно работает в природе, от молнии во время грозы до синапсов внутри нашего тела.Но что именно есть электричество ? Это очень сложный вопрос, и по мере того, как вы копаете глубже и задаете новые вопросы, на самом деле нет окончательного ответа, а есть только абстрактные представления о том, как электричество взаимодействует с нашим окружением.
Электричество — это природное явление, которое встречается повсюду в природе и принимает множество различных форм. В этом уроке мы сосредоточимся на текущем электричестве: материале, который питает наши электронные гаджеты.
Наша цель — понять, как электричество течет от источника питания по проводам, зажигая светодиоды, вращая двигатели и приводя в действие наши устройства связи.
Электричество кратко определяется как поток электрического заряда, , но за этим простым утверждением скрывается так много. Откуда берутся обвинения? Как мы их перемещаем? Куда они переезжают? Как электрический заряд вызывает механическое движение или зажигает свет? Так много вопросов! Чтобы начать объяснять, что такое электричество, нам нужно перейти от материи и молекул к атомам, из которых состоит все, с чем мы взаимодействуем в жизни.
Этот учебник основан на базовом понимании физики, силы, энергии, атомов и [полей] (http://en.wikipedia.org/wiki/Поле_(физика)) в частности. Мы коснемся основ каждой из этих физических концепций, но также может оказаться полезным обратиться к другим источникам.
Становится атомным
Чтобы понять основы электричества, нам нужно начать с изучения атомов, одного из основных строительных блоков жизни и материи.
Атомы существуют в более чем сотне различных форм в виде химических элементов, таких как водород, углерод, кислород и медь. Атомы многих типов могут объединяться, образуя молекулы, которые создают материю, которую мы можем физически увидеть и потрогать.
Атомы — это крошечных , максимально растягивающихся примерно до 300 пикометров в длину (это 3×10 -10 или 0,0000000003 метра). Медный пенни (если он на самом деле сделан из 100% меди) содержал бы внутри 3,2×10 90 616 22 90 617 атомов (32 000 000 000 000 000 000 000 атомов) меди.
Даже атом недостаточно мал, чтобы объяснить действие электричества. Нам нужно нырнуть еще на один уровень вниз и посмотреть на строительные блоки атомов: протоны, нейтроны и электроны.
Строительные блоки атомов
Атом состоит из комбинации трех отдельных частиц: электронов, протонов и нейтронов. Каждый атом имеет центральное ядро, в котором плотно упакованы протоны и нейтроны. Вокруг ядра находится группа вращающихся электронов.
Очень простая модель атома. Это не в масштабе, но полезно для понимания того, как построен атом. Ядро ядра протонов и нейтронов окружено вращающимися электронами.
В каждом атоме должен быть хотя бы один протон. Количество протонов в атоме важно, потому что оно определяет, какой химический элемент представляет собой атом. Например, атом с одним протоном — это водород, атом с 29 протонами — это медь, а атом с 94 протонами — это плутоний. Это количество протонов называется атомным номером атома .
Партнеры ядра протона, нейтроны, служат важной цели; они удерживают протоны в ядре и определяют изотоп атома.Они не имеют решающего значения для нашего понимания электричества, поэтому давайте не будем о них беспокоиться в этом уроке.
Электроны имеют решающее значение для работы электричества (обратите внимание на общую тему в их названиях?) В наиболее стабильном, сбалансированном состоянии атом будет иметь такое же количество электронов, как и протоны.
Как и в приведенной ниже модели атома Бора, ядро с 29 протонами (что делает его атомом меди) окружено таким же количеством электронов.
По мере того, как развивалось наше понимание атомов, развивался и наш метод их моделирования.Модель Бора — очень полезная модель атома, когда мы изучаем электричество.
Не все электроны атома навсегда связаны с атомом. Электроны на внешней орбите атома называются валентными электронами. При достаточной внешней силе валентный электрон может уйти с орбиты атома и стать свободным. Свободные электроны позволяют нам перемещать заряды, а это и есть электричество. Кстати о плате…
Текущие заряды
Как мы упоминали в начале этого урока, электричество определяется как поток электрического заряда. Заряд — это свойство материи, такое же, как масса, объем или плотность. Это измеримо. Точно так же, как вы можете количественно определить массу чего-либо, вы можете измерить и его заряд.
Ключевой концепцией заряда является то, что он может быть двух типов: положительный (+) или отрицательный (-) .
Для перемещения заряда нам нужно носителей заряда , и здесь нам пригодятся наши знания об атомных частицах, особенно об электронах и протонах. Электроны всегда несут отрицательный заряд, а протоны всегда положительно заряжены.Нейтроны (в соответствии со своим названием) нейтральны, у них нет заряда. И электроны, и протоны несут один и тот же заряд , только разного типа.
Модель атома лития (3 протона) с помеченными зарядами.
Заряд электронов и протонов важен, потому что он дает нам возможность воздействовать на них силой. Электростатическая сила!
Электростатическая сила
Электростатическая сила (также называемая законом Кулона) — это сила, действующая между зарядами.Он гласит, что заряды одного типа отталкиваются друг от друга, а заряды противоположного типа притягиваются друг к другу.
Противоположности притягиваются, а подобное отталкивается .
Величина силы, действующей на два заряда, зависит от того, насколько они удалены друг от друга. Чем ближе два заряда, тем больше становится сила (либо сталкивающая, либо отталкивающая).
Благодаря электростатической силе электроны будут отталкивать другие электроны и притягиваться к протонам.Эта сила является частью «клея», который удерживает атомы вместе, но это также и инструмент, который нам нужен, чтобы заставить электроны (и заряды) течь!
Внесение платежей
Теперь у нас есть все инструменты, чтобы заряды текли. Электроны в атомах могут действовать как наши носители заряда , потому что каждый электрон несет отрицательный заряд. Если мы сможем освободить электрон от атома и заставить его двигаться, мы сможем создать электричество.
Рассмотрим атомную модель атома меди, одного из предпочтительных источников элементов для потока заряда.
В сбалансированном состоянии медь имеет 29 протонов в ядре и такое же количество электронов, вращающихся вокруг него. Электроны вращаются на разных расстояниях от ядра атома. Электроны ближе к ядру испытывают гораздо более сильное притяжение к центру, чем те, которые находятся на дальних орбитах. Самые внешние электроны атома называются валентными электронами , для их высвобождения из атома требуется наименьшее количество силы.
Это схема атома меди: 29 протонов в ядре, окруженные полосами вращающихся электронов.Электроны, находящиеся ближе к ядру, трудно удалить, в то время как валентному (внешнему кольцу) электрону требуется относительно небольшая энергия для выброса из атома.
Применяя достаточную электростатическую силу к валентному электрону — либо отталкивая его другим отрицательным зарядом, либо притягивая его положительным зарядом, — мы можем сбросить электрон с орбиты вокруг атома, создав свободный электрон.
Теперь рассмотрим медную проволоку: вещество, наполненное бесчисленными атомами меди.
Поскольку наш свободный электрон плавает в пространстве между атомами, его притягивают и толкают окружающие заряды в этом пространстве.В этом хаосе свободный электрон в конце концов находит новый атом, за который можно зацепиться; при этом отрицательный заряд этого электрона выбрасывает из атома другой валентный электрон. Теперь новый электрон дрейфует в свободном пространстве, пытаясь сделать то же самое. Этот цепной эффект может продолжаться и дальше, создавая поток электронов, называемый электрическим током .
Очень упрощенная модель зарядов, протекающих через атомы для создания тока.
Проводимость
Некоторые элементарные типы атомов лучше других высвобождают свои электроны.Чтобы получить наилучший возможный поток электронов, мы хотим использовать атомы, которые не очень сильно удерживают свои валентные электроны. Электропроводность элемента измеряет, насколько прочно электрон связан с атомом.
Элементы с высокой проводимостью, которые имеют очень подвижные электроны, называются проводниками .
Это типы материалов, которые мы хотим использовать для изготовления проводов и других компонентов, способствующих электронному потоку. Такие металлы, как медь, серебро и золото, обычно являются лучшими проводниками.
Элементы с низкой проводимостью называются изоляторами . Изоляторы служат очень важной цели: они предотвращают поток электронов. Популярные изоляторы включают стекло, резину, пластик и воздух.
Статическое или текущее электричество
Прежде чем мы двинемся дальше, давайте обсудим две формы, которые может принимать электричество: статическое или электрическое. При работе с электроникой токовое электричество будет гораздо более распространенным, но также важно понимать статическое электричество.
Статическое электричество
Статическое электричество возникает при накоплении противоположных зарядов на объектах, разделенных изолятором. Статическое (как в «покое») электричество существует до тех пор, пока две группы противоположных зарядов не найдут путь друг к другу, чтобы сбалансировать систему.
Когда заряды находят способ выравнивания, происходит статический разряд . Притяжение зарядов становится настолько сильным, что они могут проходить даже через самые лучшие изоляторы (воздух, стекло, пластик, резину и т.). Статические разряды могут быть вредными в зависимости от того, через какую среду проходят заряды и на какие поверхности они переносятся. Выравнивание зарядов через воздушный зазор может привести к видимому удару, поскольку движущиеся электроны сталкиваются с электронами в воздухе, которые возбуждаются и выделяют энергию в виде света.
Воспламенители с искровым разрядником используются для создания контролируемого статического разряда. Противоположные заряды накапливаются на каждом из проводников, пока их притяжение не становится настолько большим, что заряды могут течь по воздуху. Одним из самых ярких примеров статического разряда является молния . Когда облачная система набирает достаточно заряда по сравнению с другой группой облаков или земной поверхностью, заряды будут пытаться выровняться.
Когда облако разряжается, огромное количество положительных (а иногда и отрицательных) зарядов распространяется по воздуху от земли к облаку, вызывая видимый эффект, с которым мы все знакомы.
Статическое электричество также знакомо нам, когда мы трём о голову шарики, чтобы волосы встали дыбом, или когда мы шаркаем по полу пушистыми тапочками и бьём током домашнего кота (случайно, конечно).В каждом случае трение от трения различных типов материалов передает электроны. Объект, теряющий электроны, становится положительно заряженным, а объект, приобретающий электроны, становится отрицательно заряженным. Два объекта притягиваются друг к другу, пока не найдут способ уравнять.
Работая с электроникой, нам обычно не приходится иметь дело со статическим электричеством. Когда мы это делаем, мы обычно пытаемся защитить наши чувствительные электронные компоненты от статического разряда.Профилактические меры против статического электричества включают ношение антистатических браслетов (электростатических разрядов) или добавление специальных компонентов в цепи для защиты от очень высоких всплесков заряда.
Текущее электричество
Текущее электричество — это форма электричества, которая делает возможными все наши электронные штуковины. Эта форма электричества существует, когда заряды способны постоянно течь . В отличие от статического электричества, где заряды собираются и остаются в покое, текущее электричество динамично, заряды всегда в движении.Мы сосредоточимся на этой форме электричества в оставшейся части урока.
Цепи
Для того, чтобы течь электричеству, требуется цепь: замкнутая, бесконечная петля из проводящего материала. Цепь может быть такой же простой, как токопроводящий провод, соединенный встык, но полезные цепи обычно содержат смесь проводов и других компонентов, которые контролируют поток электричества. Единственное правило при изготовлении цепей — в них не должно быть изолирующих промежутков .
Если у вас есть провод, полный атомов меди, и вы хотите индуцировать поток электронов через него, всем свободным электронам нужно куда-то течь в одном и том же общем направлении.
Медь — отличный проводник, идеально подходящий для протекания зарядов. Если цепь медного провода разорвана, заряды не могут течь по воздуху, что также предотвратит перемещение любых зарядов к середине.
С другой стороны, если бы провод был соединен встык, все электроны имели бы соседний атом и все могли бы течь в одном и том же общем направлении.
Теперь мы понимаем, как могут течь электроны, но как нам заставить их течь в первую очередь? Затем, когда электроны текут, как они производят энергию, необходимую для освещения лампочек или вращающихся двигателей? Для этого нам нужно понять электрические поля.
Электрические поля
У нас есть представление о том, как электроны проходят через материю, создавая электричество. Вот и все, что касается электричества. Ну, почти все.Теперь нам нужен источник, чтобы индуцировать поток электронов. Чаще всего этот источник электронного потока исходит от электрического поля.
Что такое поле?
Поле — это инструмент, который мы используем для моделирования физических взаимодействий, не связанных с наблюдаемым контактом . Поля нельзя увидеть, так как они не имеют физической формы, но эффект, который они производят, вполне реален.
Мы все подсознательно знакомы с одним конкретным полем: гравитационное поле Земли, эффект притяжения массивного тела к другим телам.Гравитационное поле Земли можно смоделировать набором векторов, указывающих на центр планеты; независимо от того, где вы находитесь на поверхности, вы почувствуете силу, толкающую вас к ней.
Сила или интенсивность полей неодинакова во всех точках поля. Чем дальше вы находитесь от источника поля, тем меньше его влияние. Величина гравитационного поля Земли уменьшается по мере удаления от центра планеты.
Когда мы продолжим изучение электрических полей, вспомним, в частности, как работает гравитационное поле Земли, оба поля имеют много общего.
Гравитационные поля воздействуют на объекты с массой, а электрические поля воздействуют на объекты с зарядом.
Электрические поля
Электрические поля (е-поля) являются важным инструментом для понимания того, как возникает и продолжает течь электричество. Электрические поля описывают тянущую или толкающую силу в пространстве между зарядами . По сравнению с гравитационным полем Земли электрические поля имеют одно существенное отличие: в то время как поле Земли обычно притягивает только другие объекты массы (поскольку все значит значительно менее массивно), электрические поля отталкивают заряды так же часто, как и притягивают их.
Направление электрических полей всегда определяется как направление, в котором положительный пробный заряд сместится , если его уронить в поле. Пробный заряд должен быть бесконечно мал, чтобы его заряд не влиял на поле.
Мы можем начать с построения электрических полей для одиночных положительных и отрицательных зарядов.
Если вы поместите положительный тестовый заряд рядом с отрицательным зарядом, тестовый заряд притянется к отрицательному заряду . Итак, для одиночного отрицательного заряда мы нарисуем наши стрелки электрического поля , указывающие внутрь во всех направлениях.Тот же пробный заряд, брошенный рядом с другим положительным зарядом , приведет к отталкиванию наружу, что означает, что мы рисуем стрелок, выходящих из положительного заряда.
Электрические поля одиночных зарядов. Отрицательный заряд имеет внутреннее электрическое поле, потому что он притягивает положительные заряды. Положительный заряд имеет внешнее электрическое поле, отталкивающее заряды.
Группы электрических зарядов можно комбинировать для создания более полных электрических полей.
Однородное электронное поле вверху направлено от положительных зарядов к отрицательным. Представьте крошечный положительный тестовый заряд, упавший в электронное поле; он должен следовать направлению стрелок.
Как мы видели, электричество обычно связано с потоком электронов — отрицательных зарядов — которые текут против электрических полей.
Электрические поля обеспечивают нас толкающей силой, необходимой для индукции электрического тока. Электрическое поле в цепи похоже на электронный насос: большой источник отрицательных зарядов, которые могут двигать электроны, которые будут течь по цепи к положительному заряду.
Электрический потенциал (энергия)
Когда мы используем электричество для питания наших схем, устройств и гаджетов, мы действительно преобразуем энергию. Электронные схемы должны иметь возможность накапливать энергию и передавать ее в другие формы, такие как тепло, свет или движение. Запасенная энергия цепи называется электрической потенциальной энергией.
Энергия? Потенциальная энергия?
Чтобы понять потенциальную энергию, нам нужно понять энергию в целом. Энергия определяется как способность объекта выполнять работу над другим объектом, что означает перемещение этого объекта на некоторое расстояние.
Энергия приходит в многих формах , некоторые мы можем видеть (например, механические), а другие мы не можем (например, химические или электрические). Независимо от того, в какой форме она находится, энергия существует в одном из двух состояний : кинетическом или потенциальном.
Объект имеет кинетической энергии , когда он находится в движении. Количество кинетической энергии объекта зависит от его массы и скорости. Потенциальная энергия , с другой стороны, представляет собой накопленную энергию , когда объект находится в состоянии покоя. Он описывает, какую работу может выполнить объект, если его привести в движение.Это энергия, которую мы обычно можем контролировать. Когда объект приводится в движение, его потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию.
Вернемся к примеру с гравитацией. Шар для боулинга, неподвижно сидящий на вершине башни Халифа, имеет много потенциальной (запасенной) энергии.
После падения мяч, притягиваемый гравитационным полем, с ускорением устремляется к земле. По мере ускорения мяча потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию (энергию движения). В конце концов вся энергия мяча преобразуется из потенциальной в кинетическую, а затем передается тому, во что он попадает.Когда мяч находится на земле, его потенциальная энергия очень мала.
Электрическая потенциальная энергия
Точно так же, как масса в гравитационном поле обладает гравитационной потенциальной энергией, заряды в электрическом поле обладают электрической потенциальной энергией . Электрическая потенциальная энергия заряда описывает, сколько накопленной энергии он имеет, когда он приводится в движение электростатической силой, эта энергия может стать кинетической, и заряд может совершать работу.
Подобно шару для боулинга, находящемуся на вершине башни, положительный заряд в непосредственной близости от другого положительного заряда обладает высокой потенциальной энергией; оставленный свободным двигаться, заряд будет отталкиваться от такого же заряда.
Положительный тестовый заряд, помещенный рядом с отрицательным зарядом, будет иметь низкую потенциальную энергию, аналогичную шару для боулинга на земле.
Чтобы наделить что-либо потенциальной энергией, мы должны совершить работы , переместив это на расстояние. В случае с шаром для боулинга работа заключается в том, чтобы поднять его на 163 этажа против поля гравитации. Точно так же необходимо совершить работу, чтобы оттолкнуть положительный заряд от стрелок электрического поля (либо к другому положительному заряду, либо от отрицательного заряда).Чем дальше вверх по полю уходит заряд, тем больше работы вам предстоит сделать. Точно так же, если вы попытаетесь оторвать отрицательный заряд от положительного заряда против электрического поля, вам придется совершить работу.
Для любого заряда, находящегося в электрическом поле, его электрическая потенциальная энергия зависит от типа (положительный или отрицательный), количества заряда и его положения в поле.
Электрическая потенциальная энергия измеряется в джоулях ( Дж ).
Электрический потенциал
Электрический потенциал основывается на электрическом потенциале энергии , чтобы помочь определить, сколько энергии хранится в электрических полях .Это еще одна концепция, которая помогает нам моделировать поведение электрических полей. Электрический потенциал равен , а не . То же самое, что электрическая потенциальная энергия!
В любой точке электрического поля электрический потенциал равен количеству потенциальной электрической энергии, деленному на количество заряда в этой точке. Это убирает количество заряда из уравнения и оставляет нам представление о том, сколько потенциальной энергии могут обеспечить определенные области электрического поля. Электрический потенциал измеряется в джоулях на кулон ( Дж/Кл ), который мы определяем как вольт (В).
В любом электрическом поле есть две точки электрического потенциала, представляющие для нас значительный интерес.
Есть точка с высоким потенциалом, где положительный заряд будет иметь максимально возможную потенциальную энергию, и есть точка с низким потенциалом, где заряд будет иметь наименьшую возможную потенциальную энергию.
Одним из наиболее распространенных терминов, которые мы обсуждаем при оценке электричества, является напряжение . Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле.Напряжение дает нам представление о том, какой толкающей силой обладает электрическое поле.
Имея за плечами потенциал и потенциальную энергию, у нас есть все ингредиенты, необходимые для производства электроэнергии. Давай сделаем это!
Электричество в действии!
Изучив физику элементарных частиц, теорию поля и потенциальную энергию, мы теперь знаем достаточно, чтобы заставить течь электричество. Сделаем цепь!
Сначала мы рассмотрим ингредиенты, необходимые для производства электричества:
- Определение электричества поток заряда . Обычно наши заряды переносятся свободно текущими электронами.
- Отрицательно заряженных электронов слабо связаны с атомами проводящих материалов. С небольшим толчком мы можем освободить электроны от атомов и заставить их течь в основном в одном направлении.
- Замкнутая цепь из проводящего материала обеспечивает путь для непрерывного потока электронов.
- Заряды приводятся в движение электрическим полем . Нам нужен источник электрического потенциала (напряжения), который толкает электроны из точки с низкой потенциальной энергией в точку с более высокой потенциальной энергией.
Обычно наши заряды переносятся свободно текущими электронами.Короткое замыкание
Батареи — это распространенные источники энергии, которые преобразуют химическую энергию в электрическую. У них есть две клеммы, которые подключаются к остальной части цепи. На одном выводе избыток отрицательных зарядов, а на другом сливаются все положительные заряды. Это разность электрических потенциалов, которая только и ждет, чтобы подействовать!
Если мы подключим наш провод, полный проводящих атомов меди, к батарее, это электрическое поле будет влиять на отрицательно заряженные свободные электроны в атомах меди.
Одновременно отталкиваемые отрицательной клеммой и притягиваемые положительной клеммой, электроны в меди будут перемещаться от атома к атому, создавая поток заряда, который мы знаем как электричество.
После секунды протекания тока электроны действительно сдвинулись очень мало — доли сантиметра. Однако энергия, производимая текущим потоком, огромна , тем более что в этой цепи нет ничего, что замедляло бы течение или потребляло энергию.Подключать чистый проводник напрямую к источнику энергии — плохая идея . Энергия очень быстро перемещается по системе и превращается в тепло в проводе, которое может быстро превратиться в плавление провода или огонь.
Зажигание лампочки
Вместо того, чтобы тратить всю эту энергию впустую, не говоря уже о разрушении батареи и проводов, давайте построим схему, которая будет делать что-то полезное! Обычно электрическая цепь преобразует электрическую энергию в какую-либо другую форму — свет, тепло, движение и т.
д.Если мы подключим лампочку к батарее проводами между ними, у нас получится простая функциональная схема.
Схема: батарея (слева) подключается к лампочке (справа), цепь замыкается, когда выключатель (сверху) замыкается. Когда цепь замкнута, электроны могут течь от отрицательной клеммы батареи через лампочку к положительной клемме.
В то время как электроны движутся со скоростью улитки, электрическое поле почти мгновенно воздействует на всю цепь (мы говорим о скорости света).Электроны по всей цепи, будь то с самым низким потенциалом, с самым высоким потенциалом или прямо рядом с лампочкой, находятся под влиянием электрического поля. Когда переключатель замыкается и электроны подвергаются воздействию электрического поля, все электроны в цепи начинают течь, по-видимому, в одно и то же время. Ближайшие к лампочке заряды сделают один шаг по цепи и начнут преобразовывать электрическую энергию в световую (или тепловую).
Ресурсы и продолжение
В этом уроке мы раскрыли лишь малую часть верхушки пресловутого айсберга.
Там еще тонна концепций осталась нераскрытой. Отсюда мы рекомендуем вам сразу перейти к нашему руководству по напряжению, току, сопротивлению и закону Ома. Теперь, когда вы знаете все об электрических полях (напряжении) и движущихся электронах (токе), вы уже на пути к пониманию закона, управляющего их взаимодействием.
Для получения дополнительной информации и визуализаций, объясняющих электричество, посетите этот сайт.
Вот еще несколько концептуальных руководств для начинающих, которые мы рекомендуем прочитать:
Или, может быть, вы хотели бы узнать что-то практическое? В этом случае ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств по навыкам базового уровня:
Наука об электричестве — У.S. Управление энергетической информации (EIA)
Все состоит из атомов
Чтобы понять электричество, полезно знать некоторые основные сведения об атомах. Атомы являются строительными блоками Вселенной.
Все во Вселенной состоит из атомов — каждая звезда, каждое дерево и каждое животное. Человеческое тело состоит из атомов. Воздух и вода тоже состоят из атомов. Атомы настолько малы, что миллионы из них поместились бы на булавочной головке.
Атомы состоят из еще более мелких частиц
Центр атома называется ядром .Ядро состоит из частиц, называемых 90 452 протонами 90 453 и 90 452 нейтронами 90 453. Электроны вращаются вокруг ядра в оболочках . Если бы ядро было размером с теннисный мяч, атом был бы размером со сферу диаметром около 1450 футов, или размером с один из крупнейших спортивных стадионов в мире. Атомы в основном пустое пространство.
Если бы невооруженным глазом можно было увидеть атом, он немного напоминал бы крохотное скопление шаров, окруженных гигантскими невидимыми пузырями (или оболочками ).Электроны будут находиться на поверхности пузырьков, постоянно вращаясь и двигаясь, чтобы оставаться как можно дальше друг от друга.
Электроны удерживаются в своих оболочках электрическими силами.
Протоны и электроны атома притягиваются друг к другу. Они оба несут электрический заряд . Протоны имеют положительный заряд (+), а электроны имеют отрицательный заряд (-). Положительный заряд протонов равен отрицательному заряду электронов.Противоположные заряды притягиваются друг к другу. Атом находится в равновесии, когда он имеет равное количество протонов и электронов. Нейтроны не несут заряда, и их количество может варьироваться.
Число протонов в атоме определяет вид атома, или элемента , которым он является. Элемент – это вещество, состоящее из атомов одного типа. Периодическая таблица элементов показывает элементы с их атомными номерами — количеством протонов, которые они имеют. Например, каждый атом водорода (Н) имеет один протон, а каждый атом углерода (С) имеет шесть протонов.
Электричество — это движение электронов между атомами
Электроны обычно остаются на постоянном расстоянии от ядра атома в точных оболочках.
Ближайшая к ядру оболочка может содержать два электрона. Следующий снаряд может вместить до восьми. Внешние оболочки могут вместить еще больше. Некоторые атомы с большим количеством протонов могут иметь до семи оболочек с электронами.
Электроны в ближайших к ядру оболочках обладают сильной силой притяжения к протонам.Иногда электроны в самых внешних оболочках атома не имеют сильной силы притяжения к протонам. Эти электроны могут быть вытолкнуты со своих орбит. Приложение силы может заставить их смещаться от одного атома к другому. Эти движущиеся электроны и есть электричество.
Статическое электричество существует в природе
Молния — это форма электричества. Молния — это электроны, перемещающиеся из одного облака в другое, или электроны, прыгающие из облака на землю. Испытывали ли вы когда-нибудь шок, когда касались предмета после прогулки по ковру? От этого объекта к вам прыгнул поток электронов.Это называется статическое электричество .
Вы когда-нибудь заставляли волосы стоять прямо, потирая их воздушным шариком? Если да, то вы стерли часть электронов с воздушного шара.