Ток в электрической цепи. Исследование силы тока в электрической цепи: проверка закона Ома — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как сила тока зависит от напряжения и сопротивления в электрической цепи. Как провести эксперимент для проверки закона Ома. Почему важно понимать принципы работы электрического тока.

Содержание

Что такое электрический ток и как он возникает

Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, как правило электронов, в проводящей среде. Это явление лежит в основе работы всех электрических приборов и устройств. Но как возникает электрический ток?

Основные причины возникновения электрического тока:

Воздействие электромагнитного поля
Нагрев проводника
Химические реакции
Разность потенциалов на концах проводника

При создании разности потенциалов, например с помощью батарейки, свободные электроны в металле начинают двигаться от отрицательного полюса к положительному. Это упорядоченное движение и есть электрический ток.

Основные характеристики электрического тока

Электрический ток характеризуется несколькими ключевыми параметрами:

Сила тока (I) — количество заряда, проходящее через поперечное сечение проводника за единицу времени. Измеряется в амперах (А).
Напряжение (U) — работа, совершаемая электрическим полем при перемещении единичного положительного заряда. Измеряется в вольтах (В).
Сопротивление (R) — свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока. Измеряется в омах (Ом).

Эти три величины связаны между собой законом Ома, который мы и будем проверять экспериментально.

Закон Ома и его практическое значение

Закон Ома для участка цепи устанавливает связь между силой тока, напряжением и сопротивлением:

I = U / R

Где:

I — сила тока в амперах (А)
U — напряжение в вольтах (В)
R — сопротивление в омах (Ом)

Согласно этому закону:

Сила тока прямо пропорциональна напряжению
Сила тока обратно пропорциональна сопротивлению

Понимание закона Ома имеет огромное практическое значение. Оно позволяет:

Рассчитывать параметры электрических цепей
Подбирать компоненты для электронных устройств
Обеспечивать безопасность при работе с электричеством

Методика проведения эксперимента

Для проверки закона Ома мы проведем два опыта:

Опыт 1: Зависимость силы тока от напряжения

Оборудование:

Источник питания с регулируемым напряжением
Амперметр
Вольтметр
Резистор фиксированного сопротивления
Соединительные провода

Порядок проведения:

Собрать электрическую цепь согласно схеме
Установить минимальное напряжение источника питания
Записать показания амперметра и вольтметра
Постепенно увеличивать напряжение, фиксируя значения тока и напряжения

Построить график зависимости I(U)

Опыт 2: Зависимость силы тока от сопротивления

Оборудование:

Источник питания постоянного напряжения
Амперметр
Набор резисторов разного номинала
Соединительные провода

Порядок проведения:

Собрать электрическую цепь согласно схеме
Установить резистор с минимальным сопротивлением
Записать показания амперметра
Заменять резисторы на большее сопротивление, фиксируя значения тока
Построить график зависимости I(1/R)

Анализ результатов эксперимента

После проведения опытов мы получили следующие результаты:

Опыт 1: Зависимость I(U)

График зависимости силы тока от напряжения имеет линейный характер. Это подтверждает прямую пропорциональность между I и U, как и предсказывает закон Ома.

Опыт 2: Зависимость I(1/R)

График зависимости силы тока от величины, обратной сопротивлению, также имеет линейный характер. Это подтверждает обратную пропорциональность между I и R, что соответствует закону Ома.

Таким образом, наши экспериментальные данные полностью согласуются с теоретическими предсказаниями закона Ома.

Практическое применение закона Ома

Закон Ома находит широкое применение в различных областях:

Электротехника: расчет параметров электрических цепей
Электроника: проектирование электронных устройств
Энергетика: расчет нагрузок в электрических сетях
Безопасность: расчет допустимых токов для проводки и предохранителей

Понимание закона Ома позволяет:

Правильно подбирать электроприборы по мощности
Рассчитывать сечение проводов для электропроводки
Определять причины неисправностей в электрических цепях
Оптимизировать энергопотребление

Заключение и выводы

В ходе нашего исследования мы:

Изучили теоретические основы электрического тока и закона Ома
Провели эксперименты для проверки зависимостей, предсказываемых законом Ома

Проанализировали полученные результаты и убедились в справедливости закона Ома
Рассмотрели практическое применение закона Ома в различных областях

Наше исследование подтвердило, что:

Сила тока прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении
Сила тока обратно пропорциональна сопротивлению при постоянном напряжении

Эти знания имеют огромное практическое значение и широко применяются в современной технике и повседневной жизни. Понимание основ электричества и закона Ома необходимо для безопасного и эффективного использования электроэнергии.

Направление электрического тока в цепи и его движение

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 275.

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 275.

Электрический ток — это направленное (упорядоченное, то есть не хаотичное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Под заряженными частицами, обычно, подразумеваются электроны или ионы, а под макроскопическими (macroscopic — видимые невооруженным глазом) — крупные частицы, например, заряженные капли дождя. Ток возникает при наличии электрического поля. Разберемся с тем как определяется направление электрического тока.

Электрический ток в разных веществах

Электрический ток возникает в самых разных веществах, которые могут находиться в различных агрегатных состояниях. Рассмотрим некоторые примеры, демонстрирующие возникновение направленного потока заряженных частиц в твердых, жидких и газообразных средах:

В металлах имеется много свободных электронов, которые являются главным источником тока;
Электролиты — это жидкости, проводящие электрический ток. Водные растворы кислот, щелочей, солей — все это примеры электролитов. Попадая в воду молекулы этих веществ распадаются на ионы, представляющие собой заряженные атомы или группы атомов, имеющие положительный (катионы) или отрицательный (анионы) электрические заряды. Катионы и анионы образуют электрический ток в электролитах;

В газах и плазме ток создается за счет движения электронов и положительно заряженных ионов;
В вакууме — за счет электронов, вылетающих с поверхности металлических электродов.

Рис. 1. Примеры электрического тока в разных веществах (металлах, электролитах, газах, плазме, вакууме).

В приведенных примерах токи возникают в результате движения заряженных частиц относительно той или иной среды (внутри тел). Такой ток называется током проводимости. Движение макроскопических заряженных тел называется конвекционным током. Примером конвекционного тока могут служить капли дождя во время разряда молнии.

В каком направлении течет ток

За направление тока принято направление движения положительно заряженных частиц; если же ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считается противоположным направлению движения частиц.

Рис. 2. Направление движения тока для любой электрической цепи.

Возникает вопрос: почему не был принят очевидный вариант направления, совпадающий с направлением движения электронов? Для того, чтобы это стало понятно, надо немного окунуться в историю физики.

Почему надо знать историю физических открытий

Природу электрических явлений пытались объяснить многие исследователи задолго до открытия электрона (1897 г.). Впервые к пониманию о существовании двух типов зарядов — положительных и отрицательных пришел американский физик Бенджамин Франклин в 1747 г. На основе своих наблюдений он предположил (выдвинул гипотезу), что существует некая “электрическая материя”, состоящая из мелких, невидимых частиц. Он же первым ввел обозначение для электрических зарядов “−” и “+”. Франклин предложил считать, что если тело наполняется электрической материей, то оно заряжается положительно, а если оно теряет электричество, то заряжается отрицательно. В случае замыкания (соединения) цепи положительный заряд потечет туда, где его нет, то есть к “минусу”.

Эта плодотворная гипотеза стала популярной, получила свое признание среди ученых, вошла в справочники и учебные пособия.

Конечно, после открытия отрицательно заряженного электрона, эта “нестыковка” реального направления движения с ранее общепринятым была обнаружена. Однако, мировым научным сообществом было принято решение оставить в силе предыдущую формулировку о направлении тока, поскольку в большинстве практических случаев это ни на что не влияет.

В случае необходимости, для объяснения отдельных физических эффектов в полупроводниках и искусственных материалах (гетероструктурах), принимается во внимание настоящее направление движения электронов.

Бенджамин Франклин знаменит еще как выдающийся политический деятель, дипломат и писатель. Он является одним из авторов конституции США. В знак признания заслуг Франклина на купюре номиналом в 100 долларов с 1914 г. изображен его портрет.

Рис. 3. Изображение купюры 100 долларов США с портретом Бенджамина Франклина.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что направление тока в электрической цепи соответствует направлению движения положительных зарядов, то есть от плюсового потенциала (плюса) к минусовому потенциалу (минусу). Несмотря на то, что чаще всего электрический ток создается отрицательно заряженными электронами, выбор направления тока было решено оставить именно таким. Так сложилось исторически.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Сайфулла Омаров
5/5

Оценка доклада

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 275.

А какая ваша оценка?

Электрическая цепь. Электрический ток в металлах

На прошлом уроке мы с вами говорили об электрическом токе и источниках тока. Давайте с вами вспомним, что электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

Также мы узнали, что для создания и поддержания тока в цепи необходимы источники тока.

Но что же такое электрическая цепь? И если это цепь, то из каких звеньев она состоит?

Электрическая цепь — это совокупность устройств и элементов, предназначенных для протекания электрического тока.

Любая электрическая цепь содержит:

1) источник тока, создающий необходимое напряжение;

2) нагрузку, то есть то устройство, в котором нужно создать ток. Нагрузкой может быть нагреватель или лампа накаливания, электродвигатель или звонок, различные электробытовые приборы.

Звеньями же цепи являются соединительные провода и ключ, служащий для удобства и безопасности работы.

В качестве примера рассмотрим простейшую электрическую цепь. Она состоит из источника тока, ключа, который может замыкать и размыкать цепь, лампочки и соединительных проводов. Лампочка загорается только тогда, когда ключ замкнут.

Посмотрите ещё раз на рисунок электрической цепи. Если каждый раз её зарисовывать, то работа будет слишком долгой и трудоёмкой. Поэтому ввели условные обозначения для основных звеньев электрических цепей.

Чертежи, на которых в условных обозначениях изображены соединения электрических приборов, называют схемами.

На рисунке вы видите простейшую электрическую цепь и её схему. Сравните их.

Мы уже долгое время говорим об электрическом токе, но так и не выяснили, каково его направление в электрической цепи.

За направление электрического тока в цепи принято направление, в котором движутся (или могли бы двигаться) в проводнике положительные заряды, т. е. от положительного полюса источника к отрицательному.

Это соглашение было принято условно ещё в девятнадцатом веке, когда ещё не до конца понимали природу электрического тока и считали, что перемещаться могут только положительные заряды.

Конечно, после открытия электрона, который в большинстве случаев является носителем тока, стало понятно, что выбор был сделан неудачно, но старую договорённость менять не стали.

Мы уже знаем, что электрический ток может протекать через различные вещества: металлы, электролиты, и, при определённых условиях, через газы. Как уже говорилось, для возникновения электрического тока в любом веществе необходимо, чтобы там имелись носители зарядов, которые смогут перемещаться под действием электрического поля.

Так, например, в металлах носителями свободных зарядов являются электроны. Вы знаете, что все металлы в твёрдом состоянии обладают определённой кристаллической структурой. Поэтому всякий металл надо рассматривать как пространственную кристаллическую решётку, в узлах которой расположены положительные ионы. В пространстве же между ионами хаотично движутся свободные электроны, совокупность которых называют электронным газом.

Вследствие беспорядочного характера движения электронов переноса электрического заряда в каком-либо определённом направлении не получается. Но если внутри металла создать электрическое поле, то под влиянием его сил все свободные электроны придут в упорядоченное движение в направлении действия этих сил.

Однако неправильно думать, что электроны начнут двигаться прямолинейно. Траектория их движения также останется сложной, из-за взаимодействия с другими частицами. Движение электронов в этом случае напоминает дрейф льдин во время ледохода, когда они, двигаясь беспорядочно и сталкиваясь друг с другом, дрейфуют по течению реки.

А нельзя ли непосредственно на опыте проверить, что электрический ток в металле представляет собой поток электронов?

Конечно же можно. Идея одного такого опыта заключается в следующем. Если начать очень быстро вращать кусок металла, то увлечённый кристаллической решёткой электронный газ будет вместе с ним вращаться (на подобие жидкости во вращающемся сосуде). При внезапной остановке куска металла электронный газ должен некоторое время продолжать движение по инерции, подобно тому, как продолжает ещё вращаться жидкость в сосуде после его остановки. Задача заключалась в том, чтобы найти способ обнаружить это инерционное движение электронов.

И она была решена в1913 г. русскими физиками Леонидом Исааковичем Мандельштамом и Николаем Дмитриевичем Папалекси, а также в 1916 г. американскими учёными Ричардом Толменом и Томасом Стюартом. Опыт был проведён следующим образом. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы проволоки посредством гибких проводников соединялись с чувствительным прибором — гальванометром, который позволяет судить о наличии тока.

При резком торможении катушки в течение долей секунды гальванометр обнаруживал ток. Причём направление этого тока, а о нём судили по направлению отклонения стрелки гальванометра, показывало, что он вызван движением отрицательно заряженных частичек, то есть электронов.

Таким образом удалось доказать, что электрический ток в металлах представляет собой направленное движение электронов. Но скорость этого движения мала — всего то несколько миллиметров в секунду, что в сотни миллионов раз меньше, чем средняя скорость теплового движения электронов. Поэтому, например, за 2 ч упорядоченного движения, электрон пройдёт менее 5 м.

Хотя мы знаем, что как только мы повернём выключатель, лампа, находящаяся в нескольких метрах от него, моментально загорается. Поэтому помните: скорость распространения тока и скорость направленного движения электронов — это не одно и то же.

Когда говорят о скорости протекания тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения электрического поля внутри проводника, которое и приводит в направленное движение электроны. А оно распространяется со скоростью около 300 000 км/с, то есть со скоростью света.

Нечто аналогичное мы имеем в явлении движения газа в газопроводах. Например, когда в саратовском конце газопровода Москва — Саратов, наполненного газом, поднимается давление, то оно со скоростью звука в газе (а это около 500 м/с) распространяется по трубам и быстро передаётся в Москву.

Но газ, находящийся в данный момент под Саратовом, попадёт в Москву гораздо позже, так как скорость его движения по трубам значительно меньше скорости передачи давления.

Основы электротехники 2 — Электрическая цепь

Этим постом мы продолжаем серию публикаций, посвященных основам электротехники. В нём мы поговорим о понятии электрической цепи. Сначала, что это такое. Электрические цепи бывают разными, не очень понятно в какой же момент совокупность отдельных предметов становится электрической цепью. Строгое определение электрической цепи довольно парадоксальное, – это всё то, что можно описать через токи, напряжение и сопротивление, то есть опять приходим к закону Ома.

Для удобства все элементы цепи разделяют на:

источники,
потребителей,
проводники,
ключи.

Источники – это значит в них какая-то энергия преобразуется в электрическую.

Потребители – в них наоборот электрическая энергия преобразуется во что-то ещё (опять же не важно, во что).

Проводники – передают энергию от первых ко вторым.

Ключи – управляют этим процессом, открывая или закрывая путь потоку энергии.

На схемах проводники обозначают просто линиями, всё остальное имеет своё обозначение. Вот здесь кроется первая проблема перехода от реальности к схеме. Даже вот эту простейшую установку можно представить несколькими схемами. Например, учесть только основные эффекты и получить простую, но не до конца точную схему или учесть сопротивление проводов и источника, у которых оно тоже есть. Повысить тогда при этом точность на пару процентов, но зато запутать схему.

Выбор здесь только за проектировщиком, но какая-то степень детализации останется всегда. Например, чтобы все наши дальнейшие рассуждения не скатывались в бесконечные отговорки, мы примем, что параметры всех элементов схемы, во-первых, неизменны, во-вторых, сосредоточены. То есть все элементы мы считаем бесконечно маленькими. На практике эти допущения, как правило, даже незаметны, они вносят слишком малую погрешность, зато позволяют гораздо проще работать со схемами. Например, легко посчитать какая мощность выделится у нас на потребителя.

Как мы говорили раньше, напряжение – это работа по переносу заряда, и равна эта работа произведению заряда на напряжение. Вспомним также ток – заряд в единицу времени. Несложные преобразования, и мы выразили работу через ток, напряжение и время. Мощность – это работа в единицу времени, значит мощность – это произведение тока на напряжение.

То, что у нас получилось, называется закон Джоуля-Ленца. Вместе с законом Ома он позволяет узнать о цепи постоянного тока практически всё. Главное, правильно подставить известные величины. При всей своей простоте это один из самых применяемых законов в электротехнике.

Вот на самом деле простой пример. Вы сели позавтракать, поставили греться чайник, завтракаете толстом. С утра у свежо, вы включили обогреватель. Вопрос – выбьет у вас в квартире автомат или нет. Вспоминаем законы Ома и Джоуля-Ленца.

Путем нехитрых вычислений находим, что ток составит примерно 24 Ампера. Идём теперь к выходному щётку и видим максимальный ток автомата на 16 Ампер. А если у вас старый щиток и стоят в пробки, то и вообще 6 с небольшим. Увы, завтрак не удался.

До сих пор мы говорили о потребителях, но тоже самое справедливо и для источников, с той лишь разницей, что у источника есть электродвижущая сила (ЭДС). Вспомним, как заряд движется по цепи. Он выходит из одного полюса источника и уходит в другой. Но, чтобы он там двигался, как мы помним из предыдущей публикации, нужна разность потенциалов. Вот эту самую разность и создает электродвижущая сила.

На схеме ЭДС обозначается стрелкой, она как бы подгоняет электроны в нужном направлении. Источники бывают разные, но с точки зрения электрической цепи их функция одна и та же – создать разность потенциалов, которая в свою очередь заставит электроны двигаться по цепи. Также насос поднимает воду, создавая разность давлений (вспоминаем гидродинамическую аналогию). Измеряется ЭДС в Вольтах, поскольку характеризует способность источника приводить в движение заряд.

Однако, любой реальный источник состоит из вещества, а вещество имеет некоторое электрическое сопротивление. Поэтому, как только через источник потечет ток, то есть, когда мы подключим его к внешней цепи, то увидим, что у него есть некоторое своё сопротивление. Оно называется внутренним сопротивлением источника.

Из-за этого при протекании тока напряжение, измеренное на зажимах источника всегда будет меньше, чем ЭДС, согласно закону Ома, как раз на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Чем больше ток, тем больше будет эта разница.

Теперь легко ввести две очень важных с практической точки зрения характеристики источника.

напряжение холостого хода,
ток короткого замыкания.

Напряжение холостого хода – это, по сути, есть ЭДС, то есть разность потенциалов, создаваемая источником.

Ток короткого замыкания – ток через внутреннее сопротивление при отсутствии внешнего.

Здесь можно заметить, что режим источника определяется величиной внешнего сопротивления. Если оно, это сопротивление, равно нулю, тогда получаем короткое замыкание. Если бесконечно, то холостой ход.

Интересно посмотреть, что происходит вблизи этих значений, то есть при очень маленьких, но ненулевых нагрузках и наоборот больших, но не бесконечных. Начнем с больших сопротивлений, то есть много больших внутреннего сопротивления источника. Напряжения на нагрузке выразим через ток, а ток через ЭДС и внутреннее сопротивление. Подставим одно в другое и получим выражение для напряжения на зажимах источника. Но, если внутреннее сопротивление у нас маленькое, то мы можем им просто пренебречь и вообще не учитывать. Тогда получится, что напряжение на выходе источника не зависит от нагрузки и равно напряжению холостого хода. Такие источники называют источниками напряжения.

Если же сопротивление нагрузки у нас наоборот много меньше внутреннего, то стоит обратить внимание на выражение для тока. Пренебрежем очень маленьким по сравнению с очень большим и увидим, что в этом случае ток через источник от нагрузки не зависит и равен току короткого замыкания. Такие источники называют источниками тока.

Реальные источники находятся где-то в промежуточном положении между этими двумя крайностями в зависимости от нагрузки на них.

На этом мы завершаем рассказ об элементах цепи постоянного тока. В следующей публикации мы уже начнем решать практические задачи. Научимся рассчитывать режимы работы цепей разными способами.

Ссылка на предыдущий пост данной серии:

Основы электротехники, введение

Исследование силы тока в электрической цепи

Руководитель проекта:

Пушкарев Дмитрий Александрович

Учреждение:

МАОУ СОШ №1 г. Когалым

В индивидуальной ученической работе по физике на тему «Исследование силы тока в электрической цепи» автор проводит исследование электрического тока, опытным путем проводит проверку справедливости закона Ома, устанавливая зависимость силы тока от напряжения и от возрастающего сопротивления в электрической цепи.

Подробнее о работе:

В рамках исследовательской работы по физике о силе тока в электрической цепи дается справочная информация об электрическом токе, объясняется принцип Закона Ома, изучается информация о величинах, связанных с электричеством, проводится работа по сбору простейших электрических цепей и выясняется, как рисуют схемы электрических цепей.

В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Исследование силы тока в электрической цепи» учащийся школы провел эксперимент по определению зависимости силы тока от электрического сопротивления и подаваемого напряжения, изучил влияние силы тока на работу электроприборов и построил и проанализировал графики I(R), I(U). Предложенный проект актуален, так как каждый человек должен обладать минимальными знаниями в области электричества, чтобы обеспечить свою безопасность при взаимодействии с элекрическим током даже в бытовых условиях.

Введение
1. Электрический ток.
2. Закон Ома.
3. Применение Закона Ома.
4. Опыт № 1. Исследование зависимости силы тока от напряжения.
5. Опыт № 2. Исследование зависимости силы тока от сопротивления .
Заключение
Список используемой литературы
Приложения

Введение

Физика электричества — это то, с чем приходится сталкиваться каждому из нас. Современная наша жизнь без электричества невозможна. Это и любимый компьютер, и телефон, и телевизор. Взрослые,конечно, назовут другие электроприборы, без которых сейчас мы не представляем свою жизнь. Иногда они перегорают, и мы здорово огорчаемся. И, все-таки, как сделать, чтобы приборы не перегорали? Отчего это зависит?

Проблема исследования: какие физические величины влияют на значение силы тока.

Пролистывая учебную литературу мне встретились множество физических законов, которые связаны с электрическими явления. Например, закон Кулона, закон Джоуля-Ленца, закон Фарадея, закон Ома для полной цепи.

Все они очень важные и нужные для человеческой деятельности. Но я решил остановиться на законе Ома для участка цепи, так как из всего разнообразия он мне показался самым простым и понятным.

Объект исследования: электрическая цепь.

Предмет исследования: зависимость силы тока от напряжения и от возрастающего сопротивления.

Цель работы: проверка опытным путем справедливости закона Ома.

Гипотеза: чем больше сопротивление в цепи, тем меньше сила тока; чем больше напряжение, тем сила тока становиться больше.

Задачи исследования:

Рассмотреть понятие электрический ток.
Найти и изучить информацию о величинах, связанных с электричеством.
Выбрать информацию, необходимую для исследования.
Научиться собирать простейшие электрические цепи и узнать, как рисуют схемы электрических цепей.
Провести эксперимент по определению зависимости силы тока от электрического сопротивления и подаваемого напряжения.
Изучить влияние силы тока на работу электроприборов.
Построить и проанализировать графики I(R),I(U).
Сделать выводы.

Тема исследования актуальна, т.к. закон Ома является одним из важнейших законов энергетики. В быту, например, при включении в цепь несколько потребителей необходимо учитывать выдержит ли нагрузку проводка и не возникнет ли пожар. Но, несмотря на всю свою значимость любой контакт человека с электрическими проводами, находящимися под напряжением, является смертельно опасным. По этому, я считаю, что каждый человек должен обладать минимальными знаниями в области электричества.

Практическая значимость подтверждается проведенными исследованиями, которые позволяют наглядно показать зависимость силы тока от напряжения и сопротивления, что может поспособствовать лучшему усвоению учебного материала.

Этапы исследования:

Первый этап (январь, 2019г.): Подготовительный. (Создание проблемной ситуации, выбор темы, постановка цели)

Второй этап (январь-февраль 2019г. ): Практический. (Сбор информации по выбранной теме, систематизация материалов, подготовка и оформление результатов работы.)

Третий этап (март-апрель 2019 г.) Заключительный. (Защита и презентация проекта).

В ходе работы мы использовали следующие методы: сбор, изучение, обобщение теоретического и практического материала, наблюдение, опыт, эксперимент, теоретические методы (анализ, сравнение).

Электрический ток

Что такое электричество? Для человека непосвященного оно ассоциируется со вспышкой молнии или с энергией, питающей телевизор и стиральную машину. Он знает, что электропоезда используют электрическую энергию. О нашей зависимости от электричества ему напоминают линии электропередач.

Однако с электричеством связано немало других, не столь очевидных, но повседневных явлений. Со всеми ними, нас будет знакомить физика, но я еще в 6 классе и сейчас мне об этом хочется узнать. Читая, энциклопедии я выяснил, что, бьющееся сердце, бегущий спортсмен, спящий ребенок и плавающая рыба — все вырабатывает электрическую энергию.

Физика электричества связана с движением электронов и других заряженных частиц в различных веществах. Электрический ток – это направленное движение электронов в металле. Почему электроны покидают атомы? Это объясняется несколькими причинами; под воздействием импульса светаили тепло заставляет атомы колебаться быстрее. Это означает, что электроны могут вылететь из своего атома. При химических реакциях они также перемещаются от атома к атому.

Электрический ток — это течение потока электронов по нити лампочки. Вы могли слышать слово течение применительно к реке: «У этой реки сильное течение». Это значит, что по реке протекает много воды. Электрический ток подобен этому течению: если говорят «сильный ток», это значит, что по проволоке протекает много электронов. Сила тока измеряется в амперах (А).

Электрический ток обусловлен движением электрических зарядов. Когда электрическая лампа, соединенная с батареей, включена, ток течет по проводу от одного полюса батареи к лампе, затем через ее волосок, вызывая его свечение, и возвращается назад по второму проводу к другому полюсу батареи. Если выключатель повернуть, то цепь разомкнется — движение тока прекратится, и лампа погаснет.

Напряжение заставляет электроны двигаться. Эта физическая величина обозначается латинской буквой U и измеряется в вольтах. Присоединив к лампочке батарейку, мы подаем на нить лампочки напряжение. Оно толкает электроны в одном направлении, заставляет их двигаться по нити. Чем оно выше, тем больше электронов будет передвигаться по нити.

Представьте себе нить в виде трубы, целиком заполненной шариками. Если с одного конца трубы втолкнуть шарик, с ее противоположного конца тут же без всякой задержки выпадет другой шарик.Чем больше шариков мы будем заталкивать в один конец трубы, тем больше их будет выпадать из другого. Именно так ведут себя электроны в нити накаливания лампочки, когда на нее подается напряжение.

Закон Ома

Напряжение заставляет электроны двигаться и тем самым создавать электрический ток, а сопротивление препятствует этому току. Это подобно игре с садовым шлангом: если сжать его, сопротивление потоку воды увеличится и поток ослабнет, т. е. воды станет протекать меньше. Сопротивление в электричестве действует подобно сжатию шланга, электрическое сопротивление измеряется в омах (Ом), обозначается R. Зависимость между этими физическими величинами отражена в законе Ома.

Для любого проводника или системы проводников и приборов соотношение между напряжением, током и сопротивлением задается формулой:

напряжение = ток × сопротивление.

Это математическое выражение закона Ома, названного так в честь Георга Ома (1787-1854 гг.), который первым установил взаимосвязь этих трех параметровв 1820-е годы именно поэтому этот закон и получил такое название.

Закон Ома — один из самых применяемых законов в электротехнике.

Формулировка закона Ома следующая:

Величина силы тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Эту зависимость можно выразить формулой: I=U/R

Где I – сила тока, U — напряжение, приложенное к участку цепи, а R — электрическое сопротивление участка цепи.

Теперь я объясню вам, как электроны, ток, напряжение и сопротивление действуют вместе, заставляя светиться лампочку карманного фонаря.

Чтобы батарейка могла заставить электроны двигаться, цепь между ее выводами не должна иметь разрывов, т. е. должна быть замкнутой. Напряжение, создаваемое батарейкой, постоянно. Оно заставляет электроны двигаться по цепи, частью которой является и нить накаливания лампочки. Нить, сделанная из тугоплавкого металла, обладает сопротивлением, ограничивающим силу тока в цепи. Когда электроны преодолевают сопротивление нити, она накаляется и начинает светиться.

Применение Закона Ома

Электрический ток это опасное физическое явление. Его невозможно увидеть, почувствовать, а тела, находящиеся под напряжением, ничем не отличаются по внешнему виду. Но стоит включить в розетку пылесос или телевизор, щелкнуть выключателем – и энергия словно берется из ниоткуда, он начинает работать.

Рассмотрим один из немногих, примеров проявления закона Ома. У нас у каждого в квартирах есть напряжение в розетках 220 вольт. Значит, ток в цепи зависит только от сопротивления электроприборов. Если оно будет очень мало, то может случиться короткое замыкание. Проводка, по которой течет ток в квартире, не справится с возросшей силой тока, нагреется, расплавится и вызовет пожар.

Но бывает, что приборы, включенные в розетку и отработавшие уже далеко не один час, становятся причиной короткого замыкания. Например, вентилятор, который в жаркую погоду является незаменимым средством. Из-за заклинивания лопастей обмотка двигателя подвергнется перегреву. Изоляция обмотки двигателя не рассчитана на серьезный нагрев, она быстро расплавится.

В результате появляются межвитковые короткие замыкания, которые снижают сопротивление и, в соответствии с законом Ома, также ведут к увеличению тока. Такая ситуация может возникнуть практически с любым электроприбором. Для того чтобы избежать перегрева в бытовой технике используют различного рода предохранители.

Для защиты бытовых электрических цепей обычно используются автоматические выключатели. При повышении силы тока они размыкают цепь, и обесточивается вся квартира. Компактность, легкость монтажа и замены, в случае необходимости, объясняет их широкое распространение.

Экспериментальная часть

Для определения зависимости силы тока от электрического напряжения при постоянном сопротивлении я собрал электрическую цепь. Она состояла из источника питания, ключа, резистора в 4 Ом и амперметра. Схема цепи представлена на рисунке 1. Но, для этого мне пришлось познакомиться с этим новым понятием и как обозначаются различные элементы на ней.

Папа помог с этой задачей справиться. Тут меня поджидала еще одна сложность – шкала приборов, которая состояла из больших и маленьких делений, лишь над некоторыми из них стояли числа. Чтобы правильно научиться определять значения величин, нужно верно определить цену деления шкалы прибора. С учителем мы справились с этой трудностью.

Опыт № 1. Исследование зависимости силы тока от напряжения

Цель: проверить на опыте, каксила тока в цепи зависит от напряжения.

Оборудование: источник питания, амперметр, вольтметр, резистор на 3 Ом, провода.

Применяя новые навыки, я периодически изменял напряжение на источнике, смотрел на показания амперметра. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость силы тока от напряжения

U,B	0,5	1	1,5	2	2,5	3
I,A	0,16	0,32	0,48	0,64	0,8	0,96
R,Ом	3	3	3	3	3	3

По итогам эксперимента можно сделать вывод: с увеличением напряжения в 2 раза, сила тока тоже увеличивается в 2 раза, т. е. сила тока прямо пропорциональна напряжению на резисторе.

По полученным данным построили с руководителем в программе MicrosoftExcel 2007 график, который наглядно отражает прямую зависимость между силой тока и напряжением.

Проверим закон Ома для участка цепи, подставив значения в формулу.

I1 = 0,5B /3 Ом ≈ 0,17А

I2 = 1В/3 Ом ≈ 0,33А

I3 = 1,5B /3 Ом = 0,5А

I4 = 2B/3 Ом ≈ 0,67А

I5 = 2,5B /3 Ом ≈ 0,83А

I6 = 3B /3 Ом = 1А

Расхождение графиков обусловлено погрешностью измерений.

Опыт № 2. Исследование зависимости силы тока от сопротивления

Цель опыта

: проверить на опыте, как сила тока в цепи зависит от сопротивления.

Оборудование: источник питания, амперметр, вольтметр, резисторы(1 Ом, 2 Ом, 3 Ом, 5 Ом, 10 Ом, 15 Ом), реостат, провода.

Для определения зависимости силы тока от сопротивления при постоянном напряжении я собрал электрическую цепь. Схема цепи представлена на рисунке 2 (Приложение 1).Для достижения стабильного напряжения нам пришлось в цепь добавить реостат. Реостат –устройство, с изменяемым сопротивлением для регулирования силы тока и напряжения.

По очереди, меняя резисторы, мы смотрели за тем, как изменяется сила тока. Результаты эксперимента представлены в таблице 2. По ним мы построили график в MicrosoftExcel2007. По графику видно, что зависимость силы тока от сопротивления — обратная, т.е. при самом большом сопротивлении сила тока имеет самое минимальное значение.

Таблица 2. Зависимость силы тока от сопротивления.

U, B	1	1	1	1	1	1
R,Ом	1	2	3	5	10	15
I,A	1,05	0,55	0,34	0,2	0,1	0,05

Проверим закон Ома для участка цепи в теории

I1 = 1B/1 Ом = 1А	I4 = 1B/5 Ом = 0,2А
I2 = 1В/2 Ом = 0,5А	I5 = 1B/10 Ом = 0,1А
I3 = 1B/3 Ом ≈ 0,33А	I6 = 1B/15 Ом ≈ 0,07А

Вывод: по результатам проведенных экспериментов мы выяснили, что сила в цепи напрямую зависит от напряжения. Во сколько раз мы увеличиваем напряжение в сети, во столько же раз увеличивается сила тока. Кроме напряжения сила тока еще зависит и от сопротивления. Чем больше сопротивление в цепи, тем меньше сила тока. Эти опыты позволяют проверить на практике закон Ома.

Заключение

Исследовательская работа была для меня увлекательной и познавательной, я узнал много нового для себя. Изучив теоретически закон Ома, причины возникновения электрического тока и выяснив, что является электрическим током, я понял, что закон Ома для участка цепи является основным законом электричества и находит широкое применение в жизни людей.

Он является очень полезным в технике, так как связывает три основные электрические величины: силу тока, напряжение и сопротивление. Опытным путем мы проверили зависимость силы тока от напряжения и сопротивления, и пришли к выводу: чем больше напряжение при постоянном сопротивлении, тем больше сила тока в цепи, чем больше сопротивление участка цепи, тем меньше сила тока.

Доказали, что закон Ома справедлив. Я узнал, что перегружать электроприборами сеть в доме, где провода не рассчитаны на большую силу тока, нельзя. Всегда необходимо соблюдать технику безопасности.

В процессе исследования у меня возникли такие вопросы. Почему резисторы, которые внешне почти ничем не отличаются, имеют разное сопротивление? Что влияет на его величину? Ответы на эти вопросы я планирую найти в будущем, т.е. продолжу изучать электрические явления.

Таким образом, цель и задачи, поставленные в начале исследования, полностью выполнены.

Список используемой литературы

Значение [Электронный ресурс].
Коротун В. Что такое перегрузка электросети и ее последствия [Электронный ресурс].
Cемейный портал «Дом и семья» [Электронный ресурс].
Учебник «Физика» для 8 класса А.В. Перышкин, 12-е изд., дораб.- М.: Дрофа, 2018.
Физика: Энциклопедия. Прохоров А., ред. М.: Дрофа, 2006

Если страница Вам понравилась, поделитесь в социальных сетях:

Как работает электричество, куда оно течет

В электрической цепи, включающей источник тока и потребитель электроэнергии, возникает электрический ток. Но в каком направлении возникает этот самый ток? Традиционно считается, что во внешней цепи ток имеет направление от плюса источника к минусу в то время, как внутри источника питания — от минуса к плюсу.

И действительно, электрический ток — это упорядоченное движение электрически заряженных частиц. В случае, если проводник изготовлен из металла, такими частицами служат электроны — отрицательно заряженные частицы. Однако во внешней цепи электроны движутся именно от минуса (отрицательного полюса) к плюсу (положительному полюсу), а не от плюса к минусу.

Если включить во внешнюю цепь полупроводниковый диод, то станет ясным, что ток возможен лишь тогда, когда диод подключен катодом в сторону минуса. Из этого следует, что за направление электрического тока в цепи принимают направление противоположное реальному движению электронов.

Если проследить историю становления электротехники как самостоятельной науки, можно понять, откуда возник такой парадоксальный подход.

Американский исследователь Бенжамин Франклин выдвинул в свое время унитарную (единую) теорию электричества. По этой теории электрическая материя является невесомой жидкостью, которая может вытекать из одних тел, при этом накапливаться в других.

Русский физик Ленц дал правило: если металлический проводник движется вблизи тока или магнита, то в нем возникает гальванический ток. И направление возникающего тока таково, что неподвижный провод пгва пришел бы от его действия в движение, противоположное исходному перемещению. Просто, облегчающее понимание правило.

Заказать

По Франклину, электрическая жидкость есть во всех телах, но наэлектризованными тела становится лишь тогда, когда в них имеет место избыток или недостаток электрической жидкости (электрического флюида). Недостаток электрического флюида (по Франклину) означал отрицательную электризацию, а избыток – положительную.

Так было положено начало понятиям положительного заряда и отрицательного заряда. В момент соединения тел заряженных положительно с телами, заряженными отрицательно, электрическая жидкость перетекает от тела с большим количеством электрической жидкости к телам с пониженным ее количеством. Это похоже на систему сообщающихся сосудов. В науку вошло устойчивое понятие электрического тока, движения электрических зарядов.

Эта гипотеза Франклина предварила электронную теорию проводимости, однако она оказалась совсем не безупречной. Французский физик Шарль Дюфе обнаружил, что в реальности есть два вида электричества, которые в отдельности подчиняется теории Франклина, однако при соприкосновении взаимно нейтрализуются. Появилась новая дуалистическая (двойственная) теория электричества, выдвинутая естествоиспытателем Робертом Симмером на основании опытов Шарля Дюфе.

При натирании, с целью электризации, электризуемых тел, заряженным становится не только натираемое тело, но и натирающее. Дуалистическая теория утверждала, что в обычном состоянии в телах содержатся два рода электрического флюида и в разных количествах, которые нейтрализуют друг друга. Объяснялась электризация изменением соотношения отрицательных и положительных электричеств в электризуемых телах.

Как гипотеза Франклина, так и гипотеза Симмера успешно объясняли электростатические явления и даже конкурировали между собой.

Изобретенный в 1799 году вольтов столб и открытие явления электролиза привели к выводам о том, что при электролизе растворов и жидкостей в них наблюдается два противоположных по направлению движения зарядов – отрицательное и положительное. Это было торжество дуалистической теории, ведь при разложении воды теперь можно было наблюдать, как на положительном электроде происходит выделение пузырьков кислорода, в то же время на отрицательном – водорода.

Но здесь не все было гладко. Количество выделяемых газов получалось разным. Водорода выделялось вдвое больше, чем кислорода. Это ставило физиков в тупик. Тогда химики еще не имели представления о том, что в молекуле воды присутствуют два атома водорода и всего один атом кислорода.

Но в 1820 году Андре-Мари Ампер в работе, представленной членам Парижской академии наук, сперва решает выбрать одно из направлений токов в качестве основного, но затем дает правило, согласно которому можно точно определить воздействие магнитов на электрические токи.

Чтобы все время не говорить о двух противоположных по направлению токах обоих электричеств, во избежание лишних повторений, Ампер решил за направление электрического тока строго принять направление движения именно положительного электричества. Так, впервые Ампером было введено до сих пор общепринятое правило направления электрического тока.

Этого положения придерживался позже и сам Максвелл, придумавший правило «буравчика», определяющее направление магнитного поля катушки. Но вопрос об истинном направлении электрического тока так и оставался открытым. Фарадей писал, что такое положение вещей лишь условно, оно удобно ученым, и помогает им ясно определять направления токов. Но это лишь удобное средство.

После открытия Фарадеем электромагнитной индукции, появилась необходимость определять направление индуцированного тока.

Даже после открытия электрона, эта условность существует более полутора столетий. С изобретением такого устройства, как электронная лампа, с широким внедрением полупроводников, стали возникать трудности. Но электротехника, как и прежде, оперирует старыми определениями. Порой это вызывает настоящую путаницу. Но внесение коррективов вызовет больше неудобств.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

2.1. Оценка энергетических процессов в электрических цепях с постоянным и с синусоидальным током

Для оценки энергетических процессов в электрических цепях применяются общепринятые понятия электротехники. Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов, которые являются носителями электрического тока. Электроны, положительные и отрицательные ионы внутри проводника создают ток проводимости, а противодействие проводника упорядоченному движению зарядов называется электрическим сопротивлением. Замкнутая электрическая цепь, в которой возможен ток, содержит источник энергии и элементы внешней электрической цепи. Работа сторонних сил, по перемещению положительных зарядов в источнике электрической энергии от вывода с низким потенциалом к выводу источника энергии с высоким потенциалом, называется электродвижущей силой (ЭДС). Положительные заряды через элементы внешней электрической цепи (провода, коммутационные аппараты, измерительные приборы и приемники электрической энергии) перемещаются под действием электростатических сил в электрической цепи от вывода источника энергии высокого потенциала к выводу источника энергии низкого потенциала. Работа сторонних сил в источнике энергии расходуется на работу тока в электрической цепи, а его величина пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению всех элементов замкнутого контура. Напряжение между двумя точками в электрической цепи возникает, если совершается работа по перемещению электрических зарядов из одной точки в другую.

Электрические величины характеризуются мгновенным, средним и действующим значениями ЭДС, напряжения и тока, а заводами изготавливаются измерительные приборы для количественной и качественной оценки. Мгновенные значения электрических величин записываются в виде аналитических выражений e(t), u(t), i(t) или изображаются графически линиями, которые являются геометрическим местом точек электрической величины в моменты времени t. На экране электронного осциллографа линия мгновенных значений электрических величин в функции времени вычерчивается электронным лучом. На экране осциллоскопа мгновенные значения электрических величин отмечаются точками пропорционально сигналам с датчиков или с вычислительных блоков аналитического формирования электрического сигнала в функции времени t.

Средние значения электрических величин E₀, U₀, I₀ рассчитываются или измеряются на интервале времени Т, например

(2.1)

Устройством и принципом действия приборов для измерения средних значений E₀, U₀, I₀ обеспечивается реализация аналитической зависимости (2.1), а на шкале приборов или на переключателе мультиметра указывается условное обозначение «–» в виде прямой линии. Средние значения электрических величин соответствуют постоянной составляющей ряда Фурье.

Действующие значения электрических величин E, U, I рассчитываются или измеряются на интервале времени Т, например

(2. 2)

Устройством и принципом действия приборов для измерения действующих значений E, U, I обеспечивается реализация аналитической зависимости (2.2), а на шкале приборов или на переключателе мультиметра указывается условное обозначение «~» в виде волнообразной линии. Действующее значение электрических величин в математике принято называть среднеквадратичной величиной функции за время Т.

Если ток не меняется во времени и одинаковый во всех сечениях проводника, то такой ток принято называть постоянным или стационарным током. Мгновенные значения постоянного тока находятся на прямой линии, параллельной оси времени. Расстояние от оси времени до прямой линии мгновенных значений умноженное на масштаб тока является средним и действующим значением электрической величины.

В электротехнике широко применяются периодические величины, которые изменяются во времени по величине и по направлению, которые принято называть переменными величинами. Широко применяются на практике переменные электрические величины, изменения которых повторяются через равные промежутки времени Т, называемые периодом.

Рис.2.1. Переменные периодические электрические величины

Источники энергии переменного тока генерируют ЭДС, которая изменяется по синусоидальному закону. С помощью полупроводниковых преобразователей формируются прямоугольные, прямоугольно-ступенчатые формы переменного напряжения. Широтно-импульсной модуляцией формируется огибающая прямоугольного напряжения, которая приближается к синусоидальной форме переменного напряжения. Переменные электрические величины характеризуются амплитудой E_m, U_m, I_m – максимальной величиной мгновенного значения переменных электрических величин. Циклическая частота периодических функций f = 1/T позволяет рассчитать их угловую частоту ω = 2πf, которая применяется для аналитического выражения периодической величины.

(2.3)

С помощью начальной фазы ψ (2.3), которая является составляющей аргумента синуса ωt + ψ – фазы, можно задать мгновенное значение синусоидальной функции при t= 0.

Способность тока нагревать проводник, по которому он протекает, позволяет использовать это свойство для характеристики переменного тока с любой формой кривой мгновенных значений. Действующее значение переменного тока численно равно постоянному току, если при прохождении переменного тока и постоянного тока за одно и то же время Т в проводнике выделяется одинаковое количество тепловой энергии.

Кривые мгновенных значений переменных периодических электрических величин обычно симметричны относительно оси времени за период повторения. Действующим значением несинусоидальных электрических величин учитываются действующие значения спектра нечетных гармонических составляющих ряда Фурье.

На практике получили широкое применение электрические цепи, в которых электрический ток имеет постоянное направление и изменяется по величине.

Рис.2.2. Пульсирующие периодические электрические величины

Такие цепи, контуры и устройства называют электрическими цепями, контурами и устройствами с импульсными, пульсирующими токами. В электротехнике изменения во времени пульсирующих величин повторяются через равные промежутки времени Т. Для анализа электрических величин применяется принцип суперпозиции. Пульсирующие периодические электрические величины аналитически выражают составляющими ряда Фурье, состоящего из постоянной и спектра синусоидальных гармонических функций с различными амплитудами, частотами и начальными фазами.

Оценку энергетического процесса можно получить в электрической цепи синусоидального тока с активно-индуктивным сопротивлением.

Рис. 2.3. Схема участка электрической цепи с элементами R и L.

К участку электрической цепи (рис. 2.3) прикладывается синусоидальное напряжение

(2. 4)

Под действием напряжения (2.4) в электрической цепи протекает ток

(2.5)

Умножением выражения (2.4) на (2.5) можно получить значения мгновенной мощности

(2.6)

В электрической цепи (рис. 2.3), если мгновенные значения напряжения и тока на интервале времени одновременно положительные или отрицательные, то мгновенная мощность s(t) положительна (рис. 2. 4). В это время электрическая энергия необратимо преобразуется в иной вид энергии и накапливается в реактивном элементе в виде энергии магнитного поля. На интервале времени, когда u(t) и i(t) имеют разные знаки, мгновенная мощность имеет отрицательный знак (рис. 2.4), а энергия магнитного поля преобразуется в электрическую энергию и возвращается к источнику.

Рис. 2.4. Временные диаграммы мгновенных значений u, i, s в электрической цепи с элементами R и L

Постоянную составляющую в выражении (2. 6), среднее значение мгновенной мощности за период Т на рисунке 2.4. принято называть активной мощностью Р. Активная мощность характеризует ту часть электрической энергии, которая передается от источника к приемнику и необратимо преобразована в другой вид энергии

(2.7)

где U, I – соответственно действующее значение напряжения, тока;

φ – угол сдвига по фазе мгновенных значений тока относительно мгновенных значений напряжения.

Преобразование электрической энергии в иной вид энергии и процесс энергообмена в электрической цепи выполняются за счет работы сторонних сил источника энергии. Сокращается время работы сторонних сил (рис. 2.4) источника энергии для преобразования электрической энергии в иной вид энергии на время φ за период мгновенной мощности и снижается энергетическая эффективность системы в целом.

Произведение действующих значений напряжения и тока (2.6, 2.7), то есть амплитуду колебаний мгновенной мощности s(t) на рисунке 2. 4 относительно средней мощности Р, в электротехнике принято называть полной мощностью S

(2.8)

Полной мощностью характеризуется вся электрическая энергия в электрической цепи.

Частота переменной составляющей мгновенной мощности в выражении (2.6) в два раза выше частоты напряжения и тока, а ее положительные и отрицательные значения свидетельствуют о процессах обмена энергией в электрической цепи между источником и приемником электрической энергии. Левую и правую части выражения (2.8) возведем в квадрат и умножим на cos²φ + sin²φ= 1, тогда

(2.9)

Или

(2.10)

где Q = U·I·sinφ – реактивная мощность, применяется для характеристики электрической энергии, которая расходуется на энергообмен в электрической цепи.

Если работа сторонних сил в источнике энергии, направленная на генерирование, передачу энергии и на выполнение работы в приемнике электрической энергии выполняется при минимально необходимом для этого токе, то потери энергии в системе минимальны. Таким образом, условие обеспечения минимального тока в электрической цепи и высокой эффективности энергетических процессов в системе выполняется, если электрическая энергия источника постоянно преобразуется в иной вид энергии, то есть когда φ = 0, а S = P.

Для оценки эффективности преобразования электрической энергии в иной вид энергии в электрических цепях синусоидального тока применяется коэффициент мощности

(2.11)

Для электрических цепей переменного несинусоидального напряжения и тока, для электрических цепей с пульсирующими напряжениями и токами равенство (2.10) не выполняется.

В электрических цепях с полупроводниковыми приборами время работы сторонних сил источников энергии для преобразования электрической энергии в иной вид энергии может сокращаться не только из-за времени работы сторонних сил источников на энергообмен, но и по другим причинам, поэтому .

пред. стр.

след. стр.

Понимание течения электрического тока

Для большинства людей электричество — это таинственная сила, которая каким-то волшебным образом появляется, когда мы щелкаем выключателем или подключаем электроприбор. Тем не менее, хотя наука, стоящая за потоком электричества, очень сложна, основы электрического потока или тока , легко понять, если вы изучите некоторые ключевые термины и функции. Это также помогает сравнить поток электричества по проводам с потоком воды по трубам. Хотя аналогия не идеальна, многие характеристики электрического потока в проводах цепи аналогичны потоку воды в водопроводной системе.

Вот что вам нужно знать о том, как течет электричество.

01 05
Движущиеся электроны
Шариф Тарабай / Getty Images
То, что мы называем электрическим током, происходит на уровне частиц между атомами проводящего материала — в бытовой цепи это медная проводка. В каждом атоме есть три типа частиц: нейтроны, протоны (несущие положительный электромагнитный заряд) и электроны (несущие отрицательный заряд). Важнейшей частицей здесь является электрон, поскольку он обладает уникальной способностью отделяться от своего атома и перемещаться к соседнему атому. Этот поток электронов создает электрический ток — скачок отрицательно заряженных электронов от атома к атому.
Как работают генераторы
Что приводит электроны в движение? Физика сложна, но, по сути, электрический ток в проводах цепи возможен благодаря генератору коммунальных услуг (турбине, питаемой ветром, водой, атомным реактором или сжиганием ископаемого топлива). В 1831 году Майкл Фарадей обнаружил, что электрические заряды возникают, когда проводящий электричество материал (металлическая проволока) перемещается в магнитном поле. Это принцип, по которому работают современные генераторы: турбины, приводимые в действие падающей водой или паром, создаваемым ядерными реакторами, вращают огромные витки металлической проволоки внутри гигантских магнитов, тем самым создавая электрические заряды.
При установлении этого массивного электрического поля положительных и отрицательных зарядов электроны в проводах по всей энергосистеме начинают действовать и начинают течь в ритме с электрическим полем. Когда вы щелкаете выключателем, включаете лампу или тостер, вы на самом деле подключаетесь к огромному потоку электронов, который вытягивается и выталкивается коммунальными генераторами, которые могут быть в сотнях миль от вас.
Электрические генераторы иногда сравнивают с водяными насосами — они не производят электричество (точно так же, как водяной насос не создает воду), но они делают возможным поток электронов.
02 05
Ток = Поток электроэнергии
Виктор Де Шванберг/Science Photo Library/Getty Images
Термин ток относится к простому потоку электронов в цепи или электрической системе. Вы также можете сравнить электрический ток с количеством или объемом воды, протекающей по водопроводной трубе. Электрический ток измеряется в амперах или амперах.
Переменный и постоянный ток
Электрический ток бывает двух видов: переменный ток (AC) и постоянный ток (DC). Технически постоянный ток течет только в одном направлении, а переменный ток меняет направление. В повседневных терминах переменный ток — это форма электричества, создаваемого генератором, который питает освещение, приборы и розетки в вашем доме, а постоянный ток — это форма энергии, обеспечиваемая батареями. Например, ваши фонарики — это системы постоянного тока, в то время как в домашних розетках используется система переменного тока.
Многие возобновляемые источники энергии, такие как солнечные и ветряные генераторы, производят электричество постоянного тока, которое преобразуется в переменный ток для использования в домашних условиях. Аккумулятор автомобиля представляет собой систему постоянного тока, используемую для запуска двигателя, но как только двигатель запускается, электрическая система автомобиля имеет генератор переменного тока, который начинает создавать переменный ток для работы различных систем.
03 из 05
Напряжение = Давление
Марек Ягода / EyeEm / Getty Images
Напряжение, также известное как электродвижущая сила часто определяется как давление электронов в системе. Его можно сравнить с давлением воды в трубе. Стандартные электрические цепи в вашем доме имеют напряжение около 120 вольт (фактическое напряжение может варьироваться от 115 до 125 вольт) или 240 вольт (фактический диапазон: от 230 до 250 вольт). Большинство осветительных приборов и розеток питаются от цепей на 120 вольт, в то время как сушилки, плиты и другие крупные приборы обычно используют цепи на 240 вольт.
04 из 05
Мощность = Скорость потока
Том Чанс / Getty Images
Термин «мощность» относится к скорости , с которой электрическая энергия рассеивается, или потребляется. Общее количество электроэнергии, потребляемой электрической системой в вашем доме, считывается с помощью электросчетчика коммунальной компании. Она измеряется в киловатт-часах или 1000 ватт-часов, и именно так вам выставляется счет.
Каждое электрическое устройство, такое как светильник или электроприбор, имеет коэффициент использования, измеряемый в ваттах. Например, 100-ваттная лампочка, горящая 10 часов, потребляет один киловатт-час электроэнергии.
Амперы, вольты и ватты существуют в математической зависимости друг от друга, выражаемой следующим образом: Вт = Вольт x Ампер
Если прибор рассчитан на 120 вольт и 10 ампер, он будет потреблять до 1200 ватт во время работы: 120 вольт x 10 ампер = 1200 ватт.
05 из 05
Ом = сопротивление
Стэнли К. Патц / Getty Images
Ом является измерением сопротивления потоку электронов через проводящий материал. Чем выше сопротивление, тем меньше поток электронов. Это сопротивление вызывает выделение определенного количества тепла в цепи. Например, фен дует горячим воздухом из-за сопротивления внутренней проводки, которая выделяет тепло. И именно сопротивление в крошечных проводах лампы накаливания заставляет ее нагреваться и светиться. Это также сопротивление, которое может привести к перегреву удлинителя, если он используется с прибором, который потребляет слишком много тока.
В электрической цепи слишком большое сопротивление может привести к перегрузке цепи и вызвать электрический пожар. Поскольку плохие соединения, вызванные такими вещами, как ослабление винтовых клемм и коррозия, вероятные виновники, электрические соединения следует регулярно проверять, чтобы обеспечить безопасность в электрической системе. Если у вас есть какие-либо опасения по поводу вашей работы с электричеством или вы хотите принять меры по обеспечению безопасности, подумайте о том, чтобы нанять профессионала для проведения плановой проверки.

Понимание электричества — узнайте об электричестве, силе тока, напряжении и сопротивлении

gif»>


»
	»	Энергия Продукты консервации
	»	Энергия Системы сохранения

»

	»
	»
	»
	»



»

	»
	»
	»
	»

Дом > Поддержка > Понимание электричества

Понимание электричества

Что такое электричество?
Ток, напряжение и сопротивление
Как измерять ток, напряжение и сопротивление
Как работает электричество?

Что электричество?

Любая бытовая техника, которую мы используем в нашей повседневной жизни, таких как бытовая техника, офисное оборудование и промышленное оборудование, почти все это потребляет электричество. Поэтому мы должны понимать электричество.

Первый вопрос, который мы узнаете ответ « откуда берется электричество родом из? »

Все материи состоят из атомы. Затем задайте следующий вопрос: « Что такое атомы? ».
Атомы — наименьшая часть элемента. Они состоят ядра и электронов, электроны окружают ядро. Элементы определяются по количеству электронов на орбите вокруг ядра атомов и по количеству протонов в ядре.

Ядро состоит из протонов и нейтронов, а количество протоны и нейтроны уравновешены.

Нейтроны не имеют электрического заряда, протоны имеют положительный заряд (+), а электроны – отрицательный. обвинения (-). Положительный заряд протона равен отрицательному заряду электрона.

Электроны связаны на своей орбите притяжением протонов, но электроны во внешней зоне могут освободиться от своей орбиты некоторые внешние силы. Их называют свободными электронами, которые движутся от одного атома к другому, создаются потоки электронов. Это основа электричества. Материалы, позволяющие многим электроны для свободного движения называются проводники а материалы, которые позволяют двигаться небольшому количеству свободных электронов, называются изоляторы .

Все вещества состоят из атомов, имеющих электрические заряды. Следовательно, они имеют электрические заряды. Для того, что имеет сбалансированный число протонов и электронов, сила положительного заряда и сила отрицательного заряда уравновешена. Это называется нейтральное состояние атома. (Количество протонов и электронов остается равным.)

« Статическое электричество » представляет собой ситуацию, когда все вещи состоят из электрического обвинения. Например, трение материала о другой может вызвать статическое электричество. Свободные электроны одного материала двигаться с силой, пока они не освободятся от своих орбит вокруг ядра и перейти к другому. Электроны одного материала уменьшаются, это представляет положительные заряды. В то же время электроны другого увеличивается, имеет отрицательные заряды.

В общем зарядить производство материи означает, что материя имеет электрические заряды. Имеет положительные и отрицательные заряды, что выражается в кулон.

Текущий, Напряжение и сопротивление

Что такое ток?
Электрическое явление вызвано потоком свободных электронов от одного атома к другому. Характеристики тока электричества противоположны тем статического электричества.

Провода состоят из таких проводников, как медь или алюминий. Атомы металлов состоят из свободных электронов, которые свободно перемещаться от одного атома к другому. Если добавить электрон в проводе свободный электрон притягивается к протону, чтобы стать нейтральным. Вынуждение электронов со своих орбит может вызвать недостаток электронов. Электроны, которые непрерывно движутся по проводу, называются Электрический Текущий .

Для одножильных проводников электрический ток относится к направленному отрицательных электронов к положительным от одного атома к другому. Жидкость проводники и газовые проводники, электрический ток относится к электронам а протоны текут в обратном направлении.

Ток — это поток электронов, но ток и электроны текут в противоположное направление. Ток течет от плюса к минусу а электрон течет от минуса к плюсу.

Ток определяется количеством электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за одну секунду. Ток измеряется в ампер , что сокращенно « ампер «. Обозначение усилителя — буква « A ».

Ток в один ампер означает что ток проходит через поперечное сечение двух проводников, которые расположены параллельно на расстоянии 1 м друг от друга с 2×10 ^-7 Ньютон сила на метр возникает в каждом проводнике. Это также может означать обвинения одного кулона (или 6,24×10 ¹⁸ электронов), проходящего через поперечное сечение проводника за одну секунду.

Что такое напряжение?
Электрический ток — это поток электронов в проводнике. Сила необходимое для протекания тока по проводнику, называется напряжение и потенциал это другой термин напряжения. Например, у первого элемента больше положительные заряды, поэтому он имеет более высокий потенциал. С другой стороны, второй элемент имеет более отрицательные заряды, поэтому он имеет более низкий потенциал. Разница между двумя точками называется разность потенциалов .

Электродвижущая сила означает силу, которая заставляет ток непрерывно течь через дирижер. Эта сила может быть получена от генератора энергии, аккумулятор, аккумулятор для фонарика и топливный элемент и т. д.

Вольт, сокращенно « В », является единицей измерения используются взаимозаменяемо для напряжения, потенциала, и электродвижущая сила. Один вольт означает силу, которая заставляет ток в один ампер проходит через сопротивление в один ом.

Что такое сопротивление?
Электроны движутся через проводник при протекании электрического тока. Все материалы мешают протекание электрического тока в некоторой степени. Эта характеристика называется сопротивление . Сопротивление увеличивается с увеличением длины или уменьшением поперечного сечения материал.

Единица измерения сопротивления Ом а его символ — греческая буква омега ( Ω ). Сопротивление в один ом означает, что проводник пропускает ток один ампер, чтобы течь с напряжением один вольт.

Все материалы отличаются тем, что пропускают электроны. Материалы которые позволяют многим электронам свободно течь, называются проводниками такие как медь, серебро, алюминий, соляной раствор, серная кислоты и соленой воды. Напротив, материалы, которые пропускают мало электронов течь называется изоляторы например пластиковые, резина, стекло и сухая бумага. Другой тип материалов, полупроводники обладают свойствами как проводников, так и изоляторов. Они позволяют электронам двигаться, будучи в состоянии контролировать поток электроны и примерами являются углерод, кремний и германий и т. д.

Сопротивление проводника зависит от двух основных факторов, таких как:

	1.	Типы материалов
	2.	Температура материала

Как измерить силу тока

Прибор для измерения тока называется амперметр или амперметр .

	Шаги для текущего измерения Подсоедините маленькую лампочку к сухому элементу. Измерить ток который проходит через лампочку, соединяя плюсовую клемму (+) амперметра к минусовой клемме (-) сухого элемента (см. рисунок)
	Инструкции по технике безопасности при измерении тока;
	1.	Расчетный ток, который необходимо измерить затем выберите подходящий амперметр, так как каждый амперметр имеет разные предел измерения тока.
	2.	Убедитесь, что соединение с плюсовой клеммой (+) и минусовая клемма (-) амперметра исправны.
	3.	Не подключайте клеммы амперметра напрямую к клеммам сухих батарей. Так как это может повредить счетчик.

Как измерить напряжение
Прибор для измерения напряжения, разности потенциал или электродвижущая сила называется вольтметр .

	Этапы измерения напряжения Подсоедините небольшую лампочку к сухому элементу. Вольтметр подключил параллельно лампочке для измерения напряжения через лампочку. Подключите положительную клемму (+) вольтметр к положительной клемме (+) сухого элемента и подключите минусовая клемма (-) вольтметра к минусовой клемме (-) сухого элемента (см. рисунок).
	Инструкции по технике безопасности при измерении Напряжение;
	1.	Расчетное напряжение, которое необходимо измерить затем выберите подходящий вольтметр, так как каждый вольтметр рассчитан на предел измерения напряжения.
	2.	Убедитесь, что подключение плюсовой клеммы (+) и минусовая клемма (-) вольтметра исправны.

Как измерить сопротивление
Прибор, используемый для измерения сопротивление называется тестер или мультиметр . Мультиметр или измерительный прибор используется для создания различных электрических такие измерения, как ток, напряжение и сопротивление. Он сочетает в себе функции амперметра, вольтметра и омметра.

Шаги для измерения сопротивления
Поверните лицевую шкалу в положение для требуемого измерения, сопротивления, затем прикоснитесь к обеим клеммам мультиметра (см.

рис. 1) и установите диапазон измерителя на 0 Ом. Трогать оба вывода измерителя к сопротивлению и взять чтения (см. рис. 2).

Как работает электричество?

Электрический ток – это способность делать работу. Электрический ток может быть преобразован в тепло, энергию и магнетизм, чтобы назвать несколько.

Электрический ток классифицируется по своим функциям и три основных типа:

1.	Теплоэнергия
2.	Электрохимия
3.	Магнетизм

1. Тепло и электроэнергия используется для производства тепла и электроэнергии.

Например, нихромовая токоведущая проволока, которая нихромовая провод имеет высокое сопротивление и создает тепло. Это применяется быть составной частью электрических духовок, тостеров, электрических утюгов и лампочки и т.д.

Эксперимент проводится путем измерения количество теплоты воды по калориметру.

Увеличьте напряжение на подключите вариатор и подключите амперметр и вольтметр для измерения тока и напряжения.
Установите шкалу вариатора для регулировки значения напряжения и тока нихромовой проволокой и периодически пропускают ток. измерить количество теплоты от нихромовой проволоки. Есть какие-то признаки напряжения и тока. Если напряжение, ток и время увеличиваются, количество тепла также увеличится. Они выражаются тем, отношение, как показано ниже.

Это называется Джоуля закон . Количество тепла зависит от напряжения, времени, тока и интервал времени. По закону Ома V (напряжение) = I (ток).

x R (Сопротивление), поэтому

Количество тепла зависит от ток в квадрате, умноженный на сопротивление и интервал времени.

При пропускании тока через нихромовую проволоку в воде ток превращается в тепло и температура повышается. Работа выполняется тепло, выделяемое в электрической цепи, которая называется Electric мощность .

Электрическая мощность измеряется в ватт-часах (Втч), а количество тепла измеряется в калориях (Кал).

Работа совершается за счет выделяемого тепла в электрической схеме пишется мощность, что значит что скорость работы выполняется в цепи, когда 1 ампер течет с Применяется 1 вольт, а его единицей измерения является ватт.

Заключение

2. Электрохимия

Например, при пропускании тока через хлорид натрия (NaCl) раствор, химическая реакция, называемая электролизом имеет место. Применяется для производства электролиза, цинкования аккумулятор и т. д.

Эксперимент проводится путем замачивания двух платиновых (Pt) пластин в расплавленной соли. Подсоедините батарейки к двум платиновым пластинам, ток проходит через расплавленную соль и производит хлор пузырьки вокруг положительной пластины (+) и пузырьки водорода вокруг отрицательной пластины (-), так как хлорид натрия составляет натрия (Na) и хлорида (Cl). Когда хлорид натрия тает в воде, элементы разделяются. Натрий имеет положительные заряды (+), а хлор имеет отрицательные заряды (-) и эти заряды называются ионы . Расплавленная соль имеет оба положительных заряда, называемых анодами , а отрицательные заряды называются катодами . Состояние разделенных элементов называется ионизацией . Если соль расплавится водой, раствор будет доступен ионам, называется раствор электролита . А если ток пропускают через раствор электролита, происходит химическая реакция происходит так называемый электролиз.

3. Магнетизм

Примером этой электрической работы является токоведущая проволоки, возникают магнитные линии потока. Это применяется для производства электродвигатели, электрические трансформаторы и магнитофоны, и т.д.

Понимание значения магнетизма:
Что такое магнетизм?

Составная формула магнита Fe ₃ O ₄ . Все магниты имеют две характеристики.

Во-первых, они привлекают и держи железо. Вторичный, если свободно двигаться, как компас иглы, они примут положение север-юг. Любые материалы имеют эти характеристики, они называются магнит .

Характеристики магнита
	Каждый магнит имеет два полюса, один северный полюс и один один южный полюс.
	Противоположные полюса притягиваются друг к другу, в то время как подобные полюса отталкиваются друг от друга.

Электричество и магнитное поле При размещении магнитной стрелки рядом с электрическим проводом, который проходит ток, магнитная стрелка поворачивается направление тока (см. рис. 1 и 2). Следовательно, поток электрического тока также создает связанное с ним магнитное поле. силу или говорят, что электричество способно производить магнитное поле.
При размещении магнитной стрелки в проволочной катушке с одной петлей (см. рисунок) и ток проходит через проволочную катушку, магнитную игла поворачивается в направлении, как показано на рисунке выше. А направления магнитных линий потока показаны стрелки.
Когда магнитная стрелка помещается в проволочную катушку с множеством петель как показано на правом рисунке, то ток проходит через катушка. Направление магнитных линий потока параллели проволочная катушка. Характеристики магнитных линий потока как характеристики магнита, но без магнитного полюса.
Когда катушка с токоведущим проводом находится рядом с железным стержнем, железный стержень слегка сдвинется (см. рис. 1). Если ядро размещено в проволочной катушке железный стержень сильно притягивается (см. фигура 2). Поскольку сердечник представляет собой мягкое железо, проводящее магнитные силовые линии при пропускании тока через проволочную катушку вокруг сердечника, сердечник намагничивается с большой силой это называется электромагниты . Эта функция широко применяется для использования в промышленности.

Объяснение урока: Расчет силы тока в проводе

В этом объяснении мы научимся рассчитывать силу тока в простой цепи.

Цепь — это путь, по которому может протекать электрический заряд.

Электрический заряд измеряется в кулонах. Символ единицы для кулона С; например, заряд электрона выражается как −1,6×10 C.

Поток электрического заряда представляет собой электрический ток. Электрический ток измеряется в единицах «ампер». Символ единицы для ампер A.

Кулоны и ампер обычно используются, когда изучая электричество, и важно помнить, что они измеряют разные вещи. кулон измеряет заряд, а ампер измеряет поток бесплатно.

Один ампер тока равен один кулон заряда, проходящего через точку провода в одна секунда. Мы можем измерить, сколько заряда проходит в течение любого промежутка времени — это не должно быть только одна секунда. Мы просто находим ток, разделив сумма заряда по времени, за которое был измерен заряд.

Ток можно рассчитать по формуле 𝐼=𝑄𝑡, где 𝐼 представляет ток, 𝑄 представляет заряд, а 𝑡 представляет время.

Определение: электрический ток в проводе

Электрический ток 𝐼 в проводе можно найти по формуле 𝐼=𝑄𝑡, где 𝑄 представляет собой количество заряда, которое проходит через точку провода в течение некоторого времени, 𝑡.

Мы можем попрактиковаться в использовании этого уравнения на нескольких примерах.

Пример 1: расчет потока заряда при заданном токе

На схеме показана электрическая цепь, состоящая из элемента и лампочки. Ток в цепи равен 2 ампера. Сколько зарядов проходит мимо точки P в цепи за 1 секунду?

Ответить

Напомним, что один ампер тока определяется как один кулон заряда, проходящего через точку за одну секунду.

Нам говорят, что сила тока в цепи равна 2 А.

Следовательно, мы знаем, что через точку проходит 2 кулона заряда П за 1 секунду.

Пример 2: Сравнение токов в нескольких цепях

Fares устанавливает три цепи. Он измеряет, сколько заряда проходит через каждую цепь за то же время. Его результаты представлены в следующей таблице.

	Charge	Time
Circuit 1	20 coulombs	5 seconds
Circuit 2	25 coulombs	5 seconds
Circuit 3	12 coulombs	5 секунд

Какая цепь имеет наибольший ток?

Ответ

Напомним, что ток можно найти по формуле 𝐼=𝑄𝑡, где 𝐼 — ток, 𝑄 — заряд, а 𝑡 — время.

Мы подставим значения из таблицы в приведенное выше уравнение для расчета текущих значений 𝐼, 𝐼 и 𝐼. Нижние индексы 1, 2 и 3 указывают, для какой цепи измеряется ток.

Подставляя в схему 1 измерения заряда и времени, имеем 𝐼=205=4.CsA

Следовательно, сила тока в цепи 1 составляет 4 ампера.

Переходя к схеме 2, мы имеем 𝐼=255=5.CsA

Ток в цепи 2 составляет 5 ампер.

Для контура 3, 𝐼=125=2,4.CsA

Значит, сила тока в цепи 3 составляет 2,4 ампера.

Следовательно, цепь 2 имеет наибольший ток.

Пример 3: Сравнение токов в нескольких цепях

На схеме показаны две цепи, цепь 1 и цепь 2. В цепи 1, Через лампочку протекает заряд 28 Кл. 14 секунд. В цепи 2, Через зуммер проходит заряд 9 кул. 3 секунды. В какой цепи сила тока больше?

Ответ

Мы хотим сравнить ток в двух разных цепях. Напомним формулу расчета тока, 𝐼=𝑄𝑡, где 𝐼 — ток, 𝑄 — заряд, а 𝑡 — время. Мы можем найти ток в цепях, подставив данные количества заряда и времени для каждой цепи в это уравнение.

Для контура 1 имеем 𝐼=2814=2.CsA

Итак, мы нашли, что сила тока в цепи 1 составляет 2 ампера.

Для контура 2 имеем 𝐼=93=3.CsA

Ток в цепи 2 составляет 3 ампера.

Следовательно, ток больше в цепи 2 .

Пример 4: Зависимость между током и количеством заряда, движущегося в цепи

На схеме показана электрическая цепь, содержащая элемент и лампочку. Количество заряда, протекающего мимо точки P в одну секунду 12 кулонов. Если количество заряда, протекающего мимо точки P за одну секунду должны были удвоиться, на во сколько раз изменится сила тока в цепи?

Ответ

Мы хотим понять, как удвоение количества заряда, протекающего через точку, влияет на ток в цепи. мы можем начать вспомнив формулу тока, 𝐼=𝑄𝑡, где 𝐼 — ток, 𝑄 — заряд, а 𝑡 — время. Мы будем используйте эту формулу, чтобы найти два текущих значения, которые мы будем называть 𝐼o и 𝐼d. нижние индексы o и d указывают на схему с исходным или удвоил сумму заряда.

Чтобы вычислить первоначальную величину тока, мы имеем 𝐼=121=12,oCsA поэтому ток изначально 12 ампер.

После удвоения количества заряда получается 24 кулона прохождение точки P за одну секунду. Подставляя это в уравнение, мы имеем 𝐼=241=24.dCsA

После удвоения заряда ток 24 ампера.

Таким образом, увеличение точки прохождения заряда P в одна секунда в 2 раза увеличивает ток до увеличить на а коэффициент 2 .

Пример 5: Понимание электрического тока в цепи

Объясните, что подразумевается под фразой электрический ток в цепи .

Ответ

Нас попросили написать краткое описание электрического тока в цепи. Для начала вспомним, что электрический ток это движение электрического заряда. Ток измеряет, насколько быстро заряд проходит через что-либо.

В цепи мы видим отрицательно заряженные электроны, движущиеся по проводу. Мы смотрим на одну точку провода, чтобы измерить его ток.

Давайте закончим резюмированием некоторых важных понятий.

Ключевые моменты

Электрический заряд измеряется в кулонах; символ для кулон C.
Электрический ток измеряется в амперах; символ для ампер A.
Один ампер равен одному кулону прохождения точки на проводе за одну секунду.
Мы можем рассчитать ток, 𝐼, используя формулу 𝐼=𝑄𝑡, где 𝑄 представляет собой количество заряда, проходящего через точку за время, 𝑡.

Расчеты и концепции схем — физика для старших классов

Все ресурсы по физике для старших классов

6 диагностических тестов 233 практических теста Вопрос дня Карточки Learn by Concept

← Предыдущая 1 2 3 4 5 Следующая →

Справка по физике для старших классов » Электричество и магнетизм » Электрические схемы » Схемные расчеты и концепции

Какое напряжение в цепи с током и сопротивлением?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Пояснение:

Для этой задачи используйте закон Ома: . В этом уравнении напряжение, ток и сопротивление.

Подставьте данные значения и определите напряжение.

Сообщить об ошибке

Какова сила тока в цепи с напряжением и общим сопротивлением ?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Пояснение:

Для этой задачи используйте закон Ома: . В этом уравнении напряжение, ток и сопротивление.

Мы можем изменить уравнение, чтобы решить его специально для .

Подставьте данные значения напряжения и сопротивления, чтобы найти ток.

Сообщить об ошибке

Чему равно сопротивление в цепи с напряжением и током?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Пояснение:

Для этой задачи используйте закон Ома: . В этом уравнении напряжение, ток и сопротивление.

Мы можем изменить уравнение, чтобы решить его специально для .

Подставьте данные значения напряжения и тока и определите сопротивление.

Сообщить об ошибке

Аккумулятор подключен к цепи. Измеренный ток. Чему равно сопротивление?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Объяснение:

Для этой задачи используйте закон Ома: .

Нам известны напряжение и ток, что позволяет нам найти сопротивление.

Сообщить об ошибке

Замкнутая электрическая цепь устроена так, что есть ток и напряжение . Какое сопротивление в цепи?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Объяснение:

Для этой задачи используйте закон Ома: .

Нам даны ток и напряжение. Используя эти термины, мы можем найти сопротивление.

Сообщить об ошибке

Ток в цепи равен . Если напряжение, то каково полное сопротивление?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Объяснение:

Для этой задачи используйте закон Ома:

Нам известны ток и напряжение, что позволяет нам найти сопротивление.

Сообщить об ошибке

Суммарное сопротивление электрической цепи составляет . Какой ток?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Объяснение:

Для этой задачи используйте закон Ома:

Нам известны сопротивление и напряжение, что позволяет нам найти ток.

Сообщить об ошибке

Электрическая цепь имеет ток и сопротивление. Какое напряжение?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Объяснение:

Для этой задачи используйте закон Ома:

Нам известны сопротивление и ток, что позволяет нам найти напряжение.

Сообщить об ошибке

Электрическая цепь имеет ток и сопротивление. Какое напряжение?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Объяснение:

Для этой задачи используйте закон Ома:

Нам известны сопротивление и ток, что позволяет нам найти напряжение.

Сообщить об ошибке

Цепь имеет ток, , напряжение, и сопротивление, . Если напряжение остается постоянным, а ток удваивается (), каким должно быть новое сопротивление?

Возможные ответы:

Недостаточно информации для решения. Объяснение:

Чтобы решить эту задачу, используйте закон Ома:

Поскольку мы удваиваем ток, но напряжение остается прежним, мы можем приравнять наши старое и новое уравнения друг к другу.

Мы знаем, что второй ток в два раза больше первого.

Используйте это уравнение, чтобы подставить ток в первое уравнение.

Начальный ток теперь компенсируется с обеих сторон.

Разделите обе части на два, чтобы выделить окончательную переменную сопротивления.

Сообщить об ошибке

← Назад 1 2 3 4 5 Далее →

Уведомление об авторских правах 233 практических теста Вопрос дня Карточки Учитесь по концепции

Electric Circuits – IB Physics Stuff

5.

2.1 Описать простую модель электропроводности в металле

Металл можно рассматривать как решетку положительно заряженных ионов в море отрицательно заряженных электронов. Некоторые из электронов в металле свободны в движении, электронами, которые свободны в движении, являются электроны, образующие электрический ток.

Свободные электроны движутся в металле с высокими скоростями, достигающими 106 мс-1, при этом они также сталкиваются с положительно заряженными ионами. Результатом всех столкновений является нулевое движение электронов, то есть отсутствие тока.

Когда на проводнике возникает разность потенциалов, возникает электрический ток, т. е. суммарный поток электронов в проводнике. Из-за всех столкновений реальная скорость среднего электрона по проводнику очень мала. Было подсчитано, что средняя скорость электрона составляет порядка 10-4 мс-1. Скорость электрона в проводнике называется скоростью дрейфа. Когда электрон сталкивается с положительными ионами, он отдает свою энергию, и проводник нагревается.

5.2.2 Дайте определение электрическому току

Электрический ток представляет собой суммарный поток электрически заряженных частиц, он может возникать в твердых телах, жидкостях или газах. Электрический ток является фундаментальной единицей в физике. Сила тока измеряется в амперах и определяется как:

«Один ампер — это такой постоянный ток, который, если его поддерживать в двух прямых параллельных проводниках бесконечной длины с ничтожно малым круглым поперечным сечением, расположенных на расстоянии одного метра друг от друга в вакууме, будет производить между на эти проводники действует сила, равная 2·10-7 ньютонов на метр длины»

Как вам такое определение?

Обычно ток определяется как скорость, с которой течет заряд:

(1)

\begin{align} I=\frac{\Delta q}{\Delta t} \end{align}

Где I — ток, q — заряд, t — время. Ток определяется как протекание от положительного к отрицательному потенциалу, это немного прискорбно, потому что поток электронов идет от отрицательного к положительному…

Например, в простой цепи с батареей и резистором:

5.

2.3 Определение и применение понятия сопротивления

Некоторые материалы пропускают ток легче, чем другие. Мера того, насколько легко протекает ток, называется сопротивлением . Сопротивление определяется как:

(2)

\begin{align} R = \frac{V}{I} \end{align}

Где V — потенциальное напряжение на объекте, а I — ток, проходящий через объект. Это общее определение сопротивления, а не переформулировка закона Ома, который будет описан ниже.

5.2.4 Закон штата Ома

5.2.5 Сравнить омическое и неомическое поведение

разность потенциалов прямо пропорциональна протекающему току»

Математически это представляется как:

(3)

\begin{align} \frac{V}{I} = константа \end{align}

Это соотношение является обобщенным и применимо не ко всем материалам. Материал, который подчиняется закону Ома, называется омическим, если материал не подчиняется закону Ома, его называют неомическим.

Омическое поведение определяется как линейная зависимость между потенциалом на объекте и током, протекающим через него. Если связь нелинейная, то поведение неомическое.

Пример неомического поведения:

Ток в зависимости от напряжения для лампы накаливания

По мере увеличения напряжения на лампе накаливания ток увеличивается, но не линейно. Это нужно знать и уметь рисовать этот график к экзамену IB!

5.2.6 Выведите и примените выражения для рассеяния электроэнергии на резисторах

Все электрические компоненты используют энергию, скорость, с которой они используют энергию, называется электрической мощностью, потребляемой устройством или компонентом.

Начиная с базового определения мощности:

(4)

\begin{align} P=\frac{W}{t} \end{align}

Затем, используя предыдущий результат для проделанной работы:

(5)

\begin{equation} W=Vq \end{equation} 92}{R} \end{align}

Эта последняя формула находится в вашем справочнике по формулам IB. Единица электрической мощности та же, что и для механической мощности, ватт, определяемый как один джоуль в секунду.

5.2.7 Определение электродвижущей силы

Термин «электродвижущая сила» является вводящим в заблуждение. Это относится не к силе, а к напряжению или потенциалу, обеспечиваемому источником электрического тока. Если вопрос касается э.д.с. батареи или источника питания, он просто запрашивает разность потенциалов, генерируемую, создаваемую проводами источника или между ними.

Термин «электродвижущая сила» устарел, поэтому просто запомните его название и не думайте о нем как о силе.

5.2.8 Описать концепцию внутреннего сопротивления

Каждый электрический элемент, как бы хорошо он ни был сделан, не идеален и имеет некоторое сопротивление или внутреннее сопротивление. Чаще всего мы имеем в виду внутреннее сопротивление батареи. По мере старения батареи она химически разлагается, а внутреннее сопротивление батареи увеличивается, что приводит к увеличению ЭДС. батареи уменьшаться, т. е. напряжение уменьшается.

Единственным исключением являются сверхпроводники, у которых внутреннее сопротивление равно нулю!

5.2.9 Вывести и применить уравнение для эквивалентных сопротивлений резисторов, включенных последовательно и параллельно

5.2.10 Начертить электрические схемы

Закон Кирхгофа для токов – Правило соединения:

Сумма токов, протекающих в точку (или соединение) в цепи равно сумме токов, вытекающих из этой точки (или соединения).

Закон Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда. Ток не может накапливаться или исчезать.

Закон напряжения Кирхгофа – Правило контура:

В замкнутом контуре сумма ЭДС равна сумме падений потенциала.

Правило петли является результатом сохранения энергии, энергия, поступающая в цепь, равна энергии, выделяемой или используемой, энергия не может накапливаться или исчезать.

Резисторы в серии:

В последовательной цепи:

Все компоненты имеют только один путь тока
Все компоненты имеют одинаковый ток через них
Сумма падения потенциала на каждом компоненте равна Э. Д.С. ячейки

Из законов Кирхгофа имеем:

(10)

\begin{equation} I_1 = I_2 = I_3=I_4 \end{equation}

(11)

\begin{equation} V = V_1 +V_2 + V_3 \end{equation}

Из определения сопротивления:

(12)

\begin{align} R = \frac{V}{I} = \frac{V_1 +V_2 + V_3}{I} \end{align}

(13)

\begin{align} R=\frac{V_1}{I}+\frac{V_2}{I}+\frac{V_1}{2}=R_1+R_2+R_3 \end{align}

Резисторы Параллельно:

Параллельно:

Существует более одного пути тока
Все компоненты имеют одинаковую разность потенциалов
Сумма токов, втекающих в любую точку, равна сумме токов, вытекающих из этой точки.

Из законов Кирхгофа:

(14)

\begin{equation} I = I_1 + I_2 + I_3 \end{equation}

(15)

\begin{equation} V = V_1 = V_2 = V_3 \end{equation}

Из определения сопротивления:

(16)

\begin{align} R = \frac{V}{I} = \frac{V}{I_1 + I_2 + I_3} \end{align}

(17)

\begin{align} \frac{1}{R}=\frac{I_1 + I_2 + I_3}{V} = \frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{ 1}{R_3} \end{align}

Определения:

Ячейка: В основном батарея
Батарея: Источник постоянного напряжения и тока, обычно состоящий из множества элементов.
Лампа: Лампочка!
AC Источник питания: Это штепсельные вилки в стене, AC обозначает переменный ток. В цепи переменного тока электроны не совершают чистого движения, они просто плещутся туда-сюда.
Переключатель: Если вы не знаете, что это такое, бросьте вызов и станьте государственным служащим.
Амперметр: Устройство, используемое для измерения тока, протекающего по цепи, должно быть включено последовательно.
Гальванометр: Историческое название первых простых амперметров.
Вольтметр: Устройство, используемое для измерения разности потенциалов, должно быть подключено параллельно.
Резистор: Не играет никакой роли, кроме сопротивления протеканию тока, т. е. отводит энергию от цепи или на резисторе возникает падение или разность потенциалов.
Потенциометр: электрический элемент с переменным сопротивлением, которым может управлять пользователь.
Трансформатор: Элемент, используемый для изменения напряжения тока в электрической цепи. В идеальном трансформаторе энергия сохраняется. Таким образом, если напряжение растет, ток падает, и наоборот.
Нагревательный элемент: см. переключатель

5.2.11 Описание использования амперметров и вольтметров

Вольтметры:

Всегда подключаются параллельно устройству или параллельно.
Имеет очень высокое внутреннее сопротивление, чтобы не брать большой ток из цепи.

Амперметры:

Всегда подключаются последовательно с цепью
Имеет очень низкое внутреннее сопротивление, чтобы не вызвать падение потенциала.

Хотите добавить или прокомментировать эти заметки? Сделайте это ниже.

Понимание электричества – код, схемы и конструкция

Электричество – это поток электрической энергии через какой-либо проводящий материал. Электроника относится к использованию изменяющихся электрических свойств для передачи информации. Электронные датчики преобразуют некоторую другую форму энергии (свет, тепло, звуковое давление и т. д.) в электрическую энергию, чтобы мы могли интерпретировать происходящее в электронном виде. Например, микрофон преобразует волны звукового давления в воздухе в изменяющееся электрическое напряжение. Усиливая и считывая этот электрический сигнал, мы можем интерпретировать звук, вызвавший его. Этот процесс превращения одной энергии в другую называется преобразование , а устройства, которые это делают, называются преобразователями . Большая часть технической работы физических вычислений связана с выяснением того, какую форму энергии излучает человек, и какой тип преобразователя вы можете купить или построить, чтобы считывать эту энергию. Однако для этого необходимо кое-что понять об электричестве. Мы начнем с нескольких терминов, которые будем использовать для обозначения электрических свойств и компонентов. После этого мы поговорим о важных отношениях между некоторыми из этих терминов.

Ток является мерой величины потока электронов в цепи. Измеряется в амперах или амперах. Многие люди объясняют электрический поток, используя в качестве аналогии поток воды. Следуя этой аналогии, ток будет означать, сколько воды (или электричества) проходит через определенную точку. Чем выше сила тока, тем больше воды (или электричества) течет.

Напряжение является мерой электрической энергии цепи. Измеряется в вольтах. В аналогии с водой напряжение будет давлением воды. Думайте о гейзере как о высоком напряжении, а о душе дешевой квартиры на пятом этаже многоквартирного дома — как о низком напряжении (если только вы не один из тех счастливчиков с хорошим напором воды!).

Сопротивление — это мера способности материала противостоять потоку электричества. Измеряется в Омах. Губка в трубе будет действовать как резистор, ограничивая ток (и напряжение), протекающий через трубу.

Цепь представляет собой замкнутый контур, содержащий источник электроэнергии (например, аккумулятор) и нагрузку (например, электрическая лампочка). Каждая цепь должна иметь какую-то нагрузку. Вся электрическая энергия в цепи должна использоваться нагрузкой. Нагрузка будет преобразовывать электрическую энергию в какую-либо другую форму энергии. Цепь без нагрузки называется коротким замыканием. При коротком замыкании источник питания отдает всю свою мощность по проводам и обратно на себя, и либо провода плавятся (если повезет), либо батарея взрывается, либо происходит еще что-то бедственное.

Ниже приведена очень простая схема, состоящая из лампы, выключателя и батареи. Электрическая энергия, поступающая от батареи, преобразуется в тепловую и световую энергию с помощью лампочки.

Существует два распространенных типа цепей: постоянного тока, или постоянного тока, и переменного, или переменного тока. В цепи постоянного тока ток всегда течет в одном направлении. В цепи переменного тока полюса цепи меняются местами в регулярном повторяющемся цикле. В одной части цикла один полюс имеет более высокий потенциал (положительный), а другой — более низкий (отрицательный). В следующей части цикла второй полюс более положительный, а первый полюс более отрицательный. Большинство цепей, о которых мы будем говорить в этом классе, будут цепями постоянного тока. Принципиальные схемы — это схемы цепей с символами, представляющими компоненты в цепи. Многие из типичных символов показаны ниже.

Компоненты

Проводники — это материалы, по которым свободно проходит электрический ток.

Изоляторы — это материалы, препятствующие протеканию электричества.

Резисторы сопротивляются, но не полностью блокируют поток электричества. Они используются для управления потоком тока. Ток может проходить через резистор в любом направлении, поэтому не имеет значения, как они подключены к цепи. Они обозначаются следующим образом:

Конденсаторы накапливают электричество, пока в них протекает ток, а затем высвобождают энергию, когда входящий ток снимается. Иногда они поляризованы, то есть ток может течь через них только в определенном направлении, а иногда нет. Если конденсатор поляризован, он будет отмечен на схеме. Не подключайте поляризованный конденсатор наоборот; он может взорваться.

Конденсаторы обозначаются следующим образом:

Диоды разрешают поток электричества в одном направлении и блокируют его в другом направлении. Из-за этого их можно размещать в цепи только в одном направлении. Они обозначаются следующим образом:

Светоизлучающие диоды (светодиоды) — это особые типы диодов, которые излучают свет при протекании через них тока. Они обозначаются следующим образом:

Существует множество других типов компонентов, с которыми вы столкнетесь:

переключатели управляют протеканием тока через соединение в цепи:

транзисторы и реле коммутационные устройства:

термисторы изменение сопротивления в ответ на изменение температуры;
фоторезисторы изменение сопротивления в зависимости от изменения освещенности;
датчики изгиба изменение сопротивления в ответ на сгибание или сгибание;
Пьезоэлектрические устройства создают переменное напряжение в ответ на незначительные изменения давления.

Зависимости

Напряжение (В), ток (I) и сопротивление связаны (R) связаны по следующей формуле:
Вольт = Ампер x Ом, или

В = I x R

Ток (I), напряжение (V) и сопротивление (R) также связаны с электрической мощностью (P) (измеряется в ваттах) следующим образом: Вт = вольт x ампер или

Вт = В x А

Электрический ток течет из мест с более высокой потенциальной энергией в места с более низкой потенциальной энергией (т. е. от положительного к отрицательному).

Земля — место в цепи, где потенциальная энергия электронов равна нулю. Иногда эта точка подключается к фактической земле либо через заземленную электрическую цепь, водопроводную трубу, либо каким-либо другим способом. В принципе, подойдет любой проводник, идущий к земле.

Несколько важных правил:

Ток идет по пути наименьшего сопротивления к земле. Итак, если у него есть выбор из двух путей в цепи, и один из них имеет меньшее сопротивление, он выберет этот путь.

В любой заданной цепи общее напряжение на пути цепи равно нулю . Каждый компонент, который предлагает сопротивление, снижает напряжение, и к тому времени, когда мы достигнем конца контура, напряжения не останется.

Количество тока, входящего в любую точку цепи, равно количеству, выходящему из этой точки.

Эти последние два правила дают нам способ выяснить, что происходит, когда мы помещаем компоненты в цепь. Когда мы смотрим на то, как компоненты в цепи размещаются по отношению друг к другу, мы можем сделать это двумя способами: один за другим или рядом. Когда они стоят один за другим, мы говорим, что компоненты находятся в ряду и друг с другом. Бок о бок они находятся в параллелях друг с другом.

Давайте посмотрим, как изменяются ток и напряжение, когда компоненты соединены последовательно или параллельно:

Когда два компонента соединены последовательно, они располагаются один за другим, например:

Когда резисторы соединены последовательно, напряжение на каждом резисторе падает, а общее сопротивление равно сумме всех резисторов. Мы знаем, что в приведенной выше схеме ток везде постоянен. Мы знаем падение напряжения на каждом резисторе и знаем, что сумма всех падений напряжения равна напряжению на батарее. Итак, V _в = V ₁ + V ₂ . Если мы знаем значения резисторов, мы можем использовать формулу V = I x R для расчета точных напряжений в каждой точке. Когда два компонента соединены параллельно, они размещаются рядом друг с другом, например: резисторы включены параллельно, напряжение на них одинаковое, но ток делится между ними. Однако общий ток постоянен, поэтому мы знаем, что разделенный ток между параллельными резисторами равен общему току. Итак, я ₁ + я ₂ = I _всего .

Хотя иногда полезно подумать о математических соотношениях параллельных и последовательных цепей, часто полезнее думать о них с точки зрения практических эффектов. Опять же, подумайте о метафоре воды. Для последовательного примера, если один резистор снижает напряжение (давление воды), только меньшее напряжение (струйка воды) проходит к следующему.

Что такое электрический ток и как он возникает

Основные характеристики электрического тока

Закон Ома и его практическое значение

Методика проведения эксперимента

Опыт 1: Зависимость силы тока от напряжения

Опыт 2: Зависимость силы тока от сопротивления

Анализ результатов эксперимента

Опыт 1: Зависимость I(U)

Опыт 2: Зависимость I(1/R)

Практическое применение закона Ома

Заключение и выводы

Направление электрического тока в цепи и его движение

Электрический ток в разных веществах

В каком направлении течет ток

Почему надо знать историю физических открытий

Что мы узнали?

Тест по теме

Оценка доклада

Электрическая цепь. Электрический ток в металлах

Основы электротехники 2 — Электрическая цепь

Исследование силы тока в электрической цепи

Подробнее о работе:

Оглавление

Введение

Электрический ток

Закон Ома

Применение Закона Ома

Экспериментальная часть

Опыт № 1. Исследование зависимости силы тока от напряжения

Опыт № 2. Исследование зависимости силы тока от сопротивления

Заключение

Список используемой литературы

Как работает электричество, куда оно течет

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Понимание течения электрического тока

Движущиеся электроны

Как работают генераторы

Ток = Поток электроэнергии

Переменный и постоянный ток

Напряжение = Давление

Мощность = Скорость потока

Ом = сопротивление

Понимание электричества — узнайте об электричестве, силе тока, напряжении и сопротивлении

Объяснение урока: Расчет силы тока в проводе

Определение: электрический ток в проводе

Пример 1: расчет потока заряда при заданном токе

Ответить

Пример 2: Сравнение токов в нескольких цепях

Ответ

Пример 3: Сравнение токов в нескольких цепях

Ответ

Пример 4: Зависимость между током и количеством заряда, движущегося в цепи

Ответ

Пример 5: Понимание электрического тока в цепи

Ответ

Ключевые моменты

Расчеты и концепции схем — физика для старших классов

Все ресурсы по физике для старших классов

Electric Circuits – IB Physics Stuff

5.

5.2.2 Дайте определение электрическому току

5.

5.2.4 Закон штата Ома

5.2.5 Сравнить омическое и неомическое поведение

5.2.6 Выведите и примените выражения для рассеяния электроэнергии на резисторах

5.2.7 Определение электродвижущей силы

5.2.8 Описать концепцию внутреннего сопротивления

5.2.9 Вывести и применить уравнение для эквивалентных сопротивлений резисторов, включенных последовательно и параллельно

5.2.10 Начертить электрические схемы

Определения:

5.2.11 Описание использования амперметров и вольтметров

Хотите добавить или прокомментировать эти заметки? Сделайте это ниже.

Понимание электричества – код, схемы и конструкция

Компоненты

Зависимости

Похожие записи

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий Отменить ответ