"Физика", Андрюшечкин С.М.
Электрические явления связаны с зарядами и их взаимодействием. Заряженные частицы могут упорядоченно двигаться в проводнике — так возникает электрический ток, который питает лампы и другие приборы. Чтобы описывать ток в цепи, используют силу тока, напряжение и сопротивление. Эти величины связывает закон Ома: он помогает рассчитать ток, понять, как меняется работа цепи, и безопасно подключать измерительные приборы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический заряд характеризует способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Заряд обозначают q и измеряют в кулонах (Кл); он бывает положительным и отрицательным. Это понятие помогает описать, почему тела притягиваются или отталкиваются и как электрическое взаимодействие влияет на частицы.
Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Его силу обозначают I и измеряют в амперах (А); сила тока показывает, какой заряд проходит через сечение проводника за единицу времени. Понятие тока нужно, чтобы оценивать движение зарядов в цепи и работу её элементов.
Электрическое напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению заряда между двумя точками цепи. Напряжение обозначают U и измеряют в вольтах (В): U = A / q, где A — работа поля, q — заряд. По напряжению можно судить, какую работу поле совершает при перемещении каждого кулона заряда.
Электрическое сопротивление характеризует противодействие проводника электрическому току. Его обозначают R и измеряют в омах (Ом); сопротивление зависит от материала проводника и его размеров. Эта величина помогает предсказать, какой ток установится при заданном напряжении.
При трении часть электронов переходит с одного тела на другое, а при соприкосновении заряд может перераспределиться между телами. Электроны несут отрицательный заряд: тело, получившее лишние электроны, заряжается отрицательно, а потерявшее их — положительно. Заряды не появляются из ничего: в замкнутой системе общее количество положительного и отрицательного зарядов учитывается законом сохранения заряда. Поэтому после взаимодействия тел их суммарный заряд остаётся прежним.
Вещество состоит из атомов, в которых положительно заряженное ядро окружено отрицательно заряженными электронами. В некоторых веществах часть электронов может перемещаться между атомами; такие вещества называют проводниками, и в них заряд способен переноситься по всему телу. В диэлектриках заряженные частицы связаны с атомами или молекулами и не могут свободно перемещаться на большие расстояния. Поэтому металл подходит для проводов, а пластик вокруг него мешает току уходить в окружающую среду.
Электрическое поле действует на заряженные частицы с силой: положительные частицы движутся по направлению поля, а отрицательные — против него. Если частицы могут перемещаться, их упорядоченное движение образует ток; без поля движение обычно не становится направленным. Источник тока разделяет заряды и поддерживает разность электрических состояний на своих полюсах, благодаря чему в цепи сохраняется поле. Без источника ток быстро прекратился бы, когда заряды перераспределились бы.
Чтобы ток шёл непрерывно, провод соединяют с источником и потребителем так, чтобы получился замкнутый путь. Источник создаёт условия для движения зарядов, провода соединяют элементы, а лампа или другой прибор использует электрическую энергию. Силу тока измеряют амперметром, включённым последовательно: тогда через него проходит тот же ток, что и через участок. Напряжение измеряют вольтметром, подключённым параллельно к концам участка, между которыми сравнивают работу поля.
Для участка цепи закон Ома устанавливает связь I = U / R: при неизменном сопротивлении большему напряжению соответствует больший ток, а при неизменном напряжении рост сопротивления уменьшает ток. Сопротивление зависит от материала и геометрии: R = ρl / S, где ρ — удельное сопротивление материала, l — длина проводника, S — площадь его поперечного сечения. Длинный проводник сопротивляется сильнее, а толстый — слабее, если материал одинаков. Эти зависимости позволяют понять, почему один и тот же источник по-разному действует на разные проводники.
| Величина | Обозначение | Единица СИ | Прибор или способ измерения | Основная связь |
|---|---|---|---|---|
| Электрический заряд | q | кулон (Кл) | Электрометр; расчёт по q = It | q = It |
| Сила тока | I | ампер (А) | Амперметр | I = q / t |
| Напряжение | U | вольт (В) | Вольтметр | U = A / q |
| Сопротивление | R | ом (Ом) | Омметр или расчёт по R = U / I | R = U / I |
Сначала определите, какую именно величину требуется найти, и выберите соответствующую строку таблицы. Приборы подключают к цепи по правилам: амперметр последовательно, вольтметр параллельно; сопротивление также можно вычислить по измеренным напряжению и силе тока. Формулы помогают проверять, подходят ли единицы и известные значения для расчёта.
Два одинаковых заряженных тела имеют заряды +6 нКл и −2 нКл. Их соприкоснули, а затем разъединили. Нужно найти заряд каждого тела после контакта. Сначала важно определить общий заряд пары, а затем учесть, что одинаковые тела при соприкосновении делят его поровну.
Ответ: заряд каждого тела равен +2 нКл. Проверка: сумма зарядов после разделения составляет +2 нКл + +2 нКл = +4 нКл, как и до соприкосновения.
Через проводник за 4 с прошёл заряд 12 Кл. Требуется найти силу тока. Сила тока показывает заряд, проходящий через поперечное сечение за одну секунду, поэтому делим весь прошедший заряд на время. Перед вычислением проверим, что заряд дан в кулонах, а время — в секундах.
Ответ: сила тока равна 3 А. Такой результат означает, что через сечение проводника каждую секунду проходит заряд 3 Кл.
К проводнику сопротивлением 8 Ом приложено напряжение 24 В. Нужно найти силу тока, а затем определить напряжение для тока, вдвое меньшего, если сопротивление останется прежним. Здесь сопротивление задано, поэтому используем закон Ома для участка цепи. При постоянном сопротивлении сила тока изменяется во столько же раз, во сколько изменяется напряжение.
Ответ: первоначальная сила тока равна 3 А, а для силы тока 1,5 А нужно напряжение 12 В. Проверка показывает, что половинное напряжение при том же сопротивлении даёт половинный ток.
Считать, что при электризации заряд создаётся из ничего, — ошибка: при трении или контакте электроны переходят между телами. Так думают, потому что наэлектризованное тело начинает проявлять свойства, которых прежде не замечали. Проверь себя: сложи заряды взаимодействовавших тел до и после процесса — сумма должна сохраниться.
Путать направление движения электронов с принятым направлением тока. Электроны в металлическом проводнике движутся от отрицательного полюса к положительному, но направление тока условно выбрано как направление движения положительных зарядов. Проверь себя: если описываешь именно электроны, укажи, что они движутся противоположно направлению тока.
Подключать амперметр параллельно участку или вольтметр последовательно — значит неверно включать измерительные приборы. Путаница возникает из-за того, что оба прибора подключают к элементам цепи, но измеряют они разные величины. Проверь схему: амперметр стоит на пути тока через участок, а вольтметр соединён с обоими его концами.
Переставлять величины в законе Ома без проверки смысла и единиц — значит рисковать получить неверный результат. Для участка цепи сила тока равна напряжению, делённому на сопротивление: I = U / R. Проверь себя размерностями: вольт, делённый на ом, даёт ампер; если ищешь ток, ответ должен иметь единицу А.
Для понимания электрических явлений нужны знания о строении вещества и движении частиц: они объясняют, откуда берутся заряды и почему одни материалы проводят ток, а другие нет. Единицы измерения помогают записывать результаты опытов и выполнять расчёты. Понятия работы и энергии проясняют смысл напряжения и то, как источник тока поддерживает движение зарядов.
Далее эти знания пригодятся при изучении последовательного и параллельного соединения проводников, электрической мощности и бытовых приборов. В новых темах те же величины — сила тока, напряжение и сопротивление — будут описывать уже более сложные цепи и их работу.
Почему после трения тела электризуются?
При трении часть электронов переходит с одного тела на другое, поэтому на телах появляется избыток или недостаток электронов. Заряд не возникает из ничего: он перераспределяется между телами.
Может ли электрический ток существовать в разомкнутой цепи?
В обычной разомкнутой цепи устойчивый ток не течёт: разрыв мешает заряженным частицам двигаться по замкнутому пути. Кратковременное перемещение зарядов возможно, например, при разряде накопившегося заряда.
Чем напряжение отличается от силы тока?
Сила тока показывает, какой заряд проходит через сечение проводника за единицу времени. Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению единицы заряда между двумя точками.
Почему амперметр включают последовательно, а вольтметр параллельно?
Амперметр должен измерить весь ток через участок, поэтому его включают в цепь последовательно с этим участком. Вольтметр сравнивает электрические состояния двух его концов, поэтому его подключают параллельно.
Что произойдёт с силой тока, если увеличить сопротивление проводника при неизменном напряжении?
Сила тока уменьшится, потому что по закону Ома I = U / R. При неизменном напряжении увеличение сопротивления означает, что через проводник за каждую секунду проходит меньший заряд.
Раздел 2. Электрические явления
