"Физика", Б.А.Кронгарт, Ш.Б. Насохова
Электрическая цепь позволяет электрическому току выполнять полезную работу: например, включать лампу или приводить в действие прибор. Для этого нужны источник, потребитель, провода и замкнутый ключ. Силу тока определяют по заряду, проходящему через проводник за время, а напряжение показывает работу поля на единицу заряда. Эти величины измеряют амперметром и вольтметром, подключая приборы по-разному.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрическая цепь — замкнутая система устройств, по которой может проходить ток. Источник создаёт электрическое поле, потребитель преобразует электрическую энергию, провода соединяют элементы, а ключ замыкает или размыкает цепь. Эти части нужны, чтобы ток мог идти по выбранному пути и выполнять полезную работу.
Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Для него необходимы свободные заряды, способные перемещаться, и электрическое поле, которое приводит их в движение. Это определение помогает отличить ток от случайного, беспорядочного движения частиц.
Сила тока — физическая величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени: I = q/t. Силу тока обозначают I, её единица измерения — ампер (А). Она нужна, чтобы сравнивать, сколько заряда проходит по разным участкам цепи за одинаковое время.
Напряжение — физическая величина, равная работе электрического поля по перемещению заряда, делённой на этот заряд: U = A/q. Его обозначают U, а единица измерения — вольт (В). Напряжение помогает оценить, сколько энергии поле передаёт каждому кулону заряда.
Каждый элемент цепи выполняет свою задачу, поэтому для работы цепи недостаточно просто соединить любые устройства. Источник создаёт электрическое поле, которое действует на свободные заряды в проводниках. Потребитель использует электрическую энергию и преобразует её, например, в свет или тепло. Провода дают зарядам путь между элементами, а ключ позволяет этот путь открыть или закрыть.
Для непрерывного тока нужен замкнутый путь: тогда заряды могут двигаться по всей цепи, а источник поддерживает электрическое поле. При разомкнутом ключе путь прерывается, и непрерывного движения зарядов по всей цепи нет. После замыкания электрическое поле вызывает их упорядоченное движение. Поэтому одного наличия источника недостаточно — цепь должна быть замкнута.
Сила тока показывает, насколько интенсивно заряд проходит через сечение проводника. Если за время t прошёл заряд q, то количество заряда за одну секунду находят делением q на t: I = q/t. Например, при одинаковом времени больший прошедший заряд означает большую силу тока. Если известны сила тока и время, заряд можно найти обратным действием: q = It.
Напряжение связывает работу электрического поля с зарядом, который оно перемещает. По формуле U = A/q мы узнаём, какую работу поле совершает на каждый кулон заряда. Значит, напряжение описывает передачу энергии заряженным частицам на участке цепи. Если известны напряжение и заряд, работу можно вычислить: A = Uq.
Для измерения силы тока используют амперметр: его включают последовательно с нужным участком, чтобы через прибор проходил тот же ток. Силу тока записывают в амперах. Напряжение измеряют вольтметром, который подключают параллельно участку: так он показывает разность напряжений на его концах. Напряжение записывают в вольтах.
Сравнивайте величины по их физическому смыслу, а не только по обозначениям: сила тока относится к заряду за время, напряжение — к работе на заряд. В таблице указаны формулы и способы измерения этих величин. Она поможет выбрать нужный прибор и правильно подключить его в задаче или при сборке цепи.
| Характеристика | Сила тока | Напряжение |
|---|---|---|
| Обозначение | I | U |
| Физический смысл | Заряд, проходящий за единицу времени | Работа поля на единицу заряда |
| Формула | I = q/t | U = A/q |
| Единица СИ | Ампер (А) | Вольт (В) |
| Прибор для измерения | Амперметр | Вольтметр |
| Способ включения прибора в цепь | Последовательно с участком | Параллельно участку |
В задачах сначала определите, какую величину требуется найти, и выпишите известные значения. Затем выберите формулу, которая связывает искомую величину с данными условия. Если время дано в минутах, переведите его в секунды до подстановки, чтобы получить ответ в единицах СИ.
Через поперечное сечение проводника за 4 с прошёл заряд 12 Кл. Найдите силу тока. Известны заряд q = 12 Кл и время t = 4 с, значит, подойдёт формула I = q/t. По ней можно найти заряд, проходящий за одну секунду.
Электрическое поле совершило работу 18 Дж, переместив заряд 3 Кл. Нужно найти напряжение. Здесь известны работа A и заряд q, поэтому используем связь напряжения с работой на единицу заряда. Полученную единицу проверяем по формуле: джоуль на кулон — это вольт.
Сила тока в цепи равна 0,5 А и поддерживается в течение 2 мин. Найдите прошедший заряд, а затем работу поля при напряжении 6 В. Сначала используем связь тока, заряда и времени, но переводим минуты в секунды. Затем найденный заряд подставим в формулу работы A = Uq.
Ошибка — считать, что одного источника достаточно для появления непрерывного тока. Её допускают, потому что источник действительно создаёт электрическое поле, но поле не обеспечивает замкнутый путь при разрыве цепи. Проверьте себя: все ли участки цепи соединены и закрыт ли ключ. Если путь прерван, непрерывного тока по цепи нет.
Иногда силу тока путают с зарядом и считают эти величины одинаковыми. Заряд показывает количество электричества, а сила тока — сколько заряда проходит за единицу времени. Чтобы проверить выбор, сверьте формулу и единицы: q измеряется в кулонах, I — в амперах, то есть кулонах в секунду.
При расчёте I = q/t можно оставить время в минутах и получить неверный ответ в амперах. Так происходит, если забыть, что ампер определяется через секунду. Перед подстановкой переведите минуты в секунды, умножив их на 60, а затем проверьте единицы результата.
Неверное подключение приборов — амперметр параллельно или вольтметр последовательно — меняет смысл измерения. Обычно ошибаются, запоминая приборы без понимания, какую величину измеряют. Сверьте подключение: амперметр ставят в общий путь тока последовательно, а вольтметр соединяют с двумя концами участка параллельно.
Для понимания тока нужны знания о положительных и отрицательных электрических зарядах и электрическом поле: именно поле действует на свободные заряды. Сила тока и напряжение пригодятся при изучении закона Ома и электрического сопротивления, а также при расчётах цепей. Умение читать схемы и подключать измерительные приборы понадобится в лабораторных работах и практических задачах.
Почему электрический ток не проходит по разомкнутой цепи?
Разрыв не даёт заряженным частицам непрерывно двигаться по всей цепи. Даже если источник создаёт электрическое поле, при разомкнутом участке замкнутого пути для тока нет.
Чем сила тока отличается от электрического заряда?
Заряд q показывает количество электричества, а сила тока I — сколько заряда проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Поэтому сила тока зависит и от заряда, и от времени: I = q/t.
Что показывает напряжение на участке цепи?
Напряжение показывает, какую работу электрическое поле совершает при перемещении единичного заряда на данном участке. Чем больше работа на один кулон, тем больше напряжение.
Почему амперметр подключают последовательно?
Так через амперметр проходит тот же ток, что и через участок, на котором его измеряют. При последовательном подключении прибор оказывается частью одного пути тока.
Как перевести минуты в секунды перед расчётом силы тока?
Количество минут нужно умножить на 60: например, 2 мин = 2 · 60 = 120 с. В формуле I = q/t время выражают в секундах, чтобы получить силу тока в амперах.
§ 24. Электрическая цепь и ее составные части. Сила тока. Напряжение
