"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Электростатика изучает электрические заряды и их взаимодействие, а раздел о постоянном токе — упорядоченное движение зарядов в проводниках. Заряды создают электрическое поле, которое действует на другие заряды. Чтобы ток не прекращался, нужны замкнутая цепь и источник, поддерживающий разность потенциалов. Главные величины темы — заряд, сила тока, напряжение и сопротивление; их связь на участке цепи выражает закон Ома.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электромагнитном взаимодействии; его обозначают q и измеряют в кулонах (Кл). Заряд нужен, чтобы количественно описывать электрические свойства тел и сравнивать их взаимодействие. Например, значение заряда позволяет определить, сколько электричества перенесено в цепи.
Электрическое поле — форма материи, посредством которой электрические заряды действуют друг на друга; его силовую характеристику называют напряжённостью E. Поле помогает объяснить действие зарядов на расстоянии, без непосредственного соприкосновения тел. По напряжённости судят о том, какую силу поле может оказать на заряд.
Сила тока — величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени; её обозначают I. Из определения следует формула I = q/t, где q — прошедший заряд, а t — время. Эта величина показывает, насколько интенсивно переносится заряд.
Электрическое напряжение — работа электрического поля по перемещению заряда, делённая на этот заряд; обозначение напряжения — U. Формула определения имеет вид U = A/q, где A — работа поля, q — перемещённый заряд. Напряжение позволяет сравнить, сколько энергии поле передаёт каждому кулону заряда.
Заряды бывают двух знаков: одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются. Причина такого различия заключена в свойствах электрического взаимодействия: знак заряда определяет направление силы относительно другого заряда. При контакте или другом взаимодействии тела могут передавать заряд, но общий заряд замкнутой системы сохраняется: он не исчезает, а перераспределяется.
Вокруг заряженного тела возникает электрическое поле, потому что заряд создаёт область, в которой на другие заряды действует сила. Само поле обнаруживают по действию на пробный заряд, а не рассматривают как невидимую «нить» между телами. Напряжённость направлена так же, как сила, действующая на положительный пробный заряд; на отрицательный заряд сила направлена противоположно.
В проводнике есть свободные носители заряда, способные перемещаться между его частями. Когда в проводнике действует электрическое поле, на носители возникает сила, и их движение становится упорядоченным — появляется ток. В металлах движутся отрицательные электроны, однако направление тока условились задавать по движению положительных зарядов, поэтому направления тока и электронов противоположны.
Для длительного постоянного тока нужны замкнутый проводящий контур и источник тока. В замкнутой цепи заряды могут непрерывно перемещаться, а источник разделяет заряды и поддерживает разность потенциалов, создающую поле в цепи. Если контур разомкнуть, непрерывное движение прекратится; если условия в цепи не меняются, ток называют постоянным.
Напряжение характеризует работу поля на единицу заряда, а сопротивление показывает, насколько проводник препятствует прохождению тока. Для участка цепи эти величины связаны законом Ома: I = U/R. Поэтому при неизменном сопротивлении увеличение напряжения приводит к увеличению силы тока, а при неизменном напряжении большее сопротивление означает меньший ток.
| Величина | Обозначение | Определение или связь | Единица СИ |
|---|---|---|---|
| Электрический заряд | q | Характеризует электрические свойства тел | Кулон (Кл) |
| Сила тока | I | I = q/t | Ампер (А) |
| Напряжение | U | U = A/q | Вольт (В) |
| Сопротивление | R | R = U/I | Ом (Ом) |
Пользуйся таблицей, чтобы быстро вспомнить обозначение, единицу и формулу нужной величины. Сначала определи, что требуется найти, затем выбери связь, в которой эта величина выражена через известные данные. Перед подстановкой проверь, что все величины записаны в единицах СИ.
Через поперечное сечение проводника за 4 с прошёл заряд 12 Кл. Требуется найти силу тока. Известны заряд и время, поэтому удобно применить определение силы тока, а не закон Ома. Единицы уже согласованы с СИ.
Ответ: сила тока равна 3 А.
На участке цепи напряжение равно 6 В, сопротивление — 3 Ом. Нужно определить силу тока. Здесь заданы напряжение и сопротивление, значит, искомый ток находится непосредственно по закону Ома. Вольт и ом — подходящие единицы для этой формулы.
Ответ: сила тока равна 2 А.
К участку цепи приложено напряжение 12 В. За 2 мин через него прошёл заряд 240 Кл. Требуется найти силу тока и сопротивление участка. Сначала используем заряд и время, чтобы определить ток, затем применим закон Ома. Минуты необходимо перевести в секунды, иначе единицы силы тока окажутся неверными.
Ответ: сила тока равна 2 А, сопротивление — 6 Ом.
Путают заряд и силу тока. Заряд показывает количество перенесённого электричества, а сила тока — сколько заряда проходит за единицу времени. Путаница возникает потому, что обе величины описывают перенос зарядов. Проверь себя: заряд измеряется в кулонах, а ток — в амперах; в формуле I = q/t они занимают разные места.
Считают, что ток расходуется в проводнике. В цепи переносится заряд, а не сам ток; при этом энергия может передаваться и преобразовываться, например, в тепло. Ошибку допускают, представляя ток как вещество, которое постепенно исчезает. Проверь объяснение цепи: количество заряда, входящего в участок за время, соответствует количеству выходящего, а энергия может измениться.
Указывают направление тока как направление движения электронов. В металле электроны движутся противоположно условному направлению тока. Ошибка кажется естественной, если забыть, что направление тока определили по движению положительных зарядов. Для самопроверки сначала выясни знак носителя: отрицательный электрон движется против направления тока.
Применяют закон Ома без перевода единиц или смешивают напряжение и сопротивление. Тогда результат может получить неверное численное значение или единицу. Такое случается, когда формулу выбирают до того, как выписали известные и искомые величины. Проверь обозначения и единицы, при необходимости переведи минуты в секунды, а затем подставляй данные в I = U/R.
Для изучения электрических явлений полезны знания о строении вещества, атомах и электронах: они помогают понять, какие частицы переносят заряд в проводнике. Также понадобятся навыки работы с физическими величинами и единицами СИ, потому что правильный перевод единиц необходим при расчётах. Эти основы подготовят к изучению электрических цепей, работы и мощности тока, электрической энергии и действия электрического поля. В дальнейшем те же понятия помогут объяснять работу электрических приборов и рассчитывать характеристики цепей.
Почему электрический заряд измеряют в кулонах?
Кулон — единица электрического заряда в Международной системе единиц. Заряд в 1 Кл проходит через сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А, поскольку I = q/t.
Чем электрическое поле отличается от электрического заряда?
Заряд — свойство частицы или тела, связанное с электромагнитным взаимодействием. Поле — то, посредством чего заряды действуют друг на друга; оно существует вокруг зарядов и действует на заряды, помещённые в него.
Почему для существования постоянного тока цепь должна быть замкнутой?
В замкнутом проводящем контуре заряды могут непрерывно перемещаться по цепи. В разомкнутой цепи их движение быстро прекращается, поэтому устойчивый ток не поддерживается.
Почему направление тока не совпадает с направлением движения электронов?
Направление тока условно определили как направление движения положительных зарядов. В металлах носители заряда — электроны, у которых заряд отрицательный, поэтому они движутся противоположно условному направлению тока.
Что показывает напряжение и как оно связано с силой тока?
Напряжение показывает, какую работу электрическое поле совершает при перемещении единичного заряда. Для участка цепи сила тока связана с напряжением законом Ома: I = U/R, где R — сопротивление.
ЭЛЕКТРОСТАТИКА И ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
